第九章液压伺服系统

1、第九章液压伺服系统第一节概述伺服系统又称随机系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。液压伺服系统是以液压为动力的自动控制系统，由液压控制和执行机构所组成。一、液压伺服系统的工作原理图9-1为一简单的机液位置伺服系统的原理图当伺服滑阀处于中间位置 xv = 0时，各阀口均关闭，阀没有流量输岀，液压缸不动，系统处于静止状态。给伺服滑阀阀芯一个输入位移xi，阀口 a、b便有一个相应的幵口量 xv，使压力油经阀口 b进入液压缸的 右腔，其左腔油液经阀口 a回油池，液压缸在液压力的作用下右移x0，由于滑阀阀体与液压缸体固连在一起，因而阀体

2、也右移 x0，那么阀口 a、b的幵口量减小xv = xi xO，直到x0 = xi时，xv = 0，阀口关闭，液压 缸停止运动，从而完成液压缸输出位移对伺服滑阀输入位移的跟随运动。假设伺服滑阀反向运动，液压缸也作反向跟随运动。由上可知，只要给伺服滑阀以某一规律的输入信号，执行元件就自动地、准确地跟随滑阀按照这个规律运动。LU图9-1机液位置伺服系统原理图1 溢流阀2 泵3 阀芯4 阀体缸体由此可以看出，液压伺服系统有如下特点：1. 跟踪系统的输岀量能够自动地、快速而准确地跟踪输入量的变化规律。2?放大移动阀芯所需的力很小，只需要几牛顿到几十牛顿，但液压缸输岀的力却很大，可达数千到数万牛顿。功率

3、放大所需要的能量是由液压泵供应的。3?反响把输岀量的一局部或全部按一定方式回送到输入端，和输入信号作比拟，这就是反响。回送的信号称为反响信号。假设反响信号不断地抵消输入信号的作用，那么称为负反响。负反响是自动控制系统具有的主要特征。图9 1中的负反响是通过阀体和缸体的刚性连接来实现的，液压缸的输岀位移y连续不断地回送到阀体上，与阀芯的输入位移x相比拟，其结果使阀的幵口减小。此例中的反响是一种机械反响。反响还可以是电气的、气动的、液压的或是它们的组合形式。4.偏差 输入信号与反响信号的差值称为偏差。图9-1中的偏差就是滑阀的幵口量 xv , xv二x - y。只要有 xv 存在，液压缸就运动，直

4、至缸体的输出位移与阀芯的输入位移一致为止。此时，y = x, xv = 0。综上所述，液压伺服控制的根本原理是：利用反响信号与输入信号相比拟得到偏差信号，该偏差信号控制液压能源输入到系统的能量， 使系统向着减小偏差的方向变化， 直至偏差等于零或足够小， 从而使系统的 实际输出与希望值相符。二、液压伺服系统的分类1. 按输出的物理量分类：位置伺服系统、速度伺服系统、力或压力伺服系统等。2. 按控制信号分类：机液伺服系统，电液伺服系统，气液伺服系统。3. 按控制元件分类：阀控系统和泵控系统两大类。在机械设备中以阀控系统应用较多。液压伺服系统除具有液压传动所固有的一系列优点外，还具有承载能力大、控制

5、精度高、响应速度块、自动化程度高、体积小，重量轻等优点。但是，液压伺服元件加工精度高，价格较贵；对油液的污染较敏感，可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电子线路控制灵活。随着科学技术的开展，液压伺服系统的缺点将不断得到克服。在自动化技术领域，液压伺服控制有着广泛的应用前景。第二节 液压伺服系统的根本形式一、阀控缸式液压伺服系统1 . 滑阀式液压伺服系统 这种伺服系统的典型结构和工作原理前面已介绍如图9- 1 。根据滑阀上的控制边数即起作用的阀口数的不同，这种系统又分为单边滑阀控制式、双边滑阀控制式和四边滑阀控制式三种，见图9-3图中未画出反响联系。图 9-3a 为单边滑阀控制式系统

6、，它有一个控制边。当控制边的开口量 xs 改变时，进入液压缸的油液压力 和流量都 发生变化受到控制，从而改变了液压缸运动的速度和方向。图 9-3b 为双边滑阀控制式系统， 它有两个控制边。 压力油一路进入液压缸左腔， 另一路那么一局部经滑阀控 制边 xs1 的开口进入液压缸右腔，一局部经控制边 xs2 的开口流回油箱。当滑阀移动时， xs1 和 xs2 此增 彼减，使液压缸右 腔回油阻力发生变化受到控制，因而改变了液压缸的运动速度和方向。图 9-3c 为四边滑阀控制式系统， 它有四个控制边。 Xs1 和 xs2 是控制压力油进入液压缸左、 右油腔的， xs3 和 xs4 是控制左、右油腔通向油

7、箱的。当滑阀移动时，xs1 和 xs3、 xs2 和 xs4 两两此增彼减，使进入左、右腔的油液压力和流量发生变化受到控制，从而控制了液压缸的运动速度和方向。由上可知，单边、双边和四边滑阀的控制作用是相同的，均起到换向和节流作用。控制边数越多，控制质量越好，制造困难。通常情况下，四边滑阀多用于精度要求较高的系统；单边、双边滑阀用于一般精度系统。滑阀在初始平衡的状态下，阀的幵口有负幵口XSVO 、零幵口 xs=0和正幵口 xs>0 三种形式，如图 9-4 所示。具有零开口的滑阀，其工作精度最高；负开口有较大的不灵敏区，较少采用；具有正开口的滑阀，工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳定性也较

8、差。2. 射流管式液压伺服系统这种伺服系统的工作原理如图 9-5 所示。在这种伺服系统中，液压缸的运动方向取决于输入信号的方向，运动速度取决于输入信号的大小。射流管式伺服系统的优点是：结构简单，元件加工精度低；射流管出口处面积大，抗污染能力强，能在恶劣的工作条件下工作；射流管上没有不平衡的径向力，不会产生“卡紧现象。它的缺点是：射流管运动局部的惯量较大，工作性能较差；射流管能量损失大，即使在零位处无功耗损亦大，效率较低；当供油压力高时容易引起振动；此外，沿射流管轴线有较大的轴向力。 因此， 这种伺服系统只适用于低压和功率较 小的场合， 例如某些液压仿形机床的伺服系统。二、阀 控马达式液压系统这

9、种伺服系统的工作原理如图 9-6所示。由此可见，液压马达是跟随控制阀芯运动的，前者运动速度的大 小和方向由后者来决定。在这种液压伺服系统中，用较小的转矩控制阀芯，就可以使液压马达输岀很大的转矩，从而起到放大转矩的作用，因此也把它称为液压转矩放大器。它常用于数控机床的进给系统。三、喷 嘴挡板阀喷嘴挡板阀有单喷嘴式和双喷嘴式两种，两者的工作原理根本相同。图 9- 7所示为双喷嘴挡板阀的工作原理，它主要由挡板1、喷嘴2和3、固定节流小孔4和5等元件构成。挡板和两个喷嘴之间形成两个可变截面的节流缝隙5 1和6 2。当挡板处于中间位置时，两缝隙所形成的节流阻力相等，两喷嘴腔内的油液压力那么相等，即p仁p

10、2,液压缸不动。压力油经孔道 4和5、缝隙5 1和5 2流回油箱。当输入信号使挡板向左偏转时，可变缝隙5 1关小，5 2幵大，pl上升，p2下降，液压缸缸体向左移动。由于负反响的作用，当喷嘴跟随缸体移动到挡板两边对称位置时，液压缸停止运动。喷嘴挡板阀的优点是结构简单，加工方便，运动部件惯性小，反响快，精度和灵敏度咼；缺点是无功损耗 大，抗污染能力较差。喷嘴挡板阀常用作多级放大伺服控制元件中的前置级。第三节电液伺服阀电液伺服阀既是电液转换元件， 也是功率放大元件，它按照微小功率的电输入信号， 为系统液压执行元件 提供相应的、 具有强大功率的液压信号流量、压力，使执行元件跟随输入信号而动作。电液伺

11、服阀具有体积小、结构紧凑、放大系数高、控制性能好等优点，已广泛应用于电液位置、速度、加速度、力伺服系统中。电液伺服阀工作原理见图 9-8，它由力矩马达、喷嘴挡板式液压前置放大级和四边滑阀功率放大级等三部分组成，下面分别介绍。一、力矩马达力矩马达把输入的电信号转换为力矩输岀。衔铁的转角与输入电流的大小成正比。电流越大，衔铁偏转的角度也越大。电流反向输入时，衔铁也反向偏转。二、前置放大级力矩马达产生的力矩很小，不能直接用来驱动四边控制滑阀，必须先进行放大。三、功率放大级功率放大级由滑阀9和阀体10组成。其作用是将前置放大级输入的滑阀位移信号进一步放大，实现控制功率的转换和放大。由上述分析可知，滑阀

12、阀芯的位置是由反响杆组的件弹性变形力反响到衔铁上与电磁力平衡而决定的，所以也称此阀为力反响式电液伺服阀，其工作原理可用图9-9来表示。图9-9力反响式电液伺服阀方框图第四节液压伺服系统应用举例机械手应能按要求完成一系列动作，包括伸缩、回转、升降、手腕动作等。现以其伸缩运动伺服系统为例来说明电液伺服系统的应用。图9- 10所示为机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。其具体工作过程如下：数控装置发岀一定数量的脉冲，步进电机带动电位器的动触头转动。假设此时顺时针转过一定的角度3,这是电位器输出电压为 u,经放大器放大后输出电流 i，使电液伺服阀产生一定的幵口量。这时，电液伺服阀处于左位，压力油进入液压缸左腔，活塞杆右移，带动机械手手臂右移，液压缸右腔的油液经电液伺服阀返回油箱。此时，机械手手臂上的齿条带动齿轮也顺时针移动，当其转动角度a = 3时，动触头回到电手臂即停止位器的中位，电位器输岀电压为零，相应放大器输岀电流为零，电液伺服阀回到中位，液压油路被封锁,运动。当数控装置发岀反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，机械手手臂缩回图9 - 10机械手手臂伸缩运动电液伺服系统原理图 1电放大器2 电液伺服阀3 液压缸4 机械手手臂5 齿轮齿条机构6 电位器7 步进电机其工作原理可由图9 11所示的方框图来表示iQry图9 11机械手手臂伸缩运动伺服系统方框图本章小结1 ?液压伺