高等機(jī)械工程學(xué)課件 【ch05】機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)

高等機(jī)械工程學(xué)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)第五章普通高等教育機(jī)械類系列教材5.1計(jì)算機(jī)控制技術(shù)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制是以控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一門工程科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及工程技術(shù)人員對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷總結(jié)和創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)理論和方法不斷得以完善和發(fā)展，并成為從事自動(dòng)化技術(shù)工作的科技人員必須掌握的一門專業(yè)技術(shù)。計(jì)算機(jī)

D/A轉(zhuǎn)換器e(k2)

數(shù)字控制器

2(kD!,

D/A

u(4)、保持器

()

|

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

被控對(duì)象

采樣開關(guān)yi(0

A/D

轉(zhuǎn)換器r(kT)

y(kT)測(cè)量變送環(huán)節(jié)y(1)A/D圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.穩(wěn)定性任何系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下都會(huì)偏離原來(lái)的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是指當(dāng)擾動(dòng)作用消失以后，系統(tǒng)恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力。2.穩(wěn)態(tài)指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)是衡量系統(tǒng)精度的指標(biāo)，用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表征。3.動(dòng)態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀地反映系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性4.綜合性能指標(biāo)在設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)時(shí)，既要考慮到能對(duì)系統(tǒng)的性能做出正確的評(píng)價(jià)，又要考慮到數(shù)學(xué)上容易處理或工程上便于實(shí)現(xiàn)，因此經(jīng)常使用綜合性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換分析計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理的是數(shù)字信號(hào)，而實(shí)際系統(tǒng)大部分是連續(xù)控制系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)中的給定量、反饋量及被控對(duì)象都是連續(xù)型的時(shí)間函數(shù)，把計(jì)算機(jī)引入連續(xù)控制系統(tǒng)，就造成了信息表示形式與運(yùn)算形式的不同，為了分析與設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，要對(duì)兩種信息進(jìn)行變換。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)圖5-2所示為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖。(1)模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)，幅值上也連續(xù)的信號(hào)，即通常所說(shuō)的連續(xù)信號(hào)。(2)離散模擬信號(hào)：時(shí)間上離散，幅值上連續(xù)的信號(hào)，即常說(shuō)的采樣信號(hào)。(3)數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，幅值上也離散的信號(hào)，可用一個(gè)序列數(shù)字表示。(4)量化：采用一組數(shù)碼(多用二進(jìn)制數(shù)碼)來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(5)采樣：利用采樣開關(guān)將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)。圖5-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)經(jīng)采樣開關(guān)后，變成了采樣信號(hào)，即離散模擬信號(hào)，采樣信號(hào)再經(jīng)過(guò)量化過(guò)程才變成數(shù)字信號(hào)，如圖所示。算機(jī)控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)作為信息處理裝置，其輸出一般有兩種形式：一種是直接數(shù)字量輸出形式，即直接以數(shù)字量形式輸出，如開關(guān)控制、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制等；另一種需要將數(shù)字信號(hào)u(kT)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)u(t),用輸出信號(hào)去控制被控對(duì)象。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)4.z變換是由拉普拉斯變換引出的，是拉普拉斯變換的特殊形式，它在離散系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用.5.離散時(shí)間系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱離散系統(tǒng))是輸入和輸出信號(hào)均為離散信號(hào)的物理系統(tǒng)。在數(shù)學(xué)上，離散系統(tǒng)可以抽象為一種系統(tǒng)的離散輸入信號(hào)和離散輸出信號(hào)之間的數(shù)學(xué)變換函數(shù)或映射。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)6.脈沖傳遞函數(shù)線性連續(xù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要用傳遞函數(shù)來(lái)描述，線性離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要用脈沖傳遞函數(shù)來(lái)描述。脈沖傳遞函數(shù)也稱為z傳遞函數(shù)。1)脈沖傳遞函數(shù)的定義在線性離散系統(tǒng)中，在零初始條件下，一個(gè)系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))輸出脈沖序列的z變換與輸入脈沖序列的z變換之比，被定義為該系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的脈沖傳遞函數(shù)。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1計(jì)算機(jī)控制的理論基礎(chǔ)2)由差分方程求脈沖傳遞函數(shù)W(z)設(shè)線性離散系統(tǒng)用下列差分方程來(lái)描述：y(k)+q?y(k-1)+a?y(k-2)+…+a,y(k-n)=bx(k)+bx(k-1)+…+bmx(k-m)(5-15)在零初始條件下，對(duì)式(5-15)等號(hào)兩邊取z變換可得該離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為3)離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)首先要考慮的問(wèn)題。分析穩(wěn)定性的基礎(chǔ)是z變換，由于z變換與連續(xù)系統(tǒng)的s變換在數(shù)學(xué)上的內(nèi)在聯(lián)系，我們有可能經(jīng)過(guò)一定的變換把分析連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法引入離散系統(tǒng)的分析中。連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件是閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的全部極點(diǎn)位于s平面的左半平面內(nèi)。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)1.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟如圖所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，G(s)是被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器的傳遞函數(shù)，D(z)是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)問(wèn)題是，根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)和G(s)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z)。2.數(shù)字PID控制器根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制(簡(jiǎn)稱PID控制),是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)考慮信號(hào)采樣的影響，從被控對(duì)象的實(shí)際特性出發(fā)，直接根據(jù)采樣控制理論進(jìn)行分析和綜合，在z平面上設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，最后通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。這種方法稱為數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)方法，也稱為數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)法。機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)5.1數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)最少拍無(wú)紋波控制器的設(shè)計(jì)按最少拍有紋波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器，其系統(tǒng)的輸出值跟蹤輸入值后，在非采樣點(diǎn)有紋波存在。2設(shè)計(jì)最少拍無(wú)紋波控制器的必要條件最少拍無(wú)紋波控制器要求系統(tǒng)的輸出信號(hào)在采樣點(diǎn)之間不出現(xiàn)紋波，這樣被控對(duì)象G。(s)必須有能力給出與系統(tǒng)輸入r(t)相同且平滑的輸出y(t)。最少拍控制數(shù)字隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出值盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制就是滿足這一要求的一種離散化設(shè)計(jì)方法。15.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2有源電氣元件的建模理想運(yùn)算放大器性質(zhì)(1)正極和負(fù)極之間的壓差為0,即e1=e?,通常叫作“虛地”或“虛短”。(2)流入正極和負(fù)極的電流為0,即輸入阻抗無(wú)限大。(3)輸出阻抗為0,即輸出被視為理想電壓源。(4)輸入、輸出關(guān)系為e=A(e1-e),其中增益A接近無(wú)窮大。圖5-13運(yùn)算放大器原理圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2有源電氣元件的建模圖5-14反相運(yùn)算放大器的配置反相運(yùn)算放大器的配置如圖5-14所示。其中，Z?(s)和Z?(s)通常由電容或電阻組成，受體積和成本限制，電感在此類電路中并不常用。根據(jù)理想運(yùn)算放大器的性質(zhì)，如圖5-14所示的電路的輸入、輸出關(guān)系或傳遞函數(shù)可以表示為自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感器和編碼器傳感器和編碼器是反饋控制系統(tǒng)的重要組成部分。1.電位計(jì)電位計(jì)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)電換能裝置。電位計(jì)的輸入為機(jī)械位移(線性移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)),當(dāng)在電位器的固定端子上施加輸入電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓(可變端子和地之間)與輸入位移呈一定線性或非線性的關(guān)系。2.轉(zhuǎn)速計(jì)轉(zhuǎn)速計(jì)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的機(jī)電裝置。該裝置主要用作電壓發(fā)生器，其輸出電壓與輸入軸的角速度大小成正比。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，所使用的大部分轉(zhuǎn)速計(jì)均為直流變頻器，即輸出電壓是直流電壓。自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感器和編碼器傳感器和編碼器是反饋控制系統(tǒng)的重要組成部分。3.增量編碼器增量編碼器在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中十分常用，它的功能是將線性或旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼或脈沖信號(hào)。絕對(duì)編碼器的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)最小精度，絕對(duì)編碼器將每個(gè)確定的位移轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字編碼輸出。典型的旋轉(zhuǎn)增量編碼器有四個(gè)基本部分；光源、旋轉(zhuǎn)碼盤、固定碼盤和光電傳感器。自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動(dòng)控制系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)可視為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與磁通量和電樞電流成正比。如圖5-23所示，在磁通量為φ的磁場(chǎng)中，有一個(gè)帶電導(dǎo)體，其以半徑r繞中心旋轉(zhuǎn)，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，與磁通量φ、電流i的關(guān)系為Tm=Kmdi?式中，π為直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩(單位為N·m);φ為磁通量(單位為Wb);i為電樞電流(單位為A);Km為比例常數(shù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2自動(dòng)控制系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)永磁直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖5-24所示為永磁直流電動(dòng)機(jī)的等價(jià)電路圖。電樞可等價(jià)于電感L和電阻R的串聯(lián)電路，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞中的反向電動(dòng)勢(shì)用電壓源e來(lái)表示。永磁直流電動(dòng)機(jī)的各個(gè)變量和參數(shù)定義如下。i(t)=電樞電流；L=電樞感應(yīng)系數(shù)；R?(t)=電樞電阻；e(1)=外加電壓；e(t)=反向電動(dòng)勢(shì)；K,=反向電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；T()=載荷力矩；φ=磁通量；Tm(t)=電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；m(t)=旋轉(zhuǎn)角速度；θm(t)=旋轉(zhuǎn)位移；Jm=旋轉(zhuǎn)慣量；K?=轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Bm=黏性摩擦系數(shù)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動(dòng)機(jī)的速度控制及位置控制伺服機(jī)構(gòu)是最為常見的機(jī)電控制系統(tǒng)之一，一些典型的應(yīng)用包括機(jī)器人(機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都需要位置伺服機(jī)構(gòu))、數(shù)字控制器和激光打印機(jī)等。這些系統(tǒng)的共同特征是被控變量(通常是位置和速度變量)被反饋回來(lái)以修正指令信號(hào)。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功的控制器的關(guān)鍵因素之一就是獲得系統(tǒng)組成元件(特別是執(zhí)行器)的精確模型。在前面的章節(jié)中我們討論了各種與直流電動(dòng)機(jī)建模相關(guān)的問(wèn)題，本節(jié)將研究直流電動(dòng)機(jī)的速度控制及位置控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動(dòng)機(jī)的速度控制及位置控制速度響應(yīng)、自感效應(yīng)和擾動(dòng)：開環(huán)響應(yīng)圖5-26所示為電樞控制直流電動(dòng)機(jī)。在這個(gè)系統(tǒng)中，將場(chǎng)電流視為常量，傳感器為轉(zhuǎn)速計(jì)，用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)軸速度。根據(jù)具體的應(yīng)用，如位置控制系統(tǒng)，電位計(jì)或編碼器也可作為傳感器。圖5-26電樞控制直流電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動(dòng)機(jī)的速度控制及位置控制2.直流電動(dòng)機(jī)的速度控制：閉環(huán)響應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)的輸出速度在很大程度上依賴于轉(zhuǎn)矩π,因此可以通過(guò)比例反饋控制器來(lái)改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制性能。該控制器由一個(gè)測(cè)量速度的傳感器(通常用轉(zhuǎn)速計(jì))和增益為K的功率放大器(比例控制)構(gòu)成，其配置如圖5-29所示。直流電動(dòng)機(jī)的速度控制框圖如圖5-30所示。圖5-29直流電動(dòng)機(jī)的反饋控制圖5-30直流電動(dòng)機(jī)的速度控制框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成5.2直流電動(dòng)機(jī)的速度控制及位置控制3.位置控制在開環(huán)情況下，對(duì)速度響應(yīng)進(jìn)行積分可以獲得位置響應(yīng)，故開環(huán)傳遞函數(shù)為式中，J=J?/n2+Jm,為總慣量。對(duì)于足夠小的L,時(shí)間響應(yīng)為圖5-31閉環(huán)系統(tǒng)的控制框圖5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述1.伺服系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)圖5-32所示為液壓進(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(yùn)動(dòng)。當(dāng)負(fù)載、油溫等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，這種回路將無(wú)法保證原有的運(yùn)動(dòng)速度，因此其速度精度較低且不能滿足精確地連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)速要求。1—液壓泵；2一溢流閥；3—節(jié)流閥；4一換向閥；5—液壓缸。圖5-32液壓進(jìn)口節(jié)流閥式節(jié)流調(diào)速回路液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述2.伺服系統(tǒng)的職能框圖和組成環(huán)節(jié)圖5-35所示為速度伺服系統(tǒng)的職能框圖。其中，一個(gè)方框表示一個(gè)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(hào)的傳遞方向。圖5-35速度伺服系統(tǒng)的職能框圖由圖5-36可以看出，上述速度伺服系統(tǒng)是由輸入元件、比較元件、放大及轉(zhuǎn)換元件、執(zhí)行元件、檢測(cè)及反饋元件和控制對(duì)象組成的。實(shí)際上，任何一個(gè)伺服系統(tǒng)都是由這些元件組成的。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述3.伺服系統(tǒng)的分類與優(yōu)缺點(diǎn)1)伺服系統(tǒng)的分類(1)按輸入信號(hào)變化規(guī)律伺服系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)三類。(2)按輸入信號(hào)介質(zhì)伺服系統(tǒng)可分為機(jī)液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、氣液伺服系統(tǒng)等。(3)按輸出物理量伺服系統(tǒng)可分為位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力(或壓力)伺服系統(tǒng)等。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3液壓與氣壓伺服系統(tǒng)概述3.伺服系統(tǒng)的分類與優(yōu)缺點(diǎn)2)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)液壓和氣壓伺服系統(tǒng)除具有液壓和氣壓傳動(dòng)所固有的一系列優(yōu)點(diǎn)以外，還具有控制精度高、響應(yīng)速度快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件力矩馬達(dá)和力馬達(dá)力矩馬達(dá)是一種具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器，力馬達(dá)是一種具有直線運(yùn)動(dòng)功能的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器。它們?cè)陂y中的作用是將電控信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角(力矩馬達(dá))或直線位移(力馬達(dá)),用來(lái)作為液壓放大器的輸入信號(hào)。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件滑閥根據(jù)滑閥控制邊數(shù)(起控制作用的閥口數(shù))的不同，滑閥有單邊控制滑閥、雙邊控制滑閥和四邊控制滑閥三種類型。圖5-39單邊控制滑閥的工作原理圖5-40雙邊控制滑閥的工作原理圖5-41四邊控制滑閥的工作原理液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件滑閥單邊、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?？刂七厰?shù)越多，控制質(zhì)量越好，但結(jié)構(gòu)工藝性越差。在通常情況下，四邊控制滑閥多用于對(duì)精度要求較高的系統(tǒng)；單邊、雙邊控制滑閥多用于一般精度要求系統(tǒng)。四邊控制滑閥在初始平衡狀態(tài)下的開口有三種形式，即負(fù)開口(x?<0)、零開口(x=0)和正開口(x>0)。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3典型的伺服控制元件射流管閥射流管閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏、工作可靠。它的缺點(diǎn)是射流管運(yùn)動(dòng)部件慣性較大、工作性能較差；射流能量損耗大、效率較低；當(dāng)供油壓力過(guò)高時(shí)易引起振動(dòng)。射流管閥控制只適用于低壓、小功率場(chǎng)合。圖5-43射流管閥的工作原理液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3伺服閥液控伺服閥是電液或電氣聯(lián)合控制的多級(jí)伺服控制元件，它能將微弱的電氣輸入信號(hào)放大成大功率的液壓或氣壓能量輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和壓力的控制。它接收一種模擬量電控信號(hào)，輸出隨電控信號(hào)的大小及極性變化而變化的液壓模擬量。液控伺服閥具有控制精度高和放大倍數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，在液壓與氣壓控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3伺服閥液控伺服閥的分類、組成、結(jié)構(gòu)和工作原理1)液控伺服閥的分類2)液控伺服閥的組成液控伺服閥通常由電一機(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)三大部分組成。2)液控伺服閥的組成液控伺服閥通常由電一機(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)三大部分組成。液壓與氣壓伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)5.3伺服閥2.液控伺服閥的選用液控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)部門得到了廣泛的應(yīng)用。它常用于實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度和力的控制。3.氣壓伺服閥氣壓控制系統(tǒng)除有用氣壓伺服閥控制的氣壓伺服系統(tǒng)以外，還有用比例閥控制的氣壓比例控制系統(tǒng)，比例閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維修方便，是介于普通的開關(guān)式控制閥和氣壓伺服閥之間的控制元件。5.4典型的伺服系統(tǒng)典型的伺服系統(tǒng)5.4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)。刀架傾斜地安裝在溜板上，工作時(shí)隨溜板縱向移動(dòng)。樣板安裝在機(jī)床身后側(cè)支架上固定不動(dòng)。液壓泵置于車床附近。液壓缸的活塞桿固定在刀架的底座上，缸體、閥體和刀架連成一體，可在刀架底座的導(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動(dòng)。滑閥閥芯在彈簧的作用下通過(guò)支桿使杠桿的觸銷緊壓在樣板上。圖5-52車床液壓仿形刀架的原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)2.機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)一般機(jī)械手的伸縮、回轉(zhuǎn)、升降和手腕的動(dòng)作，都是由液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，其工作原理相同。該系統(tǒng)主要由電液伺服閥、液壓缸、由活塞桿帶動(dòng)的機(jī)械手手臂、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、電位器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和放大器組成，是電液位置伺服系統(tǒng)。圖5-54機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)3.帶鋼液壓張力伺服系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常要求控制帶鋼的張力(如在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理時(shí)),因此對(duì)薄帶材的連續(xù)生產(chǎn)提出了高精度、恒張力控制要求。圖5-56帶鋼液壓張力伺服系統(tǒng)原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4液壓伺服系統(tǒng)4.電液速度伺服系統(tǒng)在帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常要求控制帶鋼的張力(如在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理時(shí)),因此對(duì)薄帶材的連續(xù)生產(chǎn)提出了高精度、恒張力控制要求。圖5-58電液速度伺服系統(tǒng)原理圖典型的伺服系統(tǒng)5.4氣壓伺服系統(tǒng)力控制伺服系統(tǒng)壓比例/伺服系統(tǒng)非常適用于汽車部件、橡膠制品、軸承及鍵盤等產(chǎn)品的中、小型疲勞試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)主要由被試件(方向盤)、負(fù)載傳感器、氣缸、位移傳感器、伺服閥等組成。要求向被試件(方向盤)的軸向、徑向和螺旋方向單獨(dú)或復(fù)合(兩軸同時(shí))地施加呈正弦波變化的負(fù)載，然后檢測(cè)其壽命。典型的伺服系統(tǒng)5.4氣壓伺服系統(tǒng)張力控制伺服系統(tǒng)在印刷、紡織、造紙等許多工業(yè)領(lǐng)域中，張力控制是不可缺少的工藝手段。帶材或板材(如紙張、膠片、電線、金屬薄板等)的卷繞機(jī)，在卷繞過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，都要求卷筒張力保持一定。氣壓制動(dòng)器因?yàn)榫哂袃r(jià)廉、維修簡(jiǎn)單、制動(dòng)力矩范圍變更方便等特點(diǎn)，所以在各種卷繞機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。典型的伺服系統(tǒng)5.4氣壓伺服系統(tǒng)加壓控制伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由比例壓力閥、氣缸、夾具、磨石和減壓閥等組成，其中減壓閥的作用是向氣缸有桿腔加恒壓，以平衡活塞桿和夾具機(jī)構(gòu)的自重。圖5-62磨床中的加壓控制伺服系統(tǒng)45.5機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動(dòng)器機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動(dòng)器5.5磁盤可以方便、有效地存儲(chǔ)信息。磁盤驅(qū)動(dòng)器采用ANSI標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于從便攜式計(jì)算機(jī)到大型計(jì)算機(jī)等各類計(jì)算機(jī)中。全球磁盤驅(qū)動(dòng)器的市場(chǎng)需求量超過(guò)5.5億套，磁盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)師以往關(guān)注的焦點(diǎn)是存儲(chǔ)容量和讀取速度。近年來(lái)的變化趨勢(shì)表明，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的增長(zhǎng)速度達(dá)到了大約每年40%。圖5-63所示為磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5-63磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)案例——磁盤驅(qū)動(dòng)器5.5磁盤驅(qū)動(dòng)器讀取裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是準(zhǔn)確定位磁頭，以便正確讀取磁盤磁道上的信息。需要實(shí)施精確控制的受控變量是磁頭(安裝在一個(gè)滑動(dòng)簧片上)的位置。磁盤的旋轉(zhuǎn)速度為1800～7200rad/min,磁頭在磁盤上方不到100nm的地方“飛行”,位置精度指標(biāo)初步定為1μm。如果有可能，還要做進(jìn)一步要求，