《液壓與氣壓傳動技術(shù)》第9章 液壓伺服系統(tǒng)

第9章

液壓伺服系統(tǒng)第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述第2節(jié)

液壓伺服閥第3節(jié)

電液伺服閥第4節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述液壓伺服系統(tǒng)是在液壓傳動和自動控制理論的基礎(chǔ)上，建立起來的一種液壓自動控制系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)又稱隨機系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)，也是一種功率放大裝置。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入信號的變化規(guī)律動作。液壓伺服系統(tǒng)除了具有液壓傳動的各種優(yōu)點外，還有響應(yīng)快、慣性小、系統(tǒng)剛性大和伺服精度高等特點，所以得到了廣泛應(yīng)用。一、液壓伺服系統(tǒng)工作原理圖9一1所示為一種簡單的液壓傳動系統(tǒng)。當(dāng)給閥芯輸入位移二l，則滑閥移動一個開口量二v，此時壓力油進入無桿腔，推動缸體向右運動，即有一輸出位移x。它與輸入位移大小二1無直接關(guān)系，而與液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。下一頁返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述若將上述滑閥和液壓缸組合成一個整體，上述系統(tǒng)就變成了一個簡單的液壓伺服系統(tǒng)，如圖9-2所示。如果控制滑閥處于中間位置，沒有信號輸入，即xi=0時，閥芯凸肩正好堵住液壓缸的兩個油口，缸體不動，系統(tǒng)的輸出量xo=0，負載停止不動，處于靜止平衡狀態(tài)。若給控制滑閥輸入一個向右的位移xi,閥芯偏離其中間位置，液壓缸進出油路同時打開，進油口相應(yīng)的輸入量為xv,，壓力油經(jīng)過節(jié)流口進入液壓缸的無桿腔，而液壓缸有桿腔的油通過另一個節(jié)流口回油，液壓缸產(chǎn)生一個向右的位移xv,，由于控制閥的閥體和液壓缸的缸體連在一起，成為一個整體，隨著輸出量增加，滑閥的開口量x、逐漸減少，當(dāng)xo增加到xi時，開口量xv,=0，油路關(guān)閉，液壓缸停止運動，負載停止在一個新的平衡位置上。如果繼續(xù)給控制滑閥向右的輸入信號，液壓缸就會跟隨這個信號繼續(xù)向右運動。上一頁下一頁返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述反之，若給控制滑閥輸入一個向左位移的輸入信號，則液壓缸就會跟隨這個信號向左運動。由此可以看出，伺服系統(tǒng)與一般的液壓傳動系統(tǒng)不同，控制閥的閥體與液壓缸的缸體實現(xiàn)剛性連接成為一個整體，因而兩者必然同步運動。控制閥移動多少距離，液壓缸也移動多少距離;控制閥移動的速度快，液壓缸移動的速度也快;控制閥向哪個方向移動，液壓缸也向哪個方向移動)只要給控制閥一定規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就會自動地、準確地跟隨控制閥運動。所以，只要給控制閥以某一規(guī)律的輸入信號，則執(zhí)行元件(系統(tǒng)輸出)就會自動地、準確地跟隨控制閥，并按照這個規(guī)律運動，這就是液壓伺服系統(tǒng)的工作原理。上一頁下一頁返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述在液壓伺服系統(tǒng)中，一般控制元件(控制閥)稱為控制環(huán)節(jié)或輸入環(huán)節(jié)，加給控制元件的信號稱為輸入信號，輸入信號的大小稱為輸入量。伺服液壓缸產(chǎn)生的位移變化量稱為輸出量。液壓伺服系統(tǒng)的基本工作原理可用如圖9一3所示的方框圖表示。二、液壓伺服系統(tǒng)的特點及組成1.液壓伺服控制系統(tǒng)的基本特點①液壓伺服系統(tǒng)是一個自動位置跟隨系統(tǒng)，輸出量能夠自動地跟隨輸入量的變化規(guī)律發(fā)生變化。②液壓伺服系統(tǒng)是一個負反饋系統(tǒng)。因為缸體和閥體的剛性連接使輸出信號與輸入信號變化方向相反，疊加的結(jié)果將使凈輸入信號減弱以至消除，所以液壓伺服系統(tǒng)是一個負反饋系統(tǒng)。上一頁下一頁返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述如果沒有負反饋，只要控制滑閥的控制口有一個輸入位移，液壓缸就會以一定的速度運動，一直到走完缸的全部行程為止。所以說反饋環(huán)節(jié)是液壓伺服系統(tǒng)中必不可少的組成部分。③液壓伺服系統(tǒng)是一個功率(或力)的放大系統(tǒng)。移動滑閥所需信號的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率是由液壓缸的壓力油的流量和壓力決定的，可以很大，輸出力比輸入力大幾百倍甚至數(shù)千倍。④液壓伺服系統(tǒng)是一個誤差系統(tǒng)。液壓缸位移x和閥芯位移x}之間不存在偏差時(即當(dāng)控制滑閥處于零位)，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。由此可見，欲使系統(tǒng)有輸出信號，首先必須保證控制滑閥具有一個開口量，即x:}0。系統(tǒng)的輸出信號和輸入信號之間存在偏差是液壓伺服系統(tǒng)工作的必要條件，也就是說沒有誤差，伺服系統(tǒng)就不工作而處于靜止?fàn)顟B(tài)。上一頁下一頁返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述2.液壓伺服系統(tǒng)的組成如圖9-4所示，液壓伺服系統(tǒng)由以下一些基本元件組成:①輸入元件:也稱指令元件，它給出輸入信號(指令信號)加于系統(tǒng)的輸入端，可以是機械的、電氣的、氣動的等。如靠模、指令電位器或計算機等。②反饋元件:檢測輸出量，將其轉(zhuǎn)成相應(yīng)反饋信號，送回比較元件，傳感器常作為反饋測量元件。③比較元件:將反饋信號與輸入信號進行比較，給出偏差信號，作為放大轉(zhuǎn)換元件的輸入信號。上一頁下一頁返回第1節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)概述④放大變換元件:將偏差信號放大、變換后控制執(zhí)行元件，如機液伺服閥、電液伺服閥等。⑤執(zhí)行元件:直接帶動控制對象動作的元件，如液壓缸和液壓馬達等。⑥控制對象:被控制的機器設(shè)備或物體，即負載，如工作臺、刀架等。此外，還可能有各種校正裝置，以及不包含在控制回路內(nèi)的液壓能源裝置。上一頁返回第2節(jié)

液壓伺服閥一、液壓伺服系統(tǒng)的分類液壓伺服系統(tǒng)按控制方式不同分為閥控式(節(jié)流式)和泵控式(容積式)兩種系統(tǒng)。閥控系統(tǒng)利用伺服閥或電液伺服閥進行控制，本質(zhì)上屬于節(jié)流調(diào)速控制一類。泵控式系統(tǒng)利用變量泵和變量馬達進行控制，本質(zhì)上屬于容積調(diào)速控制一類。變量泵控制液壓伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是效率較高、系統(tǒng)剛性大，缺點是響應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，操縱變量泵變量機構(gòu)所需的力較大，需要一套專門的操縱機構(gòu)，從而使系統(tǒng)復(fù)雜化。變量泵控制液壓伺服系統(tǒng)特別適合大功率而響應(yīng)速度要求又不高的場合。下一頁返回第2節(jié)

液壓伺服閥閥控式的優(yōu)點是響應(yīng)快、控制精度高，缺點是效率低。由于它的性能優(yōu)越而得到廣泛應(yīng)用，特別是在中、小功率的快速、高精度液壓伺服系統(tǒng)中采用。這里主要介紹閥控式的三種常見的基本類型。另外在液壓伺服系統(tǒng)中還可以按控制信號的類別和回路的組成分為機液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng);按輸入信號的變化規(guī)律分為定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng);按系統(tǒng)輸出物理量不同分為位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、加速度控制系統(tǒng)、力控制系統(tǒng)等。二、滑閥式液壓伺服閥液壓伺服閥是閥控式液壓伺服系統(tǒng)的主要控制元件，它的性能直接影響系統(tǒng)的工作性能。上一頁下一頁返回第2節(jié)

液壓伺服閥液壓伺服閥能將小功率的位移信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號，所以也稱液壓放大器。常用的液壓伺服閥有滑閥、射流管閥、噴嘴擋板閥式等。其中，滑閥的結(jié)構(gòu)形式多樣，應(yīng)用比較普遍。1.滑閥滑閥式液壓伺服閥結(jié)構(gòu)與液壓換向閥很相似，換向閥實際上是液壓開關(guān)，每個閥口只有兩個狀態(tài)，要么完全打開，要么完全封死，結(jié)構(gòu)上很容易保證;而滑閥式液壓伺服閥則是一種比例控制的液壓放大器，每個閥口具有連續(xù)變化的開啟度，以便連續(xù)調(diào)節(jié)通過液體的流量，其加工精度要求很高。根據(jù)滑閥控制邊數(shù)(起控制作用的閥口數(shù))的不同，可分為單邊滑閥、雙邊滑閥和四邊滑閥。上一頁下一頁返回第2節(jié)

液壓伺服閥2.射流管閥圖9-7所示為射流管閥的工作原理。射流管閥主要由射流管3和接收板2組成。射流管可繞支承點擺動，壓力油從管道進入射流管后經(jīng)噴嘴射出，經(jīng)接收孔a,b進入液壓缸兩腔。液體的壓力能通過射流管的噴嘴轉(zhuǎn)換為液體的動能。液流被接收后，又將其動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。?dāng)射流管在中位時，兩接收孔內(nèi)的壓力相等，液壓缸不動。當(dāng)射流管向左偏擺時，進入孔a的油液壓力大于進入孔b的油液壓力，液壓缸也向左移動。由于接收板和缸體連接在一起，因此，接收板也向左移動，形成負反饋。當(dāng)噴嘴恢復(fù)到中間位置時，液壓缸便停止運動。上一頁下一頁返回第2節(jié)

液壓伺服閥射流管閥的最大優(yōu)點是抗污染能力強，工作可靠，壽命長，這是因為它的噴嘴孔直徑較大，不易堵塞。另外，它的輸出功率比噴嘴擋板閥高。它的缺點是射流管運動部件慣性大，能量損耗大，特性不易預(yù)測。射流管閥常用于對抗污染能力有特殊要求的場合。3.噴嘴檔板閥噴嘴擋板閥有單噴嘴式和雙噴嘴式兩種，兩者的工作原理基本相同。圖9一8所示為雙噴嘴擋板閥的工作原理，它主要由擋板1、噴嘴4和5、固定節(jié)流孔2和3等元件組成。噴嘴與擋板間的節(jié)流縫隙6和7構(gòu)成了兩個可變節(jié)流口。當(dāng)擋板處于中間位置時，兩個噴嘴與擋板間隙相等，液阻相等，因此，P}-Pz，液壓缸不動，壓力油經(jīng)固定節(jié)流孔2和3,節(jié)流縫隙6和7流回油箱。上一頁下一頁返回第2節(jié)

液壓伺服閥當(dāng)擋板向左偏擺，則節(jié)流縫隙6減小，7增大，P，上升，P:下降，液壓缸便左移。因噴嘴和缸體連接在一起，故噴嘴也向左移，形成負反饋。當(dāng)噴嘴跟隨缸體移動到擋板兩邊對稱位置時，液壓缸便停止運動。若擋板反向偏擺，則液壓缸也反向運動。與滑閥相比，噴嘴擋板閥的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，擋板運動阻力小，慣性小，反應(yīng)快靈敏度高，對油液污染不太敏感。缺點是無用的功率損耗大，因而只能用在小功率系統(tǒng)中。多級放大液壓控制閥中的第一級多采用噴嘴擋板閥。需要說明的是，以上介紹滑閥、噴嘴擋板閥和射流管閥的工作原理時，其反饋都為直接位置反饋，即都是閥和缸體(成活塞)固連形成負反饋，閥移動多少，缸體(或活塞)便移動多少。上一頁返回第3節(jié)

電液伺服閥電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件，它能將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號。電液伺服閥具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、放大系數(shù)高、控制性能好等優(yōu)點，在電液伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。圖9-9所示的是一種典型的電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖，它由電磁和液壓兩部分組成。電磁部分是一個力矩馬達，液壓部分是一個兩級液壓放大器，第一級是雙噴嘴擋板閥，稱為前置放大級，第二級是零開口四邊滑閥，稱為功率放大級。力矩馬達把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為力矩輸出。它主要由一對永久磁鐵1、上下導(dǎo)磁體2和4、銜鐵3、線圈5和彈簧管6等組成。永久磁鐵把上下兩塊導(dǎo)磁體磁化成N極和S極。下一頁返回第3節(jié)

電液伺服閥當(dāng)通有控制電流時，銜鐵被磁化，如果銜鐵的左端為N極，右端為S極，則由于同性相斥、異性相吸的原理，銜鐵逆時針方向偏轉(zhuǎn)，同時彈簧管彎曲變形，產(chǎn)生反力矩，直到電磁力矩與彈簧管反力矩相平衡為止。電流越大，產(chǎn)生的電磁力矩也越大，銜鐵偏轉(zhuǎn)的角度B就越大。力矩馬達產(chǎn)生的力矩很小，無法直接操縱滑閥以產(chǎn)生足夠的液壓功率，所以，液壓放大器一般都采用兩級放大。圖9-9所示結(jié)構(gòu)中，力矩馬達、噴嘴擋板閥、滑閥三者通過擋板7下端的反饋桿建立協(xié)調(diào)關(guān)系。銜鐵、擋板、反饋桿、彈簧管是連接在一起的組合件，反饋桿具有彈性，其端部小球卡在滑閥閥芯的中間，將滑閥產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)換為力，反饋到銜鐵上。上一頁下一頁返回第3節(jié)

電液伺服閥當(dāng)沒有控制電流時，銜鐵處于中位，擋板也處于中位，Pi=Pz，滑閥閥芯不動，4個閥口均關(guān)閉。因此，無液壓信號輸出。當(dāng)有控制電流時，若銜鐵逆時針方向偏轉(zhuǎn)，則擋板向右偏移，P，升高，P:降低，推動滑閥閥芯左移。此時反饋桿產(chǎn)生彈性變形，對銜鐵擋板組件產(chǎn)生一個反力矩，一方面帶動擋板向中位移動，從而使滑閥閥芯兩端壓力差相應(yīng)地減小;另一方面產(chǎn)生反作用力阻止滑閥閥芯繼續(xù)左移。最終，當(dāng)作用在銜鐵擋板組件上的電磁力矩與彈簧管反力矩、反饋桿反力矩達到平衡時，閥芯停止運動，取得一個平衡位置，并有相應(yīng)的流量輸出。輸入電流越大，滑閥閥芯的位移就越大。當(dāng)控制電流反向時，則銜鐵順時針方向偏轉(zhuǎn)，滑閥閥芯右移，輸出壓力油也反向流動。上一頁下一頁返回第3節(jié)

電液伺服閥從上述原理可知，滑閥閥芯的位置是由反饋桿組件彈性變形力反饋到銜鐵上與電磁力平衡而決定的，故稱此閥為力反饋式電液伺服閥。因為采用兩級液壓放大，所以又稱為力反饋兩級電液伺服閥。電液伺服系統(tǒng)根據(jù)被控物理量的不同分為位置控制、壓力控制電液伺服系統(tǒng)等。下面以機械手電液伺服系統(tǒng)為例，介紹常用的位置控制電液伺服系統(tǒng)。機械手包括4個電液伺服系統(tǒng)，分別控制機械手的伸縮、回轉(zhuǎn)、升降及手腕(正爪、反爪)的動作。由于4個系統(tǒng)的工作原理均相似，故以機械手伸縮電液伺服系統(tǒng)為例，介紹工作原理。圖9-10所示為機械手手臂伸縮電液伺服系統(tǒng)工作原理圖。它由電液伺服閥2,液壓缸3、活塞桿帶動的機械手手臂4、電位器6、步進電動機7、齒輪齒條5和放大器1等元件組成。上一頁下一頁返回第3節(jié)

電液伺服閥當(dāng)數(shù)字控制部分發(fā)出一定數(shù)量的脈沖信號時，步進電動機便帶動電位器6的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度，使動觸頭偏移電位器中位，產(chǎn)生微弱的電壓信號。該信號經(jīng)放大器1放大后輸入電液伺服閥2的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。假設(shè)此時壓力油經(jīng)伺服閥進入液壓缸左腔，推動活塞連同機械手手臂上的齒條運動，手臂向右移動時，電位器跟著作順時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電位器的中位和動觸頭重合時，動觸頭輸出電壓為零，電液伺服閥失去信號，閥口關(guān)閉，手臂停止移動。手臂移動的行程決定于脈沖的數(shù)量，速度決定于脈沖的頻率。上一頁下一頁返回第3節(jié)

電液伺服閥當(dāng)數(shù)字控制部分反向發(fā)出脈沖時，步進電動機向反方向轉(zhuǎn)動，手臂便向左移動。由于機械手手臂移動的距離與輸入電位器的轉(zhuǎn)角成比例，機械手手臂完全跟隨輸入電位器的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生相應(yīng)的位移，所以它是一個帶有反饋的位置控制電液伺服系統(tǒng)。上一頁返回第4節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用液壓伺服系統(tǒng)在機械設(shè)備中被廣泛使用，下面分別介紹車床液壓仿形刀架和汽車轉(zhuǎn)向液壓助力器的伺服系統(tǒng)，它們分別代表不同類型的液壓伺服系統(tǒng)。1.車床液壓仿形刀架圖9一11所示為車床液壓仿形刀架的工作原理圖。仿形刀架主要由伺服閥、液壓缸和反饋機構(gòu)三部分組成。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12安裝在床身后側(cè)支架上固定不動。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(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動?；y閥芯10在彈簧的作用下通過桿9使絲桿8的觸銷11緊壓在樣板上。上一頁下一頁返回第4節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用利用仿形刀架可以依照樣件的形狀自動加工出多臺肩的軸類零件或曲線輪廓的旋轉(zhuǎn)表面，從而大大提高勞動生產(chǎn)率和減輕勞動強度。車削圓柱面時，溜板5沿床身導(dǎo)軌4縱向移動。杠桿觸銷11在樣板的圓柱段內(nèi)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，從而帶動閥芯上移，打開閥口，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(guān)小，直至關(guān)閉為止。在溜板不斷地作縱向運動的同時，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，這兩種運動的合成就使刀具在工件上車出BC段圓錐面。上一頁下一頁返回第4節(jié)

液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用其他曲面形狀或凸肩也都是這樣通過合成切削來形成的。從仿形刀架的工作過程可以看出，刀架液壓缸是以一定的仿形精度按著觸銷的輸入位移信號的變化規(guī)律而動作的，所以說仿形刀架液壓系統(tǒng)是液壓伺服系統(tǒng)。2.汽車轉(zhuǎn)向液壓助力器為了減輕司機的體力勞動，大型載重卡車廣泛采用液壓助力器，這種液壓助力器也是一種位置控制的機液伺服機構(gòu)。如圖9一12所示為轉(zhuǎn)向液壓助力器的工作原理圖，它主要由液