電液伺服技術的發展

時間：2010-06-21 08:49:24 來源：中國自動化網作者：

1.電液伺服系統的特點
    電液伺服系統有許多優點，其中最突出的就是響應速度快、輸出功率大、控制精確性高，因而在航空、航天、軍事、冶金、交通、工程機械等領域得到了廣泛的應用。人類使用水利機械及液壓傳動雖然已有很長的歷史，但液壓控制技術的快速發展卻還是近幾十年的事，隨著電液伺服閥的誕生，使液壓伺服技術進入了電液伺服時代，其應用領域也得到廣泛的擴展。
    隨著現代科學技術特別是材料科學的發展，人們更加重視動態試驗。而電液伺服技術是實現動態高周疲勞、程控疲勞和低周疲勞以及靜態的恒變形速率、恒負荷速率和各種模擬仿真試驗系統的最佳技術手段。國內電液伺服試驗機的起步國外試驗機同行在電液伺服技術的應用和研制起步較早，自二十世紀50年代中期以來就先后生產了各種使用電液伺服系統的試驗機，如美國MTS（注：MTS最先通過與MOOG公司的合作將電液伺服閥應用于材料測試系統，樹立了在動態測試領域的領導地位）、英國Instron、瑞士Amsler、德國Sehench和**島津等公司都先后研制成功各種電液伺服試驗機。當時我國在這個應用領域還是空白，使用的電液伺服試驗機都是從這些國家進口的。
    我國試驗機廠家是在上世紀70年代初才開始研制電液伺服試驗機，長春試驗機研究所、長春試驗機廠、紅山試驗機廠和濟南試驗機廠等開始進行研制。在國家財力的支持下，先后都成功地開發出電液伺服動靜試驗機，并開始在國內應用。正是通過當時這段時間的成功實踐，培養鍛煉出一批技術人員，創建了我國今后電液伺服技術發展的平臺，奠定了國內在該技術領域的基礎。（注：十幾年前活躍在試驗機舞臺上的四大名角，現在都淪落到被迫跑龍套的地位，以前的輝煌成了過眼云煙，面對日趨活躍的市場需求，只能干流口水）

2.液伺服試驗機的發展階段
    國內電液伺服試驗機的發展按照產品發展時期的特點大致劃分成兩個階段：即自主發展階段和與國外合作發展階段。
    自主發展階段：
    二十世紀70年代末期到二十世紀90年代初期，國內的電液伺服試驗機都是以自主開發為主。主要是集中在國內幾個有實力的試驗機廠家，如長春試驗機研究所、長春試驗機廠、紅山試驗機廠和濟南試驗機廠等。
     這個時期的主要代表性的產品有：
    1983年長春試驗機研究所研制的2000kN電液伺服巖石壓力試驗機，該設備采用高壓容器作為圍壓，模擬試樣的真實受力情況。是三軸動靜試驗機的代表性產品，并首次把計算機引入電液伺服試驗機的控制。
    1984年長春試驗機研究所研制的3000kN電液伺服雙缸臥式拉力試驗機。該項目中首次應用靜壓支撐技術，成功地在兩個臥式伺服油缸上實現靜壓支撐。另外，還首次應用了伺服同步技術，實現雙缸系統的同步跟蹤和精確定位。雙缸的同步精度達到了0.03mm。該產品標志著國內靜壓支撐技術和雙缸系統的同步技術已經成熟。
    1987年長春試驗機研究所研制的1MN電液伺服大型結構試驗機，這是當時研制的國內最大噸位的電液伺服試驗機。
    1986年長春試驗機研究所研制出小型隨機電液振動臺。
    1985年長春試驗機廠研制的200kN電液伺服動靜試驗機，在國內首次采用高壓無齒夾頭和橫梁預應力鎖緊技術。是標準動靜試驗機的典型代表產品。
    紅山試驗機廠同期已經研制出國內第一臺拉扭電液伺服動靜試驗機，首次集拉壓與扭轉試驗于一體。該產品標志著國內拉扭傳感器技術、扭轉擺動缸技術及拉扭合成試驗技術已開始應用。
    這個時期研制生產的電液伺服試驗機的技術特點是：
    a.在測控系統，隨著數字電路技術和計算機技術的發展，開始從模擬控制向模數混合式控制方向發展，并開始將計算機技術應用到控制系統中。
    b.應用了伺服同步技術，實現雙缸系統的同步跟蹤和精確定位。
    c.研制出低阻尼、高響應、長壽命的靜壓支撐動態伺服油缸。
    d.利用增壓技術，實現高壓無齒夾頭和橫梁預應力鎖緊。
    以上這些產品的技術特點在當時的電液伺服技術發展中，都是比較先進的。與國外合作發展階段:
    進入二十世紀90年代，隨著我國改革開放的步伐加快，國內試驗機廠家與國外同行之間的聯系更加密切，雙方為了各自的利益開始尋求合作的途徑。在此期間長春試驗機所首先在1989年與美國MTS公司正式簽署技術合作協議，1993年開始進入實質性的實施階段。另外，長春試驗機廠開始與英國達泰克公司進行技術合作，濟南試驗機廠和**的島津合作，紅山試驗機廠也在同期與英國的Instron公司進行聯系洽談（注：除了遭到慘重失敗的島津系列產品外，國內一直未見其他合作開發的產品）。總之，這段時期是我國主要幾家試驗機廠尋求與國外合作的時期。這個時期的電液伺服試驗機的產品品種也是最繁雜；有國內自主產權的產品，有引進技術合作生產的產品，還有國外技術國內生產產品。各試驗機廠家產品代表各自的合作廠家的特點，在國內試驗機市場展開了一場較量。
    國內試驗機行業進入與國際合作發展時期后，在面對國外先進技術的同時，并沒忘記自身技術的提高。在這方面國內的很多優秀企業始終是堅持兩條腿走路。一方面是大膽的引進國外的先進技術，走技術合作的道路。另一方面是借鑒先進的技術，不斷的提高和完善自主知識產權的產品，用國外的先進技術帶動自身的產品一起提高。
    隨著電液伺服技術的成熟，國內試驗機廠家利用電液伺服技術開始從單純的材料試驗向更廣泛的多應用試驗領域方向發展。如長春試驗機研究所面向新材料研究領域開發的國內首臺“電液伺服雙軸四缸試驗機”和“電液伺服顯微觀察試驗機”解決了國內材料研究領域的特殊需求，填補了國內空白；面向汽車零部件試驗領域開發的 “電液伺服減振器性能和疲勞試驗臺”、“電液伺服方向盤性能及疲勞試驗臺”、“電液伺服扭轉疲勞試驗機” 和“X--Y電液伺服雙軸向振動臺”等。（注：多軸試驗平臺的開發是試驗機領域的真正尖端）在這個時期研制生產的電液伺服試驗機的特點：
    國內電液伺服試驗機的品種繁多，不僅豐富了國內電液伺服試驗機的市場，同時也提高了自主產品技術的水平。
    電液伺服技術在試驗應用領域得到擴展。
    在發展較快的國外測控系統方面，以美國MTS公司的控制器為例，模數混合式控制器MTS458和MTS407將逐漸被全數字化控制器TeststarII、SE和多通道GT所取代。
    國產測控系統方面，隨著單片機技術和計算機技術的發展，開始向總線化、模板化技術發展，并逐步提高計算機在系統中的控制比重。（注：與TESTSTARII相比，國內的控制技術簡直就是小學生的水平）在伺服協調控制技術方面有所突破，利用該技術成功的開發出國內第一臺“電液伺服雙軸四缸試驗機”，其中心定位精度小于0.03mm。
    主機伺服油缸在靜壓支撐的基礎上，又開發出動壓支撐油缸。
3.與國外試驗機同行的技術對比
    三十年來國內電液伺服試驗機的發展取得了長足的進步，但與國外試驗機同行相比，特別是與美國MTS公司及英國的Instron等這樣的大牌公司相比較差距還是很大的，特別是在高技術試驗應用領域方面還無法與國外同行相抗衡。不論是在技術手段和產品品種方面都存在很大的差距。

下面從幾個主要方面進行比對說明：
我們以MTS公司產品與國內的長春試驗機研究所產品作一個對比。二十世紀90年代中期MTS公司就推出了TeststarII全數字控制器，并且陸續將SE和多通道GT等數字控制器推向市場。這些控制系統功能齊全、資源配置靈活、組合方便、適應面廣，性能指標都非常高。

與國內動態伺服控制器的對比如下表所示：

功能及指標	美國 MTS公司TeststarII控制器	長春試驗機研究所PLS 控制器
控制器類型	數字式	模擬和數字混合式
頻率范圍	0.001～1000Hz	0.001～100Hz
測量通道	擴展方便、通用性強。具有自動調零、自動標定和多點線性修正功能。	自動調零、自動標定
控制參數	PID設置具有一般和高級PID參數自整定功能手動調節，輔助控制功能、相位補償、幅度補償、頻率反向補償、任意波形補償、前饋控制	幅度補償

    從上面列出的指標中看到，MTS公司的電液伺服試驗機最高頻率目前可以達到1000Hz，比國內電液伺服試驗的頻率高一個數量級。頻率的提高涉及一系列的技術提升環節，不僅僅體現在控制系統的響應速度上，相應的主機作動器、伺服閥和液壓源等各組成環節的響應速度都影響著整機的頻率提高。所以說這是一個綜合性能指標標志。
    數字控制器具有靈活的多參量控制補償功能，特別是對系統的非線性修正、改善控制特性和控制狀態轉換方面模擬控制系統是不能比擬的。而國內的全數字式控制器目前還在研制中，距離產業化應用還有一定的距離。（注：巨大的資金和人才投入一直是這個行業持續發展的攔路虎，要知道即使將全國試驗機行業的總利潤加起來，還抵不上房地產開發商們在上海蓋幾幢大樓所賺取的利潤來得更快，更省心。現階段，試驗機行業的微薄利潤吸引不了唯利視圖的銀行和風險投資家的眼球，加上試驗機行業始終在整個工業體系中處境卑微，就更無法吸引那些崇尚體現個人能力和生存價值的高科技精英們）。軟件方面  國外試驗軟件一般都是由專業軟件技術人員設計的，其結構合理、層次比較分明、組合非常方便。界面的構造完全可以根據用戶的個性化需求進行組合。如MTS公司的動態試驗軟件就是由微軟公司技術人員設計的（注：不知道國內將華為或聯想的軟件開發人員挖過來需要開個什么樣的價碼？）非常完備成熟。針對各種典型的試驗程序，已經形成各種功能軟件包。這些軟件包已成為一種產業，其價值非常可觀。
    國內試驗控制軟件由于各廠家人員技術水平的差距還不夠完善。在國內試驗機行業中還形成不了主流，在加上國內大環境的因素，只能是隨機器免費配置，本身的價值沒有得到體現。
    1) 液壓源方面
    目前國外的液壓件正向集成化方向發展，進口的許多設備中，都將溢流閥、單向閥、節流閥等液壓件集成在一起，不僅體積小、噪音低，同時也防止液壓油泄露。
    國內液壓件的結構變化不大（注：某些廠家把上世紀七八十年代的試驗機圖紙一直用到現在，難道他們家里一直在看黑白電視機？）基本上還是以橡膠密封為主，由于橡膠的老化問題，使得國內液壓件泄漏的問題時有發生。這需要一個系統的完善過程。
    目前國內液壓源在功能設計方面與美國MTS公司相差不大（注：個人認為這句話欠妥？應用于動態試驗機的液壓源無論在設計上還是功能上都相差巨大）但在噪音指標和工藝性方面差距很大。
    伺服油缸方面  伺服油缸是液壓執行元件，在動態電液伺服系統中是非常關鍵的元件。它要求其密封性好、摩擦力小、質量輕、剛度大。
    減小摩擦力方面，MTS公司采用的方式有：靜壓支撐、動壓支撐、特殊涂層技術等。目前國內已經掌握靜壓支撐、動壓支撐技術，在許多設備上已經應用了這些技術。但在特殊涂層技術方面，（注：老外的復合材料涂層技術真不簡單，國內廠家如果不采用一系列的關鍵技術，怎么能生產出真正意義上的動態試驗機）國內技術還不過關，還有待進一步的研究和提高。
    在減輕作動器質量方面，國外大都是在選擇特殊材料方面下工夫，如荷蘭FCS公司采用鈦合金材料制做作動器。這種材料質量輕，剛度大，是最理想的材料。國內試驗機廠家目前還不具備這種條件。
    2) 伺服閥方面
    伺服閥是伺服系統中的關鍵元件，是電液轉換的關鍵環節，直接影響到伺服系統的響應速度和穩定性。國外的一些知名的試驗機廠家，為了滿足高頻響、大功率試驗機的要求，與專業的伺服閥生產廠家共同開發試驗機專用伺服閥。如美國MTS公司與世界上最大的伺服閥生產公司MOOG聯合設計生產了許多特殊用途的伺服閥（注：體積相當于三盒香煙的一個伺服閥，其價格與一臺國產試驗機不相上下，真正的高科技產品所體現出的價值，知道了別眼紅！！）如MTS-257伺服閥頻率可達500Hz。根據最新資料，目前MTS公司已經開發出頻響達到1000Hz的伺服閥。還有大流量的三級伺服閥，流量可達到800升/分鐘。正是依*這種關鍵技術上的突破，使MTS公司在一些特殊應用的電液伺服試驗機方面具有絕對地壟斷地位。
    國內伺服閥的研究、生產和應用主要集中在航天、航空領域，主要是面向航天、航空領域。沒有專門為試驗機應用開發的特殊品種。所以國產電液伺服試驗機主要應用在常規試驗系統中，在某種程度上這也限制了國產電液伺服試驗機的發展。
    目前伺服閥的種類非常多，試驗機中常用的主要有液壓反饋式伺服閥和比例式電液伺服閥。動態電液伺服試驗機中常用的主要還是液壓反饋式伺服閥。比例式電液伺服閥主要應用在靜態和準靜態電液伺服試驗機中。
    3) 產品的品種方面
    在標準電液伺服材料試驗機產品上，MTS公司擁有全系列的標準電液伺服材料試驗機產品。目前國內以長春試驗機研究所為例，其標準的產品系列品種也比較齊全，雖然技術指標比MTS產品差一些，但基本滿足常規試驗要求。該系列產品的差距還不是很大。
    在電液伺服結構試驗設備和仿真模擬試驗設備方面，我們與MTS的差距就大了。該設備的技術關鍵主要是：
    電液伺服多點協調加荷同步控制技術
    計算機隨機信號處理技術
    據不完全統計，在國內汽車和航空領域中的仿真模擬試驗設備中，有80%是MTS公司的產品，以航空試驗設備見長的荷蘭FCS公司只是在近幾年才進入中國市場。
    今后國內電液伺服試驗機的發展還是要經歷一個過程，要在不斷吸取國外先進技術的同時發展和提高我國的電液伺服試驗技術。
4.國內電液伺服試驗機的發展趨勢
    近年來隨著科學技術特別是材料科學的發展，人們更加重視動態試驗，電液伺服試驗機的需求也呈上升趨勢。僅以長春試驗機研究所近年來的銷售情況看，從2000年到2003年電液伺服試驗機的銷售量的增長近兩倍。另外，利用電液伺服技術開發的特殊專用設備也開始隨著增多，國內外同行都看好了這個快速增長的市場。
    從國內電液伺服試驗機生產廠家的發展情況來看近年來國內試驗機行業的格局發生了一些變化。過去的一些老牌試驗廠家由于受到體制及機制等各種因素的影響，在當前激烈的市場競爭中優勢逐漸尚失（注：不是喪失優勢，實際上很多傳統國企已經處于崩潰的邊緣）而一些發展較快的民營企業卻開始發展壯大起來，并開始將業務范圍從原來的靜態試驗領域向動態電液伺服試驗機領域擴展。（注：靜態試驗機和真正的動態試驗機存在著巨大的技術壁壘，參見全文）國外試驗同行在我國加入WTO后，也將發展的戰略從合作方式向獨立經營方式轉變。直接進入國內市場參與競爭。
    所以說今后國內電液伺服試驗機會出現一個百家爭鳴的局面。在國內外眾多的廠家關注下，國內的電液伺服試驗機水平一定會得到進一步的發展。
    從技術發展的趨勢看 n我國的電液伺服發展水平目前還處在一個發展階段，雖然在常規電液伺服標準材料試驗機技術方面，我們有了一定的發展。但在電液伺服高端產品及應用技術方面，我們距離國外發達國家的技術水平還有著很大的差距。電液伺服技術是集機械、液壓和自動控制于一體的綜合性技術，要發展國內的電液伺服技術必須要從機械、液壓、自動控制和計算機等各技術領域同步推進。（注：國內的整體工業技術水平就那檔次，*試驗機這個小行業來做這么多高新技術的引領者，確實有些勉為其難）測量控制系統  隨著數字控制理論的成熟以及高速DSP技術的發展。全數字化測控系統已經成為今后測量控制系統發展的方向。動態電液伺服全數字測量控制系統；它不僅要求硬件運算速度快、運算精度高，同時還要求在軟件和數字控制理論方面要有新的突破。這樣才能滿足電液伺服控制系統響應快速、控制精確、穩定可*的要求。
    目前，美國MTS公司的TeststarII全數字控制器，運算頻率可以達到5000次/秒，控制特性在傳統的PID控制基礎上，還具有前饋控制、頻率反向補償控制、幅度控制和壓差等輔助控制特性。因此數字控制器由于其豐富的運算功能，其控制非常靈活，是模擬控制系統已經無法比擬的。
    國內目前技術成熟的全數字動態控制器還沒有進入產業化階段，還需要有一個發展研究的過程。要從基礎抓起，多通道、數字化、多自由度協調技術是電液伺服技術在模擬仿真試驗技術發展中的關鍵技術環節。只有掌握了多通道控制技術、多自由度協調偶合及解偶技術，才能使我們的電液伺服技術向更高的臺階上邁進，才能縮小與國外同行之間的差距。實現這一目標需要有一批高素質的技術隊伍（注：除了存在暴利的網絡和通訊產業外，其他的一般競爭性行業要網羅如此多的高技術人才，談何容易）要從軟件、硬件、數字控制理論和實踐等綜合技術方面同步推進。
    液壓系統  國內液壓件的整體水平目前還比較落后，主要采用橡膠密封結構方式，易老化泄漏、體積笨重、集成度低。隨著機械精密加工技術的成熟，在國外目前密封大都采用球面和錐面配合密封方式（注：看似簡單的配合方式，需要高精度的機床來加工，不知道目前國內廠家能不能生產）結構簡單，密封性能可*。今后改善國內液壓件結構還需要在工藝性上下功夫，需要一個系統的完善過程。
    另外，作為電液轉換的關鍵元件 “電液伺服閥”，是電液伺服試驗機今后技術提升的關鍵環節。前面說過國內試驗機行業目前與電液伺服閥生產企業缺少交流和探討，只能簡單的應用其現成產品。從某種意義上這也限制了國內試驗機的發展。今后，我們需要加強與伺服閥生產企業的合作，共同開發適宜試驗機應用的伺服閥產品，全面提升國內電液伺服試驗機水平（注：如果市場的需求量太少，國內伺服閥的生產企業不會愿意冒風險來進行開發。即使直接從MOOG公司購買成熟的產品，我們還需要制造配套的液壓伺服油源，研制高性能的控制器和編寫動態測試軟件。我們不能幻想著僅僅通過購買一個法拉利的引擎，就可以做出一部F1賽車來）計算機技術在電液伺服系統中的應用  計算機技術的發展和應用，促進了電液伺服技術的提高。正是利用計算機技術才使電液伺服在動態仿真模擬試驗等領域得到廣泛的應用。計算機多自由度協調控制、計算機仿真解耦技術等技術的應用和發展，使多通道協調加載系統、道路模擬試驗系統的性能得到進一步提高，促進了電液伺服系統的廣泛應用。可以說電液伺服技術的發展與計算機技術的發展是密切聯系在一起的，相互促進相互提高。總之，電液伺服試驗機的大量需求，給我們的電液伺服試驗機發展創造了很好的機遇。相信在不久的將來，在國內試驗機行業同仁的共同努力下，我國電液伺服試驗機的技術水平一定會有突飛猛進的發展。　

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