十液壓與氣壓伺服系統(tǒng)PPT

1、第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)，是一種自動控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，執(zhí)行元件能以一定的精度自動地按照輸人信號的變化規(guī)律動作。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)是由液壓元件或氣壓元件組成的伺服系統(tǒng)。 10.1 概 述 10.1.1 伺服系統(tǒng)的工作原理和特點 圖10.1是一種液壓進口節(jié)流閥式節(jié)流調速回路。在這種回路中，調定節(jié)流閥的開口量后，液壓缸就以某一調定速度運動。通過前述章節(jié)分析可知，當負載、油溫等參數發(fā)生變化時，這種回路將無法保證原有的運動速度，因而其速度精度較低且不能滿足精確的連續(xù)無級調速要求。 1第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 可以將節(jié)流閥的開口大小定義為輸入量，將液壓缸的運動速

2、度定義為輸出量或被調節(jié)量。在上述回路中，當負載、油溫等參數的變化而引起輸出量變化時，這個變化并不影響或改變輸入量，這種輸出量不影響輸入量的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)不能修正由于外界干擾(如負載、油溫等)變化而引起的輸出量或被調節(jié)量的變化，因此控制精度較低。 圖101 液壓進口節(jié)流 閥式節(jié)流調速回路1液壓泵；2溢流閥；3節(jié)流閥；4換向閥；5液壓缸 2第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 為了提高這種回路的控制精度，可以設想節(jié)流閥由操作者來調節(jié)。在調節(jié)過程中，操作者不斷地觀察液壓缸的測速裝置所測出的實際速度，并比較這一實際速度與所希望的速度之間的差別。然后，操作者按這一差別來調節(jié)節(jié)流閥的開口量，

3、以減少這一差值(偏差)。例如，由于負載增大而使液壓缸的速度低于希望值時，操作者就相應地加大節(jié)流閥的開口量，從而使液壓缸的速度達到希望值。這一調節(jié)過程可用圖102表示。 圖10.2 液壓缸速度調節(jié)過程圖 3第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 由圖10.2中可以看出，輸出量(液壓缸速度)通過操作者的眼、腦和手來影響輸入量(節(jié)流閥的開口量)，這種作用稱為反饋。在實際系統(tǒng)中，為了實現自動控制，必須以電器、機械等裝置代替人來判斷比較，這就是反饋裝置。由于反饋的存在，控制作用形成了一個閉合回路，這種帶有反饋裝置的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖10.3為采用電液伺服閥控制的液壓缸速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅使液壓

4、缸速度能任意調節(jié)，而且在外界干擾很大(如負載突變)的工況下，仍能使系統(tǒng)的實際輸出速度與設定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的響應性能。4第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.3 閥控油缸閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 1一齒條；2一齒乾；3一測速發(fā)電機；4一給定電位計； 5一放大器；6一電液伺服閥；7一液壓缸 5第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 6第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 通過分析上述伺服系統(tǒng)的工作原理，可以看出伺服系統(tǒng)的特點如下： (1)它是反饋系統(tǒng) 把輸出量的一部分或全部按一定方式回送到輸入端，并和輸入信號比較，這就是反饋作用。在上例中，反饋電壓和給定電壓是異號的，即反饋信號不斷地抵消輸入信號，這就

5、是負反饋。自動控制系統(tǒng)中大多數反饋是負反饋。 (2)靠偏差工作 要使執(zhí)行元件輸出一定的力和速度，伺服閥必須有一定的開口量，因此輸入和輸出之間必須有偏差信號。執(zhí)行元件運動的結果又試圖消除這個誤差。但在伺服系統(tǒng)工作的任何時刻都不能完全消除這一偏差，伺服系統(tǒng)正是依靠這一偏差信號進行工作的。量是液壓能源供給的。 (4)它是跟蹤系統(tǒng) 液壓缸的輸出量完全跟蹤輸入信號的變化。 7第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.1.2 伺服系統(tǒng)職能方框圖和系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié) 圖104是上述速度伺服控制系統(tǒng)的職能方框圖。圖中一個方框表示一個元件，方框中的文字表明該元件的職能。帶有箭頭的線段表示元件之間的相互作用，即系統(tǒng)中信號的傳

6、遞方向。職能方框圖明確地表示了系統(tǒng)的組成元件、各元件的職能以及系統(tǒng)中各元件的相互關系。因此，職能方框圖是用來表示自動控制系統(tǒng)工作過程的。圖10.4 速度控制系統(tǒng)職能方框圖 8第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 由職能方框圖可以看出，上述速度伺服控制系統(tǒng)是由輸入元件、比較元件、放大及轉換元件、執(zhí)行元件、反饋元件和控制對象組成的。實際上，任何一個伺服控制系統(tǒng)都是由這些元件組成的，如圖105所示 圖10.5 伺服控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié) 9第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 下面對圖105中各元件做一些說明： (1)輸入元件 通過輸入元件，給出必要的輸入信號。如上例中由電位計給出一定電壓，作為系統(tǒng)的控制信號。 (2)檢測

7、、反饋元件 它隨時測量輸出量的大小，井將其轉換成相應的反饋信號送回到比較元件。上例中是由測速發(fā)電機測得液壓缸的運動速度，并將其轉換成相應的電壓作為反饋信號。 (3)比較元件 將輸入信號和反饋信號進行比較，并將其差值作為放大轉換元件的輸入。有時系統(tǒng)中不一定有單獨的比較元件，而是由反饋元件、輸入元件或放大元件的一部分來實現比較的功能。 (4)放大、轉換元件 將偏差信號放大并轉換后，控制執(zhí)行元件動作。如上例中的電液伺服 閥。 (5)執(zhí)行元件 直接帶動控制對象動作的元件。如上例中的液壓缸。 (6)控制對象 機器直接工作的部分，如工作臺、刀架等。10第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.1.3 伺服系統(tǒng)的分

8、類 伺服系統(tǒng)可以從下面不同的角度加以分類。 (1)按輸入信號變化規(guī)律分類 有定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)三類。 當系統(tǒng)輸入信號為定值時，稱為定值控制系統(tǒng)，其基本任務是提高系統(tǒng)的抗于擾能力。當系 統(tǒng)的輸入信號按預先給定的規(guī)律變化時，稱為程序控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)，其輸入 信號是時間的未知函數，輸出量能夠準確、迅速地復現輸入量的變化規(guī)律。 (2)按輸入信號介質分類 有機液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、氣液伺服系統(tǒng)等。 (3)按輸出物理量分類 有位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力(或壓力)伺服系統(tǒng)等。 在液壓伺服系統(tǒng)中還可以按控制元件分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩類。在液壓傳動中，閥控 系統(tǒng)應

9、用較多，故本章重點介紹閥控伺服系統(tǒng)。 11第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.1.4 伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點 液壓與氣壓伺服系統(tǒng)除具有液壓與氣壓傳動所固有的一系列優(yōu)點外，還具有控制精度高、響 應速度快、自動化程度高等優(yōu)點。 但是，伺服元件加工精度高，因此價格較貴：特別是液壓伺服系統(tǒng)對油液的污染比較敏感，因 此可靠性受到影響；在小功率系統(tǒng)中，液壓伺服控制不如電器控制靈活。隨著科學技術的發(fā)展， 液壓與氣壓伺服系統(tǒng)的缺點將不斷地得到克服。在自動化技術領域中，液壓與氣壓伺服控制有 著廣泛的應用前景。 12第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.2 典型的伺服控制元件 伺服控制元件是液壓與氣壓伺服系統(tǒng)中最重要、最基本

10、的組成部分，它起著信號轉換、功率 放大及反饋等控制作用。常用的伺服控制元件有力矩馬達或力馬達、滑閥、射流管閥和噴嘴擋板 閥等，下面簡要介紹它們的結構原理及特點。 10.2.1 力矩馬達和力馬達 力矩馬達是一種具有旋轉運動的電機械轉換器，力馬達是一種具有直線運動的電機械 轉換器。它們在閥中的作用是將電控信號轉換成轉角(力矩馬達)或直線位移(力馬達)，用來作 為液壓放大器的輸入信號，它們的具體介紹參見571節(jié)。 13第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.2.2 滑閥 根據滑閥控制邊數(起控制作用的閥口數)的不同，有單邊控制、雙邊控制和四邊控制三種類型滑閥。 圖10.6 單邊滑閥的工作原理 14第十章

11、液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.7 雙邊滑閥的工作原理 圖10.8 四邊滑閥的工作原理15第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.9 滑閥的三種開口形式10.2.3 射流管閥 圖10.10 射流管閥的工作原理16第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.11 噴嘴擋板閥的工作原理10.2.4 噴嘴擋板閥 17第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.3 伺 服 閥 液壓與氣壓用伺服閥是電液或電氣聯(lián)合控制的多級伺服元件，它能將微弱的電氣輸入信號放大成大功率的液壓或氣壓能量輸出，以實現對流量和壓力的控制。它接受一種模擬量電控信號，輸出隨電控信號的大小及極性變化的液壓模擬量。電液或電氣伺服閥具有控制精度高和放大倍數大等優(yōu)

12、點，在液壓與氣壓控制系統(tǒng)中得到了廣泛地應用。 10.3.1 液壓伺服閥的分類、結構和工作原理 1.液壓伺服閥的分類液壓伺服閥主要指電液伺服閥，它在接受電氣模擬信號后，相應輸出調制的流量和壓力。它既是電液轉換元件，也是功率放大元件，它能夠將小功率的微弱電氣輸入信號轉換為大功率的液壓能(流量和壓力)輸出。在電液伺服系統(tǒng)中，它將電氣部分與液壓部分連接起來，實現電液信號的轉換與液壓放大。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)控制的核心。18第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 電液伺服閥廣泛地應用于電液位置、速度、加速度、力伺服系統(tǒng)，以及伺服振動發(fā)生器中。它具有體積小、結構緊湊、功率放大系數高、控制精度高、直線性好、死區(qū)小、

13、靈敏度高、動態(tài)性能好以及響應速度快等優(yōu)點。 電液伺服閥按用途、性能和結構特征可分為通用型和專用型；按輸出量可分為流量控制伺服閥和壓力控制伺服閥；按液壓放大級數可分為單級、雙級和三級伺服閥；按電氣機械轉換后動作方式可分為力矩馬達式(輸出轉角)和力馬達式(輸出直線位移)；按電氣機械轉換裝置可分為動鐵式(一般為銜鐵轉動)與動圈式和干式與濕式；按液壓前置級的結構形式可分為單噴嘴擋板式、雙噴嘴擋板式、四噴嘴擋板式、射流管式、偏轉板射流式和滑閥式；按反饋形式可分為位置反饋、負載流量反饋和負載壓力反饋；按輸入信號形式可分為連續(xù)控制式和脈寬調制式。19第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 20第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng)

14、 2. 液壓伺服閥的組成 伺服閥通常由電機械轉換器(力馬達或力矩馬達)、液壓放大器和反饋或平衡機構等三部分組成。其中，我們已經介紹過了電機械轉換器(力馬達或力矩馬達)和液壓放大器，而伺服閥的輸出級所采用的反饋或平衡機構是為使伺服閥的輸出流量或輸出壓力獲得與輸人電控信號成比例的特性。平衡機構通常用圓柱螺旋彈簧或片彈簧等。反饋常采用力反饋、位置反饋、電反饋和壓力反饋等形式。具體結構原理在典型伺服閥的結構中闡述。 3. 典型伺服閥的結構和工作原理 (1)滑閥式伺服閥滑閥式伺服閥又稱動圈伺服閥。圖10.12所示為滑閥式直接反饋二級電液伺服閥。 21第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.12 滑閥式二級三

15、通電液伺服閥1一左節(jié)流孔；2一殼體；3一濾油器；4一減壓孔扳；5一控制級節(jié)流邊；6一主滑閥(控制級閥套)；7一控制級節(jié)流邊；8一右仃流孔；9一控制閥心；10一磁鋼(永久磁鐵)；11一動圈；12一對中彈簧；13一調節(jié)螺釘；14一內導磋體；15一外導磁體 22第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) (2)噴嘴擋板式伺服閥 圖10 .13 噴嘴擋板式二級四通電液伺服閥圖1一永久磁鐵；2、4一導磁體；3一銜鐵；5一擋板；6一噴嘴； 7一固定節(jié)流；8一濾油器；9一滑閥；10一閥體； 11一反饋彈簧桿；12一彈簧管；13一線圈23第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) (3)射流管式伺服閥圖10.14所示為射流管式伺服閥的結構示

16、意圖 圖10.14 射流管式二級四通電液伺服閥 24第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 10.3.2 液壓伺服閥的選用 伺服閥的控制精度高，響應速度快，所以在航空、冶金、機械、船舶和化工等工業(yè)部門得到廣 泛的應用。它常用于實現位置、速度、加速度和力的控制。 伺服閥的選用應考慮： (1)伺服閥對油液的清潔度要求較高，要考慮工作環(huán)境，采取較好的過濾措施。 (2)為了改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，一般要盡量縮短閥和執(zhí)行元件間的連接管道，常將閥直 接固定在執(zhí)行元件上，這時要注意閥的外形尺寸是否妨礙機器的布局。 (3)伺服閥的價格高，要考慮到用戶的承受能力。 25第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 26第十章 液壓與氣壓伺服

17、系統(tǒng) 104 液壓伺服系統(tǒng) 本節(jié)介紹車床液壓仿形刀架、機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)和帶鋼張力控制系統(tǒng)，它們分別代表不同類型的液壓伺服系統(tǒng)。1.4.1車床液壓仿形刀架 車床液壓仿形刀架是機液伺服系統(tǒng)。下面結合圖10.17來說明它的工作原理和特點。液壓仿形刀架傾斜安裝在車床溜板5的上面，工作時隨溜板縱向移動。樣板11安裝在床身后側支架上固定不動。液壓泵站置于車床附近。仿形刀架液壓缸的活塞桿固定在刀架3的底座上，缸體6、閥體7和刀架連成一體，可在刀架底座的導軌上沿液壓缸軸向移動。滑閥閥心10在彈簧的作用下通過桿9使杠桿8的觸銷11緊壓在樣板上。27第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖1017 車床液壓仿形刀架的

18、工作原理1一工件；2一車刀；3一刀架：4-導軌；5一溜板；6一缸體；7一閥體；8一杠桿；9一桿；10一閥心；11一觸銷；12一樣板門；13一濾油器；14一液壓泵 28第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.18 進給運動合成示意圖29第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 在車削圓柱面時，溜板5沿床身導軌4縱向移動。杠桿觸銷在樣板的圓柱段內水平滑動，滑閥閥口不打開，刀架只能隨溜板一起縱向移動，刀架在工件1上車出AB段圓柱面。 車削圓錐面時，觸銷沿樣板的圓錐段滑動，使杠桿向上偏擺，從而帶動閥心上移，打開閥門，壓力油進入液壓缸上腔，推動缸體連同閥體和刀架軸向后退。閥體后退又逐漸使閥口關小，直至關閉為止。在溜板不斷

19、地做縱向運動的同時，觸銷在樣板的圓錐段上不斷抬起，刀架也就不斷地作軸向后退運動，此兩運動的合成就使刀具在工件上車出BC段圓錐面。其它曲面形狀或凸肩也都是這樣合成切削來形成的。如圖10.18所示，圖中v1、v2和v分別表示溜板帶動刀架的縱向運動速度、刀具沿液壓缸軸向的運動速度和刀具的實際合成速度。從仿形刀架的工作過程可以看出，刀架液壓缸(執(zhí)行元件)是以一定的仿形精度按著觸銷輸入位移信號的變化規(guī)律而動作的，所以仿形刀架液壓系統(tǒng)是液壓伺服系統(tǒng)。30第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖10.19 機械手伸縮運動電液伺服系統(tǒng)原理1一電液伺服閥門；2一液壓缸；3一機械手臂；4一齒輪 齒條機構；5一電位器；6一步進電動機；7一放大器 10.4.2 機械手伸縮運動伺服系統(tǒng) 一般機械手能實現機械手的伸縮、回轉、升降和手腕的動作，每一個動作都是由液壓伺服系統(tǒng)驅動的其原理相同?，F僅以伸縮伺服系統(tǒng)為例介紹它的下作原理。 31第十章 液壓與氣壓伺服系統(tǒng) 圖1019是機械手手臂伸縮電液伺服系統(tǒng)原理圖。它主要由電液伺服閥1、液壓缸2、活塞桿帶動的機械手手