第九章 液壓伺服系統(tǒng)

1、第九章 液壓伺服系統(tǒng)第一節(jié) 概述 伺服系統(tǒng)又稱隨機(jī)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入信號的變化規(guī)律動作。液壓伺服系統(tǒng)是以液壓為動力的自動控制系統(tǒng)，由液壓控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)所組成。 一、液壓伺服系統(tǒng)的工作原理 圖9-1為一簡單的機(jī)液位置伺服系統(tǒng)的原理圖。當(dāng)伺服滑閥處于中間位置（xv0）時，各閥口均關(guān)閉，閥沒有流量輸出，液壓缸不動，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。給伺服滑閥閥芯一個輸入位移xi，閥口a、b便有一個相應(yīng)的開口量xv，使壓力油經(jīng)閥口b進(jìn)入液壓缸的右腔，其左腔油液經(jīng)閥口a回油池，液壓缸在液壓力的作用下右移x0，由于滑閥閥體與液壓缸體固連在一起，因而閥體也

2、右移x0，則閥口a、b的開口量減?。▁vxix0），直到x0xi時，xv0，閥口關(guān)閉，液壓缸停止運(yùn)動，從而完成液壓缸輸出位移對伺服滑閥輸入位移的跟隨運(yùn)動。若伺服滑閥反向運(yùn)動，液壓缸也作反向跟隨運(yùn)動。由上可知，只要給伺服滑閥以某一規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就自動地、準(zhǔn)確地跟隨滑閥按照這個規(guī)律運(yùn)動。 圖9-1機(jī)液位置伺服系統(tǒng)原理圖 1溢流閥 2泵 3閥芯 4閥體（缸體） 由此可以看出，液壓伺服系統(tǒng)有如下特點：1跟蹤 系統(tǒng)的輸出量能夠自動地、快速而準(zhǔn)確地跟蹤輸入量的變化規(guī)律。2放大 移動閥芯所需的力很小，只需要幾牛頓到幾十牛頓，但液壓缸輸出的力卻很大，可達(dá)數(shù)千到數(shù)萬牛頓。功率放大所需要的能量

3、是由液壓泵供給的。3反饋 把輸出量的一部分或全部按一定方式回送到輸入端，和輸入信號作比較，這就是反饋。回送的信號稱為反饋信號。若反饋信號不斷地抵消輸入信號的作用，則稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋是自動控制系統(tǒng)具有的主要特征。圖91中的負(fù)反饋是通過閥體和缸體的剛性連接來實現(xiàn)的，液壓缸的輸出位移y連續(xù)不斷地回送到閥體上，與閥芯的輸入位移x相比較，其結(jié)果使閥的開口減小。此例中的反饋是一種機(jī)械反饋。反饋還可以是電氣的、氣動的、液壓的或是它們的組合形式。4偏差 輸入信號與反饋信號的差值稱為偏差。圖91中的偏差就是滑閥的開口量xv，xvxy。只要有xv存在，液壓缸就運(yùn)動，直至缸體的輸出位移與閥芯的輸入位移一致為止。此

4、時，yx，xv0。綜上所述，液壓伺服控制的基本原理是：利用反饋信號與輸入信號相比較得到偏差信號，該偏差信號控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，直至偏差等于零或足夠小，從而使系統(tǒng)的實際輸出與希望值相符。二、液壓伺服系統(tǒng)的分類 1按輸出的物理量分類：位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力（或壓力）伺服系統(tǒng)等。2按控制信號分類：機(jī)液伺服系統(tǒng)，電液伺服系統(tǒng)，氣液伺服系統(tǒng)。3按控制元件分類：閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩大類。在機(jī)械設(shè)備中以閥控系統(tǒng)應(yīng)用較多。液壓伺服系統(tǒng)除具有液壓傳動所固有的一系列優(yōu)點外，還具有承載能力大、控制精度高、響應(yīng)速度塊、自動化程度高、體積小，重量輕等優(yōu)點。但是，液壓伺服元

5、件加工精度高，價格較貴；對油液的污染較敏感，可靠性受到影響；在小功率系統(tǒng)中，液壓伺服控制不如電子線路控制靈活。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓伺服系統(tǒng)的缺點將不斷得到克服。在自動化技術(shù)領(lǐng)域，液壓伺服控制有著廣泛的應(yīng)用前景。第二節(jié) 液壓伺服系統(tǒng)的基本形式 一、閥控缸式液壓伺服系統(tǒng) 1滑閥式液壓伺服系統(tǒng) 這種伺服系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和工作原理前面已介紹（如圖91）。根據(jù)滑閥上的控制邊數(shù)（即起作用的閥口數(shù)）的不同，這種系統(tǒng)又分為單邊滑閥控制式、雙邊滑閥控制式和四邊滑閥控制式三種，見圖9-3（圖中未畫出反饋聯(lián)系）。圖9-3a為單邊滑閥控制式系統(tǒng)，它有一個控制邊。當(dāng)控制邊的開口量xs改變時，進(jìn)入液壓缸的油液壓力和流量

6、都發(fā)生變化（受到控制），從而改變了液壓缸運(yùn)動的速度和方向。圖9-3b為雙邊滑閥控制式系統(tǒng)，它有兩個控制邊。壓力油一路進(jìn)入液壓缸左腔，另一路則一部分經(jīng)滑閥控制邊xs1的開口進(jìn)入液壓缸右腔，一部分經(jīng)控制邊xs2的開口流回油箱。當(dāng)滑閥移動時，xs1和xs2此增彼減，使液壓缸右腔回油阻力發(fā)生變化（受到控制），因而改變了液壓缸的運(yùn)動速度和方向。圖9-3c為四邊滑閥控制式系統(tǒng)，它有四個控制邊。Xs1和xs2是控制壓力油進(jìn)入液壓缸左、右油腔的，xs3和xs4是控制左、右油腔通向油箱的。當(dāng)滑閥移動時，xs1和xs3、xs2和xs4兩兩此增彼減，使進(jìn)入左、右腔的油液壓力和流量發(fā)生變化（受到控制），從而控制了液壓

7、缸的運(yùn)動速度和方向。由上可知，單邊、雙邊和四邊滑閥的控制作用是相同的，均起到換向和節(jié)流作用?？刂七厰?shù)越多，控制質(zhì)量越好，制造困難。通常情況下，四邊滑閥多用于精度要求較高的系統(tǒng)；單邊、雙邊滑閥用于一般精度系統(tǒng)。滑閥在初始平衡的狀態(tài)下，閥的開口有負(fù)開口（xs<0）、零開口（xs=0）和正開口（xs>0）三種形式，如圖9-4所示。具有零開口的滑閥，其工作精度最高；負(fù)開口有較大的不靈敏區(qū)，較少采用；具有正開口的滑閥，工作精度較負(fù)開口高，但功率損耗大，穩(wěn)定性也較差。2射流管式液壓伺服系統(tǒng) 這種伺服系統(tǒng)的工作原理如圖9-5所示。在這種伺服系統(tǒng)中，液壓缸的運(yùn)動方向取決于輸入信號的方向，運(yùn)動速度取

8、決于輸入信號的大小。射流管式伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，元件加工精度低；射流管出口處面積大，抗污染能力強(qiáng)，能在惡劣的工作條件下工作；射流管上沒有不平衡的徑向力，不會產(chǎn)生“卡緊”現(xiàn)象。它的缺點是：射流管運(yùn)動部分的慣量較大，工作性能較差；射流管能量損失大，即使在零位處無功耗損亦大，效率較低；當(dāng)供油壓力高時容易引起振動；此外，沿射流管軸線有較大的軸向力。因此，這種伺服系統(tǒng)只適用于低壓和功率較小的場合，例如某些液壓仿形機(jī)床的伺服系統(tǒng)。二、閥控馬達(dá)式液壓系統(tǒng) 這種伺服系統(tǒng)的工作原理如圖96所示。由此可見，液壓馬達(dá)是跟隨控制閥芯運(yùn)動的，前者運(yùn)動速度的大小和方向由后者來決定。在這種液壓伺服系統(tǒng)中，用較小的轉(zhuǎn)

9、矩控制閥芯，就可以使液壓馬達(dá)輸出很大的轉(zhuǎn)矩，從而起到放大轉(zhuǎn)矩的作用，因此也把它稱為液壓轉(zhuǎn)矩放大器。它常用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。 三、噴嘴擋板閥 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97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等元件構(gòu)成。擋板和兩個噴嘴之間形成兩個可變截面的節(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)的油液壓力則相等，即p1p2，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轉(zhuǎn)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。由于負(fù)反饋的作用

10、，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(yùn)動。 噴嘴擋板閥的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，運(yùn)動部件慣性小，反應(yīng)快，精度和靈敏度高；缺點是無功損耗大，抗污染能力較差。噴嘴擋板閥常用作多級放大伺服控制元件中的前置級。 第三節(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，它按照微小功率的電輸入信號，為系統(tǒng)液壓執(zhí)行元件提供相應(yīng)的、具有強(qiáng)大功率的液壓信號（流量、壓力），使執(zhí)行元件跟隨輸入信號而動作。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，已廣泛應(yīng)用于電液位置、速度、加速度、力伺服系統(tǒng)中。 電液伺服閥工作原理見圖9-8，它由力矩馬達(dá)、噴嘴擋板式液壓前置放大級和四

11、邊滑閥功率放大級等三部分組成，下面分別介紹。一、力矩馬達(dá) 力矩馬達(dá)把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為力矩輸出。銜鐵的轉(zhuǎn)角與輸入電流的大小成正比。電流越大，銜鐵偏轉(zhuǎn)的角度也越大。電流反向輸入時，銜鐵也反向偏轉(zhuǎn)。 二、前置放大級 力矩馬達(dá)產(chǎn)生的力矩很小，不能直接用來驅(qū)動四邊控制滑閥，必須先進(jìn)行放大。 三、功率放大級 功率放大級由滑閥9和閥體10組成。其作用是將前置放大級輸入的滑閥位移信號進(jìn)一步放大，實現(xiàn)控制功率的轉(zhuǎn)換和放大。 由上述分析可知，滑閥閥芯的位置是由反饋桿組的件彈性變形力反饋到銜鐵上與電磁力平衡而決定的，所以也稱此閥為力反饋式電液伺服閥，其工作原理可用圖99來表示。  圖9-9力反饋式電液伺

12、服閥方框圖 第四節(jié)液壓伺服系統(tǒng)應(yīng)用舉例 機(jī)械手應(yīng)能按要求完成一系列動作，包括伸縮、回轉(zhuǎn)、升降、手腕動作等?，F(xiàn)以其伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)為例來說明電液伺服系統(tǒng)的應(yīng)用。 圖910所示為機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動的電液伺服系統(tǒng)原理圖。其具體工作過程如下： 數(shù)控裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，步進(jìn)電機(jī)帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)動。假設(shè)此時順時針轉(zhuǎn)過一定的角度，這是電位器輸出電壓為u，經(jīng)放大器放大后輸出電流i，使電液伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時，電液伺服閥處于左位，壓力油進(jìn)入液壓缸左腔，活塞桿右移，帶動機(jī)械手手臂右移，液壓缸右腔的油液經(jīng)電液伺服閥返回油箱。此時，機(jī)械手手臂上的齒條帶動齒輪也順時針移動，當(dāng)其轉(zhuǎn)動角度時，動觸頭回到電位器的中位，電位器輸出電壓為零，相應(yīng)放大器輸出電流為零，電液伺服閥回到中位，液壓油路被封鎖，手臂即停止運(yùn)動。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出反向脈沖時，步進(jìn)電動機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動，機(jī)械手手臂縮回。  圖910機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動電液伺服系統(tǒng)原理圖 1電放大器 2電液伺服閥 3液壓缸 4機(jī)械手手臂 5齒輪齒條機(jī)構(gòu) 6電位器 7步進(jìn)電機(jī) 其工作原理可由圖911所示的方框圖來表示。  圖911機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)方框圖本章小結(jié) 1液壓伺服系統(tǒng)