美國MOOG穆格伺服閥嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素

我司在德國、美國都有自己的公司，專業(yè)從事進(jìn)口貿(mào)易行業(yè)，所以我司的技術(shù)人員為都會(huì)輪流到國外廠家學(xué)習(xí)技術(shù)。

     美國MOOG穆格伺服閥嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素

電液MOOG伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，它是一種接受模擬電信號(hào)后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。電液MOOG伺服閥具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中。

液壓MOOG伺服閥是構(gòu)建液壓伺服控制系統(tǒng)的核心元件，因此液壓控制系統(tǒng)書籍會(huì)包含電液MOOG伺服閥內(nèi)容。

電液MOOG伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，它是一種接受模擬電信號(hào)后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。電液MOOG伺服閥具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中。

液壓MOOG伺服閥是構(gòu)建液壓伺服控制系統(tǒng)的核心元件，因此液壓控制系統(tǒng)書籍會(huì)包含電液MOOG伺服閥內(nèi)容。

1）在結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，主要是利用冗余技術(shù)對(duì)MOOG伺服閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。由于MOOG伺服閥是伺服系統(tǒng)的核心元件，MOOG伺服閥性能的優(yōu)劣直接代表著伺服系統(tǒng)的水平。另外，從可靠性角度分析，MOOG伺服閥的可靠性是伺服系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。由于MOOG伺服閥被污染是導(dǎo)致MOOG伺服閥失效的最主要原因。對(duì)此，國外的許多廠家對(duì)MOOG伺服閥結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，先后發(fā)展出了抗污染性較好的射流管式、偏導(dǎo)射流式MOOG伺服閥。而且，俄羅斯還在其研制的射流管式MOOG伺服閥閥芯兩端設(shè)計(jì)了雙冗余位置傳感器，用來檢測(cè)閥芯位置。一旦出現(xiàn)故障信號(hào)可立即切換備用MOOG伺服閥，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，此種兩余度技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于航空行業(yè)。而且，美國的Moog公司和俄羅斯的沃斯霍得工廠均已研制出四余度的伺服機(jī)構(gòu)用于航天行業(yè)。我國的航天系統(tǒng)有關(guān)單位早在90年代就已進(jìn)行三余度等多余度伺服機(jī)構(gòu)的研制，將MOOG伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套，發(fā)生故障可隨時(shí)切換，保證系統(tǒng)的正常工作。此外多線圈結(jié)構(gòu)、或在結(jié)構(gòu)上帶零位保護(hù)裝置、外接式濾器等型式的MOOG伺服閥亦已在冶金、電力、塑料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

2）在加工工藝的改進(jìn)方面，采用新型的加工設(shè)備和工藝來提高M(jìn)OOG伺服閥的加工精度及能力。如在閥芯閥套配磨方法上，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)均研制出了智能化、全自動(dòng)的配磨系統(tǒng)。特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的配磨系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的氣動(dòng)配磨的模式，采用液壓油作為測(cè)量介質(zhì)，更直接地反應(yīng)了所測(cè)滑閥副的實(shí)際情況，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度。在力矩馬達(dá)的焊接方面中船重工第704研究所與德國廠家合作，采用了先進(jìn)的焊接工藝取得了良好的效果。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)還研制出智能化的MOOG伺服閥力矩馬達(dá)彈性元件測(cè)量裝置。解決了原有手動(dòng)測(cè)量法中存在的測(cè)量精度低、操作復(fù)雜、效率低等問題。對(duì)彈性元件能高效完成剛度測(cè)量、得到完整的測(cè)量曲線，且不重復(fù)性測(cè)量誤差不大于1%。

3）在材料的更替上方面。除了對(duì)某些零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更的材料外。還對(duì)特別用途的MOOG伺服閥采用了特殊的材料。如德國有關(guān)公司用紅寶石材料制作噴嘴檔板，防止因氣饋造成檔板和噴嘴的損傷，而降低動(dòng)靜態(tài)性能，使工作壽命縮短。機(jī)械反饋桿頭部的小球也用紅寶石制作，防止小球和閥芯小槽之間的磨損，使閥失控，并產(chǎn)生尖叫。航空六O九所、中船重工第七O四研究所等單位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油為介質(zhì)的耐腐蝕MOOG伺服閥。此外對(duì)密封圈的材料也進(jìn)行了更替，使MOOG伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。

4）在測(cè)試方法改進(jìn)方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展生產(chǎn)單位均采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)MOOG伺服閥的靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算。某些單位還對(duì)如何提高測(cè)量精度，降低測(cè)量儀器本身的振動(dòng)、熱噪聲和外界的高頻干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，作了深入的研究。如采用測(cè)頻/測(cè)周法、尋優(yōu)信號(hào)測(cè)試法、小波消噪法、正弦輸入法及數(shù)字濾波等新技術(shù)對(duì)MOOG伺服閥測(cè)試設(shè)備及方法進(jìn)行了研制和改進(jìn) [3]  。

當(dāng)前，新型電液MOOG伺服閥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、新型材料的采用及電子化、數(shù)字化技術(shù)與液壓技術(shù)的結(jié)合等幾方面。電液MOOG伺服閥技術(shù)發(fā)展極大促進(jìn)了液壓控制技術(shù)的發(fā)展。

新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在20世紀(jì)90年代，國外研制直動(dòng)型電液MOOG伺服閥獲得了較大的成就。國內(nèi)有些單位如中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、北京機(jī)床研究所、浙江工業(yè)大學(xué)等單位也研制出了相關(guān)產(chǎn)品的樣機(jī)。特別是北京航空航天大學(xué)研制出轉(zhuǎn)閥式直動(dòng)型電液MOOG伺服閥。該MOOG伺服閥通過將普通MOOG伺服閥的滑閥滑動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛y的轉(zhuǎn)動(dòng)，并在閥芯與閥套上相應(yīng)開了幾個(gè)與軸向有一定傾角的斜槽。閥芯閥套相互轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，斜槽相互開通或相互封閉，從而控制輸出壓力或流量。由于在工作時(shí)閥芯閥套是相互轉(zhuǎn)動(dòng)的，降低了閥工作時(shí)的摩擦阻力，同時(shí)污染物不容易在轉(zhuǎn)動(dòng)的滑閥內(nèi)堆積，提高了抗污染性能。此外，Park公司開發(fā)了“音圈驅(qū)動(dòng)(Voice Coil Drive)”技術(shù)（VCD），以及以此技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的DFplus控制閥。所謂音圈驅(qū)動(dòng)技術(shù)，顧名思義，即是類似于揚(yáng)聲器的一種驅(qū)動(dòng)裝置，其基本結(jié)構(gòu)就是套在固定的圓柱形磁鐵上的移動(dòng)線圈，當(dāng)信號(hào)電流輸入線圈時(shí)，在電磁效應(yīng)的作用下，線圈中產(chǎn)生與信號(hào)電流相對(duì)應(yīng)的軸向作用力，并驅(qū)動(dòng)與線圈直接相連的閥芯運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力很大。線圈上內(nèi)置了位移反饋傳感器，因此，采用VCD驅(qū)動(dòng)的DFplus閥本質(zhì)上是以閉環(huán)方式進(jìn)行控制的，線性度相當(dāng)好。此外，由于 VCD驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)零件只是移動(dòng)線圈，慣量極小，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間也沒有任何支承，DFplus閥的全部支承就是閥芯和閥體間的配合面，大大減小了摩擦這一非線性因素對(duì)控制品質(zhì)的影響。綜合上述的技術(shù)特點(diǎn)，配合內(nèi)置的數(shù)字控制模塊，使DFplus閥的控制性能佳，尤其在頻率響應(yīng)方面更是，可達(dá) 400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，新型直動(dòng)型電液MOOG伺服閥在某些行業(yè)有替代傳統(tǒng)MOOG伺服閥特別是噴嘴擋板式MOOG伺服閥的趨向，但它的最大問題在于體積大、重量重，只適用于對(duì)場(chǎng)地要求較低的工業(yè)伺服控制場(chǎng)合。如能減輕其重量、減小其體積，在航空、航天等軍工行業(yè)亦具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

另外，近年來MOOG伺服閥新型的驅(qū)動(dòng)方式除了力矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)外，還出現(xiàn)了采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、新型電磁鐵等驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及光-液直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的MOOG伺服閥。這些新技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了MOOG伺服閥的性能，而且為MOOG伺服閥發(fā)展開拓了思路，為電液MOOG伺服閥技術(shù)注入了新的活力。

新型材料的采用

當(dāng)前在電液MOOG伺服閥研制領(lǐng)域的新型材料運(yùn)用，主要是以壓電元件、超磁致伸縮材料及形狀記憶合金等為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器研制開發(fā)。它們各具有其自己的優(yōu)良特性。

1.壓電元件

壓電元件的特點(diǎn)是“壓電效應(yīng)”：在一定的電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。壓電元件的主要材料為壓電陶瓷（PZT）、電致伸縮材料（PMN）等。比較典型的壓電陶瓷材料有日本TOKIN公司的疊堆型壓電伸縮陶瓷等。PZT直動(dòng)式MOOG伺服閥的原理是：在閥芯兩端通過鋼球分別與兩塊多層壓電元件相連。通過壓電效應(yīng)使壓電材料產(chǎn)生伸縮驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換。PMN噴嘴擋板式MOOG伺服閥則在噴嘴處設(shè)置一與壓電疊堆固定連接的擋板，由壓電疊堆的伸、縮實(shí)現(xiàn)擋板與噴嘴間的間隙增減，使閥芯兩端產(chǎn)生壓差推動(dòng)閥芯移動(dòng)。壓電式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研制比較成熟并已得到較廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，MOOG伺服閥頻寬甚至能達(dá)到上千赫茲，但亦有滯環(huán)大、易漂移等缺點(diǎn)，制約了壓電元件在電液MOOG伺服閥上的進(jìn)一步應(yīng)用。

2.超磁致伸縮材料

超磁致伸縮材料（GMM）與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比，在磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生大得多的長度或體積變化。利用GMM轉(zhuǎn)換器研制的直動(dòng)型MOOG伺服閥是把 GMM轉(zhuǎn)換器與閥芯相連，通過控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，驅(qū)動(dòng)GMM的伸縮，帶動(dòng)閥芯產(chǎn)生位移從而控制MOOG伺服閥輸出流量。該閥與傳統(tǒng)MOOG伺服閥相比不僅有頻率響應(yīng)高的特點(diǎn)，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。在GMM的研制及應(yīng)用方面，美國、瑞典和日本等國處于水平。國內(nèi)浙江大學(xué)利用GMM技術(shù)對(duì)氣動(dòng)噴嘴擋板閥和內(nèi)燃機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的高速強(qiáng)力電磁閥，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性研究。GMM材料與壓電材料和傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，具有應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大等特點(diǎn)。世界各國對(duì)GMM電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的技術(shù)研究相當(dāng)重視，GMM技術(shù)水平快速發(fā)展，已由實(shí)驗(yàn)室研制階段逐步進(jìn)入市場(chǎng)開發(fā)階段。今后還需解決GMM的熱變形、磁晶各向異性、材料腐蝕性及制造工藝、參數(shù)匹配等方面的問題以利于在高科技領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。

3.形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）的特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)。將其在高溫下定型后，冷卻到低溫狀態(tài)，對(duì)其施加外力。一般金屬在超過其彈性變形后會(huì)發(fā)生變形，而SMA卻在將其加熱到某一溫度之上后，會(huì)恢復(fù)其原來高溫下的形狀。利用其特性研制的MOOG伺服閥是在閥芯兩端加一組由形狀記憶合金繞制的SMA執(zhí)行器，通過加熱和冷卻的方法來驅(qū)動(dòng)SMA執(zhí)行器，使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長或收縮，驅(qū)動(dòng)閥芯作用移動(dòng)，同時(shí)加入位置反饋來提高M(jìn)OOG伺服閥的控制性能。從該閥的情況來看，SMA雖變形量大，但其響應(yīng)速度較慢，且變形不連續(xù)，也限制了其應(yīng)用范圍。

與傳統(tǒng)MOOG伺服閥相比，采用新型材料的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器研制的MOOG伺服閥，普遍具有高頻響、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。雖然還各自呈在某些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但新型功能材料的應(yīng)用和發(fā)展，給電液MOOG伺服閥的技術(shù)發(fā)展發(fā)展提供了新的途徑 [3]  。

電子化、數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用

電子化、數(shù)字化技術(shù)在電液MOOG伺服閥技術(shù)上的運(yùn)用主要有兩種方式：其一，在電液MOOG伺服閥模擬控制元器件上加入D/A轉(zhuǎn)換裝置來實(shí)現(xiàn)其數(shù)字控制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可把控制元器件安裝在閥體內(nèi)部，通過計(jì)算機(jī)程序來控制閥的性能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)裙δ?。但存在模擬電路容易產(chǎn)生零漂、溫漂，需加D/A 轉(zhuǎn)換接口等問題。其二，為直動(dòng)式數(shù)字控制閥。通過用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成電機(jī)的步進(jìn)信號(hào)來控制MOOG伺服閥的流量輸出。該閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度及位置開環(huán)可控及可直接數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。但在實(shí)時(shí)性控制要求較高的場(chǎng)合，如按常規(guī)的步進(jìn)方法，無法兼顧量化精度及響應(yīng)速度的要求。浙江工業(yè)大學(xué)采用了連續(xù)跟蹤控制的辦法，消除了兩者之間的矛盾，獲得了良好的動(dòng)態(tài)特性。此外還有通過直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥芯來實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制等多種控制方式或MOOG伺服閥結(jié)構(gòu)改變等方法來形成眾多的數(shù)字化MOOG伺服閥產(chǎn)品。

隨著各項(xiàng)技術(shù)水平的發(fā)展，通過采用新型的傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)研制出機(jī)械、電子、傳感器及計(jì)算機(jī)自我管理（故障診斷、故障排除）為一體的智能化新型MOOG伺服閥。該類MOOG伺服閥可按照系統(tǒng)的需要來確定控制目標(biāo)：速度、位置、加速度、力或壓力。同一臺(tái)MOOG伺服閥可以根據(jù)控制要求設(shè)置成流量控制MOOG伺服閥、壓力控制MOOG伺服閥或流量/ 壓力復(fù)合控制MOOG伺服閥。并且MOOG伺服閥的控制參數(shù)，如流量增益、流量增益特性、零點(diǎn)等都可以根據(jù)控制性能化原則進(jìn)行設(shè)置。MOOG伺服閥自身的診斷信息、關(guān)鍵控制參數(shù)（包括工作環(huán)境參數(shù)和MOOG伺服閥內(nèi)部參數(shù)）可以及時(shí)反饋給主控制器；可以遠(yuǎn)距離對(duì)MOOG伺服閥進(jìn)行監(jiān)控、診斷和遙控。在主機(jī)調(diào)試期間，可以通過總線端口下載或直接由上位機(jī)設(shè)置MOOG伺服閥的控制參數(shù)，使MOOG伺服閥與控制系統(tǒng)達(dá)到最佳匹配，優(yōu)化控制性能。而MOOG伺服閥控制參數(shù)的下載和更新，甚至在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能進(jìn)行。而在MOOG伺服閥與控制系統(tǒng)相匹配的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中，嵌入式技術(shù)對(duì)于MOOG伺服閥已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。按照嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對(duì)像體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”?！扒度胄浴?、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。它是在傳統(tǒng)的MOOG伺服閥中嵌入專用的微處理芯片和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，針對(duì)客戶的具體應(yīng)用要求而構(gòu)建成具有控制參數(shù)的MOOG伺服閥并由閥自身的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的控制任務(wù)（如各控制軸同步控制），再嵌入到整個(gè)的大液壓控制系統(tǒng)中去。從的技術(shù)發(fā)展和液壓控制系統(tǒng)對(duì)MOOG伺服閥的要求看，MOOG伺服閥的自診斷和自檢測(cè)功能應(yīng)該有更大的發(fā)展