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在礦井下使用的懸臂式掘進機，掘進頭的運動方向是通過升降油缸以及水平回轉油缸共同驅動來完成巷道斷面輪廓的成形任務的。由于工作環境惡劣、井下巷道空間狹小、空氣潮濕、掘進機在作業時會產生大量粉塵，并且對防爆要求較嚴格，使用傳統的普通液壓油缸控制對于行程檢測準確性不高，工作可靠性和使用壽命受到限制。為了解決這些問題，尋求一種更高技術的液壓缸是必然的趨勢。近些年來，已經出現了一些使用高新技術的液壓缸，數字油缸就是其中一種，它屬于增量式數字控制的電液伺服機構，可以按照用戶的要求，直接輸出數字信號，行程檢測準確性高，工作可靠性很高，量程范圍也較大，在礦山懸臂掘進機中可以得到應用。

1、數字液壓缸工作原理

數字液壓缸屬于增量式數字控制的電液伺服機構，其基本的工作原理：由步進電機和控制閥接受數字控制電路輸出的脈沖序列信號，進行信號的轉換和功率放大，然后驅動液壓缸輸出功率和位移。這里介紹一種螺紋式數字液壓缸的構成和工作原理。

數字液壓缸主要由液力放大器、減速齒輪和步進電機幾大部分組成。數字缸所采用的液力放大器原理上和普通的液力轉矩放大器工作原理類似，其作用是將步進電機的輸出扭矩放大，以便使液壓缸能夠帶動負載正常工作；螺紋式的閥芯主要是將旋轉運動轉變為直線運動以實現閥口的開、閉，其作用相當于一個三通的滑閥。

數字液壓缸工作原理：

1.活塞桿2.活塞3.反饋螺母4.螺桿5.三通閥閥芯6.減速齒輪7.步進電機

步進電機的旋轉運動通過減速齒輪6減速后，作用于三通閥閥芯5，使之轉動，閥芯5與螺桿4為一體，螺母3固聯在活塞2上，此時活塞不動，因此螺桿一螺母副的作用使閥芯產生軸向位移，打開閥口。當閥芯右移時，滑閥控制邊a工作，Pc與供油腔的閥口開大，由于Ac面積大于Ar，所以活塞向左運動，同時帶動閥芯左移，減小閥開口，實現反饋。如果步進電機反轉，則閥芯左移，控制邊b工作，Pc腔與回油腔的閥口開啟，活塞向右移動。螺桿設計為空心結構，以便將沿螺紋邊沿泄漏到活塞桿內腔的油引回油箱。

2、采用數字液壓缸對懸臂掘進機行程控制方案

在懸臂式巷道掘進機中，工作機構液壓缸的驅動大多采用的是閥控缸方式，即：油泵從油箱給系統回路供油，再通過調節各種閥來控制液壓油的流向和流量達到控制液壓缸運動方向和位移大小的目的，以此帶動工作機構的運動。

采用普通液壓缸，由于懸臂式掘進機升降油缸是一對同步油缸（這2個油缸運動方向和行程大小均相同），水平回轉油缸也是一對對稱布置的油缸（行程大小是相同的，只是2個油缸的運動方向不同，一個伸長時，則另外一個相應縮短），因此還需要考慮同步控制，可以再在控制系統中增設2個控制器，使2個控制器成為一組，共有2組控制器，分別控制懸臂式掘進機工作機構的一對升降油缸和一對水平回轉油缸。系統在工作時，首先由主控計算機根據給定的斷面形狀和具體尺寸，根據整個斷面截割過程中各個工作油缸的所需行程數據，依次送入相應的控制器，經過數/模轉換后送給伺服放大器、伺服閥，.后轉換成相應的液壓油流量推動油缸工作，油缸的位移通過位移傳感器并經過模/數轉換后送給主控計算機，完成閉環控制。

同普通液壓缸電液伺服控制方案類似，在一對升降油缸中，可以只替換其中一個，另外一個普通液壓缸作為隨動缸，接受同一個控制器的控制；一對水平回轉油缸也可以使用相同的方法，只需將其中一只替換為數字液壓缸，將其進油口與另外一只普通缸的回油口相聯，回油口則相應與另外一只普通缸。的進油口相聯，實現聯動。

這一控制方案的優點在于：系統由閉環控制變為了開環控制，由原來的跟隨控制成為主動控制，和傳統的伺服控制相比較，采用數字缸控制更容易實現懸臂式巷道掘進機整個工作機構的程序控制，只需要在上位計算機中計算出控制所需要的參數列表，再依次將轉換后的脈沖信號送入相應的控制器，就可以達到..控制液壓缸行程，從而達到提高巷道斷面成形質量的目的；把傳統的伺服控制中復雜的閥口控制技術為直接給定的數字控制，而且系統復雜度大大降低。這是因為數字液壓缸本身具有位置閉環，因而將原先的傳統單閉環系統變為了常數系統，省掉了一個調整環節，并且避免了傳統伺服控制中存在的響應滯后問題。由于數字液壓缸集成化程度較高，外形和普通液壓缸沒有多少差別，從外觀來看只有進油口，回油口和控制電纜接口，只需要接通恒壓液壓油源，不需要外接任何傳感器和其他液壓元件，就可以直接接受控制器發出的脈沖信號而可靠工作，脈沖頻率代表速度，脈沖總數代表液壓缸的行程。控制器可以使用專門的數字液壓缸控制器，也可以使用普通的PLC控制器或者單片機、DSP等。因此，在懸臂掘進機工作中，可以采用基于數字液壓缸的行程控制方案。

3 結語

本文介紹了一種數字油缸的工作原理以及在懸臂掘進機行程控制中的應用，克服了普通液壓缸閉環控制系統的復雜性 、可靠性不高以及開發與調試的復雜問題，所以發展潛力很大。