CN113153862A - 一种数字油缸及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种数字油缸及其控制方法，涉及机械及控制技术领域。数字油缸，包括液压缸及设于液压缸中的活塞杆，活塞杆将液压缸内分成有杆腔及无杆腔，液压缸上设有第一进油口及第二进油口，第一进油口与有杆腔连通，第二进油口与无杆腔连通，第一进油口及第二进油口上分别设有压力传感器，第一进油口及第二进油口的进油端连接有电磁换向阀；液压缸的容纳腔中设有行程传感器及油缸控制器，行程传感器的一端与活塞杆的活塞端连接，其信号端与油缸控制器电连接，油缸控制器的输出端与电磁换向阀的控制端连接。相比于传统的液压油缸，便于提高油缸的控制精度。

Description

一种数字油缸及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械及控制技术领域，尤其是涉及一种数字油缸及其控制方法。

背景技术

数字液压缸是一种将步进或伺服电机、液压阀、位置反馈装置设计组合在液压缸内部，所有功能直接通过数字缸控制器或者包括计算机、PLC、单片机等上位机在内的控制器发出的控制信号来完成液压缸伸缩运动的高新技术产品。

目前对于伺服数字油缸的发展方向主要分为采用机械结构进行反馈控制和采用传感器进行反馈控制两个方面。发明专利CN108317121A公开了一种新型数字液压伺服缸，能够驱动电机对油缸进油口的开闭进行控制，从而使油缸跟随电机移动。然而这种数字油缸受到其结构限制，油缸的移动速度和行程都较小，且该种数字油缸缺乏反馈控制，若电机在外界环境干扰下出现丢步则会对油缸控制精度造成影响。而采用传感器进行反馈控制的伺服数字油缸则多使用比例流量阀或者高速开关阀对油液进行控制，但带阀芯反馈闭环的比例阀，以及伺服阀的元件成本较高，且对于油污相较于换向阀更为敏感；当前基于传统机械式开关电磁铁的高速开关阀，长时间高速切换使得阀体容易出现疲劳失效，在使用寿命及可靠性上存在缺陷；另外一部分基于压电材料的高速开关阀在相同流量下的制造成本上升。因此，目前缺乏一种流量、速度大，成本低，寿命长的数字油缸。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种新型的数字油缸及其控制方法，至少可以解决上述部分技术问题，便于提高油缸的控制精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种数字油缸，包括液压缸及设于所述液压缸中的活塞杆，所述活塞杆将所述液压缸内分成有杆腔及无杆腔，所述液压缸上设有第一进油口及第二进油口，所述第一进油口与所述有杆腔连通，所述第二进油口与所述无杆腔连通，所述第一进油口及第二进油口上分别设有压力传感器，所述第一进油口及第二进油口的进油端连接有电磁换向阀；

所述液压缸、位于所述无杆腔的一端具有容纳腔，在所述容纳腔中设有行程传感器及油缸控制器，所述行程传感器的一端与所述活塞杆的活塞端连接，所述行程传感器的信号端与所述油缸控制器电连接，所述油缸控制器的输出端与所述电磁换向阀的控制端连接。

可选地，所述行程传感器包括用于将直线运动转化为旋转运动的运动转换机构、运动测量机构、密封环及数据处理模块，所述运动测量机构一端与所述活塞杆固连，随活塞杆伸缩产生直线运动；所述运动测量机构另一端与运动转换机构连接，所述运动转换机构的另一端与编码器固连，所述编码器为角度编码器，所述密封环设置于所述容纳腔中、位于所述运动转换机构与数据处理模块之间，所述编码器的输出端与所述数据处理模块电连接。

可选地，所述编码器为光电编码器或磁编码器。

可选地，所述油缸控制器包括：微处理器、数据采集模块、信号输出模块、电源模块及通信模块，所述数据采集模块的输入端分别与所述压力传感器和行程传感器电连接，所述数据采集模块的输出端与所述微处理器电连接，所述微处理器的输出端与所述信号输出模块电连接，所述信号输出模块与所述电磁换向阀的控制端电连接，所述电源模块用于提供稳定可靠的电源，所述微处理器还通过所述通信模块用于与上位机电连接。

可选地，所述数据采集模块包括低通滤波器及A/D转换器，所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器及行程传感器的输出端分别电连接，所述低通滤波器的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接，所述A/D转换器的输出端与所述微处理器电连接。

可选地，所述数据采集模块还包括放大器，所述放大器位于所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器或行程传感器的输出端之间。

可选地，所述数据采集模块还包括采样电阻，所述采样电阻位于所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器或行程传感器的输出端之间。

可选地，所述信号输出模块包括放大器及光耦隔离器；所述放大器的输入端与所述微处理器的输出端电连接，所述放大器的输出端与所述光耦隔离器的输入端电连接，所述光耦隔离器的输出端与所述电磁换向阀的控制端电连接。

第二方面，本发明还实施例提供一种数字油缸的控制方法，所述数字油缸为第一方面任一所述的数字油缸，所述方法包括：

S01、通过所述的油缸控制器接收来自上位机的控制信号，获取数字油缸当前工步的目标位置；

S02、所述油缸控制器获取压力传感器及行程传感器采集的数字油缸当前的工况信息，并对所述工况信息进行数据处理，得到数字油缸当前的位置及压力；所述工况信息包括位置及压力信息；

S03、根据上次油缸停止动作的滞后量计算本次油缸停止动作的滞后量；

S04、基于所述数字油缸当前工步的目标位置及所述滞后量得到主控制器发出控制信号的时机；

S05、当行程传感器检测到所述活塞杆到达超前所述目标位置一个所述滞后量时，发出控制信号给所述电磁换向阀，切换电磁换向阀，使数字油缸停止动作。

可选地，所述方法还包括：S06、在油缸停止动作后，计算本次数字油缸的活塞杆实际停止位置与目标位置的位置误差，记录本工步运动过程中的平均压力；

若计算得到的所述位置误差小于设定阈值，则保留本次动作的滞后量，进入下一工步；

若计算得到的所述位置误差大于设定阈值，则继续修正所述滞后量，以准确确定出主控制器发出控制信号的时机。

本发明实施例提供的数字油缸及其控制方法，通过内置的行程传感器获取油缸当前位置和油缸运动速度，通过压力传感器获取当前油压，油缸内置的油缸控制器对油缸的位置进行预测，并控制切换电磁换向阀以对油缸活塞杆的位置精准控制，相比于传统的液压油缸，便于提高油缸的控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例提供的数字油缸结构示意图；

图2为本发明数字油缸控制器的一实施例结构示意框图；

图3为本发明一实施例提供的数字油缸控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的发明主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例提供的数字油缸结构示意图；参看图1所示，本发明实施例提供的数字油缸，用于工业、煤矿、航空航天等需要油缸准确定位的领域。

所述数字油缸10包括液压缸11及设于所述液压缸11中的活塞杆12，所述活塞杆12将所述液压缸11内分成有杆腔13及无杆腔14，所述液压缸11上设有第一进油口及第二进油口，所述第一进油口与所述有杆腔13连通，所述第二进油口与所述无杆腔14连通，所述第一进油口及第二进油口上分别设有压力传感器20，所述第一进油口及第二进油口的进油端连接有电磁换向阀50；

所述液压缸11、位于所述无杆腔14的一端具有容纳腔，在所述容纳腔中设有行程传感器30及油缸控制器40，所述行程传感器30的一端与所述活塞杆12 的活塞端连接，所述行程传感器30的信号端与所述油缸控制器40电连接，所述油缸控制器40的输出端与所述电磁换向阀50的控制端连接。

其中，液压缸11及与液压缸11配合的活塞杆12，是数字油缸的主体。

压力传感器20，用于检测油缸进出口的油压，为油缸伸缩量精准控制提供数据支撑。

行程传感器30，用于检测数字油缸当前伸缩量，为油缸伸缩量(即油缸的活塞杆位置)精准控制提供数据支撑；

油缸控制器40，用于接收所述的压力传感器20和所述的油缸行程传感器 30传输的数据，通过预测控制算法得到油缸停止信号的滞后量，发出控制信号；

电磁换向阀50，用于接收所述数字油缸控制器40发出的控制信号，控制所述油缸缸体10动作。

具体地，所述的数字油缸工作时，所述的数字油缸控制器40接收上位机发送的数字油缸当前工步的目标位置信号，采集所述的压力传感器20和所述的行程传感器30获取的数字油缸当前的工况信息，通过预测控制算法计算得到油缸启停时间，控制所述的电磁换向阀50的两个电磁铁启闭，从而实现数字油缸伸缩量精准控制。

具体地，所述活塞杆12上有密封圈，与液压缸11的内壁配合将所述液压缸11内部分成密封的有杆腔13及无杆腔14；

所述压力传感器20的量程大于油缸最大工作压力，如油源压力的1.5倍，其输出信号反馈油缸压力值，其信号可以是模拟信号，如1-10V或4-20mA，也可以是数字信号，如通过现场总线RS232、RS485等进行数据传输。

如图1所示，每个数字油缸具有两个所述的压力传感器20，分别安装于油缸的有杆腔13的第一进油口上和无杆腔14的第二进油口上，用于检测有杆腔 13和无杆腔14的压力。

所述行程传感器30包括用于将直线运动转化为旋转运动的运动转换机构31、运动测量机构32、密封环33及数据处理模块34，所述运动测量机构32一端与所述活塞杆固连，随活塞杆伸缩产生直线运动；所述运动测量机构32另一端与运动转换机构31连接，所述运动转换机构31的另一端与编码器(图中未示出) 固连，所述编码器为角度编码器，所述密封环33设置于所述容纳腔中、位于所述运动转换机构31与数据处理模块34之间，所述编码器的输出端与所述数据处理模块34电连接。

其中，所述的运动转换机构31包括定滑轮(图中未示出)，通过定滑轮将运动测量机构32的直线运动转化为旋转运动；所述编码器可以是光电编码器，也可以是磁编码器，编码器输入端随运动转换机构输出端旋转，输出角度信息；所述的数据处理模块34用于接收编码器传输的角度信息，解算得到油缸当前伸缩行程。

所述的行程传感器30的量程大于油缸最大伸缩量，如油缸最大伸出长度的 1.2倍，其输出信号直接反馈油缸当前伸缩量，可以是模拟信号，如1-10V或4- 20mA，也可以是数字信号，如通过现场总线RS232、RS485等传输。

在一些实施例中，如图2所示，所述油缸控制器40包括：微处理器410、数据采集模块420、信号输出模块430、电源模块440及通信模块450，所述数据采集模块420的输入端分别与所述压力传感器20和行程传感器30电连接，所述数据采集模块420的输出端与所述微处理器410电连接，所述微处理器410 的输出端与所述信号输出模块430电连接，所述信号输出模块430与所述电磁换向阀的控制端电连接，所述电源模块440用于提供稳定可靠的电源，所述微处理器410还通过所述通信模块450用于与上位机电连接。

其中，微处理器(MCU)410，用于数据处理；数据采集模块420，用于接收所述压力传感器20和行程传感器30的数据；信号输出模块430，用于输出控制信号，控制所述的电磁换向阀50的通断；电源模块440，用于为其他模块提供稳定可靠的电源；通信模块450，用于与上位机通信，接收上位机控制信号，将数字油缸当前状态上传至上位机。

具体地，所述数据采集模块420包括低通滤波器425及A/D转换器，所述低通滤波器425的输入端与所述压力传感器20及行程传感器30的输出端分别电连接，用于对所述的压力传感器20以及行程传感器行程传感器3030传输的信号进行滤波处理；所述低通滤波器425的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接，所述A/D转换器的输出端与所述微处理器410电连接，用于将所述的模拟信号转化为数字信号，并传输至微处理器410。

如前所述，压力传感器或行程传感器30可采用电压信号进行传输，也可以采用电流信号传输。若所述的压力传感器或行程传感器30采用电压信号进行传输，且模拟信号电压变化范围与所述的A/D转化器的检测范围不同，则需要在数据采集模块420中加入放大器424，对模拟信号进行放大处理；即，所述数据采集模块还包括放大器，所述放大器位于所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器或行程传感器的输出端之间。

若所述的压力传感器或行程传感器30中的一个或者几个采用电流信号进行传输，则需要在所述的数据采集模块420中加入第一采样电阻421，用于将行程传感器30传输来的电流信号转化为电压信号，第二采样电阻422和第三采样电阻423，用于将压力传感器传输来的电流信号转化为电压信号；即，所述数据采集模块还包括采样电阻，所述采样电阻位于所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器或行程传感器的输出端之间。

具体地，所述信号输出模块包括放大器、及光耦隔离器；所述放大器的输入端与将所述的所述微处理微控制器的输出端电连接，所述放大器的输出端与所述光耦隔离器的输入端电连接，所述光耦隔离器的输出端与所述电磁换向阀的控制端电连接。

在一些实施例中，所述信号输出模块430包括：第一放大器431和第二放大器432，用于将所述的微处理器410输出低电压控制信号转化为电磁换向阀所需的高电压控制信号；第一光耦隔离433和第二光耦隔离434，用于将低电压、低功率的主控制器从高电磁干扰、电流冲击的环境中隔离出去，提高器工作可靠性。

实施例二

参看示意性的图3所示，基于实施例提供的数字油缸的基础上，本发明实施例还提供了一种使用电磁换向阀和行程、压力传感器的油缸控制方法，包括：

S01、通过所述的油缸控制器接收来自上位机的控制信号，获取数字油缸当前工步的目标位置；

S02、所述油缸控制器获取压力传感器及行程传感器采集的数字油缸当前的工况信息，并对所述工况信息进行数据处理，得到数字油缸当前的位置及压力；所述工况信息包括位置及压力信息；

其中，数据处理包括：通过滤波放大等方式进行信号放大，及信号解析处理。

S03、根据上次油缸停止动作的滞后量计算本次油缸停止动作的滞后量；

可以理解的是，所述的数字油缸采用低成本的电磁换向阀，只能对其进行开关控制，而从命令下发到电磁换向阀工作存在控制滞后，电磁铁动作后，电磁换向阀在油路中的压力和流量的作用下也会继续向前推进小段距离，因此为实现数字油缸位置的精准控制，需要确定出该滞后量，提前发出停止的控制指令，以抵消该滞后导致油缸位置控制的误差。

其中，本次滞后量的计算可以为：u_k＝u_k-1+p_ke_k-1,式中，u_k为本次油缸停止动作的滞后量，u_k-1为上次油缸停止动作的滞后量，p为学习增益，e_k-1为上次油缸停止动作时的误差。一些实施例中，可设定油缸第一次动作的提前量为 0，也可设定油缸第一次动作的提前量为某一经验值，如5mm。

另外，滞后量的计算还与当前进入和流出油缸油液的压差对应，例如，主控制器中分别存储进出油口压差为5MPa和10MPa时的滞后量，计算滞后量时需要在对应的压差下进行计算。若当前压差与主控制器中存储的压差都不相符，则可采用线性插值的方式计算滞后量。

S04、基于所述数字油缸当前工步的目标位置及所述滞后量得到主控制器发出控制信号的时机；

S05、当行程传感器检测到所述活塞杆到达超前所述目标位置一个所述滞后量时，发出控制信号给所述电磁换向阀，切换电磁换向阀，使数字油缸停止动作。

在步骤S05中，切换电磁换向阀，推动油缸活塞杆运动，具体地，若油缸所需的动作是将活塞杆向外推，则控制电磁阀，使介质从无杆腔进入，从有杆腔流出；若油缸所需的动作使将活塞杆向内收，则控制电磁阀，使介质从油杆杆腔流入，从无杆腔流出。

具体地，每次数字油缸的活塞杆实际停止位置为d_k＝s_k-u_k，式中，s_k为目标位置；示例性地，假定油缸本次动作的滞后量为5mm，从上位机接收的油缸在本次工步中的目标位置是100mm，则，发出控制数字油缸停止的时机为数字油缸行程为95mm处。

在一些实施例中，所述方法还包括：S06、在油缸停止动作后，计算本次数字油缸的活塞杆实际停止位置与目标位置的位置误差，记录本工步运动过程中的平均压力；

若计算得到的所述位置误差小于设定阈值，则保留本次动作的滞后量，进入下一工步；

若计算得到的所述位置误差大于设定阈值，则继续修正所述滞后量，以准确确定出主控制器发出控制信号的时机。本实施例中，计算位置误差，油缸停止动作后，计算实际停止位置与目标位置的误差e_k＝s_k-d_k，记录本工步运动过程中的平均压力。若计算得到的位置误差小于设定阈值，则保留本次动作的滞后量，进入下一工步；若计算得到的位置误差大于设定阈值，则说明前述确定本次动作的滞后量的本次算法并未收敛，还需继续修正，以准确确定出主控制器发出控制信号的时机。

具体地，所述的误差设定阈值由油缸应用场景所需的位置控制精度决定，如，误差设定阈值可以为1mm。

所述方法还包括：S07、若S06中计算得到的位置误差大于设定阈值，则对所述学习增益进行更新，更新后的学习增益p_k＝ke_k,随着位置误差减小，学习增益也会不断减小，进而提高确定出主控制器发出控制信号的时机的精准性。

需要说明的是，在本文中，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数字油缸，其特征在于：所述数字油缸包括液压缸及设于所述液压缸中的活塞杆，所述活塞杆将所述液压缸内分成有杆腔及无杆腔，所述液压缸上设有第一进油口及第二进油口，所述第一进油口与所述有杆腔连通，所述第二进油口与所述无杆腔连通，所述第一进油口及第二进油口上分别设有压力传感器，所述第一进油口及第二进油口的进油端连接有电磁换向阀；

所述液压缸、位于所述无杆腔的一端具有容纳腔，在所述容纳腔中设有行程传感器及油缸控制器，所述行程传感器的一端与所述活塞杆的活塞端连接，所述行程传感器的信号端与所述油缸控制器电连接，所述油缸控制器的输出端与所述电磁换向阀的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的数字油缸，其特征在于：所述行程传感器包括用于将直线运动转化为旋转运动的运动转换机构、运动测量机构、密封环及数据处理模块，所述运动测量机构一端与所述活塞杆固连，随活塞杆伸缩产生直线运动；所述运动测量机构另一端与运动转换机构连接，所述运动转换机构的另一端与编码器固连，所述编码器为角度编码器，所述密封环设置于所述容纳腔中、位于所述运动转换机构与数据处理模块之间，所述编码器的输出端与所述数据处理模块电连接。

3.根据权利要求2所述的数字油缸，其特征在于：所述编码器为光电编码器或磁编码器。

4.根据权利要求1所述的数字油缸，其特征在于，所述油缸控制器包括：微处理器、数据采集模块、信号输出模块、电源模块及通信模块，所述数据采集模块的输入端分别与所述压力传感器和行程传感器电连接，所述数据采集模块的输出端与所述微处理器电连接，所述微处理器的输出端与所述信号输出模块电连接，所述信号输出模块与所述电磁换向阀的控制端电连接，所述电源模块用于提供稳定可靠的电源，所述微处理器还通过所述通信模块用于与上位机电连接。

5.根据权利要求4所述的数字油缸，其特征在于，所述数据采集模块包括低通滤波器及A/D转换器，所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器及行程传感器的输出端分别电连接，所述低通滤波器的输出端与所述A/D转换器的输入端电连接，所述A/D转换器的输出端与所述微处理器电连接。

6.根据权利要求5所述的数字油缸，其特征在于，所述数据采集模块还包括放大器，所述放大器位于所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器或行程传感器的输出端之间。

7.根据权利要求6所述的数字油缸，其特征在于，所述数据采集模块还包括采样电阻，所述采样电阻位于所述低通滤波器的输入端与所述压力传感器或行程传感器的输出端之间。

8.根据权利要求6所述的数字油缸，其特征在于，所述信号输出模块包括放大器及光耦隔离器；所述放大器的输入端与所述微处理器的输出端电连接，所述放大器的输出端与所述光耦隔离器的输入端电连接，所述光耦隔离器的输出端与所述电磁换向阀的控制端电连接。

9.一种数字油缸控制方法，其特征在于，所述数字油缸为权利要求1至8任一所述的数字油缸，所述方法包括：

S01、通过所述的油缸控制器接收来自上位机的控制信号，获取数字油缸当前工步的目标位置；

S02、所述油缸控制器获取压力传感器及行程传感器采集的数字油缸当前的工况信息，并对所述工况信息进行数据处理，得到数字油缸当前的位置及压力；所述工况信息包括位置及压力信息；

S03、根据上次油缸停止动作的滞后量计算本次油缸停止动作的滞后量；

S04、基于所述数字油缸当前工步的目标位置及所述滞后量得到主控制器发出控制信号的时机；

S05、当行程传感器检测到所述活塞杆到达超前所述目标位置一个所述滞后量时，发出控制信号给所述电磁换向阀，切换电磁换向阀，使数字油缸停止动作。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

S06、在油缸停止动作后，计算本次数字油缸的活塞杆实际停止位置与目标位置的位置误差，记录本工步运动过程中的平均压力；

若计算得到的所述位置误差小于设定阈值，则保留本次动作的滞后量，进入下一工步；

若计算得到的所述位置误差大于设定阈值，则继续修正所述滞后量，以准确确定出主控制器发出控制信号的时机。

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