CN108916158B - 一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，包括如下步骤：检测计算油缸内液压油的体积变化量和流向；考虑泄漏系数，根据油缸内液压油体积变化量、流向和缸筒截面积，获得油缸行程计算值表达式；测量记录油缸每次移动的实际行程值，结合油缸行程计算值，确定最终的油缸行程检测值表达式，并对行程的绝对零点和满行程位置进行标定；行程控制器模块实现容积式流量计和接近开关信号的采集、参数设置、运算处理、显示以及控制输出，精确检测和定位油缸行程；本发明结构紧凑、不受油缸行程影响、成本低，而且不需油缸本体的特殊加工处理，易于实现。

Description

一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，属于液压油缸行程检测与定位控制技术领域。
背景技术：
目前，液压油缸行程的检测方法可分为外置式和内置式，外置式方法大多数采用拉绳式位移传感器，特点是结构紧凑，测量行程长，成本低，控制程序易于实现，缺点是安装时对角度、平行度和外界环境清洁度有较高要求，否则会影响使用寿命。内置式方法大多数采用磁致伸缩位移传感器，特点是能够达到很高的检测精度，传感器的响应频率很高，适合高精度高速度检测场合，缺点是结构较复杂，需使用空心活塞杆，行程较长时加工困难，在高压系统中需要采取耐高压措施，而且成本太高。
而目前采用液压油体积流量来间接计算活塞杆伸出行程的方法，其原理是将容积式流量计安装在油缸无杆腔的连接油管上，每个齿谷和测量腔壁形成的空间中所包含的液体体积相等，通过探测经过的齿轮数（脉冲数）便可精确测量出流过的液压油体积V。再由于油缸无杆腔截面面积是确定的，由 便可得出油缸的行程位置。该方法不仅具有结构紧凑、不受测量行程影响、成本低的特点，而且不需油缸本体的特殊加工处理，易于实现，尤其适合应用在受安装环境和成本所限，以及某些老旧设备改造项目的场合。但由于油缸油液泄漏、检测误差、运算转换误差等因素，会影响该方法的测量精度，因此，有必要对采用液压油体积流量来间接计算活塞杆伸出行程的方法进行改进，以提高测量精度；同时随着油缸朝着数字化和集成化方向发展，有必要研究油缸、行程检测与控制装置的一体化和模块化设计。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种不受油缸行程影响、成本低，而且不需油缸本体的特殊加工处理，易于实现的基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于其包括如下步骤：
1）采用容积式流量计检测计算油缸内液压油的体积变化量和流向；
2）考虑泄漏系数，根据油缸内液压油体积变化量、流向和缸筒截面积，获得油缸行程计算值表达式；
3）人工测量记录油缸每次移动的实际行程值，结合步骤（2）的行程计算值，利用线性回归确定最终的油缸行程检测值表达式；并根据接近开关信号对行程的绝对零点和满行程位置进行标定；
4）行程控制器模块实现容积式流量计和接近开关信号的采集、参数设置、运算处理、显示以及控制输出，精确检测和定位油缸行程；
5）将油缸、流量计与行程控制器模块设计成一体化装置。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（1）的容积式流量计输出带90°相位差的双脉冲信号，测量双向流动的油缸内液压油体积并识别流向；
已知容积式流量计的脉冲体积系数为Q1，单位为（每升脉冲个数）；若某段行程内，容积式流量计输出的脉冲个数为 （个），则油液体积变化量V为：；
容积式流量计的脉冲输出1比脉冲输出2上升沿提前90°时，流向为方向1；脉冲输出1比脉冲输出2上升沿落后90°时，流向为方向2；容积式流量计安装在油缸无杆腔的连接油管上，定义当油缸活塞杆伸出时，油液流向为方向1，当油缸活塞杆缩回时，油液流向为方向2。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（2）中获得油缸行程计算值L1表达式包括如下步骤：
1）确定已知参数：油缸内直径D；容积式流量计的脉冲体积系数Q1，单位为（每升脉冲个数）；泄漏系数K1；油缸满行程值为 ;
2）计算油缸无杆腔截面面积：
（1）
3）则油缸当前行程计算值表达式为：
（2）
其中，为油缸当前行程计算值，以每次电磁换向阀的断开时刻为标记；
为油缸上一次行程计算值；
当流向为方向1时，取“+”号，当流向位方向2时，取“–”号。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（3）中移动油缸至不同行程位置，人工测量记录每次移动后的实际行程值，将实际行程值作为因变量，并将上述获得的油缸当前行程计算值 作为自变量，利用线性回归方法计算回归系数，确定最终的油缸行程检测值 的表达式，具体包括如下步骤：
1）移动油缸至行程中的不同位置，分别记录获得的油缸当前行程计算值L1和人工测量的实际行程值 ，作为原始样本数据，样本数量m≥20；
2）建立线性回归方程：
（3）
其中， 和 为回归系数；
3）根据样本数据计算出：
（4）
（5）
其中， 为 的平均值， 为 的平均值； m为样本数量；
4）然后利用最小二乘法，计算出回归系数：
（6）
（7）
5）最终的油缸行程检测值的表达式：
（8）
其中，； 和 见式（6）和（7）。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（3）中根据接近开关信号对行程的绝对零点和满行程位置进行标定，具体包括如下步骤：
在油缸活塞杆完全收回位置和完全伸出位置，分别安装接近开关SQ1和SQ2，用以标定油缸行程的绝对零点位置和绝对满行程位置，这样不仅可以根据油缸油液体积相对变化量来计算出油缸在移动行程上的绝对位置，而且可以在油缸活塞杆每次完全收回和完全伸出时进行位置值标定，以消除累积误差；即对于式（8）：
当SQ1=1时，；；
当SQ2=1时，；。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（4）中行程控制器模块采用STM32单片机为核心处理器，包括用于采集容积式流量计信号和接近开关信号的I/O端口；用于按键输入的I/O端口；用于LED数码管显示输出的I/O端口；用于RGB5050指示灯输出的I/O端口；用于与电磁阀连接的驱动电路（采用PWM控制输出）；用于目标值信号输入的AD转换电路；以及用于行程检测值输出的DA转换电路；
其中，常用可设置参数主要包括：
F1.1 油缸内直径D；
F1.2 脉冲体积系数Q1，IMPulse/L；
F1.3 泄漏系数K1；
F1.4 回归系数 ；
F1.5 回归系数 。
本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明利用可设置的回归系数对油缸行程计算值进行调节，可提高该检测方法的精度；通过接近开关标定油缸行程的绝对零点位置和绝对满行程位置，可用以消除累积误差；行程控制器模块是基于STM32单片机，集成度高、扩展性强、体积小，且电磁阀控制电路采用PWM控制输出，可以有效的减少电磁阀的开启功耗；将油缸、流量计与行程控制器模块设计成一体化装置，结构紧凑、不受测量行程影响、成本低，而且不需油缸本体的特殊加工处理，易于实现，尤其适合应用在受安装环境和成本所限，以及某些老旧设备改造项目的场合。
附图说明：
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的行程控制器模块的结构框图；
图3为本发明的油缸行程定位控制示意图；
图4为本发明的行程控制器模块、容积式流量计与油缸设计成一体化装置的示意图。
具体实施方式：下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：
实施例：一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法和装置，其包括如下步骤：
1）参照图4，容积式流量计与行程控制器模块一体化安装在油缸上。容积式流量计的型号为FGR200-G1/4-S-BB-NBR-GD-S，24V供电，容积式流量计输出带90°相位差的双脉冲信号接入行程控制模块的I/O端子；测量双向流动的油缸内液压油体积并识别流向；
已知容积式流量计的脉冲体积系数为Q1，单位为（每升脉冲个数）；若某段行程内，容积式流量计输出的脉冲个数为 （个），则油液体积变化量V为：；
容积式流量计的脉冲输出1比脉冲输出2上升沿提前90°时，流向为方向1；脉冲输出1比脉冲输出2上升沿落后90°时，流向为方向2；容积式流量计安装在油缸无杆腔的连接油管上，定义当油缸活塞杆伸出时，油液流向为方向1，当油缸活塞杆缩回时，油液流向为方向2。
2）在液压油缸的油缸活塞杆完全收回位置和完全伸出位置，分别安装接近开关SQ1和SQ2，用以标定油缸行程的绝对零点位置和绝对满行程位置，接近开关型号为M9H200，感应距离2mm，DC PNP输出，信号接入行程控制器模块的I/O端子；这样不仅可以根据油缸油液体积相对变化量来计算出油缸在移动行程上的绝对位置，而且可以在油缸活塞杆每次完全收回和完全伸出时进行位置值标定，以消除累积误差；即对于式（8）：
当SQ1=1时，；；
当SQ2=1时，；。
3）采用油缸无杆腔内直径D=100mm，油缸满行程值 ，容积式流量计的脉冲体积系数Q1=4200 IMPulse/L，泄露系数K1取为0.5%；计算油缸无杆腔截面面积：
（1）
油缸当前行程计算值表达式为：
（2）
其中，为油缸当前行程计算值，单位为mm，以每次电磁换向阀的断开时刻为标记；
为油缸上一次行程计算值，单位为mm；
当流向为方向1时，取“+”号，当流向位方向2时，取“–”号；
移动油缸至行程中的不同位置，在油缸从完全收回至完全伸出行程中取10个位置点，同样在油缸从完全伸出至完全收回行程中也取10个位置点；采集油缸每次运动时流量计输出脉冲的变化量，利用式（2）换算出油缸行程计算值L1(n)，同时人工测量并记录油缸每次的实际行程值 （单位为mm），形成原始样本数据，样本数量m为20；如表1所示：
4）建立线性回归方程：
（3）
其中， 和 为回归系数；
根据样本数据计算出：
（4）
（5）
其中， 为 的平均值， 为 的平均值； m为样本数量；
然后利用最小二乘法，计算出回归系数：
（6）
（7）
最终的油缸行程检测值的表达式：
（8）
其中，； 和 见式（6）和（7）。
本实施例中，线性回归方程，并根据式(4)计算出= 262.1，根据式(5)计算出= 262.37，然后根据式(6)计算出= 0.9979，根据式(7)计算出 = 0.7868，将 和 分别输入进行程控制器模块中，同时也得到最终的油缸行程检测值表达式：
5）行程控制器模块采用STM32单片机为核心处理器，包括用于采集容积式流量计信号和接近开关信号的I/O端口；用于按键输入的I/O端口；用于LED数码管显示输出的I/O端口；用于RGB5050指示灯输出的I/O端口；用于与电磁阀连接的驱动电路（采用PWM控制输出）；用于目标值信号输入的AD转换电路；以及用于行程检测值输出的DA转换电路；
其中，常用可设置参数包括：
F1.1 油缸内直径D，mm；
F1.2 脉冲体积系数Q1，IMPulse/L；
F1.3 泄漏系数K1；
F1.4 回归系数 ；
F1.5 回归系数 。
如附图2所示。将油缸行程检测值关系式L2，编程写入行程控制模块，实现液压油缸的行程检测。其中参数 和 作为可修改设定的参数，通过行程控制器模块上的按键和显示LED数码管进行修改。
6）行程控制器模块通过I/O端口和AD转换电路可接收目标行程值SP信号，若油缸当前行程检测值L2与目标行程值SP超出死区误差范围，控制器模块输出控制开启液压阀，当油缸行程检测值L2与SP在死区误差范围内时，控制器模块输出控制关闭液压阀，从而使油缸定位在目标位置，如图3所示。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分都属于现有技术。以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于其包括如下步骤：
1）采用容积式流量计检测计算油缸内液压油的体积变化量和流向；
2）考虑泄漏系数，根据油缸内液压油体积变化量、流向和缸筒截面积，获得油缸行程计算值表达式；
3）人工测量记录油缸每次移动的实际行程值，结合步骤（2）的行程计算值，利用线性回归确定最终的油缸行程检测值表达式，并根据接近开关信号对行程的绝对零点和满行程位置进行标定；
4）行程控制器模块实现容积式流量计和接近开关信号的采集、参数设置、运算处理、显示以及控制输出，精确检测和定位油缸行程；
5）将油缸、流量计与行程控制器模块设计成一体化装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于所述的步骤1）的容积式流量计输出带90°相位差的双脉冲信号，测量双向流动的油缸内液压油体积并识别流向；
已知容积式流量计的脉冲体积系数为Q1，单位为（每升脉冲个数）；若某段行程内，容积式流量计输出的脉冲个数为 （个），则油液体积变化量V为：；
容积式流量计的脉冲输出1比脉冲输出2上升沿提前90°时，流向为方向1；脉冲输出1比脉冲输出2上升沿落后90°时，流向为方向2；容积式流量计安装在油缸无杆腔的连接油管上，定义当油缸活塞杆伸出时，油液流向为方向1，当油缸活塞杆缩回时，油液流向为方向2。
3.根据权利要求1所述的一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于所述的步骤2）中获得油缸行程计算值L1表达式包括如下步骤：
1）确定已知参数：油缸内直径D，容积式流量计的脉冲体积系数Q1，单位为（每升脉冲个数）；泄漏系数K1；油缸满行程值为 ；
2）计算油缸无杆腔截面面积：
（1）
3）则油缸当前行程计算值表达式为：
（2）
其中，为油缸当前行程计算值，以每次电磁换向阀的断开时刻为标记；
为油缸上一次行程计算值；
当流向为方向1时，取“+”号，当流向位方向2时，取“–”号。
4.根据权利要求1所述的一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于所述的步骤3）中移动油缸至不同行程位置，人工测量记录每次移动后的实际行程值，将实际行程值作为因变量，并将油缸当前行程计算值 作为自变量，利用线性回归方法计算回归系数，确定最终的油缸行程检测值 的表达式，具体包括如下步骤：
1）移动油缸至行程中的不同位置，分别记录获得的油缸当前行程计算值L1和人工测量的实际行程值 ，作为原始样本数据，样本数量m≥20；
2）建立线性回归方程：
（3）
其中， 和 为回归系数；
3）根据样本数据计算出：
（4）
（5）
其中， 为 的平均值， 为 的平均值； m为样本数量；
4）然后利用最小二乘法，计算出回归系数：
（6）
（7）
5）最终的油缸行程检测值的表达式：
（8）
其中，； 和 见式（6）和（7）。
5.根据权利要求1所述的一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于所述的步骤3）中根据接近开关信号对行程的绝对零点和满行程位置进行标定，具体包括如下步骤：
在油缸活塞杆完全收回位置和完全伸出位置，分别安装接近开关SQ1和SQ2，用以标定油缸行程的绝对零点位置和绝对满行程位置，即对于式（8）：
当SQ1=1时，；；
当SQ2=1时，；。
6.根据权利要求1所述的一种基于液压油体积流量的油缸行程检测与控制方法，其特征在于所述的步骤4）中行程控制器模块采用STM32单片机为核心处理器，包括用于采集容积式流量计信号和接近开关信号的I/O端口；用于按键输入的I/O端口；用于LED数码管显示输出的I/O端口；用于RGB5050指示灯输出的I/O端口；用于与电磁阀连接的采用PWM控制输出的驱动电路；用于目标值信号输入的AD转换电路；以及用于行程检测值输出的DA转换电路；
其中，常用可设置参数主要包括：
F1.1 油缸内直径D；
F1.2 脉冲体积系数Q1，IMPulse/L；
F1.3 泄漏系数K1；
F1.4 回归系数 ；
F1.5 回归系数 。
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Denomination of invention: A Method for Detecting and Controlling Cylinder Stroke Based on Volume Flow of Hydraulic Oil

Effective date of registration: 20230904

Granted publication date: 20191029

Pledgee: Yantai Branch of China Merchants Bank Co.,Ltd.

Pledgor: YANTAI FUTURE AUTOMATIC EQUIPMENTS Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980055089