数控油缸闭环控制系统及方法
【专利摘要】一种数控油缸闭环控制系统，包括上位机、步进电机控制单元、移位传感器、步进电机、数控油缸、压力继电器，上位机与步进电机控制单元之间通过CAN总线连接，步进电机控制单元与步进电机之间电连接，步进电机与数控油缸之间机械连接，位移传感器与压力继电器安装在数控油缸上并且信号输出端连接步进电机控制单元。本发明的数控油缸闭环控制系统及方法精度高，安全性高，动作稳定可靠。
【专利说明】数控油缸闭环控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及液压领域，特别是涉及一种油缸控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]我们都知道，油缸对于液压机械来说是非常重要的一个部件，在整个液压机械中扮演一个执行元件的角色，整个过程中油缸就是把液压能转换成机械能，根据使用压力的范围我们可以把油缸分为轻压、中压、重压三类，大型筒状结构件的对接，在飞机装配、管线对接、武器系统装填、飞船太空对接等领域广泛应用，某些产品需要多次实现分离与对接过程。在大型筒状结构件的对接过程中，要保证其可靠连接，首先需要解决其同心问题，即通过其自身姿态调节消除初始误差，使两筒状结构件的同心度满足对接要求。传统的调姿对中过程通过液压系统的调整均采用人工测量、调整的系统，效率较低，误差高，对操作人员依赖性强。液压系统的效率与精度主要取决于对油缸的高精度高可靠性控制，因此急需一种高可靠性、高精度的油缸控制系统。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种数控油缸闭环控制系统，用于提高液压系统工作的高可靠性和高精度。
[0004]本发明数控油缸闭环控制系统包括上位机、步进电机控制单元、移位传感器、步进电机、数控油缸、压力继电器，上位机与步进电机控制单元之间通过CAN总线连接，步进电机控制单元与步进电机之间电连接，步进电机与数控油缸之间机械连接，位移传感器与压力继电器安装在数控油缸上并且信号输出端连接步进电机控制单元。
[0005]数控油缸结构包括压力继电器、进油口、出油口、连接耳、缸杆、位移传感器、缸体、安装支架、步进电机，缸体安装固定在安装支架上，安装支架位于缸体的中下部，缸杆5套接与缸体内，缸杆的上部安装有连接耳，缸杆的下部与步进电机相连接，缸体的下部位于安装支架的下方开有出油口 ；缸体的上部开有进油口，进油口的管道上安装有压力继电器，缸体上安装有位移传感器。
[0006]所述位移传感器米用的时型号为D8.6A1.0025的拉线式位移传感器。
[0007]所述压力继电器型号为511.943603743。
[0008]所述步进电机控制单元采用的主控制芯片为XC164。
[0009]利用数控油缸控制系统的控制方法包括如下步骤:
[0010]S1、油缸闭环工步号为O时，上位机根据压力继电器采集的油压数值判断工作油压是否正常，如果正常则将油缸闭环工步号置I;如果工作油压不正常这时可以有人工判断油压故障原因，如果是因为压力继电器故障造成的则人工选择“继续”将油缸闭环工步号置1，如果是因为油路本身故障造成的则人工选择“停止”将油缸闭环工步号置13。
[0011]S2、油缸闭环工步号为I时,上位机记录油缸初始位置,之后将油缸闭环工步号置2。[0012]S3、油缸闭环工步号为2时，上位机根据预设位移X的长度计算步进电机相应的运动步数，同时判断累计补偿运动是否超差，如果判断累计补偿运动超差则将油缸闭环工步号置10，如果判断累计补偿运动没有超差，则将油缸闭环工步号置3。
[0013]S4、油缸闭环工步号为3时，上位机向步进电机控制单元发送运动控制指令，然后将油缸闭环工步号置4。
[0014]S5、油缸闭环工步号为4时，上位机判断是否正在进行补偿运动，如果正在进行补偿运动则将油缸闭环工步号置12，如果没有正在进行补偿运动，则将油缸闭环工步号置5。
[0015]S6、油缸闭环工步号为5时，上位机判断过程误差是否超差，如果判断超差则向步进电机控制单元发送停机指令并且将油缸闭环工步号置7，如果判断不超差则将油缸闭环工步号置6。
[0016]S7、油缸闭环工步号为6时，上位机判断数控油缸是由运动到位，如果判断已经运动到位则将油缸闭环工步号置9，如果判断运动不到位则将油缸闭环工步号置5。
[0017]S8、油缸闭环工步号为7时，上位机保存步进电机已经运动的步数，然后将油缸闭环工步号置8。
[0018]S9、油缸闭环工步号为8时，上位机判断1s内过程误差是否消除，如果在1s内过程误差消除了则将油缸闭环工步号置2，如果1s内过程误差没有消除则向步进电机控制单元发送停机指令，并将油缸闭环工步号置13。
[0019]S10、油缸闭环工步号为9时，上位机控制延时ls，之后判断结果误差是否超差，如果结果误差超差则开始补偿运动，并将油缸闭环工步号置2，如果结果误差没有超差则将油缸闭环工步号置11。
[0020]S11、油缸闭环工步号为10时，上位机向步进电机控制单元发送停机指令，并将油缸闭环工步号置13。
[0021]S12、油缸闭环工步号为11时，上位机控制延时ls，之后将油缸闭环工步号置13。
[0022]S13、油缸闭环工步号为12时，上位机判断补偿运动是否到位，如果到位则将油缸闭环工步号置9，如果不到位则将油缸闭环工步号置12。
[0023]S14、油缸闭环工步号为13时，上位机将过程参数清零，闭环工步号置0，油缸闭环控制结束。
[0024]本发明数控油缸闭环控制系统及方法的有益效果为，实现数控油缸的全闭环控制，对结果误差进行补偿，消除结构安装间隙、步进电机丢步影响，保证满足系统高精度要求；数控油缸运动过程中实时监测过程误差和累计补偿值，避免数控油缸出现脱缸故障，保证安全性。数控油缸运动过程中监测工作油压，油压不足时可自动停止动作，保证安全性，同时提供人为选择继续流程，避免传感器故障导致油缸动作失效，提高可靠性。
[0025]下面结合附图对本发明的数控油缸闭环控制系统及方法作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为数控油缸闭环控制系统控制原理图；
[0027]图2为数控油缸结构示意图；
[0028]图3为数控油缸闭环控制方法流程图。
[0029]具体实方式[0030]如图1所示，本发明数控油缸闭环控制系统包括上位机A、步进电机控制单元B、移位传感器6、步进电机C、数控油缸D、压力继电器1，上位机A与步进电机控制单元B之间通过CAN总线连接，步进电机控制单元B与步进电机C之间电连接，步进电机C与数控油缸D之间机械连接，位移传感器6与压力继电器I安装在数控油缸D上并且信号输出端连接步进电机控制单元B。
[0031]上位机A用于实时监控步进电机控制单元B反馈的控制输入值和油缸实际位移值，将油缸位移值与控制输入值相对比，并根据对比结果发出相应的控制指令；步进电机控制单元B用于实时接收位移传感器6和压力继电器I采集的数据，并将接收的数据反馈给上位机A，同时步进电机控制单元B接收上位机A发来的相关指令并根据指令相应的控制步进电机C,在步进电机C的带动下数控油缸D作出相应的调整；步进电机C用于带动数控油缸D运动；位移传感器6用于实时采集数控油缸缸杆伸出的长度，并将采集结果输送给步进电机控制单元B ;压力继电器I用于实时采集数控油缸油路的压力值，并将采集结果输送给步进电机控制单元B。
[0032]上述实施例中位移传感器6米用的时型号为D8.6A1.0025的拉线式位移传感器，压力继电器I型号为511.943603743，步进电机控制单元B采用的主控制芯片为XC164。
[0033]如图2所示，本发明数控油缸结构包括压力继电器1、进油口 2、出油口 3、连接耳
4、缸杆5、位移传感器6、缸体7、安装支架8、步进电机9，缸体7安装固定在安装支架8上，安装支架8位于缸体7的中下部，缸杆5套接与缸体7内，缸杆5的上部安装有连接耳，缸杆5的下部与步进电机9相连接，缸体的下部位于安装支架8的下方开有出油口 3 ;缸体7的上部开有进油口 2，进油口 2的管道上安装有压力继电器I (即安装在数控油缸的进油口油路中)，缸体7上安装有位移传感器6 (位移传感器6应布置在数控油缸的杠杆5和缸体7之间，或是在杠杆5或缸体7固连的结构件上,保证位移传感器6的敏感方向与杠杆5轴线平行，从而保证检测精度满足要求)。
[0034]进油口 2是液压油的进入口，压力继电器I用于测量进油管路内的液压油的压力值，连接耳4用于与相应的被调整(或被作用)部件相连接，位移传感器6用于测量数控油缸缸杆5伸出的长度(位移传感器6采用的是拉线式位移传感器，其有效量程大于数控油缸D的行程，检测精度满足油缸运动控制精度要求，并且其输出接口形式根据需要可选4?20mA模拟量输出、SSI格雷码编码输出等多种输出形式)，步进电机9为整个数控油缸提供驱动力。
[0035]如图3所示，本发明数控油缸控制系统控制流程中设置了油缸闭环工步号参数I到13，不同的工步号对应不同的控制步骤:
[0036]油缸闭环工步号为O时，上位机A根据压力继电器I采集的油压数值判断工作油压是否正常，如果正常则将油缸闭环工步号置I ;如果工作油压不正常这时可以有人工判断油压故障原因，如果是因为压力继电器I故障造成的则人工选择“继续”将油缸闭环工步号置1，如果是因为油路本身故障造成的则人工选择“停止”将油缸闭环工步号置13。
[0037]油缸闭环工步号为I时,上位机A记录油缸初始位置,之后将油缸闭环工步号置2。
[0038]油缸闭环工步号为2时，上位机A根据预设位移X的长度计算步进电机C相应的运动步数，同时判断累计补偿运动是否超差，如果判断累计补偿运动超差则将油缸闭环工步号置10，如果判断累计补偿运动没有超差，则将油缸闭环工步号置3。[0039]油缸闭环工步号为3时，上位机A向步进电机控制单元B发送运动控制指令，然后将油缸闭环工步号置4。
[0040]油缸闭环工步号为4时，上位机A判断是否正在进行补偿运动，如果正在进行补偿运动则将油缸闭环工步号置12，如果没有正在进行补偿运动，则将油缸闭环工步号置5。
[0041]油缸闭环工步号为5时，上位机A判断过程误差是否超差，如果判断超差则向步进电机控制单元B发送停机指令并且将油缸闭环工步号置7，如果判断不超差则将油缸闭环工步号置6。
[0042]油缸闭环工步号为6时，上位机A判断数控油缸D是由运动到位，如果判断已经运动到位则将油缸闭环工步号置9，如果判断运动不到位则将油缸闭环工步号置5。
[0043]油缸闭环工步号为7时，上位机A保存步进电机已经运动的步数，然后将油缸闭环工步号置8。
[0044]油缸闭环工步号为8时，上位机A判断1s内过程误差是否消除，如果在1s内过程误差消除了则将油缸闭环工步号置2，如果1s内过程误差没有消除则向步进电机控制单元B发送停机指令，并将油缸闭环工步号置13。
[0045]油缸闭环工步号为9时，上似机A控制延时ls，之后判断结果误差是否超差，如果结果误差超差则开始补偿运动，并将油缸闭环工步号置2，如果结果误差没有超差则将油缸闭环工步号置11。
[0046]油缸闭环工步号为10时，上位机A向步进电机控制单元B发送停机指令，并将油缸闭环工步号置13。
[0047]油缸闭环工步号为11时，上位机A控制延时ls，之后将油缸闭环工步号置13。
[0048]油缸闭环工步号为12时，上位机A判断补偿运动是否到位，如果到位则将油缸闭环工步号置9，如果不到位则将油缸闭环工步号置12。
[0049]油缸闭环工步号为13时，上位机A将过程参数清零，闭环工步号置0，油缸闭环控制结束。
[0050]本发明中步进电机C与数控油缸D为一体式连接，数控油缸D是一个带内反馈的伺服执行元件，通过步进电机C的转角位置的控制能够实现数控油缸缸杆伸出长度的精确调整。位移传感器6检测数控油缸的缸杆5伸出长度，反馈其绝对位移，压力继电器I检测工作油路压力值，保证工作过程中油压。
[0051]该种控制策略为闭环控制方法，运行过程中需对位移传感器6和压力继电器I进行实时监控，监测工作油压、数控油缸过程误差和结果误差，并对结果误差进行补偿，实现高精度可靠控制。
[0052]具体方式为:在实时监控方式下，首先上位机A根据预设位移值X计算本次步进电机运动步数值，并且发送至步进电机控制单元B，上位机A开始实时监控步进电机控制单元B反馈的控制输入值(从Omm到Xmm)和数控油缸D的实际位移值(为当前位置一初始位置的结果)，并将数控油缸D的位移值与预设位移值X进行对比。要求任意时刻的预设位移值X与数控油缸位移值偏差不超过土Wmm (取决于数控油缸承受的最大误差值，如2_)，一旦检测到反馈超差，则控制步进电机C停止转动，1s (根据需要确定)内要求误差不大于土Emm(最终的控制精度，根据实际需求可调，如0.3mm)，否则停机报错，如误差消除则可继续控制步进电机C走完剩余行程，继续实时监测过程误差不超过土Wmm，直到一次运行结束。延时Is(根据需要确定)检测结果误差是否满足误差不大于土Emm要求，不满足要求则进行补偿，补偿后再次检测结果误差，满足要求则延时3s (根据需要确定)等待机构稳定结束本次闭环控制，仍不满足要求则继续进行补偿，累计补偿总和超过Wmm则停机报错。
[0053]同时在数控油缸D工作过程时，需全程监控工作油路压力继电器1，如果压力不满足要求则数控油缸D停止动作，并提示人为选择“继续”和“停止”操作，通过人为判断后确定工作油压正常，而压力继电器故障误报错，选择“继续”，可继续当前动作，油缸继续运动直到满足结果误差要求；如果人为确定工作油压故障，选择“停止”，可结束当前数控油缸动作。
[0054]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种数控油缸闭环控制系统，其特征在于，包括上位机(A)、步进电机控制单元(B)、移位传感器(6)、步进电机(C)、数控油缸⑶、压力继电器(I)，上位机㈧与步进电机控制单元(B)之间通过CAN总线连接,步进电机控制单元(B)与步进电机(C)之间电连接,步进电机(C)与数控油缸(D)之间机械连接，位移传感器(6)与压力继电器(I)安装在数控油缸(D)上并且信号输出端连接步进电机控制单元(B)。
2.根据权利要求1所述的数控油缸控制系统，其特征在于，数控油缸结构包括压力继电器(I)、进油口(2)、出油口(3)、连接耳(4)、缸杆(5)、位移传感器(6)、缸体(7)、安装支架(8)、步进电机(9)，缸体(7)安装固定在安装支架(8)上，安装支架(8)位于缸体(7)的中下部，缸杆(5)套接与缸体(7)内，缸杆(5)的上部安装有连接耳，缸杆(5)的下部与步进电机(9)相连接，缸体的下部位于安装支架(8)的下方开有出油口(3);缸体(7)的上部开有进油口(2)，进油口(2)的管道上安装有压力继电器(1)，缸体(7)上安装有位移传感器(6)。
3.根据权利要求2所述的数控油缸控制系统，其特征在于，所述位移传感器(6)采用的时型号为D8.6A1.0025的拉线式位移传感器。
4.根据权利要求3所述的数控油缸控制系统，其特征在于，所述压力继电器(I)型号为.511.943603743。
5.根据权利要求4所述的数控油缸控制系统，其特征在于，所述步进电机控制单元(B)采用的主控制芯片为XC164。
6.利用上述权利要求1至5所述的数控油缸控制系统的控制方法包括如下步骤:. 51、油缸闭环工步号为 O时，上位机(A)根据压力继电器(I)采集的油压数值判断工作油压是否正常，如果正常则将油缸闭环工步号置I ;如果工作油压不正常这时可以有人工判断油压故障原因，如果是因为压力继电器(I)故障造成的则人工选择“继续”将油缸闭环工步号置1，如果是因为油路本身故障造成的则人工选择“停止”将油缸闭环工步号置13。 . 52、油缸闭环工步号为I时,上位机(A)记录油缸初始位置,之后将油缸闭环工步号置.2。 . 53、油缸闭环工步号为2时，上位机(A)根据预设位移X的长度计算步进电机(C)相应的运动步数，同时判断累计补偿运动是否超差，如果判断累计补偿运动超差则将油缸闭环工步号置10，如果判断累计补偿运动没有超差，则将油缸闭环工步号置3。 . 54、油缸闭环工步号为3时，上位机(A)向步进电机控制单元(B)发送运动控制指令，然后将油缸闭环工步号置4。 .55、油缸闭环工步号为4时，上位机(A)判断是否正在进行补偿运动，如果正在进行补偿运动则将油缸闭环工步号置12，如果没有正在进行补偿运动，则将油缸闭环工步号置5。 . 56、油缸闭环工步号为5时，上位机(A)判断过程误差是否超差，如果判断超差则向步进电机控制单元(B)发送停机指令并且将油缸闭环工步号置7，如果判断不超差则将油缸闭环工步号置6。 . 57、油缸闭环工步号为6时，上位机(A)判断数控油缸(D)是由运动到位，如果判断已经运动到位则将油缸闭环工步号置9，如果判断运动不到位则将油缸闭环工步号置5。 .58、油缸闭环工步号为7时，上位机(A)保存步进电机已经运动的步数，然后将油缸闭环工步号置8。(相应的将流程图中也该了)S9、油缸闭环工步号为8时，上位机(A)判断1s内过程误差是否消除，如果在1s内过程误差消除了则将油缸闭环工步号置2，如果1s内过程误差没有消除则向步进电机控制单元(B)发送停机指令，并将油缸闭环工步号置13。(相应的将流程图中也该了) S10、油缸闭环工步号为9时，上位机(A)控制延时ls，之后判断结果误差是否超差，如果结果误差超差则开始补偿运动，并将油缸闭环工步号置2，如果结果误差没有超差则将油缸闭环工步号置11。 S11、油缸闭环工步号为10时，上位机(A)向步进电机控制单元(B)发送停机指令，并将油缸闭环工步号置13。(相应的将流程图中也该了) S12、油缸闭环工步号为11时，上位机(A)控制延时ls，之后将油缸闭环工步号置13。 S13、油缸闭环工步号为12时，上位机(A)判断补偿运动是否到位，如果到位则将油缸闭环工步号置9，如果不到位则将油缸闭环工步号置12。 S14、油缸闭环工步号为13时，上位机(A)将过程参数清零，闭环工步号置0，油缸闭环控制结束 。
【文档编号】F15B9/03GK104033432SQ201410221874
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】郝欣伟, 刘懿敏, 安晨亮, 王真真, 苏娟, 李志超, 杨学军, 刘澍, 顾银芳, 郑国梁, 顾长明, 赵子剑 申请人:北京航天发射技术研究所, 中国运载火箭技术研究院