大功率傳動技術(shù)的數(shù)字化與智能化邁進 - 《液壓氣動與密封》第11期

大功率傳動技術(shù)的數(shù)字化與智能化邁進——數(shù)字液壓&智慧液壓@億美博科技據(jù)北京億美博科技有限公司專家楊濤報告錄音整理這是一個非常好的機會，第一次在這么正式的場合，又有這么多專家、學(xué)者，還有很多熟悉的朋友，跟我們一起分享我們的數(shù)字液壓技術(shù)。在這里我說的任何不對的地方呢？大家可以直接提出來。液壓技術(shù)經(jīng)過百年的發(fā)展，直至今天跟工業(yè)4.0的對接，大家都非常關(guān)注它的發(fā)展與未來。那么，一個傳動器件從模擬技術(shù)到數(shù)字化、再到未來的智能化，怎么才能夠做得更簡單有效、更充分發(fā)揮傳動技術(shù)的優(yōu)勢？這是我先提出的一個小問題。液壓是工業(yè)基礎(chǔ)，我們國家又是世界制造業(yè)大國，液壓勢必有巨大的發(fā)展空間。但至今今日我們的液壓技術(shù)還依然落后于世界先進國家。液氣密行業(yè)協(xié)會沙理事長曾說過一句話：液壓是中國高端裝備的鎖喉之痛。這句話說得我們所有液壓人、包括我們做控制的人都夜不能寐。我們先來看看世界上最先進的液壓技術(shù)吧：它們包括經(jīng)典的穆格伺服閥、力士樂的比例伺服產(chǎn)品，以及最新、最先進為大狗（圖1）和人形機器人設(shè)計并用增材制造技術(shù)制造出來的穆格電液伺服作動器，目的就是為了進一步縮小體積，減輕重量，降低用戶成套系統(tǒng)和設(shè)計調(diào)試的難度和工作量，采用昂貴的3D打印技術(shù)，把閥座、缸、管路等等全部一次成型制造出來。還有集成了蓄能器及液壓泵和油箱的EHA等。我們可以感受到，全世界的液壓和控制工程師們都在為了推動液壓技術(shù)的發(fā)展，盡一切可能的把所有高精尖技術(shù)努力全部都用上去了。圖1美國波士頓動力公司的大狗機器人（圖2）是一個最經(jīng)典的液壓伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖，我們可以看到其中包括很多參數(shù)變量，每一個變量都會影響到輸入與輸出之間的關(guān)系。它是一個跨多學(xué)科的系統(tǒng)工程，包含了機械、流體、電氣、自動化等，這些學(xué)科每一個都能學(xué)到博士后，因此要想將液壓實現(xiàn)精密控制，就需要大家更廣泛的掌握以上學(xué)科知識，這是一個很具有挑戰(zhàn)性的問題。圖2經(jīng)典液壓伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖近幾十年，隨著數(shù)字電子技術(shù)的日新月異帶來科技的飛速發(fā)展，人們開始設(shè)想能否將復(fù)雜的液壓控制技術(shù)也實現(xiàn)數(shù)字化？讓它也能像數(shù)字電子技術(shù)一樣不僅簡化了從設(shè)計到制造再到使用和維護等的全生命鏈進步？于是國際知名的大學(xué)、研究機構(gòu)和企業(yè)紛紛投入研究，先后拿出了不同思路的數(shù)字化方案，大家有興趣可以在網(wǎng)上查到就不贅述了。下面我們介紹億美博數(shù)字液壓的特點及實際應(yīng)用。典型數(shù)字元件的應(yīng)用實例我們先看一個演示，用一只數(shù)字缸以10mm/s的運動速度每5μm步進推動一次百分表。曾有國外專家認為液壓油缸以10mm/s的速度要實現(xiàn)5μm的運動是不可能的，但我們通過一條典型的數(shù)字缸，不用進行任何的參數(shù)設(shè)置也不用任何的調(diào)試就實現(xiàn)了在很多人認為不可能實現(xiàn)的運動控制，這就是典型數(shù)字液壓技術(shù)應(yīng)該具有的能力。第二段視頻是數(shù)字缸實現(xiàn)0.01mm/s的超低速勻速（不爬行）運動。搞液壓的人都知道，液壓缸在超低速運動時容易出現(xiàn)爬行，這對于精密控制來講就是致命的。而一條廉價的工程機械用油缸通過我們數(shù)字化后，實現(xiàn)了5μm的分辨率和0.01毫米/秒的勻速不爬行運動控制，這就是數(shù)字液壓所帶來的一些不同。第三段視頻看到的是低速性能相對較差的擺線馬達經(jīng)數(shù)字化后，實現(xiàn)直接角分辨率0.5°的精確定位和每分鐘1轉(zhuǎn)的勻速不爬行運動控制。我曾經(jīng)跟這個擺線馬達企業(yè)的老板溝通，我說我需要超低速運動，做光熱發(fā)電的追日，通過液壓馬達驅(qū)動一個超過百平方米的反射鏡始終追著太陽轉(zhuǎn)，一天的變化不到120度，液壓馬達驅(qū)動的分辨率和速度穩(wěn)定性可以嗎？他說不可能，液壓馬達能夠做到50RPM是比較常見的，轉(zhuǎn)速再低就會出現(xiàn)速度波動即所謂的爬行。后來我們通過數(shù)字化后，不僅實現(xiàn)了精度目標，還大大超過了需求，實現(xiàn)了數(shù)字液壓馬達0.05RPM低速不爬行和0.5度角分辨率。那個制造馬達的企業(yè)老板十分興奮，說經(jīng)過數(shù)字化后的馬達就能身價“百倍”大大提升了他的產(chǎn)品競爭力和盈利能力啦。億美博對數(shù)字液壓的定義前面我們說了一些數(shù)字液壓實現(xiàn)的能力，那么什么才是數(shù)字液壓？之前有專家說：“如果裝上一個步進電機就變成數(shù)字液壓，那么這種數(shù)字液壓叫做偽數(shù)字液壓”。我說：對，那就是偽數(shù)字液壓，我非常支持這個觀點。另有研究機構(gòu)將按平方倍通徑關(guān)系的很多閥進行組合，例如1通徑、2通徑、4、8、16、32……128通徑的液壓閥按二進制組合，通過不同組合試圖實現(xiàn)不同流量的控制，這是不是就實現(xiàn)了數(shù)字液壓呢？我認為這也是一種控制方式的數(shù)字化，但并不是真正的數(shù)字液壓，因為這種方式并沒有真正將液壓執(zhí)行器的運動特性實現(xiàn)數(shù)字化即：標量化，因為負載、壓力、流體特性等諸多變化依然會導(dǎo)致流量發(fā)生變化，依然沒有解決液壓作動器的精確速度和位置控制，并沒有建立起數(shù)字控制信號與液壓執(zhí)行單元的一一對應(yīng)關(guān)系，也就是標量化或數(shù)字化關(guān)系。那么怎么才是所謂真正的數(shù)字化呢？我個人認為：固定的脈沖數(shù)量控制電機轉(zhuǎn)一圈，油缸或油馬達走一個固定的行程，我們把這個固定對應(yīng)關(guān)系稱之為標量化關(guān)系，它不會因為其它外在因素的影響而使這個關(guān)系發(fā)生變化，我們把這樣的液壓技術(shù)稱之為數(shù)字液壓技術(shù)。數(shù)字液壓技術(shù)原理其實并不復(fù)雜，電機帶動閥芯轉(zhuǎn)，在螺紋副作用下產(chǎn)生軸向移動把閥口打開，之后電就沒事了，不像伺服閥控技術(shù)需要電閉環(huán)后根據(jù)運動狀態(tài)不斷調(diào)節(jié)電機，數(shù)字液壓是利用高壓油推動有缸的活塞運動并帶動其內(nèi)部機械裝置進行反饋的，這個機械反饋的原理其實跟伺服閥內(nèi)部的反饋原理是一模一樣的。熟悉噴嘴擋板伺服閥的人知道力矩馬達推動噴嘴擋板產(chǎn)生一個力偏移，經(jīng)液壓放大后推動主閥芯，主閥芯移動并帶動噴嘴擋板末端停留在一個新平衡位置上，這個過程是純粹的機液閉環(huán)，如果將伺服閥的主閥芯看作是數(shù)字缸的活塞桿、噴嘴擋板對應(yīng)數(shù)字缸內(nèi)機械反饋，力矩馬達對應(yīng)數(shù)字缸用的小功率步進或伺服電機，那么實際上數(shù)字缸相當于一個巨大的伺服閥，它們的原理幾乎相同。追溯到上世紀五、六十年代甚至更早，很多自動化系統(tǒng)其實都是機械閉環(huán)控制的。到了上世紀八、九十年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機械反饋調(diào)節(jié)的裝置逐漸被電子控制技術(shù)取代，但并不意味著機械反饋就沒有了優(yōu)勢，液壓伺服閥依舊是機液反饋的典型代表，它的優(yōu)秀特性至今沒有被電子控制技術(shù)取代，而數(shù)字液壓技術(shù)是在機液反饋基礎(chǔ)之上，進一步將數(shù)字化特性體現(xiàn)出來，讓這種原理更大效能的發(fā)揮，簡化了從元件到系統(tǒng)的設(shè)計、制造、成套、調(diào)試和維護的難度，讓人人都會用且能真正用好，這是數(shù)字液壓最大的特點。下一個視頻，是數(shù)字液壓馬達的原理，與數(shù)字缸原理相同但結(jié)構(gòu)更加簡單。這里提一個問題：以前為什么實現(xiàn)不了液壓馬達的精確角速度控制、角度控制？我的結(jié)論是問題在于控制而不主要在于液壓和機械，因為馬達并沒有特制而僅僅經(jīng)我們數(shù)字化后，就實現(xiàn)了以前看似無法實現(xiàn)的性能。億美博數(shù)字液壓典型的三個元件（見圖3）。一個是功率發(fā)生單元——泵，兩個功率使用器件——油缸和馬達，以前很多液壓控制器件其實都是圍繞著這三個元件，為它們能相互協(xié)調(diào)高效和精準工作而誕生的。有人說數(shù)字液壓后液壓控制器件就不要了，我不敢這么肯定，但至少可以簡化了，這一點中國工程院前任周濟院長調(diào)研時也談到，會有利于我們國家基礎(chǔ)技術(shù)尚待進步階段實現(xiàn)液壓技術(shù)的快速發(fā)展。億美博已經(jīng)完成了液壓缸和液壓馬達的數(shù)字化工作，推出了系列產(chǎn)品以滿足多行業(yè)不同環(huán)境和特殊工況的需要，例如：滿足200攝氏度高溫和-40攝氏度低溫環(huán)境、在NAS9-11級油液清潔度下能實現(xiàn)0.0x毫米精密工作、可耐受強磁和電離輻射等。采用小數(shù)字缸推動變量斜盤的數(shù)字可編程功率敏感泵也已經(jīng)完成原理測試并開始尋求合作伙伴啦。數(shù)字缸數(shù)字液壓馬達數(shù)字可編程功率敏感泵圖3數(shù)字液壓典型的三個元件接下來我們看一下數(shù)字液壓做過的典型應(yīng)用。早在十六年前，我們?yōu)槟硣乐攸c項目提供的數(shù)字液壓六自由度控制運動平臺系統(tǒng)。六自由度液壓運動控制系統(tǒng)一直被當作技術(shù)高度的代表。那么采用數(shù)字液壓技術(shù)后呢？這種復(fù)雜的運動控制系統(tǒng)就相對變得簡單了。六只數(shù)字缸加上一個最簡單的變量泵系統(tǒng)，就實現(xiàn)了精準的速度和位移協(xié)調(diào)控制，它所體現(xiàn)的性能與伺服閥控系統(tǒng)沒有任何不同，但它的耐久性能卻非常突出，是我認為數(shù)字液壓最有特點之處。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)使用了16年時間，中間僅進行過一次例行維護（換過一次油，一次密封件）。實現(xiàn)了2個完整的設(shè)計壽命周期良好工作，這一點是用戶青睞數(shù)字液壓的重點。對比數(shù)字液壓與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)我們把伺服系統(tǒng)稱之為萬能液壓技術(shù)。一個伺服閥幾乎解決了所有的液壓控制需求。運動控制四個要素：方向、速度、位置、力的控制都可以利用伺服閥控系統(tǒng)實現(xiàn)，但是要想將伺服閥控系統(tǒng)做好用好，就要掌握跨學(xué)科知識和技能。我認為一套好的液壓系統(tǒng)，首先是要具有良好的生存力，之后才能談到它的精確性和其它優(yōu)秀特性，無論系統(tǒng)多么優(yōu)秀多么“高大上”，如果沒有足夠的耐受能力使其頑強的“活著”，那么它的價值都是值得推敲的。伺服閥控系統(tǒng)具有完善的理論和眾多優(yōu)秀的產(chǎn)品，但是我們都知道其在抗污染能力、電磁兼容等方面的弱點。數(shù)字液壓雖也是機液伺服系統(tǒng)，但它的特殊結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的優(yōu)勢就在于它有了極強的生存力。例如：數(shù)字液壓可良好工作在NAS9~11級的環(huán)境實現(xiàn)微米級的運動控制精度?？稍趯挏囟确秶鷥?nèi)良好實現(xiàn)精確速度和位置控制。很多應(yīng)用系統(tǒng)從安裝、調(diào)試到交付用戶只需一天時間，相比伺服閥控系統(tǒng)調(diào)試比較麻煩就很具有優(yōu)勢。數(shù)字液壓一個元器件實現(xiàn)了運動控制的三要素（方向、速度、位置），完全可以說這個器件簡單有效。我們再看一些應(yīng)用。（圖4-1）是典型的多路閥裝載機液壓系統(tǒng)圖，（圖4-2）是采用數(shù)字液壓來實現(xiàn)的裝載機改造。（圖5）是采用數(shù)字液壓對挖掘機進行全數(shù)控節(jié)能型智能改造系統(tǒng)圖。我們把它們進行數(shù)字化之后，有什么改變呢？首先我們看到這臺裝載機不需要人操作，裝載機根據(jù)物料差異自動實現(xiàn)轉(zhuǎn)斗、提斗的鏟裝作業(yè)和無耗能鏟斗放平等，裝載機通過大數(shù)據(jù)、云計算，可實現(xiàn)智能化的高效和節(jié)能作業(yè)。我們把挖掘機、裝載機看做一個機器人，通過數(shù)字液壓實現(xiàn)作業(yè)單元的數(shù)字化后，即可與信息化和智能化實現(xiàn)良好對接，正如中國工程院前任周濟院長指出的，數(shù)字液壓可以推動裝備制造業(yè)快速實現(xiàn)數(shù)字化一代，并為信息化和智能化奠定基礎(chǔ)。其實你說挖掘機不就是一個單臂的機器人嗎？我們現(xiàn)在正在做雙臂的挖掘機，雙臂挖掘機并不是在一個挖掘機上裝兩個機械臂，而是兩臺挖掘機實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，就可以實現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)作業(yè)，這個方法更簡單高效。圖4-1典型的裝載機液壓系統(tǒng)圖圖4-2全數(shù)控節(jié)能型智能裝載機圖5全數(shù)控節(jié)能型智能挖掘機（圖6）是數(shù)字液壓在水電工程上的應(yīng)用。這項技術(shù)也是具有代表性的。2017年7月由工信部裝備司提議，中國機械工業(yè)聯(lián)合會在北京組織召開的科技成果鑒定會，鑒定專家包括水電控制的院士、液壓專家、控制專家和機械專家在內(nèi)，一致認為該成果創(chuàng)新顯著并達到國際先進水平。如下圖左側(cè)是德國某著名公司提供的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)非常復(fù)雜，上百個液壓元器件，加起來有5噸重，現(xiàn)場調(diào)試的時間大概兩個月，一套系統(tǒng)近600萬。換成數(shù)字液壓系統(tǒng)，六只數(shù)字缸實現(xiàn)了原來所有的功能，價格大幅降低2/3，技術(shù)性能和可靠性提升，調(diào)試時間縮短至1天，在世界第三大溪洛渡水電站應(yīng)用中為用戶提前107天發(fā)電創(chuàng)造了條件。該系統(tǒng)經(jīng)鑒定總體技術(shù)達到國際先進水平，對我國水電裝備的發(fā)展及其它行業(yè)發(fā)展具有重要的作用。圖6數(shù)字液壓在水電工程上的應(yīng)用數(shù)字液壓帶來的改變數(shù)字液壓對于液壓行業(yè)乃至采用液壓的制造業(yè)我們認為會帶來一些改變。液壓是一個傳動控制器件，它既結(jié)合了傳動又結(jié)合了控制。要實現(xiàn)裝備制造業(yè)與工業(yè)4.0的接口，不僅要精確可靠，還要讓用戶使用中操作簡單。對于用戶來說什么是最關(guān)心的？就是輸入和輸出。用戶并不關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部以及各個元器件之間是怎么構(gòu)成關(guān)系和協(xié)調(diào)運作的，系統(tǒng)中用的是什么樣的閥、什么樣的傳感器、多么高深的控制理論，那些都是我們這些液壓元件廠家、系統(tǒng)成套廠家應(yīng)該去關(guān)心和做的，用戶買來就只管用，最好連維護都不要去做，這樣的器件和系統(tǒng)才是用戶最青睞的。就像我們的電子產(chǎn)品，早期模擬電路，后來變成數(shù)字電路，所有的工作都由設(shè)計者、廠家來完成，用戶只關(guān)心它的使用特性，液壓有一天也應(yīng)該會是這樣。數(shù)字液壓帶來的是什么？由于數(shù)字化元器件的設(shè)計、使用、成套、調(diào)試簡化使得系統(tǒng)成套廠家的繁瑣工作得以簡化，系統(tǒng)集成成套企業(yè)用不著再找上百個配套企業(yè)，他們只需關(guān)心的可能就是幾個液壓元件所構(gòu)成的數(shù)字化系統(tǒng)，調(diào)試、維護都變得簡單，使得液壓產(chǎn)業(yè)的集中度有所提升。數(shù)字液壓解決的不止是傳動，它還解決了控制技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)的有效結(jié)合。數(shù)字液壓的出現(xiàn)，使得自動化技術(shù)能夠充分地發(fā)揮效能。我們再看一例典型應(yīng)用。我們都知道機器人技術(shù)發(fā)展方興未艾，這些年一談到工業(yè)4.0，大家首先想到機器人。機器人核心就是各個運動關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)精密控制和傳動技術(shù)?，F(xiàn)在的機器人多是代替人實現(xiàn)公斤級的作業(yè)，要實現(xiàn)百公斤級作業(yè)的，機器人自身就要上噸重。上一個演講中張海平博士講到液壓最大的優(yōu)勢就是有足夠大的功率密度，至少是電傳動5~10倍的功率密度。上面講到的這些特征需求，正好是數(shù)字液壓的擅長優(yōu)勢，我認為未來所有的運動機械都是機器人或泛機器人的概念，那么數(shù)字液壓在這方面就會有巨大的市場。我們做過一些大功率機器人研究，比如：大功率軍用機器人、大功率鍛造機器人、核生化及高危作業(yè)機器人、無需電腦控制的遠程遙控機器人、工程機械機器人等。數(shù)字液壓還有一個很大的特點，它的內(nèi)部沒有弱電器件、無需電傳感器就可以精確地實現(xiàn)微米級的運動控制，因此它自身具有很強的環(huán)境耐受能力，包括電離（核）輻射等。我們專門為核材料處理設(shè)計制造了機械手，目前這樣的機器人只有美國一家公司制造。軋鋼在冶金制造里面被稱之為皇冠級的應(yīng)用（圖7）。曾經(jīng)有人擔心數(shù)字液壓頻響不夠，不適合高頻響控制系統(tǒng)的需求。硅鋼薄帶軋機一直以來被國外壟斷，是穆格高頻響閥的主要市場。在這個應(yīng)用上，數(shù)字液壓實現(xiàn)了重大的飛躍。采用數(shù)字液壓實現(xiàn)的硅鋼薄帶厚度自動控制系統(tǒng)大幅度簡化，綜合成本按數(shù)量級降低。截止至發(fā)稿，高磁感硅鋼極薄帶（0.049毫米）帶厚自動控制系統(tǒng)也實現(xiàn)突破。一條數(shù)字缸代替了原來整個伺服閥控系統(tǒng)，價格從數(shù)千萬降到了百萬，為噸鋼制造成本的大幅降低，為中國產(chǎn)品和企業(yè)的競爭力提升奠定了創(chuàng)造了條件。圖7硅鋼薄帶軌機AGC控制我要特別強調(diào)一點，其實數(shù)字液壓給用戶帶來的不光是降低成本，應(yīng)該是給中國的液壓行業(yè)或者說加工制造業(yè)創(chuàng)造更多的價值才是最大的意義。例如：通過數(shù)字液壓技術(shù)的提升推動整個控制水平的提升，使得液壓器件的適應(yīng)能力被更廣泛的用戶所接受，中國的企業(yè)就能獲得更多的市場占有率，同時產(chǎn)品性能提升了，就可以跟國外的器件去PK，我們企業(yè)的就能獲得更大的利益。數(shù)字液壓經(jīng)過40年的不斷研發(fā)和創(chuàng)新走到今天，終于迎來了發(fā)展機遇。數(shù)字液壓成了世界范圍的熱門話題，大家都在謀求液壓技術(shù)的數(shù)字化，方式方法各式各樣，我們認為各有各的優(yōu)勢、各有這個好處，最終用戶愿意接受什么是最關(guān)鍵的。液壓實現(xiàn)了數(shù)字化后再如何發(fā)展