數字液壓

目錄

1 引言

2 數字液壓的原理、類型與命名

2.1 數字缸原理

2.2 數字液壓的門類

2.3 「數字液壓」名字的由來

3 數字液壓與伺服液壓的異同

3.1 機械閉環反饋與電閉環反饋

3.2 頻響問題

3.3 精度問題

3.4 感測器閉環的必要性

3.5 力控制方式

4 數字液壓技術的發展

4.1 從關注液壓到關注自動化直至工藝需求

4.2 從器件的自動化到系統的智能化

5 數字液壓已經或即將展開的應用

6 創新發展是中國製造業未來之路

1 引言

數字液壓技術是最新國際發展趨勢，是液壓從模擬邁向數字化、信息化和智能化的開端。億美博數字液壓技術始終保持了國際領先地位。

自上世紀70年代末，北京億美博科技有限公司創始人——楊世祥教授即對數字液壓技術進行了深入研究，並於80年代初的鋼鐵年會上發表了中國國內首篇關於數字液壓的研究論文，後經《液壓與氣動》於1983年縮減公開發表。1989年第一代數字液壓缸即應用於國防重點項目上，後續楊教授不斷推動數字液壓技術的發展，克服其存在的缺陷和不足，第二代、第三代技術相繼誕生並成功應用於重要的國防項目及國家重點工程應用中。經過近四十年的不斷努力，現在數字液壓已經形成系列產品並批量應用於眾多領域，包括：國防、冶金、能源、機械製造等，在傳統液壓器件、比例伺服液壓器件之外，形成了獨樹一幟的、具有性能可靠、精度高、從設計安裝調試直至使用維護大為簡化等眾多優勢的一類新器件或者新方案，受到了眾多用戶的青睞。近些年，隨著信息化技術的發展和智能製造的興起，作為傳動的核心基礎件數字化發展也日趨受到重視，2016年十三五液氣密行業發展規劃更是將億美博申報的共計7項數字液壓系列技術列入，數字液壓自然引起了國際和國內學術界及產業界的關注。2015年初，就數字液壓的起源、發展和技術特點等，在網上有一些激烈討論，2016年8月，網路上更是就數字液壓一些技術特性等展開更深入的討論。為了能客觀的闡述億美博數字液壓的特點，我們談談自己的看法，算是拋磚引玉。

2 數字液壓的原理、類型與命名

2.1 數字缸原理

數字缸是一種集成了機械反饋的直線液壓放大器。在這個緊湊組件里，利用穩定可靠且環境耐受能力更強的機械仿形（滾珠）絲杠，替代了電位移感測器和反饋調節功能。

數字缸工作原理：

電控步進電機或伺服電機1帶動閥芯2在螺母套3中旋轉，螺紋使閥芯產生軸向移動將閥口打開。根據電機的旋轉方向，壓力油從P進入液壓缸前或後腔，活塞桿5伸出或縮回。這時，與活塞桿固定在一起的仿形螺母4被一起帶動，與其嚙合的仿形螺桿6被轉動，導致連接在其左側的螺母套3旋轉，與其嚙合的閥芯2做軸向返回移動，直至將開啟的閥口關閉，液壓缸隨即停止運動，完成液壓缸直線移動對電機轉角的跟蹤，過程中實現了力矩放大。這是一種帶機械反饋的伺服系統（隨動系統）。根據設計，仿形螺桿6可用不同的導程，導程越大，可獲得在一定精度範圍內液壓缸有較快的運動速度（幾百～千毫米/秒）。當仿形螺桿採用小導程時，液壓缸其運動速度將會降低，但此時的位置精度將會很高（微米/步）。簡單用一句話概括：電機將閥口打開一個微小位移（例如：5微米），高壓油推動活塞移動對應距離的同時將閥口關閉，活塞停止，這個過程如果循環1000次，液壓缸活塞就可以移動了5毫米，如果用1秒循環1000次，那麼液壓缸就實現了5毫米/秒的速度。這種原理在我們日常生活中也經常遇到，例如汽車轉向液壓助力裝置。

數字缸可被看作是電機的特性隨動和功率放大裝置。

2.2 數字液壓的門類

總的來說目前被稱為數字液壓的技術分為：閥控式和一體式兩大類，而以閥控式數字液壓種類繁多，其中又包括細分種類繁多的：高速開關式、PWM、增量式等細分大類，而近些年，隨著國外研究機構對類似數字電子技術的1、2、4、8、……加權排列組合形式的「數字液壓」研究，國內也有權威院校從事跟蹤研究，更將數字液壓技術豐富了起來。而億美博創始人楊世祥教授多年來從事研究的數字液壓則與上述閥控式有著巨大不同。億美博沿襲的是一體式數字液壓技術的研究和推廣。簡單說一體式數字液壓是將：閥、缸、反饋與驅動控制巧妙的組合為一個整體，對外體現為一個獨立的器件，用戶無需關心其內部構成與特性，僅了解輸入與輸出固定的關係後，即可輕鬆掌握和使用，並且這種一體式數字液壓整體性好、抗污染能力強、精度高、穩定可靠、綜合成本低廉等，更突出的優勢在於其無需閥控閉環系統需要整定控制參數的麻煩，具有比其它類型數字液壓更突出的特點及優勢，因此在眾多數字液壓技術分類中，應用案例最多，實現的技術水平最高，獲得最終用戶的評價也是最好的，同時也是數字液壓群體中最成熟可靠的產品。這些都在實際應用中得以驗證（美國、日本和瑞典等國家自上世紀80年代也有一體式數字液壓缸產品並沿用至今，只是技術一直停滯在較早年代水平上）。

2.3 「數字液壓」名字的由來

現在被稱之為數字液壓的技術不算少，或許是「數字」這兩個字比較更貼近於現代科技發展的前緣，因此數字「一切」變得很時尚。「數字液壓」這個詞據我們考證官方使用應最早出現在2002年「十五」國家科技攻關計劃，有幸億美博承擔了「數字液壓缸系列產品的研究與開發」攻關任務，並於2003年通過科技部組織的專家驗收，驗收專家意見中的最後一句話畫龍點睛的寫到：「該產品（數字液壓缸）的研製成功，對推廣工業自動化做出貢獻」。其實「數字液壓」這個詞早在1989年筆者對之前被稱為：「數控脈衝液壓缸」或稱：「電液脈衝步進缸」的技術其特徵與數字電子技術有異曲同工之類同而內部使用。1995-96年筆者在美國期間，還專門申請了http://digital-hydraulic.com這個網路域名，2002年該域名轉回國內，因此查詢記錄從2002年開始記載。之所以筆者最早使用「數字液壓」，也是源於筆者是從無線電、數字電子技術「出身」，接觸到之前的「數控脈衝液壓缸」技術後，發現它很像數字電子技術，即：具有標量化特徵，也就是這種液壓缸的運動特性完全與電脈衝對應，脈衝的數量準確的對應油缸的運動行程，脈衝的頻率對應著油缸的速度，它幾乎不受負載和油壓波動的影響，甚至它的設計、製造、使用和維護等，都大為簡化，與數字電子技術的很多特徵極其類似，因此才將原本更專業化或技術化的名詞改為更形象化的稱其為：「數字液壓」。

3 數字液壓與伺服液壓的異同

3.1 機械閉環反饋與電閉環反饋

億美博一體式數字液壓採用的是機械反饋方式，這也是一體式數字液壓技術的關鍵所在。伺服液壓系統採用的是電氣方式閉環反饋，相比機械反饋，其不僅精度低、響應慢，更大的問題在於其存在嚴重的不確定性。這裡所指的不確定性是所有閥控系統，無論是伺服液壓亦或是數字閥，均存在控制調節演算法的參數整定不確定性。而這個不確定性問題，往往是影響整個系統精度、響應速度，甚至是成敗的至關重要因素。單就這一點我們就可以說，一體式數字液壓採用機械反饋裝置實現閉環調節控制更有效和準確。其實如果細研究伺服閥內部機理也不難得出這個結論，因伺服閥也是利用了機液反饋構成的閉環而實現其完美的控制能力，這裡就不展開介紹伺服閥的工作原理了，大家有興趣可以自行深入研究。

3.2 頻響問題

無論任何系統其頻率響應均與其所有環節的累計滯後時間構成反比關係。大家可以對比一下，油缸運動通過感測器檢測、計算機演算法計算（這裡暫且認為控制演算法和參數準確高效）、力矩馬達響應調節輸出、伺服閥內部機液閉環推動閥口開閉、壓力油進入到油缸前後腔整個過程，對比油缸運動通過機械直接推動閥口開閉哪個更快？顯然是後者環節少速度快且更直接精準，而後者就是一體式數字液壓的關鍵優勢所在。這裡不得不提到伺服閥的工作原理，如果大家對伺服閥芯的運動有深入研究，就可以了解到伺服閥之所以能實現高頻響高精度的控制，也是由於利用了相同的機液反饋閉環控制原理。數字缸機液反饋與伺服閥原理相同，甚至我們可以將數字缸的活塞運動看作是伺服閥的閥芯運動，數字缸就像一個放大版的伺服閥。正是因其通過機械反饋具有採用伺服閥和數字閥通過電閉環反饋控制更快速、準確和有效，使數字液壓體現出更高的頻響範圍和精度（高頻響也是高精度的基礎），這也是被億美博在大量實際應用案例中驗證的結論。例如：億美博採用數字缸驅動控制的20輥硅鋼薄帶軋機板厚自動控制系統的成功應用，實現取向硅鋼薄帶成品0.257毫米±3微米的控制精度，這是原本僅有較高頻響伺服閥才能勝任的領域。關於具體理論依據的表述早已在上世紀80年代初楊世祥教授發表的論文中關於數字液壓缸傳遞函數中有了詳述，這裡不再表述。

3.3 精度問題

這裡也不得不提一個核心問題，就是關於機械傳遞中的各種間隙和精度等問題造成數字液壓的精度保障問題。數字液壓產品的製造可以採用不同的設備、不同的工藝、不同的材料選型、不同的精度配合等，以至於體現出最終產品的技術性能不同。億美博創始人楊世祥教授潛心近40年對數字液壓的不斷研究和創新，使得我們的產品早在十五攻關驗收時就能夠實現微米級的重複精度，現在更可以大批量製造生產，其中大量借鑒了伺服閥的加工製造工藝、材料、設備要求等，因此實現微米級的控制能力已得到解決，這也正是億美博始終保持引領的關鍵基礎。

3.4 感測器閉環的必要性

億美博推崇的一體式數字液壓由於其內部已經具有了位置閉環能力，因此其實現精確的微米級重複定位時就不再需要額外的感測器對其閉環控制，即使是在速度控制上，由於其運動特性的數字化，脈衝頻率對應數字液壓缸的運動速度特性，也使得其不必再採用感測器對其實施閉環控制。這裡不得不說的是很多人對感測器的誤解。普遍認為電感測器精度高，其實這是很多人的認知誤區。就拿磁致伸縮位移感測器來說吧，大家仔細看一下它的技術性能參數即可發現，它的誤差、線性度、溫度穩定性等這些指標中都有一個「xx%FS」，這裡的「FS」是英文「Full Scale」也就是「全量程」的縮寫，一般精度可以做到萬分之1-3FS，這個精度很高嗎？其實不然，1米的行程，將會有0.1毫米的誤差。而滾珠絲杠精度分級是:0,1,2,3,5,7,10共7級，一般機械採用C7,C10級,數控設備一般採用C5,C3級(C5較多,國內大部分數控機床都是C5級),航空製造設備,精密投影及三坐標測量設備等一般採用C3,C2精度，可見滾珠絲桿比磁致伸縮位移感測器精度高出很多。所以在此提請大家關注和了解電感測器中還有很多相互關聯影響的技術參數指標，例如：線性度、溫度穩定性和誤差精度之間的關係。而億美博一體式數字液壓缸雖然內部具有了更高精度的機械反饋裝置，但不並不排除額外再裝上一個電感測器用於冗餘監測保護使用。這樣能讓數字液壓缸具有雙保險能力，工作得更安全可靠。這也是億美博在很多要求安全級別更高的應用中慣用的方法，例如：幾項國防重點應用、大型水利項目、機器人應用等，均採用了這種冗餘保護設計。除此之外，億美博一體式數字液壓產品還裝有壓力感測器用於實現力的控制能力。

3.5 力控制方式

力控制分為對絕對剛體和非剛體兩種，我們先討論非剛體。我們都知道對非剛體而言，通過對物體施加力與其產生形變是正比關係，而剛度越大，體現其形變就越微小，而能夠精確實現位置控制，正是精確實現力閉環調節的基礎保障。一體式數字液壓缸能實現微米級的重複精度，也就滿足了大多數要求精確力控制的系統要求。即：通過精確的位置控制實現力的閉環控制。再說說對於絕對剛體的力控制。首先說這種控制不常見，但即使是這樣的控制，億美博通過採用數字液壓中特有的線性閥開口控制能力,相對於伺服閥開口控制的線性度和解析度更高（數字閥閥口控制是通過伺服或者步進電機實現的，相比通過力矩馬達控制的伺服閥閥口，更容易實現精確的線性和1/1000~1/10000開口解析度），加上億美博特殊設計的流量壓力轉換系統，就可以實現對絕對剛體的精密力控制。

4 數字液壓技術的發展

4.1 從關注液壓到關注自動化直至工藝需求

液壓作為傳動的一員，原本應該是為自動化服務，但由於液壓的技術難度高、實施中往往遇到各種意想不到的困難，因此在很多系統應用中，液壓反而變為了項目的主要被關注環節。由於數字液壓技術的出現使得液壓傳動得以簡化，正如十五科技攻關驗收專家評語寫到的：「數字液壓的成功，對推廣工業自動化做出貢獻」。因而我們可以將精力更多的關注在自動化系統的實施方面，而作為自動化是為了工藝目標的達成而設計和實施的，因此億美博通過十八年在重多行業的學習和研究，積累了大量的行業知識和經驗，因此我們早已不再是僅將著眼點放在液壓元件、液壓系統構成這些單一方面，而是更關注如何利用包括：機械、液壓、電氣、自動化、信息技術甚至是大數據、雲計算和智能化等，集成一體的綜合解決方案上。努力將更貼近於用戶需求的解決方案完美的展現在用戶的面前，解決用戶的需求，甚至是引領不同行業的創新。這些方面也是被億美博不斷在實踐中證明的，例如：工程機械的機器人化和智能化發展等。

4.2 從器件的自動化到系統的智能化

數字液壓的出現，讓設計者、使用者得以將自動化系統向信息化和智能化快速推進。正如中國工程院周濟院長在調研數字液壓時指出的：數字液壓的成功，可以推進中國裝備快速實現數字化一代，而實現數字化的目的是為了信息化和智能化奠定基礎。數字液壓作為一個基礎級核心器件，億美博最新推出了具有現場匯流排網路連接的數字液壓缸、數字液壓馬達和數字可編程功率敏感泵，為接下來傳動邁向信息化和智能化做好基礎準備工作。

5 數字液壓已經或即將展開的應用

6 創新發展是中國製造業未來之路

其實深入研究我們的製造業不難發現，我們的基礎設施是完善的、產業隊伍是完整的、管理手段也是有較高效率的，但由於我們整個製造業30年的發展過程中，注重了引進、消化、吸收，但忽略了創新發展，迷失了自我。而跟著人家走，勢必會處在落後的地位、競爭不利的地位，加上這些年全球經濟乏力，市場需求大幅度減少，人力成本的不斷增加，環保壓力越來越重，這些綜合因素的疊加，中國裝備製造業出現困境是可想而知的事情。中國用30年的改革開放已經實現了經濟的騰飛，實現了世界第二經濟體的壯舉，而我們永遠要停留在這個第二的位置上嗎？要想超越對手，學習是基礎，但創新才是根本。中國裝備製造業接下來的發展，創新將是主旋律。國家提出產業升級、供給側改革等一系列政策，就是要引領我們製造業儘快接受、習慣、掌握和愛上創新，讓我們的裝備製造業在工業4.0時代，不僅不會掉隊，還要實現引領發展，讓「中國製造2025」為世界科技發展做出貢獻。因此我們學術和產業界要深刻體會創新的意義和價值，讓我們大家攜手營造創新氛圍，包容創新、鼓勵創新，讓創新發展首先在我們液壓行業形成風尚。

作者介紹：楊濤，1989年作為首屆全國十大傑出青年候選人，清華大學自動化系特招。工作後一直從事與自動化相關的產品和應用研發、系統設計和實施等工作，承擔過國家科技攻關、國家火炬、國家重點新產品計劃等，具有豐富的軟體和控制演算法設計、實施經驗。