液壓伺服系統(tǒng)概述

第11章液壓伺服系統(tǒng)概述液壓伺服控制技術(shù)是液壓技術(shù)中的一個(gè)分支，又是控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。一、液壓伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷史在第一次世界大戰(zhàn)前，液壓伺服系統(tǒng)作為海軍艦船的操舵裝置已開始應(yīng)用。在第二次世界大戰(zhàn)期間及以后，由于軍事需要，特別是武器和飛行器控制系統(tǒng)的需要，以及液壓伺服系統(tǒng)本身具有響應(yīng)快、精度高、功率一重量比大等優(yōu)點(diǎn)，液壓伺服系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，40年代開始了滑閥特性和液壓伺服理論的研究，1940年底，首先在飛機(jī)上出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)。但該系統(tǒng)中的滑閥由伺服電機(jī)驅(qū)動，只作為電液轉(zhuǎn)換器。由于伺服電機(jī)慣量大，使電液轉(zhuǎn)換器成為系統(tǒng)中耗時(shí)最大的環(huán)節(jié)，限制了電液伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。到50年代初，出現(xiàn)了快速響應(yīng)的永磁力矩馬達(dá)，形成了電液伺服閥的雛形。到50年代末，又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為第一級的電液伺服閥，進(jìn)一步提高了伺服閥的快速性。60年代，各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼出現(xiàn)，特別是干式力矩馬達(dá)的出現(xiàn)，使得電液伺服閥的性能日趨完善。由于電液伺服閥和電子技術(shù)的發(fā)展，使電液伺服系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。隨著加工能力的提高和液壓伺服閥工藝性的改善，使液壓伺服閥性能提高、價(jià)格降低。使液壓伺服系統(tǒng)由軍事向一般工業(yè)領(lǐng)域推廣。目前，液壓伺服控制系統(tǒng)，特別是電液伺服系統(tǒng)已成了武器自動化和工業(yè)自動化的一個(gè)重要方面。二、液壓伺服系統(tǒng)的工作原理液壓伺服控制系統(tǒng)是以液壓伺服閥和液壓執(zhí)行元件為主要元件組成的控制系統(tǒng)，是一種高精度的自動控制系統(tǒng)。1一滑閥2—液壓缸如圖所示，系統(tǒng)由滑閥1和液壓缸2組成，閥體與缸體固定，液壓泵以恒定的壓力1一滑閥2—液壓缸當(dāng)閥心處于中間時(shí)，閥口關(guān)閉，缸不動，系統(tǒng)靜止。當(dāng)閥心右移x，則a、b處有開口x「x,壓力油進(jìn)入缸右腔，左腔回油，缸體右移。由于缸體與閥體剛性固連，閥體也隨缸體一起右移，結(jié)果使閥的開口xv減小。當(dāng)缸體位移y等于閥心位移x時(shí)，缸不動。如果閥心不斷右移，缸拖動負(fù)載不停右移。如果閥心反向運(yùn)動，液壓缸也反向運(yùn)動。由上分析可知液壓伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)：跟蹤：系統(tǒng)輸出量能自動、快速、準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。放大：移動閥心力很小，液壓缸輸出力很大。反饋：把輸出量部分或全部按一定方式回送到輸入端，和輸入信號比較，這就是反饋。若反饋信號不斷抵消輸入信號作用，則稱為負(fù)反饋，負(fù)反饋是自動控制系統(tǒng)的主要特征。（本例中閥體與缸體剛性連接是負(fù)反饋，是一種機(jī)械反饋）偏差：輸入信號與反饋信號的差值稱為偏差。（圖中xx=x-y）只要有偏差x，系統(tǒng)便向減小偏差方向移動，直至消除偏差。 "V V綜上所述，液壓伺服控制系統(tǒng)的基本原理：利用反饋信號與輸入信號相比較得出偏差信號，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(shí)際輸出與希望值相等。換句話說，系統(tǒng)是這樣工作的，在輸入作用（閥芯位移x）的開始階段，輸出元件（液壓缸）還沒有運(yùn)動，輸入和輸出間有“差”，這個(gè)“差”使輸出元件運(yùn)動，運(yùn)動反過來使“差”減小，直至“差”為零（或接近于零）為止。

三、液壓伺服系統(tǒng)的組成和類型（一）液壓伺服系統(tǒng)的組成輸入元件：也稱指令元件，它將輸入信號加于系統(tǒng)輸入端。如閥心移動。檢測反饋元件：測量系統(tǒng)的輸出量，并轉(zhuǎn)換成反饋信號。如缸體與閥體機(jī)械連接。比較元件：將反饋信號與輸入信號進(jìn)行比較，給出偏差信號。如圖中伺服閥同時(shí)完成比較和放大兩種功能。放大轉(zhuǎn)換元件：將偏差放大并進(jìn)行能量形式轉(zhuǎn)換。上圖中伺服閥不需放大偏差信號，只使偏差轉(zhuǎn)換成液壓輸出量。執(zhí)行元件：產(chǎn)生調(diào)節(jié)動作加于控制對象上。與一般液壓系統(tǒng)相同，執(zhí)行元件可以是液壓缸或液壓馬達(dá)?？刂茖ο螅罕豢刂频臋C(jī)器設(shè)備，即負(fù)載。液壓伺服系統(tǒng)的組成如下所示：機(jī)液伺服系統(tǒng)：信號給定、反饋和比較環(huán)節(jié)均采用機(jī)械構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。電液伺服系統(tǒng)：誤差信號檢測、校正和初始放大均采用電氣元件實(shí)現(xiàn)。氣壓伺服系統(tǒng)：誤差信號檢測、校正和初始放大均采用氣動元件實(shí)現(xiàn)。按輸出物理量位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力伺服系統(tǒng)按控制元件閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)四、液壓伺服閥簡介液壓伺服閥是液壓伺服系統(tǒng)中的核心控制元件，下面簡介幾種常用液壓伺服閥?；y通常有單邊滑閥、雙邊滑閥和四邊滑閥。它們的作用相同，都起換向和節(jié)流作用。如圖示雙邊滑閥。壓力油一路直接進(jìn)入液壓缸有桿腔，使ps=p2，另一路經(jīng)滑閥左控制邊開口％和液壓缸無桿腔相通，，并經(jīng)滑閥右控制邊的開口七流回油箱，顯然，液壓缸無桿腔壓力pi<p2。當(dāng)pA=p2a2時(shí)，缸體受力平衡，靜止不動。當(dāng)滑閥閥心左移時(shí)，％減小，xv2增大，液壓缸無桿腔壓力P］減小，PiAi<P2A2，缸體也左移:反之，當(dāng)閥芯右移，

缸體也右移。噴嘴擋板閥如圖雙噴嘴式擋板閥。噴嘴與擋板間的間隙01和。2構(gòu)成兩個(gè)可變節(jié)流口，當(dāng)擋板處于中間位置時(shí)，01=02,液阻相等，p1=p2，液壓缸不動，壓力油經(jīng)小孔4和5,，縫隙01和02流回油箱。擋板左偏擺，01減小，02增大，P1上升，1p下降，液壓缸左移。因噴嘴和缸體連在一起，噴嘴左移，形成負(fù)反饋，當(dāng)噴嘴跟隨缸體移動到擋板兩邊對稱位置時(shí)，液壓缸停止運(yùn)動。擋板反向，液壓缸也反向。電液伺服閥圖示是一種典型的電液伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖。由力矩馬達(dá)、雙噴嘴擋扳閥、四邊滑閥組成。當(dāng)無電流信號輸入時(shí)，力矩馬達(dá)無輸出，與銜鐵5固定在一起的檔板9處于中位，主滑閥心處于中位。液壓油進(jìn)入主滑閥口，不能進(jìn)入A、B口，但經(jīng)固定節(jié)流孔10和13分別引到噴嘴8和7,經(jīng)噴射后流回油箱。由于檔板處于中位，液阻相等，噴嘴前的壓力P1、p2相等，主閥心處于中位。若線圈輸入電流，控制線圈中將產(chǎn)生磁通，使銜鐵產(chǎn)生磁力矩。當(dāng)磁力矩順時(shí)針時(shí)，銜鐵連同檔板一起繞彈簧管中的支點(diǎn)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，左噴嘴8間隙減小，右噴嘴7間隙增大，p1增大、p2減小，滑閥心右移，ps與B相通，A與T相通。在主閥心右移時(shí)，通過擋板下端彈簧桿11反饋?zhàn)饔檬箼n板逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，使左噴嘴8間隙增大，右噴嘴7間隙減小，于是壓力p1減小、p2增大。當(dāng)反饋彈簧桿上的液壓力、彈簧管反力矩與力馬達(dá)電磁力矩相等時(shí)，主閥芯穩(wěn)定在一定開口下工作。輸入電流越大，滑閥心位移越大。當(dāng)控制電流反向時(shí)，滑心左移，輸出液壓油也反向流動。圖 雙噴嘴擋板閥的工作原理1一擋板2、3—噴嘴4、5一固定節(jié)流孔圖 噴嘴擋板式電液伺服閥工作原理1圖 雙噴嘴擋板閥的工作原理1一擋板2、3—噴嘴4、5一固定節(jié)流孔圖 噴嘴擋板式電液伺服閥工作原理1一線圈2、3一導(dǎo)磁體4一永久磁鐵5—銜鐵6—彈簧管7、8—噴嘴9一擋板10,」3—固定節(jié)流孔11一反饋彈簧桿12—主滑閥液壓伺服控制系統(tǒng)在國防工業(yè)中，用于飛機(jī)的操縱系統(tǒng)、導(dǎo)彈的自動控制系統(tǒng)、火炮操縱系統(tǒng)、坦克火炮穩(wěn)定裝置、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)和艦艇的操舵裝置等。在民用工業(yè)中，用于仿形機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、電火花加工機(jī)床；船舶上的舵機(jī)操縱和消擺系統(tǒng)；冶煉方面的電爐電極自動升降恒功率控制系統(tǒng)；試驗(yàn)裝置方面的振動試驗(yàn)臺、材料試驗(yàn)機(jī)、輪胎試驗(yàn)機(jī)等；鍛壓設(shè)備中的擠壓機(jī)速度伺服、油壓機(jī)的位置同步伺服；軋制設(shè)備中的軋機(jī)液壓壓下、帶材連續(xù)生產(chǎn)機(jī)的跑偏控制、張力控制；燃?xì)廨啓C(jī)及水輪機(jī)轉(zhuǎn)速自調(diào)系統(tǒng)等。下面舉幾個(gè)典型例子說明：（一）車床液壓仿形裝置圖所示為臥式車床液壓仿形刀架簡圖。液壓仿形刀架的工作原理-杠桿6—液壓仿形刀架的工作原理-杠桿6—溜板7—導(dǎo)軌仿形刀架安裝在車床溜板6上面，工作時(shí)隨溜板作縱向移動。樣件I安裝在床身后側(cè)固定不動。液壓缸的活塞桿固定在刀架的底座上，液壓缸體、閥體和刀架8連成一體，可在刀架底座的導(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動。液壓缸有桿腔I與供油路相通，其壓力等于供油壓力?您。液壓缸無桿腔II經(jīng)滑閥開口xv1、xv2分別與供油路和回油路相通。假定液壓缸有桿腔有效作用面積為A，液壓缸無桿腔有效作用面積為2A。當(dāng)閥心處于中間位置時(shí)，xv1=xv2,pc=1/2ps，液壓缸處于相對平衡狀態(tài)?；y一端有彈簧3,經(jīng)桿4使杠桿5的觸頭2壓緊在樣件l上。車削圓柱面時(shí)，溜板沿床身導(dǎo)軌縱向移動，觸頭便沿樣件ab段水平滑動。這時(shí)閥心不動，液壓缸也不動，刀架跟隨溜板一起只作縱向移動，車刀9在工件10上車出AB段圓柱面。動。這時(shí)閥心不動，液壓缸也不動，車削圓錐面時(shí)，觸頭沿樣件bc段滑動，觸頭就繞支點(diǎn)0抬起，杠桿5帶動閥心上移，使開口xv1增大，xv2減小，液壓缸無桿腔壓力pc增大，推動缸體連同閥體和刀架沿軸線后退。閥體后退又使開口xv1減小，xv2增大，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。在溜板不斷地作縱向進(jìn)給的同時(shí)，樣件的臺肩不斷地將觸頭抬起，液壓缸體也就帶動車刀不斷地后退。這二種運(yùn)動的合成就便車刀車出BC段圓錐面。圖中采用的是正開口雙邊滑閥。這個(gè)控制閥既能控制液壓缸的運(yùn)動方向，又能控制缸的運(yùn)動速度，兼有方向閥和節(jié)流閥的功能。圖中液壓缸缸體和控制閥體連成一體，構(gòu)成負(fù)反饋。液壓缸完全跟隨閥芯運(yùn)動，或者說，閥芯控制著液壓缸的位置，是一個(gè)位置控制伺服系統(tǒng)。（二）機(jī)械手伸縮液壓伺服系統(tǒng)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。現(xiàn)僅以伸縮運(yùn)動伺服系統(tǒng)為例，介紹其工作原理，其它動作原理均相同。圖示系統(tǒng)主要由電放大器1、電液伺服閥2、液壓缸3、機(jī)械手手臂4、齒輪齒條機(jī)構(gòu)5、電位器6和步進(jìn)電動機(jī)7等元件組成。指令信號由步進(jìn)電動機(jī)發(fā)出。步進(jìn)電動機(jī)將數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，其輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比，輸出轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸與電位器的動觸頭連接。電位器輸出的微弱電壓經(jīng)放大器放大后，產(chǎn)生相應(yīng)的信號電流控制電液伺服閥，從而推動液壓缸產(chǎn)生相應(yīng)的位移。其位移又通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動。由于電位器固定在齒輪上，因此，最終又使觸頭回到中位，從而控制機(jī)械手的伸縮運(yùn)動。其工作過程如下：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)動，假定順時(shí)針轉(zhuǎn)過一定的角度。，這時(shí)，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(shí)，電液伺服閥處于左位，壓力油進(jìn)入液壓缸

左腔，推動活塞帶動機(jī)械手手臂右移，液壓缸右腔回油經(jīng)伺服閥流回油箱。此時(shí)，機(jī)械手手傳上的齒條帶動齒輪也作順時(shí)針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到。f=e時(shí)，動觸頭回到電位器中位，電位器輸出電壓為零，放大器輸出電流也為零，電液伺服閥回到零位，沒有流量輸出，手臂即停止運(yùn)動。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出反向脈沖時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，機(jī)械手手臂縮回。帶動轉(zhuǎn)向連桿6向逆時(shí)針方向擺動，使車輪向左偏轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)左圖轉(zhuǎn)向液壓助力器—活塞2—61體3—閥芯4—gff5—方向盤6—轉(zhuǎn)向連桿機(jī)肉帶動轉(zhuǎn)向連桿6向逆時(shí)針方向擺動，使車輪向左偏轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)左圖轉(zhuǎn)向液壓助力器—活塞2—61體3—閥芯4—gff5—方向盤6—轉(zhuǎn)向連桿機(jī)肉大型載重卡車廣泛采用液壓助力器，以減輕司機(jī)的體力勞動。這種液壓助力器是一種位置控制的液壓伺服機(jī)構(gòu)。圖示是轉(zhuǎn)向液壓助力器簡圖，它主要由液壓缸和控制滑閥兩部分組成。液壓缸活塞1的右端通過鉸銷固定在汽車底盤上，液壓缸缸體2和控制滑閥閥體連在一起形成負(fù)反饋，由方向盤5通過擺桿4控制滑閥閥芯3的移動。當(dāng)缸體2前后移動時(shí)，通過轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)6等控制車輪偏轉(zhuǎn)，從而操縱汽車轉(zhuǎn)向。當(dāng)閥芯3處于圖示位置時(shí)，各閥口均關(guān)閉，缸體2固定不動，汽車保持直線運(yùn)動。當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向盤，假設(shè)使閥芯3向右移動時(shí)，液壓缸中壓力pl減小,p2增大，缸體也向右移動，轉(zhuǎn)彎；反之，缸體若問左移就可實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎。實(shí)際操作上，駕駛員的方向盤的旋轉(zhuǎn)方向和汽車轉(zhuǎn)彎的方向上是相應(yīng)的。為使駕駛員在操縱萬向盤時(shí)能感覺到轉(zhuǎn)向的阻力，可以在控制滑閥端部增加兩個(gè)油腔，分別與液壓缸前后腔相通，這時(shí)移動控制閥閥芯時(shí)所需的力就和液壓缸的兩腔壓力差(△p=p1-p2)成正比，因而具有真實(shí)感.1—床鞍2—工作臺3,6—電液步進(jìn)鳥達(dá)4-M7J5—工伴數(shù)控機(jī)床液壓伺服系統(tǒng)1—床鞍2—工作臺3,6—電液步進(jìn)鳥達(dá)4-M7J5—工伴圖示是常見的開環(huán)數(shù)控機(jī)床液壓伺服系統(tǒng)簡圖。圖中元件3和6是電液步進(jìn)馬達(dá)，它是由步進(jìn)電動機(jī)和液壓扭矩放大器組合而成。步進(jìn)電動機(jī)也稱脈沖電動機(jī)，它能把數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)變成機(jī)械角位移。它每接收一個(gè)脈沖信號，輸出軸就轉(zhuǎn)一個(gè)角度(稱為步距角)。其輸出軸直接或通過齒輪與伺服閥芯連接，帶動閥芯旋轉(zhuǎn)。電子計(jì)算機(jī)根據(jù)程序指令發(fā)出一定頻率的脈沖信號給電液步迸馬達(dá)3、6,這兩個(gè)電液步進(jìn)馬達(dá)就配合轉(zhuǎn)動，通過各自的滾珠絲杠副帶動工作臺z和床鞍1同時(shí)運(yùn)動，這兩個(gè)運(yùn)動合成的結(jié)果，使銑刀4在工件5的表面上銑出所要求的外廓形狀來。六、主要優(yōu)缺點(diǎn)液壓伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)液壓伺服系統(tǒng)除具有液壓傳動所固有的一系列優(yōu)點(diǎn)外，如下優(yōu)點(diǎn)：承載能力大。電氣元件的力一質(zhì)量比小，優(yōu)質(zhì)電磁鐵每平方厘米能產(chǎn)生的最大力約為175N，而液壓缸的最大工作壓力達(dá)320X105N/m2。由此可見，同樣尺寸的液壓元件比電氣元件產(chǎn)生的力要大得多。響應(yīng)速度快。由于常溫常壓下，液壓油壓縮性很小，相當(dāng)于一個(gè)剛度很大的液壓彈簧，因此液壓固有頻率很高，從而使液壓執(zhí)行元件的響應(yīng)速度快，能高速起動、制動與反向。與液壓系統(tǒng)具有相同壓力和負(fù)載的氣動系統(tǒng)，其響應(yīng)速度只有液壓系統(tǒng)的1/50。一般來說，電氣系統(tǒng)的響應(yīng)速度也不如液壓系統(tǒng)。控制精度高。因?yàn)橐簤簣?zhí)行元件的液壓彈簧剛度很大，而泄漏又很小，故速度剛度和位置剛度都很大。綜上所述，液壓伺服控制系統(tǒng)體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、控制精度高。除此而外，還有一些優(yōu)點(diǎn)