测力型智能液压缸

“智能”液压元件，即具有高度集成的传感器和控制功能的组件，在液压应用中变得越来越重要。带电子控制系统的驱动系统有助于最大限度地提高性能，能效和易用性。然而，控制系统需要从各种过程中获取信息，这通常具有挑战性，因为必须保护传感器免受建筑，采矿和农业场所中典型的恶劣环境的影响。

总部位于德国Güglingen的Weber-Hydraulik，一直处于开发高度集成，可靠且价格合理的液压缸传感器的最前沿。今年在德国亚琛召开的IFK流体动力会议上，作者Roman Weidemann，Mehdi Javdanitehran，Torsten Winkler和Torsten Boldt讨论了该公司在液压缸光学位置测量系统方面的工作 – 现在正在大规模生产和正在进行的研究的缸内综合力测量。

集成的测量传感器通过光学识别应用在活塞杆上的二进制条形码来检测油缸位置，该二进制条形码在每个位置具有独特的编码结构。冗余版本符合更严格的安全要求。紧凑型传感器包括曝光单元，用于捕获图像的传感器单元和用于图像处理和通信的电子模块。曝光单元瞬间照亮部分编码随后由传感器检测到。这一过程以适合于杆的最大横动速度的特定间隔进行。之后分别分析图像以确定相应的位置。

传感器安装在油缸压的力腔外部上。因此虽然高度集成到油缸设计中，它还是一个外部传感器。在许多情况下，传感器不会增加油缸的缩回长度。由于设计，元件可靠性和安全得以实现，传感器符合与PLe（EN ISO 13849）相对应的要求。当前系统的最大测量长度约为6米。

Weber-Hydraulik工程师还积极参与针对集成油缸力测量的特定应用解决方案。为了监控支撑的移动车辆（例如起重机，空中梯子和混凝土搅拌泵）的稳定性，获得有关支腿和支撑臂状况的信息将是有利的。

在实践中，支撑基座的承载能力通常是未知的，因为周围条件不允许完全支撑板的支撑，或者地面的承载能力是有限的。测量支腿位置以及每个支撑缸的支撑负载的电子监控系统将增加安全性。

支撑缸的力通常通过内部压力间接测量，但是该方法不是特别精确，并且在横向负载条件下测量偏差超过20％。为确保安全操作，需要相当大的安全系数，从而降低系统的可用负载能力。

新设计包括一个在活塞杆上带有集成力测量系统的支撑缸：直接在球头上测量力。使用标准接口将测量信号通过油缸和端盖传输到起重机控制系统。因此，活塞杆外部的易干扰电缆连接就不再需要。

包括应变仪和压电晶体测量负载的方法已经被开发。应变计广泛用于工业和移动应用，但该技术中的接触点是主要缺点，尤其是当部件过载时。由Trafag GmbH开发的基于磁感应原理的非接触式测量系统是有益的，因为测量单元不接触组件。传感器不会直接受到力，因此由于负载（特别是冲击和振动）造成的机械损坏的可能性急剧下降。因此，该设计防止了由于疲劳导致的性能下降。平面线圈产生磁场，该磁场穿透组件并接收所产生的磁场，作为直接在电子器件中处理的测量信号。铁磁材料主要适用于非接触式电感测量。随着零件在载荷下变形，材料的磁性能会发生变化。这改变了信号线圈中的磁通量，进而影响感应电流。传感器通过测量这些变化来计算力。所以通过合适的布置，应用多个传感器可以测量多轴加载条件（例如压缩和弯曲）。

在初步测试中，传感器适用于测量110mm活塞直径和90mm杆直径的液压缸的力。测试考虑了两种不同的情况，在一个实施例中，传感器壳体连接到杆头旁边的活塞杆。多达四个传感器模块在壳体中沿周向正交放置，以考虑侧向力的影响。杆表面和传感器模块之间的间隙可达1 mm。在第二种形式中，传感器壳体安装在油缸压盖上，而活塞杆在壳体中自由滑动。该组件在许多应用中是有益的，因为信号/电力传输线不必在油缸伸展和缩回期间补偿长度变化。

连接到活塞杆的传感器的功能测试显示出在线性偏差和可重复性方面有值得期待的结果。活塞杆中的静止磁性和不规则性妨碍了油缸压盖执行的短期实施，这从各个方面是有益的。尽管存在令人不安的因素，研究人员仍计划跟进并研究不同的补偿方法。

该系统的进一步发展的目标主要是降低对横向负载的灵敏度以及增强现场的稳健性。示例性目标是将可允许的横向载荷从轴向支撑载荷的10％增加到20％。此外，带有集成力测量的液压缸不仅适用于支撑应用，还有其他应用可以从中受益，例如强制控制的制造工艺可以提高成品质量。因此，该公司不仅研究新一代支撑力测量系统，而且还开发了用于油缸应用的通用集成力测量解决方案。