带磁致伸缩位移传感器的电液伺服油缸

1、前言

电液位置伺服系统是液压伺服系统中应用得最为广泛的一种液压系统。随着现代工业自动化水平的不断提高以及国内外液压新技术的不断出现，更多的新型液压元件被应用到液压技术中，使这一技术得到了不断地完善和发展。特别是随着磁性科学和传感技术的新发展，国外于90年代中期研制出了带磁致伸缩位移传感器的电液伺服油缸(以下简称为带传感器的油缸)。本文就这种油缸进行简要介绍。

带传感器的油缸有许多优点，它在飞机与船舶舵机控制系统中、精密冲床、振动实验台以及六自由度运动平台等控制系统中已有应用。它一方面可用来提供动力，传递功率；另一方面还可以进行位移检测，实现位置控制。此外，带传感器的油缸还可以应用于压铸机、注塑机、游乐厂的模拟游戏机、木材加工机械以及矿山机械、建筑机械、地下施工机械、造纸机械等要求对位移进行检测、而环境条件又相对恶劣的场合。特别是，由于磁致伸缩传感器是进行模块化封装的，防水性能好，对有位移检测和位置控制要求的水下作业，与传统的电液伺服油缸相比，带传感器的油缸有很大的优势。

2、带传感器的电液伺服油缸

带传感器的电液伺服油缸结构如图1所示。

从带传感器的电液伺服油缸的结构简图上可以看出，它在结构上与其它伺服油缸的区别在于：

(1)带传感器的电液伺服油缸的活塞杆是专用的。

(2)带传感器的电液伺服油缸的端盖上配有磁致伸缩传感器。

活塞杆作为液压执行元件传递功率和力的同时，还起到了磁标记尺的作用。在活塞杆的表面上加工出一系列等距离的凹槽，为了防止泄漏，对凹槽还需进行工艺处理，最常用的方法是在凹槽处填充上非磁性材料。此外，为增强活塞杆表面的硬度，提高耐磨性和防腐性，还需在活塞杆的表面进行相应的工艺处理。这样，传感器和凹槽(磁标尺)就组成了一个完整的传感器。

3、专用活塞杆

带传感器的电液伺服油缸的专用活塞杆如图2所示。

在活塞杆的表面加工出一系列等距离凹槽，作为测量的基本单位和标尺。由磁致伸缩传感器的工作原理可知，当活塞杆运动时，就会引起磁致伸缩传感器中测量芯片的电阻发生交替变化，从而输出交变测量信号，经过电路处理后，就可以产生计数脉冲，再根据固定的箕法关系，就可以得出活塞杆的位移。因此，对活塞杆上的凹槽的研究与加工是最为关键的。下面就对此进行详细介绍。

在对活塞杆的研究过程中，凹槽的加工深度是一个至关重要的因素，加工太浅，信号输出微弱，系统最终无法工作；加工过深，对活塞杆的强度造成很大影响，而且就磁致伸缩传感器来说，并不是凹槽越深，系统的输出信号就越好，而是有一个最佳的深度范围。我们通过对大量试验工件的输出信号进行多次分析后，终于掌握了这一关键性数据。

对活塞杆的防腐、防泄漏处理也是带传感器的油缸研制过程中的一个重要内容。因为在活塞杆上加工出环形槽后如果不对这些槽进行填充，将会造成很大泄漏，导致带传感器的油缸无法工作。填充方法有多种，如热喷涂、电刷镀、电镀、化学镀等，我们所采用的是热喷涂处理工艺。对于热喷涂，不同材料又有不同的要求，同时，结合磁致伸缩传感器的特点，要求材料既能够透磁又不能被磁化，这样，喷涂材料一般所采用的是金属类(铜、镍等)和非金属(陶瓷)两类。由于铜、镍的硬度较低，耐磨和抗腐蚀能力差，所以在喷涂完成，磨削加工后，最后还应该在活塞杆表面进行镀铬处理。至于陶瓷材料，由于其具有很高的硬度，耐磨性能良好，磨削后不需要进行其它的处理，但是由于陶瓷颗粒较大，再加上喷涂不均匀，故存在一定的孔隙，所以在磨之前必须在陶瓷表面刷一层防锈漆，并放在恒温箱内保温4～5小时，以便防锈漆能充分渗透到陶瓷孔隙里面。

4、试验系统组成及试验研究

研究、设计与加工，我们制造出了带传感器的电液伺服油缸的样品，并在此基础上做了大量的实验。实验系统采用HT6070及PCL—833两块数据采集控制板等构成，控制手段采用简单的PID控制。实验系统原理如图3所示。

图中，左边虚线框为计算机控制系统，右边虚线框为带传感器的油缸系统。其工作原理如下(以阶跃为例):初始化程序后，从键盘输人期望位移量，计算机控制系统的PID控制算法后，D/A输出控制电压，经放大器放大后驱动伺服阀动作，活塞杆向期望位置运动，同时磁致伸缩传感器不断测量活塞杆的位移量(由于磁致伸缩传感器具有直接数字信号输出的特点，故无需A/D电路),经数据采集板反馈位移信号Y到计算机与给定信号Y0进行比较。如果Y小于Y0则活塞杆继续向期望位置运动。当活塞杆到达期望位置，并处于稳定状态后，E0=0,PID控制算法输出零偏电压，把活塞杆锁在给定位置，从而实现对活塞杆位置的控制。实验结果如图4、5所示。

图中曲线，一条为给定信号线，一条为采样跟踪线。从测量的真实数据看，稳态误差可达0.1MM,而这正是磁致伸缩传感器的测量精度。当活塞杆反向运动时，测量结果在误差范围内可以重复。

5、结论

通过研究、设计及实验证明，传感器油缸的研制是成功的，并且在研制过程中基本上掌握了各工艺过程中的全部数据，设计出了整套的图纸，通过进一步的研究和产品化工作，可形成传感器油缸系列产品，填补国内空白。