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在矿井下使用的悬臂式掘进机，掘进头的运动方向是通过升降油缸以及水平回转油缸共同驱动来完成巷道断面轮廓的成形任务的。由于工作环境恶劣、井下巷道空间狭小、空气潮湿、掘进机在作业时会产生大量粉尘，并且对防爆要求较严格，使用传统的普通液压油缸控制对于行程检测准确性不高，工作可靠性和使用寿命受到限制。为了解决这些问题，寻求一种更高技术的液压缸是必然的趋势。近些年来，已经出现了一些使用高新技术的液压缸，数字油缸就是其中一种，它属于增量式数字控制的电液伺服机构，可以按照用户的要求，直接输出数字信号，行程检测准确性高，工作可靠性很高，量程范围也较大，在矿山悬臂掘进机中可以得到应用。

1、数字液压缸工作原理

数字液压缸属于增量式数字控制的电液伺服机构，其基本的工作原理：由步进电机和控制阀接受数字控制电路输出的脉冲序列信号，进行信号的转换和功率放大，然后驱动液压缸输出功率和位移。这里介绍一种螺纹式数字液压缸的构成和工作原理。

数字液压缸主要由液力放大器、减速齿轮和步进电机几大部分组成。数字缸所采用的液力放大器原理上和普通的液力转矩放大器工作原理类似，其作用是将步进电机的输出扭矩放大，以便使液压缸能够带动负载正常工作；螺纹式的阀芯主要是将旋转运动转变为直线运动以实现阀口的开、闭，其作用相当于一个三通的滑阀。

数字液压缸工作原理：

1.活塞杆2.活塞3.反馈螺母4.螺杆5.三通阀阀芯6.减速齿轮7.步进电机

步进电机的旋转运动通过减速齿轮6减速后，作用于三通阀阀芯5，使之转动，阀芯5与螺杆4为一体，螺母3固联在活塞2上，此时活塞不动，因此螺杆一螺母副的作用使阀芯产生轴向位移，打开阀口。当阀芯右移时，滑阀控制边a工作，Pc与供油腔的阀口开大，由于Ac面积大于Ar，所以活塞向左运动，同时带动阀芯左移，减小阀开口，实现反馈。如果步进电机反转，则阀芯左移，控制边b工作，Pc腔与回油腔的阀口开启，活塞向右移动。螺杆设计为空心结构，以便将沿螺纹边沿泄漏到活塞杆内腔的油引回油箱。

2、采用数字液压缸对悬臂掘进机行程控制方案

在悬臂式巷道掘进机中，工作机构液压缸的驱动大多采用的是阀控缸方式，即：油泵从油箱给系统回路供油，再通过调节各种阀来控制液压油的流向和流量达到控制液压缸运动方向和位移大小的目的，以此带动工作机构的运动。

采用普通液压缸，由于悬臂式掘进机升降油缸是一对同步油缸（这2个油缸运动方向和行程大小均相同），水平回转油缸也是一对对称布置的油缸（行程大小是相同的，只是2个油缸的运动方向不同，一个伸长时，则另外一个相应缩短），因此还需要考虑同步控制，可以再在控制系统中增设2个控制器，使2个控制器成为一组，共有2组控制器，分别控制悬臂式掘进机工作机构的一对升降油缸和一对水平回转油缸。系统在工作时，首先由主控计算机根据给定的断面形状和具体尺寸，根据整个断面截割过程中各个工作油缸的所需行程数据，依次送入相应的控制器，经过数/模转换后送给伺服放大器、伺服阀，.后转换成相应的液压油流量推动油缸工作，油缸的位移通过位移传感器并经过模/数转换后送给主控计算机，完成闭环控制。

同普通液压缸电液伺服控制方案类似，在一对升降油缸中，可以只替换其中一个，另外一个普通液压缸作为随动缸，接受同一个控制器的控制；一对水平回转油缸也可以使用相同的方法，只需将其中一只替换为数字液压缸，将其进油口与另外一只普通缸的回油口相联，回油口则相应与另外一只普通缸。的进油口相联，实现联动。

这一控制方案的优点在于：系统由闭环控制变为了开环控制，由原来的跟随控制成为主动控制，和传统的伺服控制相比较，采用数字缸控制更容易实现悬臂式巷道掘进机整个工作机构的程序控制，只需要在上位计算机中计算出控制所需要的参数列表，再依次将转换后的脉冲信号送入相应的控制器，就可以达到..控制液压缸行程，从而达到提高巷道断面成形质量的目的；把传统的伺服控制中复杂的阀口控制技术为直接给定的数字控制，而且系统复杂度大大降低。这是因为数字液压缸本身具有位置闭环，因而将原先的传统单闭环系统变为了常数系统，省掉了一个调整环节，并且避免了传统伺服控制中存在的响应滞后问题。由于数字液压缸集成化程度较高，外形和普通液压缸没有多少差别，从外观来看只有进油口，回油口和控制电缆接口，只需要接通恒压液压油源，不需要外接任何传感器和其他液压元件，就可以直接接受控制器发出的脉冲信号而可靠工作，脉冲频率代表速度，脉冲总数代表液压缸的行程。控制器可以使用专门的数字液压缸控制器，也可以使用普通的PLC控制器或者单片机、DSP等。因此，在悬臂掘进机工作中，可以采用基于数字液压缸的行程控制方案。

3 结语

本文介绍了一种数字油缸的工作原理以及在悬臂掘进机行程控制中的应用，克服了普通液压缸闭环控制系统的复杂性 、可靠性不高以及开发与调试的复杂问题，所以发展潜力很大。