單玉佩

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技教育研究院（ 沈陽 100161 ）

數(shù)字液壓技術(shù)是目前比較流行的專業(yè)技術(shù)。也可以說是21世紀(jì)的主流技術(shù)之一。它可以用模擬技術(shù)推動工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)革命，促進(jìn)社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并解決我國工業(yè)領(lǐng)域的一些技術(shù)難題。那么，能否將這種功能強(qiáng)大而信號卻十分脆弱的數(shù)字技術(shù)引入到機(jī)械運(yùn)行和自動控制領(lǐng)域呢？從理論上做一次大膽的設(shè)計(jì)嘗試。

首先，將微弱的數(shù)字信號變成功率強(qiáng)大的液壓驅(qū)動信號。直接驅(qū)動機(jī)械裝置。運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入到機(jī)械操縱控制領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)理念上的根本突破。這是一種全新的控制理念，也是對傳統(tǒng)的控制理論的挑戰(zhàn)。這種設(shè)計(jì)，由計(jì)算機(jī)直接發(fā)出指令，利用其強(qiáng)大的功能，以發(fā)脈沖的形式直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)行開環(huán)控制。變被動控制為主動控制，從多角度，多方位對終極目標(biāo)進(jìn)行全方位的調(diào)控。而傳統(tǒng)控制方法則不然。它是通過伺服系統(tǒng)來完成的。通過各種的伺服閥、比例閥、傳感器等等。利用傳感器把位置、速度、行程信號等元素進(jìn)行反饋，形成閉路，通過計(jì)算機(jī)的整理、比較、計(jì)算等環(huán)節(jié)后發(fā)出指令，以達(dá)到控制目標(biāo)的目的。

新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，不僅簡化了控制設(shè)計(jì)，同時，也由于數(shù)字傳輸?shù)目垢蓴_力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、投資低廉等特點(diǎn)，解決了伺服系統(tǒng)固有的難以克服的抗干擾、抗污染能力差，容易產(chǎn)生振蕩、易產(chǎn)生零飄、溫飄等致命的缺陷問題。

其次，由于數(shù)字液壓技術(shù)所采用的是直接驅(qū)動的原理，減少了諸多環(huán)節(jié)上的信號傳遞和機(jī)械傳動性能。所以，這項(xiàng)技術(shù)在機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)中的穩(wěn)定性是勿庸置疑的。它可以取代現(xiàn)有液壓領(lǐng)域中幾乎所有的液壓閥成為高性能的無閥站液壓傳動系統(tǒng)。在與多功能數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合后，不但解決了數(shù)字液壓技術(shù)研究的諸多難題，還可以以其自身長行程、高速度、低價位等突出優(yōu)點(diǎn)占據(jù)液壓工業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。它可以將行程從3-5 m擴(kuò)展到更大。速度可以從0.5-500 mm/s，進(jìn)行任意調(diào)整。

數(shù)字液壓技術(shù)的市場應(yīng)用前景十分廣泛。它涉及應(yīng)用于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個領(lǐng)域。(1)機(jī)械、化工領(lǐng)域：可用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、重型機(jī)械、輕工機(jī)械、工程機(jī)械、建筑機(jī)械、化工管網(wǎng)、化工自動配料系統(tǒng)、天然氣、石油運(yùn)輸?shù)倪h(yuǎn)程控制、石油冶煉、海洋石油平臺升降。②動力、能源領(lǐng)域：水力發(fā)電、水輪機(jī)調(diào)速、核能反應(yīng)堆的控制、管道控制、閘閥控制、冶金行業(yè)的煉鋼、軋鋼、煉鐵、工業(yè)爐等。③國防、航天領(lǐng)域：飛機(jī)機(jī)翼的控制、發(fā)射裝置、火炮控制、飛行模擬器、裝甲兵坦克訓(xùn)練的模擬器、坦克火炮系統(tǒng)、高炮群控、導(dǎo)彈發(fā)射、導(dǎo)彈群控、艦船的舵機(jī)控制、自動導(dǎo)航、管路和液壓機(jī)構(gòu)的控制。以及各種專用的機(jī)械設(shè)備及生產(chǎn)線。它與各種主機(jī)配套不僅可以提高主機(jī)的檔次，還可以進(jìn)行技術(shù)和設(shè)備使用功能的更新?lián)Q代。由此可見，其廣泛的市場應(yīng)用前景，將長期具有產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

在技術(shù)方面，數(shù)字液壓技術(shù)在機(jī)械運(yùn)行中的穩(wěn)定性問題，是保證機(jī)械性能在產(chǎn)品加工過程中的關(guān)鍵問題。也就是所要加工產(chǎn)品的精度問題。為了防止它在機(jī)械的啟動、停止、調(diào)速和一些機(jī)械物理形態(tài)中出現(xiàn)的變異現(xiàn)象，我們可以在其液壓回路上，或加大行程速度上進(jìn)行改進(jìn)。采取技術(shù)手段使這一問題得到有效的解決。采用液壓系統(tǒng)的靜壓支撐，使所加工產(chǎn)品得到更高的工作平穩(wěn)性和運(yùn)動精度。將步進(jìn)傳動裝置的開環(huán)系統(tǒng)定位精度，根據(jù)電氣信號的傳遞速度，準(zhǔn)確地將其定位在（＜0.01mm）范圍內(nèi)。這時，我們可以任意選擇開路定位系統(tǒng)還是閉環(huán)定位系統(tǒng)。二者間的取向問題則只是一個成本問題。在傳動運(yùn)行過程中，根據(jù)生產(chǎn)部件要求的速度，在有效工作范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，持續(xù)進(jìn)給或間歇進(jìn)給；在負(fù)載要求變化下，其速度仍然可以保持恒定，這就給產(chǎn)品加工的精度提供了最基本可靠的保證。

數(shù)字液壓傳動與機(jī)械傳動、電力傳動和液壓傳動相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①便于精確的實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍可以達(dá)到 100：1至 2000：1。②在同等功率情況下，數(shù)字液壓的傳輸信號能準(zhǔn)確及時地反映出所要控制或?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的具體狀態(tài)。并且，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小、傳遞較大的力或轉(zhuǎn)矩能特點(diǎn)。③在頻繁的啟動和轉(zhuǎn)換向過程中，工作狀態(tài)穩(wěn)定，反應(yīng)快，沖擊小，震蕩頻率系數(shù)低。④控制調(diào)節(jié)比較簡單方便，操作容易，與自動化電氣控制配合使用，能順利實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序動作和遠(yuǎn)程控制；⑤可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，使負(fù)載狀態(tài)下油液通過信號傳遞返回油箱，在自行潤滑過程中，延長使用壽命。⑥在實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、設(shè)計(jì)制造使用和推廣方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。⑦元件分配、布置靈活，可以充分實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動，為產(chǎn)品加工實(shí)現(xiàn)了功能性保障；⑧在運(yùn)行過程中，功率損失所產(chǎn)生的熱量被充分轉(zhuǎn)移，避免了機(jī)械運(yùn)行過程中所產(chǎn)生了過度升溫。⑨機(jī)械運(yùn)行過程中被轉(zhuǎn)移的熱量，可以轉(zhuǎn)化為新的能源繼續(xù)工作，從而降低了機(jī)械的運(yùn)行成本。

數(shù)字液壓技術(shù)，是帕斯卡原理的更新?lián)Q代技術(shù)。就其原理而言，就是液體各處壓強(qiáng)是一致的，在系統(tǒng)保持平衡的狀態(tài)下，小活塞上面施加的壓力比較小，大活塞上面施加壓力比較大，從而實(shí)現(xiàn)了液壓的靜止。通過液體的傳遞，可以得到不同端上不同的壓力。以達(dá)到變換的目的。而數(shù)字液壓技術(shù)，則是建立在這個原理之上。將微弱的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β实囊簤候?qū)動信號，直接對機(jī)械裝置產(chǎn)生作用。并運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，完成對機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)控制作用的專業(yè)技術(shù)。

它的產(chǎn)生，基于近年來微型計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展、普及和提高。主要是單板機(jī)、單片機(jī)成熟的技術(shù)市場和低廉的價格，為液壓系統(tǒng)的數(shù)字化提供了必要的前提條件和良好的基礎(chǔ)。使數(shù)字技術(shù)在液壓產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和青睞。并且還在不斷地開拓著新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，數(shù)字液壓技術(shù)從主體結(jié)構(gòu)上看包括三個主要方面：

(1)數(shù)字技術(shù)主要應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的直接數(shù)字控制（即DDC）

(2)計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)（即CAD）

(3)計(jì)算機(jī)輔助測試（即CAT）。

為了能使液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速、高效和可靠的目的性，我們先將電信號轉(zhuǎn)換為液壓輸出性能良好的數(shù)字元件。把這種數(shù)字液壓元件通過控制裝置后，安裝在液壓閥、液壓缸、液壓泵內(nèi)，并進(jìn)行集成化處理。比如：把傳感器集成于液壓缸的活塞桿上等等。形成各種不同種類的數(shù)字元件，由數(shù)到模轉(zhuǎn)換元件，直接與計(jì)算機(jī)相連，再用計(jì)算機(jī)輸出的脈沖數(shù)和頻率來控制電液系統(tǒng)的壓力和流量。這當(dāng)中的數(shù)字液壓元件包括：①數(shù)字控制閥：它分為模擬閥、組合式數(shù)字閥、步進(jìn)式數(shù)字閥、高速開關(guān)閥等。我們可以根據(jù)不同的技術(shù)要求，對這些數(shù)字液壓元件進(jìn)行選擇。②數(shù)字液壓的執(zhí)行元件：它包括數(shù)字液壓缸、數(shù)字式液壓馬達(dá)。二者都是增量式數(shù)字控制電液伺服元件。前者是控制步進(jìn)電機(jī)的電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的轉(zhuǎn)移元件?？刹捎梦⒂?jì)算機(jī)的編程控制器（PLC）對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。后者是，由步進(jìn)電機(jī)和液壓扭矩放大組成，輸出的扭矩可以達(dá)到幾十至幾百個 N·m。是普通步進(jìn)電動機(jī)的幾百倍至千倍。③數(shù)字化電液集成塊，以此作為基本元件構(gòu)成的電液集成控制系統(tǒng)在電控功率上與微機(jī)輸出易于匹配，成本低廉。因此，液壓控制系統(tǒng)廣泛采用微機(jī)控制轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)。其數(shù)字控制系統(tǒng)兼有電氣系統(tǒng)對信號檢測、處理快捷方便、計(jì)算機(jī)控制方式靈活、液壓控制功率強(qiáng)大，反應(yīng)快和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

液壓系統(tǒng)的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)是緊隨電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興專業(yè)技術(shù)。簡稱CAD技術(shù)。

CAD技術(shù)包括仿真、建模、優(yōu)化、設(shè)計(jì)和繪圖，是利用計(jì)算機(jī)來輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)工作的方法。它可以縮短控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，利用仿真技術(shù)，進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案的分析和比較，提高設(shè)計(jì)水平。液壓系統(tǒng)的數(shù)字仿真和設(shè)計(jì)應(yīng)用包括以下幾個方面：①從數(shù)字模型出發(fā)，對現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，通過反復(fù)的分析、比較和論證，使仿真接近于具體產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。②在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試時，通過仿真實(shí)驗(yàn)；確定調(diào)整參數(shù)，提供系統(tǒng)調(diào)試的理論依據(jù)?？s短調(diào)試周期，避免設(shè)備損失，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)成本。③對于新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過仿真驗(yàn)證系統(tǒng)控制方案，研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)性能的影響，獲得最佳的技術(shù)控制方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

隨著液壓傳動裝置對液壓元件的技術(shù)特性、技術(shù)參數(shù)的測試要求越來越高，傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)代液壓產(chǎn)品技術(shù)的基本要求。對測試精度的準(zhǔn)確性；測試速度的快捷性；為測試設(shè)備提供的安全性，都提出了新的要求。于是，全新可靠的，設(shè)計(jì)完善的液壓元件計(jì)算輔助測試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生（即CAT）。它分為靜態(tài)特性的測試技術(shù)和動態(tài)特性測試技術(shù)。動態(tài)特性測試技術(shù)是對液壓元件額定流量的大小進(jìn)行測試；動態(tài)特性的測試技術(shù)，是動態(tài)液壓元件特性測試領(lǐng)域的重要課題之一。相應(yīng)的動態(tài)性能測試要求較高。CAT可以采用自適應(yīng)尋優(yōu)的正弦信號測試方法對液壓元件的動態(tài)特性進(jìn)行測試。它可以回避高頻噪聲干擾，提高測試結(jié)果的精確性。并可以以其性能先進(jìn)的VX1總線儀器為主要測試設(shè)備，組成液壓元件動態(tài)測試系統(tǒng)。具有高速、高精度、易組建、擴(kuò)展、更新?lián)Q代的特點(diǎn)；綜合性能測試技術(shù)。即利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件建立的液壓元件特性測試系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)對液壓元件動、靜態(tài)特性的自動測試。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)V1CAT系統(tǒng)，產(chǎn)生低頻三角波、正弦波、鋸齒波等，用于靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)需要。所產(chǎn)生的隨機(jī)信號，正弦掃頻信號用于動態(tài)特性測試需要。兩路模擬量輸出和回路模擬量輸入等接口，對提高測試精度，減少測試時間，減輕實(shí)驗(yàn)工作人員的負(fù)擔(dān)起到了巨大的積極作用。

無論我們采用對數(shù)字液壓系統(tǒng)控制的開環(huán)設(shè)計(jì)理念，還是閉環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，技術(shù)支撐和性能穩(wěn)定這樣一個基本的前提條件是不變的。確定了這一點(diǎn)，產(chǎn)品加工的精度就會得到有效的保證。

數(shù)字液壓技術(shù)是數(shù)字技術(shù)和液壓傳動與控制系統(tǒng)的結(jié)合技術(shù)。是基于現(xiàn)代化工業(yè)綜合技術(shù)多學(xué)科和多領(lǐng)域的具體應(yīng)用。數(shù)字液壓技術(shù)是液壓傳動和控制領(lǐng)域的重要組成部分。也就是當(dāng)代工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)更新?lián)Q代項(xiàng)目。