液壓與氣動傳動CAI第10章

第10章液壓與氣壓伺服系統(tǒng)§10.1概述§10.2典型的伺服控制元件§10.3伺服閥§10.4液壓伺服系統(tǒng)§10.5氣壓伺服系統(tǒng)返回§10.1概述1.伺服系統(tǒng)的工作原理和特點圖10.1是一種液壓進(jìn)口節(jié)流閥式節(jié)流調(diào)速回路。在這種回路中，調(diào)定節(jié)流閥的開口量后，液壓缸就以某一調(diào)定速度運動。通過前述章節(jié)分析可知，當(dāng)負(fù)載、油溫等參數(shù)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地連續(xù)無級調(diào)速要求。可以將節(jié)流閥的開口大小定義為輸入量，將液壓缸的運動速度定義為輸出量或被調(diào)節(jié)量。在上述回路中，當(dāng)負(fù)載、油溫等參數(shù)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)被稱為開環(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(fù)載、油溫等）變化而引起的輸出量或被調(diào)節(jié)量的變化，因此控制精度較低。伺服系統(tǒng)的工作原理和特點(2/5)為了提高這種回路的控制精度，可以設(shè)想節(jié)流閥由操作者來調(diào)節(jié)。在調(diào)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(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口量，以減少這一差值（偏差）。例如，由于負(fù)載增大而使液壓缸的速度低于希望值時，操作者就相應(yīng)地加大節(jié)流閥的開口量，從而使液壓缸的速度達(dá)到希望值。這一調(diào)節(jié)過程可用圖10.2表示。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(xiàn)自動控制，必須以電器、機(jī)械等裝置來代替人來判斷比較，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)，被稱為閉環(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)不僅使液壓缸速度能任意調(diào)節(jié)，而且在外界干擾很大（如負(fù)載突變）的工況下，仍能使系統(tǒng)的實際輸出速度與設(shè)定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的響應(yīng)性能。伺服系統(tǒng)的工作原理和特點(3/5)上述系統(tǒng)的工作原理如下：在某一穩(wěn)定狀態(tài)下，液壓缸速度由測速裝置測得（齒條1、齒輪2和測速發(fā)電機(jī)3）并轉(zhuǎn)換為電壓uf0。這一電壓與給定電位計4輸入的電壓信號ug0進(jìn)行比較。其差ue0=ug0-uf0值經(jīng)積分放大器放大后，以電流i0輸入給電液伺服閥6。電液伺服閥按輸入電流的大小和方向自動地調(diào)節(jié)其開口量的大小和移動方向，控制輸出油液的流量大小和方向。對應(yīng)所輸入的電流i0，電液伺服閥的開口量穩(wěn)定地維持在xv0，伺服閥的輸出流量為q0，液壓缸速度保持為恒值

0。如果由于干擾的存在引起液壓缸速度增大，則測速裝置的輸出電壓uf>uf0，而使ue=ug0-uf<ue0，放大器輸出電流i<i0。電液伺服閥開口量相應(yīng)減小，使液壓缸速度降低，直到

=

0時，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。按照同樣原理，當(dāng)輸入給定信號電壓連續(xù)變化時，液壓缸速度也隨之連續(xù)地按同樣規(guī)律變化，即輸出自動跟蹤輸入。伺服系統(tǒng)的工作原理和特點(4/5)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，這就是負(fù)反饋。自動控制系統(tǒng)中大多數(shù)反饋是負(fù)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(jié)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(jìn)行工作的。（3）它是放大系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出的力和功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號的力和功率。其輸出的能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。伺服系統(tǒng)的工作原理和特點(5/5)2.伺服系統(tǒng)職能方塊圖和系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)圖10.4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(guān)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。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(zhuǎn)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10.5所示。伺服系統(tǒng)職能方塊圖和系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)(2/4)下面對圖10.5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、反饋元件它隨時測量輸出量的大小，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的反饋信號送回到比較元件。上例中是由測速發(fā)電機(jī)測得液壓缸的運動速度，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jìn)行比較，并將其差值作為放大轉(zhuǎn)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(xiàn)比較的功能。伺服系統(tǒng)職能方塊圖和系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)(3/4)（4）放大、轉(zhuǎn)換元件將偏差信號放大并轉(zhuǎn)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(jī)器直接工作的部分，如工作臺、刀架等。伺服系統(tǒng)職能方塊圖和系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)(4/4)3.伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(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(dāng)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(wù)是提高系統(tǒng)的抗干擾能力。當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號按預(yù)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(shù)，輸出量能夠準(zhǔn)確、迅速地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。（2）按輸入信號介質(zhì)分類有機(jī)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(yīng)用較多，故本章重點介紹閥控伺服系統(tǒng)。4.伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點液壓和氣壓伺服系統(tǒng)除具有其液壓和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(yīng)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓和氣壓伺服系統(tǒng)的缺點將不斷地得到克服。在自動化技術(shù)領(lǐng)域中，液壓和氣壓伺服控制有著廣泛的應(yīng)用前景。§10.2典型的伺服控制元件1.力矩馬達(dá)和力馬達(dá)力矩馬達(dá)是一種具有旋轉(zhuǎn)運動的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器，力馬達(dá)是一種具有直線運動的電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器。它們在閥中的作用是將電控信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角（力矩馬達(dá)）或直線位移（力馬達(dá)），用來作為液壓放大器的輸入信號，2.滑閥根據(jù)滑閥控制邊數(shù)（起控制作用的閥口數(shù)）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所示為單邊滑閥的工作原理。滑閥控制邊的開口量xs控制著液壓缸右腔的壓力和流量，從而控制液壓缸運動的速度和方向。來自泵的壓力油進(jìn)入單桿液壓缸的有桿腔，通過活塞上小孔a進(jìn)入無桿腔，壓力由ps降為p1，再通過控制滑閥唯一的節(jié)流邊流回油箱。在液壓缸不受外載作用的條件下，。當(dāng)閥芯根據(jù)輸入信號向左移動時，開口量xs增大，無桿腔壓力減小，于是p1A1<psA2，缸體向左移動。因為缸體和閥體連接成一個整體，故閥體左移又使開口量xs減?。ㄘ?fù)反饋），直至平衡。滑閥(2/4)圖10.7所示為雙邊滑閥的工作原理。壓力油一路直接進(jìn)入液壓缸有桿腔，另一路經(jīng)滑閥左控制邊的開口xs1和液壓缸無桿腔相通，并經(jīng)滑閥右控制邊的開口xs2流回油箱。當(dāng)滑閥向左移動時，xs1減小，xs2增大，液壓缸無桿腔壓力p1減小，兩腔受力不平衡，缸體向左移動。反之缸體向右移動；雙邊控制滑閥比單邊控制滑閥的調(diào)節(jié)靈敏度高、工作精度高?；y(3/4)圖10.8所示為四邊滑閥的工作原理?；y有四個控制邊，開口xs1、xs2分別控制進(jìn)入液壓缸兩腔的壓力油，開口xs3、xs4分別控制液壓缸兩腔的回油。當(dāng)滑閥向左移動時，液壓缸左腔的進(jìn)油口xs1減小，回油口xs3增大，使p1迅速減?。慌c此同時，液壓缸右腔的進(jìn)油口xs2增大，回油口xs4減小，使p2迅速增大。這樣就使活塞迅速左移。與雙邊控制滑閥相比，四邊控制滑閥同時控制液壓缸兩腔的壓力和流量，故調(diào)節(jié)靈敏度高，工作精度也高?；y(4/4)由上述可知，單邊、雙邊和四邊控制滑閥的控制作用是相同的，均起到換向和調(diào)節(jié)的作用。控制邊數(shù)越多，控制質(zhì)量越好，但其結(jié)構(gòu)工藝性差。在通常情況下，四邊控制滑閥多用于精度要求較高的系統(tǒng)；單邊、雙邊控制滑閥用于一般精度系統(tǒng)。四邊滑閥在初始平衡的狀態(tài)下，其開口有三種形式，即負(fù)開口（xs<0）、零開口（xs=0）和正開口（xs>0），如圖10.9所示。具有零開口的控制滑閥，其工作精度最高；負(fù)開口控制滑閥有較大的不靈敏區(qū)，較少采用；具有正開口的控制滑閥，工作精度較負(fù)開口高，但功率損耗大，穩(wěn)定性也差。3.射流管閥圖10.10所示為射流管閥的工作原理。射流管閥由射流管1和接收板2組成。射流管可繞O軸左右擺動一個不大的角度，接收板上有兩個并列的接收孔a、b，它們分別與液壓缸兩腔相通。壓力油從管道進(jìn)入射流管后從錐形噴嘴射出，經(jīng)接收孔進(jìn)入液壓缸兩腔。當(dāng)射流管處于兩接收孔的中間位置時，兩接收孔內(nèi)油液的壓力相等，液壓缸不動。當(dāng)輸入信號使射流管繞O軸向左擺動一小角度時，進(jìn)入孔b的油液壓力就比進(jìn)入孔a的油液壓力大，液壓缸向左移動。由于接收板和缸體連結(jié)在一起，接收板也向左移動，形成負(fù)反饋，當(dāng)射流管又處于兩接受孔中間位置時，液壓缸停止運動。射流管閥的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠。它的缺點是射流管運動部件慣性較大、工作性能較差；射流能量損耗大、效率較低；供油壓力過高時易引起振動。這種控制只適用于低壓小功率場合。4.噴嘴擋板閥

噴嘴擋板閥有單噴嘴和雙噴嘴兩種，兩者的工作原理基本相同。圖10.11所示為雙噴嘴擋板閥的工作原理，它主要由擋板1、噴嘴2和3、固定節(jié)流小孔4和5等元件組成。擋板和兩個噴嘴之間形成兩個可變的節(jié)流縫隙

1和

2。當(dāng)擋板處于中間位置時，兩縫隙所形成的節(jié)流阻力相等，兩噴嘴腔內(nèi)的油液壓力相等，即p1=p2，液壓缸不動。壓力油經(jīng)孔道4和5、縫隙

1和

2流回油箱。當(dāng)輸入信號使擋板向左偏擺時，可變縫隙

1關(guān)小，

2開大，p1上升，p2下降，液壓缸缸體向左移動。因負(fù)反饋作用，當(dāng)噴嘴跟隨缸體移動到擋板兩邊對稱位置時，液壓缸停止運動。噴嘴擋板閥的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、運動部件慣性小、反應(yīng)快、精度和靈敏度高；缺點是能量損耗大、抗污染能力差。噴嘴擋板閥常用作多級放大伺服控制元件中的前置級?！?0.3伺服閥1.伺服閥的分類、結(jié)構(gòu)和工作原理(1)液壓伺服閥的分類液控伺服閥主要是指電液伺服閥，它在接受電氣模擬信號后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力。它既是電液轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件，它能夠?qū)⑿」β实奈⑷蹼姎廨斎胄盘栟D(zhuǎn)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(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換與液壓放大。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)控制的核心。電液伺服閥廣泛地應(yīng)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(jié)構(gòu)緊湊、功率放大系數(shù)高、控制精度高、直線性好、死區(qū)小、靈敏度高、動態(tài)性能好以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點。液壓伺服閥的分類(2/3)電液伺服閥按用途、性能和結(jié)構(gòu)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(shù)可分為單級、雙級和三級伺服閥；按電氣―機(jī)械轉(zhuǎn)換后動作方式可分為力矩馬達(dá)式（輸出轉(zhuǎn)角）和力馬達(dá)式（輸出直線位移）；按電氣―機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置可分為動鐵式（一般為銜鐵轉(zhuǎn)動）與動圈式和干式與濕式；按液壓前置級的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)板射流式和滑閥式；按反饋形式可分為位置反饋、負(fù)載流量反饋和負(fù)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(diào)制式。專用型流量伺服閥是為滿足系統(tǒng)的某些特殊要求而特殊制造的伺服閥。它通常是按特殊的性能、附加控制作用、安裝尺寸及形式、工作環(huán)境、試驗方法、質(zhì)量保證措施、電氣接插頭、材料、工作液以及其它特殊要求等而分類。液壓伺服閥的分類(3/3)通用型壓力伺服閥一般按液壓控制閥的級數(shù)及壓力反饋原理來分類。在伺服閥中采用不同的反饋形式可以得到不同的伺服閥輸出特性。利用位置反饋和負(fù)載流量反饋可實現(xiàn)流量控制，利用負(fù)載壓力反饋可實現(xiàn)壓力控制。而連續(xù)控制式伺服閥的輸入信號是連續(xù)變化的信號，脈寬調(diào)制式伺服閥的輸入信號是脈寬調(diào)制的脈沖信號。連續(xù)控制式伺服閥多用于模擬調(diào)制的伺服系統(tǒng)中，脈寬調(diào)制式伺服閥多用于計算機(jī)控制的系統(tǒng)中。專用型壓力伺服閥一般是按其特殊的壓力控制特性、特殊的安裝結(jié)構(gòu)、及其它特殊因素來分類的。液壓伺服閥組成(1/1)(2)液壓伺服閥組成伺服閥通常由電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器（力矩馬達(dá)或力馬達(dá)）、液壓放大器和反饋或平衡機(jī)構(gòu)等三部分組成。其中，我們已經(jīng)介紹過了電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器（力矩馬達(dá)或力馬達(dá)）和液壓放大器，而伺服閥的輸出級所采用的反饋或平衡機(jī)構(gòu)是為使伺服閥的輸出流量或輸出壓力獲得與輸入電控信號成比例的特性。平衡機(jī)構(gòu)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型式。具體結(jié)構(gòu)原理在典型伺服閥的結(jié)構(gòu)中闡述。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(1/8)(3)典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理（a）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。它由永磁動圈式力馬達(dá)、一對固定節(jié)流孔、預(yù)開口雙邊滑閥式前置液壓放大器和三通滑閥式功率級組成。前置控制滑閥的兩個預(yù)開口節(jié)流控制邊與兩個固定節(jié)流孔組成一個液壓橋路?；y副的閥芯直接與力馬達(dá)的動圈骨架相連，在閥套內(nèi)滑動。前置級的閥套又是功率級滑閥放大器的閥芯。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(2/8)輸入控制電流使力馬達(dá)動圈產(chǎn)生的電磁力與對中彈簧的彈簧力相平衡，使動圈和前置級（控制級）閥芯移動，其位移量與動圈電流成正比。前置級閥芯若向右移動，則滑閥右腔控制口面積增大，右腔控制壓力降低；左側(cè)控制口面積減小，左腔控制壓力升高。該壓力差作用在功率級滑閥閥心（即前置級的閥套）的兩端上，使功率級滑閥閥心向右移動，也就是前置級滑閥的閥套向右移動，逐漸減小右側(cè)控制孔的面積，直至停留在某一位置。在此位置上，前置級滑閥副的兩個可變節(jié)流控制孔的面積相等，功率級滑閥閥芯兩端的壓力相等。這種直接反饋的作用，使功率級滑閥閥芯跟隨前置級滑閥閥芯運動，功率級滑閥閥芯的位移與動圈輸入電流大小成正比。這種閥的優(yōu)點是：采用動圈式力馬達(dá)，結(jié)構(gòu)簡單，功率放大系數(shù)較大，滯環(huán)小和工作行程大；固定節(jié)流口尺寸大，不易被污物堵塞；主滑閥兩端控制油壓作用面積大，從而加大了驅(qū)動力，使滑閥不易卡死，工作可靠。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(3/8)（b）噴嘴擋板式伺服閥圖10.13所示為噴嘴擋板式二級四通力反饋電液伺服閥結(jié)構(gòu)示意圖。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(4/8)圖中上半部為銜鐵式力馬達(dá)，下半部為噴嘴擋板式和滑閥式液壓放大器。銜鐵3與擋板5和彈簧桿11連接在一起，由固定在閥體10上的彈簧管12支承。彈簧桿11下端為一球頭，嵌放在滑閥9的凹槽內(nèi)，永久磁鐵1和導(dǎo)磁體2，4形成一個固定磁場。當(dāng)線圈13中沒有電流通過時，銜鐵3和導(dǎo)磁體2，4間的四個氣隙中的磁通相等，且方向相同，銜鐵3與擋板5都處于中間位置，因此滑閥沒有油輸出。當(dāng)有控制電流流入線圈13時，一組對角方向的氣隙中的磁通增加，另一組對角方向的氣隙中的磁通減小，于是銜鐵3在磁力作用下克服彈簧管12的彈性反作用力而以彈簧管12中的某一點為支點偏轉(zhuǎn)θ角，并偏轉(zhuǎn)到磁力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與彈簧管的彈性反作用力產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩平衡時為止。這時滑閥9尚未移動，而擋板5因隨銜鐵3偏轉(zhuǎn)而發(fā)生撓曲，改變了它與兩個噴嘴6之間的間隙，一個間隙減小，另一個間隙增大。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(5/8)通入伺服閥的壓力油經(jīng)濾油器8，兩個對稱的固定節(jié)流孔7和左右噴嘴6流出，通向回油。當(dāng)擋板5撓曲，噴嘴擋板的兩個間隙不相等時，兩噴嘴后側(cè)的壓力pa和pb就不相等，它們作用在滑閥9的左右端面上，使滑閥9向相應(yīng)方向移動一段距離，壓力油就通過滑閥9上的一個閥口輸向執(zhí)行元件，由執(zhí)行元件回來的油經(jīng)滑閥9上另一個閥口通向回油。滑閥9移動時，彈簧桿11下端球頭跟著移動，在銜鐵擋板組件上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使銜鐵3向相應(yīng)方向偏轉(zhuǎn)，并使擋板5在兩噴嘴間的偏移量減少，這就是所謂力反饋。反饋作用的結(jié)果，是使滑閥9兩端的壓差減小。當(dāng)滑閥9通過彈簧桿11作用于擋板5的力矩，噴嘴作用于擋板的力矩以及彈簧管反力矩之和等于力矩馬達(dá)產(chǎn)生的電磁力矩時，滑閥9不再移動，并一直使其閥口保持在這一開度上。通入線圈13的控制電流越大，使銜鐵3偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，彈簧桿11的撓曲變形，滑閥9兩端的壓差以及滑閥9的偏移量就越大，伺服閥輸出的流量也就越大。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(6/8)由于滑閥9的位移，噴嘴6與擋板之間的間隙，銜鐵3轉(zhuǎn)角都依次和輸入電流成正比，因此這種閥的輸出流量也和輸入電流成正比。輸入電流反向時，輸出流量也反向。這種伺服閥，由于力反饋的存在，使得力矩馬達(dá)在其零點附近工作，即銜鐵偏轉(zhuǎn)角θ很小，故線性度好。此外，改變反饋彈簧桿11的剛度，就能在相同輸入電流時改變滑閥的位移。這種伺服閥結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，響應(yīng)快。但噴嘴擋板的工作間隙較小，對油液的清潔度要求較高。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(7/8)（c）射流管式伺服閥圖10.14所示為射流管式伺服閥結(jié)構(gòu)示意圖。該閥采用銜鐵式力矩馬達(dá)帶動射流管，兩個接收孔直接和主閥兩端面連接，控制主閥運動。主閥靠一個板簧定位，其位移與主閥兩端壓力差成比例。這種閥的最小通流尺寸（射流管口尺寸）比噴嘴擋板的工作間隙大4～10倍，故對油液的清潔度要求較低。缺點是零位泄漏量大；受油液粘度變化影響顯著，低溫特性差；力矩馬達(dá)帶動射流管，負(fù)載慣量大，響應(yīng)速度低于噴嘴擋板閥。典型伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理(8/8)2.液壓伺服閥的選用伺服閥的控制精度高，響應(yīng)速度快，所以在航空，冶金，機(jī)械，船舶和化工等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。它常用于實現(xiàn)位置，速度，加速度和力的控制。伺服閥的選用應(yīng)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(jī)器的布局。（3）伺服閥的價格高，要考慮到用戶的承受能力。液壓伺服閥的選用(2/3)（4）伺服閥規(guī)格選擇與普通閥有些不同，一般按下列程序進(jìn)行：1）根據(jù)負(fù)載參數(shù)或負(fù)載軌跡求出最大負(fù)載功率。2）由最大負(fù)載功率時的力FLm（或轉(zhuǎn)矩FTm）計算負(fù)載壓力及執(zhí)行元件所需流量q。執(zhí)行元件為液壓缸時：

執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)時：

式中：Ap——缸承載腔的有效作用面積；

umax——最大功率時液壓缸速度；

V——馬達(dá)排量；

——

最大功率時角速度。液壓伺服閥的選用(3/3)3）計算供油壓力ps式中：

p——

閥到執(zhí)行元件的壓力損失。4）伺服閥的輸出流量qL

qL=（1.15～1.30）q

5）計算伺服閥的壓降pv

6）根據(jù)qL、pv從產(chǎn)品樣本中的壓降－負(fù)載流量曲線，找出合適的閥。把閥的額定流量選得大到能使壓力－流量特性曲線上對應(yīng)最大電流的那條曲線包住工作循環(huán)中負(fù)載流量和負(fù)載壓力的所有各點，并且確保pL

ps2/3，這就保證所有負(fù)載都在伺服閥的能力范圍。但為了滿足系統(tǒng)總的精度要求，閥不要到最大電流。7）根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行元件的頻率選擇伺服閥的頻寬，使之高于執(zhí)行元件－負(fù)載環(huán)節(jié)的頻寬。3.氣壓伺服閥在氣壓控制系統(tǒng)中，除了有用氣壓伺服閥控制的氣壓伺服系統(tǒng)外，還有用比例閥控制的氣壓比例控制系統(tǒng)，比例控制閥結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，維修方便，它是介于普通的開關(guān)式控制閥和伺服控制閥之間的控制元件。比例控制閥與伺服控制閥的區(qū)別并不明顯。一般認(rèn)為，比例控制閥消耗的電流大、響應(yīng)慢、精度低、價廉和抗污染能力強(qiáng)；而伺服閥則相反，但隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，比例閥有和伺服閥的差距會越來越小。另外，通常來講比例控制閥適用于開環(huán)控制，而伺服控制閥則適用于閉環(huán)控制。由于比例/伺服控制閥正處于不斷地開發(fā)和完善中，新類型較多。氣壓伺服閥(2/4)初期的氣壓伺服閥是仿照液壓噴嘴擋板型伺服閥加工而成的，不僅價格貴、且控制精度低，一直未能得到推廣與應(yīng)用。隨著微電子、材料、傳感器等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論和傳感器可很容易地被組合利用，價廉地實現(xiàn)伺服功能變?yōu)榭赡?。氣壓伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)的可能性重新得到認(rèn)識，新型氣壓伺服閥的開發(fā)和研究工作再度活躍起來。一般來講直動式氣壓伺服閥主要由力馬達(dá)、閥芯位移檢測傳感器、控制電路和主閥等構(gòu)成。閥心由力馬達(dá)直接驅(qū)動，其位移由傳感器檢測，形成閥心位移的局部負(fù)反饋，從而提高了響應(yīng)速度和控制精度其電源電壓為DC24V，輸入電壓為0~10V。氣壓伺服閥(3/4)圖10.15所示的是輸入電壓―輸出流量的特性曲線中，不同的輸入電壓對應(yīng)著不同的閥心開口面積和位置，也即不同的流量和流動方向。電壓為5V時，閥心處于中位；0～5V時，P口與A口相通；5～10V時，P口與B口相通。突然停電時，結(jié)構(gòu)上使閥心返回到中位，氣缸原位停止，提高了系統(tǒng)的安全性。該閥具有良好的靜、動態(tài)特性。氣壓伺服閥(4/4)這類伺服閥，在使用中可用微機(jī)作為控制器，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動?？墒褂脴?biāo)準(zhǔn)氣缸和位置傳感器來組成價廉的伺服控制系統(tǒng)。但對于控制性能要求較高的自動化設(shè)備，應(yīng)該使用廠家提供的伺服控制系統(tǒng)，如圖10.16所示。它包括有伺服閥、位置傳感器內(nèi)置氣缸、SPC型控制器。在圖中，目標(biāo)值以程序或模擬量的方式輸入給控制器，由控制器向伺服閥發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對氣缸的運動控制。氣缸的位移由位置傳感器檢測，并反饋到控制器?？刂破饕詺飧孜灰品答伭繛榛A(chǔ)，計算出速度、加速度反饋量。再根據(jù)運行條件（負(fù)載質(zhì)量、缸徑、行程及伺服閥尺寸等），自動計算出控制信號的最優(yōu)值，并作用于伺服閥，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂破髋c微機(jī)相連接后，使用廠家提供的系統(tǒng)管理軟件，可實現(xiàn)程序管理、條件設(shè)定、遠(yuǎn)距離操作、動特性分析等多項功能。控制器也可與可編程控器相連接，從而實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的順序動作、多軸運行等功能。氣壓伺服閥有多種規(guī)格。主要根據(jù)執(zhí)行元件所需的流量來確定閥的規(guī)格?！?0.4液壓伺服系統(tǒng)1.車床液壓仿形刀架車床液壓仿形刀架是機(jī)液伺服系統(tǒng)。結(jié)合圖10.17來說明它的工作原理和特點。車床液壓仿型刀架(2/3)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。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使杠桿8的觸銷11緊壓在樣板上。在車削圓柱面時，溜板5沿床身導(dǎo)軌4縱向移動。杠桿觸銷在樣板的圓柱段內(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。車削圓錐面時，觸銷沿樣件的圓錐段滑動，使杠桿向上偏擺，從而帶動閥芯上移，打開閥口，壓力油進(jìn)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。車床液壓仿型刀架(3/3)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、和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)。2.機(jī)械手伸縮運動伺服系統(tǒng)圖10.19是機(jī)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(jī)械手手臂3、齒輪齒條機(jī)構(gòu)4、電位器5、步進(jìn)電機(jī)6和放大器7等元件組成，是電液位置伺服系統(tǒng)。當(dāng)電位器的觸頭處在中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當(dāng)它偏離這個位置時，由于產(chǎn)生了偏差就會輸出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對電液伺服閥進(jìn)行控制。電位器觸頭由步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。齒條固定在機(jī)械手手臂上，電位器固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，電位器同齒輪一起轉(zhuǎn)動，形成負(fù)反饋。機(jī)械手伸縮運動伺服系統(tǒng)(2/3)機(jī)械手伸縮系統(tǒng)的工作原理如下：由數(shù)字控制裝置發(fā)出的一定數(shù)量的脈沖，使步進(jìn)電動機(jī)帶動電位器5的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度

i（假定為順時針轉(zhuǎn)動），動觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓u1，經(jīng)放大器7放大成u2后，輸入給電液伺服閥1的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時壓力油經(jīng)閥的開口進(jìn)入液壓缸的左腔，推動活塞連同機(jī)械手手臂一起向右移動，行程為xv；液壓缸右腔的回油經(jīng)伺服閥流回油箱。由于電位器的齒輪和機(jī)械手手臂上齒條相嚙合，手臂向右移動時，電位器跟著作順時針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電位器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則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數(shù)量，速度決定于脈沖頻率。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時，步進(jìn)電機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動，手臂縮回。機(jī)械手伸縮運動伺服系統(tǒng)(3/3)圖10.20為機(jī)械手手臂伸縮運動伺服系統(tǒng)方塊圖。3.鋼帶張力控制系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要求控制鋼帶的張力（例如在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理時），因此對薄帶材的連續(xù)生產(chǎn)提出了高精度恒張力控制要求。圖10.21給出了鋼帶張力控制液壓伺服系統(tǒng)的原理。鋼帶張力控制系統(tǒng)(2/3)在鋼帶張力控制液壓伺服系統(tǒng)中，熱處理爐內(nèi)的鋼帶張力由帶鋼牽引輥組2和帶鋼加載輥組8來確定。用直流電動機(jī)D作牽引，直流電動機(jī)D作為負(fù)載，以造成所需張力。如果用調(diào)節(jié)系統(tǒng)中某一部件的位置來控制張力，由于在系統(tǒng)中各部件慣量大，時間滯后大，控制精度低不能滿足要求，故在兩輥組之間設(shè)置一液壓伺服張力控制系統(tǒng)來控制精度。其工作原理是：在轉(zhuǎn)向輥左右兩側(cè)下方各設(shè)置力傳感器，把它作為檢測裝置，兩傳感器檢測所得到的信號的平均值與給定信號值相比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差信號時，信號經(jīng)電放大器放大后輸入給電液伺服閥。如果實際張力與給定值相等，則偏差信號為零，電液伺服閥沒有輸出，