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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(zhuǎn)油缸共同驅(qū)動來完成巷道斷面輪廓的成形任務(wù)的。由于工作環(huán)境惡劣、井下巷道空間狹小、空氣潮濕、掘進機在作業(yè)時會產(chǎn)生大量粉塵，并且對防爆要求較嚴格，使用傳統(tǒng)的普通液壓油缸控制對于行程檢測準(zhǔn)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(shù)的液壓缸是必然的趨勢。近些年來，已經(jīng)出現(xiàn)了一些使用高新技術(shù)的液壓缸，數(shù)字油缸就是其中一種，它屬于增量式數(shù)字控制的電液伺服機構(gòu)，可以按照用戶的要求，直接輸出數(shù)字信號，行程檢測準(zhǔn)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(yīng)用。

1、數(shù)字液壓缸工作原理

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

數(shù)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(shù)字缸所采用的液力放大器原理上和普通的液力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動以實現(xiàn)閥口的開、閉，其作用相當(dāng)于一個三通的滑閥。

數(shù)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(zhuǎn)運動通過減速齒輪6減速后，作用于三通閥閥芯5，使之轉(zhuǎn)動，閥芯5與螺桿4為一體，螺母3固聯(lián)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(chǎn)生軸向位移，打開閥口。當(dāng)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(xiàn)反饋。如果步進電機反轉(zhuǎn)，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(shè)計為空心結(jié)構(gòu)，以便將沿螺紋邊沿泄漏到活塞桿內(nèi)腔的油引回油箱。

2、采用數(shù)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(gòu)液壓缸的驅(qū)動大多采用的是閥控缸方式，即：油泵從油箱給系統(tǒng)回路供油，再通過調(diào)節(jié)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(gòu)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(zhuǎn)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(yīng)縮短），因此還需要考慮同步控制，可以再在控制系統(tǒng)中增設(shè)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(gòu)的一對升降油缸和一對水平回轉(zhuǎn)油缸。系統(tǒng)在工作時，首先由主控計算機根據(jù)給定的斷面形狀和具體尺寸，根據(jù)整個斷面截割過程中各個工作油缸的所需行程數(shù)據(jù)，依次送入相應(yīng)的控制器，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后送給伺服放大器、伺服閥，.后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給主控計算機，完成閉環(huán)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(zhuǎn)油缸也可以使用相同的方法，只需將其中一只替換為數(shù)字液壓缸，將其進油口與另外一只普通缸的回油口相聯(lián)，回油口則相應(yīng)與另外一只普通缸。的進油口相聯(lián)，實現(xiàn)聯(lián)動。

這一控制方案的優(yōu)點在于：系統(tǒng)由閉環(huán)控制變?yōu)榱碎_環(huán)控制，由原來的跟隨控制成為主動控制，和傳統(tǒng)的伺服控制相比較，采用數(shù)字缸控制更容易實現(xiàn)懸臂式巷道掘進機整個工作機構(gòu)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(shù)列表，再依次將轉(zhuǎn)換后的脈沖信號送入相應(yīng)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(zhì)量的目的；把傳統(tǒng)的伺服控制中復(fù)雜的閥口控制技術(shù)為直接給定的數(shù)字控制，而且系統(tǒng)復(fù)雜度大大降低。這是因為數(shù)字液壓缸本身具有位置閉環(huán)，因而將原先的傳統(tǒng)單閉環(huán)系統(tǒng)變?yōu)榱顺?shù)系統(tǒng)，省掉了一個調(diào)整環(huán)節(jié)，并且避免了傳統(tǒng)伺服控制中存在的響應(yīng)滯后問題。由于數(shù)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(fā)出的脈沖信號而可靠工作，脈沖頻率代表速度，脈沖總數(shù)代表液壓缸的行程?？刂破骺梢允褂脤ｉT的數(shù)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(shù)字液壓缸的行程控制方案。

3 結(jié)語

本文介紹了一種數(shù)字油缸的工作原理以及在懸臂掘進機行程控制中的應(yīng)用，克服了普通液壓缸閉環(huán)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性 、可靠性不高以及開發(fā)與調(diào)試的復(fù)雜問題，所以發(fā)展?jié)摿艽蟆?