机器人伺服控制系统及应用技术第9章 液压驱动与控制

机器人伺服控制第九章液压驱动与控制主要内容contents9.1液压驱动系统9.2机器人液压驱动与控制实例液压驱动与控制9.1液压驱动系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的传送带、链条和齿轮等传动元件类似9.1液压驱动系统液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动1-油箱2-泵3-溢流阀4-换向阀5-液压缸6-节流阀液压驱动系统工作原理9.1.1液压控制系统组成一般由指令元件、反馈检测元件、比较元件、放大、转换和控制元件、执行元件及被控对象组成液压控制系统组成框图9.1.1液压控制系统组成指令元件：按要求给出控制信号的元件，如计算机、PLC、指令电位器、单片机、嵌入式系统或其它电器等；反馈检测元件：检测被控制量，给出系统的反馈信号，如各种类型的传感器9.1.1液压控制系统组成比较元件：把具有相同形式和量纲的输入控制信号与反馈信号加以比较，给出偏差信号比较元件不一定单独存在，可以与指令元件反馈检测元件及放大器组合在一起，由一个结构元件完成9.1.1液压控制系统组成放大、转换和控制元件：将偏差信号放大，并作为能量形式转换，变成液压信号，去控制执行元件（液压缸、液压马达等）运动。一般是放大器、伺服阀、电液伺服阀，比例阀等执行元件：直接对被控对象起作用的元件。如液压缸、液压马达等被控对象：液压系统的控制对象，一般是各类负载装置液压缸将液压能转变为机械能的、作直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，动平稳直线液压缸9.1.1液压控制系统组成液压马达又叫做旋转液压马达，是液压系统的旋转式执行元件旋转液压马达9.1.1液压控制系统组成液压阀单向阀：只允许油液向某一方向流动，而反向截止，也称为止回阀单向阀9.1.1液压控制系统组成液压阀-换向阀滑阀式换向阀是靠阀芯在阀体内作轴向运动，而便相应的油路接通或断开的换向阀滑阀式换向阀换向原理9.1.1液压控制系统组成液压阀-换向阀机械换向阀用于机械运动中，作为限位装置限位换向机械换向阀9.1.1液压控制系统组成液压阀-换向阀电磁换向阀用于在电气装置或控制装置发出换向命令时，改变流体方向、从而改变机械运动状态三位四通电磁换向阀9.1.1液压控制系统组成开环液压控制和闭环液压控制是液压控制的两类基本控制方式9.1.2液压控制系统分类三种液压控制系统开环控制系统-用开关阀建构的液压控制系统9.1.2液压控制系统分类电磁换向阀的阀芯有三个工作位置，左位、中位和右位。可以控制油路的通断与切换。对每一个阀口油路来说只有两种状态，即完全打开和完全关闭，所以电磁换向阀归类于电磁液压开关阀开环控制系统-用比例阀建构的液压控制系统9.1.2液压控制系统分类比例液压阀采用电信号控制阀芯进行渐变移动，从而控制阀口开度渐变变化，调节比例液压阀的压降和流量等，并在一定程度上实现流量与控制信号间呈现比例变化闭环控制系统-用伺服阀建构的液压控制系统9.1.2液压控制系统分类电液伺服阀是高性能液压控制元件，具有很高的控制精度、很快的响应速度，不足的是电液伺服阀价格很高闭环液压控制系统，不仅存在控制器对被控对象的前向控制作用，还存在被控对象对控制器的反馈作用开环液压控制采用普通液压阀和比例液压阀的开环控制系统与液压传动系统有很大的技术重合，几乎采用相同类型的液压元件和液压回路开环液压控制系统性能主要由所用液压元件的性能实现。开环系统精度取决于系统各个组成元件的精度，系统的响应特性直接与各个组成元件的响应特性有关液压开环控制系统无法对外部干扰和内部参数变化引起的系统输出变化进行抑制或补偿9.1.2液压控制系统分类开环液压控制从系统设计方面看，开环液压控制系统结构简单，控制系统一定是稳定的，因此系统分析、系统设计及系统安装等均相对容易，而且还可以借鉴液压传动系统的分析与设计经验。开环液压控制系统与液压传动系统具有较多的共性，区别主要是侧重点有所不同开环液压系统经常用于控制精度要求不高，外部环境干扰较小，内部参数变化不大，并且允许系统响应速度较慢的情况9.1.2液压控制系统分类闭环液压控制经常采用电液伺服阀或直驱阀作控制元件也称液压反馈控制系统，依据反馈作用原理工作闭环液压控制系统结构形成闭环回路。闭环控制系统存在稳定性问题，控制精度与动态响应速度均需细致设计与调试，所以闭环系统分析、系统设计及系统调试等均较为繁琐采用闭环控制(反馈控制)方式，用精度相对不高、抗干扰能力相对不强的液压元件有可能建构控制精度高和抗干扰能力强的控制系统，或者在现有液压元件性能的条件下，有可能利用闭环控制获取更好的控制系统性能及控制效果9.1.2液压控制系统分类早在第一次世界大战前，液压伺服控制已开始应用于海军舰艇中，作为操舵装置到第二次世界大战期间及以后，由于军事的刺激，自动控制特别是武器和飞行器控制系统的研究得到进一步的发展。液压伺服控制因响应快，精度高和功率一重量比大等特点而受到特别的重视。特别是近几十年，由于整个工业技术的发展，尤其是军事和航空航天技术的发展，促使液压伺服控制得到迅速发展9.1.3液压伺服系统机械液压伺服控制出现较早，用在飞机上作为液压助力器，操纵飞机舵面40年代，首先在飞机上出现了电液伺服系统。但该系统中的滑阀由伺服电动机驱动，作为电液转换器。伺服电动机时间常数较大，这限制了电液伺服系统的响应速度。随着超音速飞机的发展，要求伺服系统反应速度越来越高，特别是像导弹控制，这就促进了快速电液伺服控制系统的产生与发展。50年代初，出现快速响应的永磁力矩马达，力矩马达与滑阀结合，形成了电液伺服阀。50年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级的电液伺服阀，进一步提高了电液伺服阀的快速性9.1.3液压伺服系统60年代，各种结构的电液伺服阀相继出现，其性能日趋完善。由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到迅速的发展目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面。凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已经有了应用在国防工业中，如飞机的操纵系统、导弹的自动控制系统、火炮操纵系统、坦克火炮稳定装置、雷达跟踪系统和舰艇的操舵装置等系统中在一般工业中，用于机床、冶炼、轧钢、铸锻、动力、工程机械、矿山机械、建筑机械、拖拉机、船舶等系统中9.1.3液压伺服系统凡是采用液压控制元件和液压执行元件，根据液压传动原理建立起来的伺服系统液压伺服控制是复杂的液压控制方式，液压伺服控制系统是一种闭环液压控制系统也称液压随动系统输出量(位移、速度、力等)能够自动地、快速而准确地复现输入量的变化规律9.1.3液压伺服系统图示为一液压伺服系统原理图，xi为阀芯位移(做为系统的输入量)，xv缸体位移(做为系统的输出量)，系统中阀体和缸体作成一体，构成反馈连接系统中输出位移能够精确地复现输入位移的变化，同时它输入的机械量转换成很大的输出力，因此也是一个功率放大装置9.1.3液压伺服系统液压伺服系统与一般的液压传动系统相比尽管同样有液压泵(能源)、液压马达或液压缸执行元件)和控制元件，但液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受负载变化的影响小，定位准确，控制精度更高是一个跟踪系统，被控制对象能自动跟踪输入信号并随其变化而动作是一个信号放大系统：系统的输出信号功率是系统的输人信号功率的数倍甚至数千倍9.1.3液压伺服系统液压伺服系统与一般的液压传动系统相比是一个负反馈闭环系统：被控制对象（或执行元件）产生的输出量（运动量）必须经检测反馈元件输回到比较元件，力图抵消使被控制对象产生运动的输入信号，即力图使偏差信号减小到零，从而形成一个负反馈闭环系统是一个误差控制系统：执行元件的运动状态只取决于输入信号与反馈信号的偏差大小，而与其他无关。当偏差信号为零时，执行元件不动；当偏差信号为正(负)时，执行元件正(反)向运动；当偏差信号绝对值增大(减小)时，执行元件输出的力和速度增大(减小)9.1.3液压伺服系统液压伺服系统优点液压执行机构的动作快，换向迅速与机电系统执行机构相比，固有频率通常较高液压执行机构体积和重量远小于相同功率的机电执行机构的体积和重量随着功率的增加液压执行机构的体积和重量的增加远比机电执行机构增加的慢，前者主要靠增大液体流量和压力来增加功率，虽然动力机构的体积和重量也会因此增加一些，但可以采用高强度和轻金属材料来减少体积和重量液压执行机构传动平稳、抗干扰能力强，特别是低速性能好，而机电系统的传递平稳性较差，而且易受到电磁波等各种外干扰的影响液压执行机构的调速范围广，功率增益高9.1.3液压伺服系统液压伺服系统缺点液压信号传递速度慢不易进行校正，而电信号则是按光速来传递信息，而且易于综合和校正液压伺服系统的结构复杂、加工精度高，因而成本高液体的体积弹性模数随温度和混入油中的空气含量而变漏油是液压系统的弱点，它不仅污染环境，而且容易引发火灾。液压油易受污染，并可造成执行机构堵塞9.1.3液压伺服系统按照控制系统各组成元件的线性情况分类按照控制系统是否包含非线性组成元件，液压控制系统可分为线性系统和非线性系统按照控制系统各组成元件中控制信号的连续情况分类按照控制系统中控制信号是否均为连续信号，液压控制系统可以分为连续系统和离散系统按照被控物理量分类位置控制、速度控制、力控制和其它物理量控制系统9.1.4液压伺服系统分类按照液压控制元件或控制方式分类可分为阀控系统（节流控制方式）和泵控系统（容积控制方式）进一步按照液压执行元件分类，阀控系统可分为阀控液压缸系统和阀控液压马达系统；泵控系统可分为泵控液压缸系统和泵控液压马达系统按照信号传递介质分类机械液压控制系统、电气液压控制系统等9.1.4液压伺服系统分类9.1.5电液伺服控制系统电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力由电液伺服阀构成的伺服系统称为电液伺服系统电液伺服阀已标准化、系列化。我国70年代开始批量生产QDY系列和DY系列电液伺服阀QDY系列伺服阀属于干式力矩马达喷嘴挡板滑阀式力反馈伺服，该系列电液伺服阀性能质量都非常过关，应用较多DY系列伺服阀是动圈双级滑阀式伺服阀，冶金矿山行业用的较多9.1.5电液伺服控制系统电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压动力由电液伺服阀构成的伺服系统称为电液伺服系统电液伺服阀已标准化、系列化。我国70年代开始批量生产QDY系列和DY系列电液伺服阀QDY系列伺服阀属于干式力矩马达喷嘴挡板滑阀式力反馈伺服，该系列电液伺服阀性能质量都非常过关，应用较多DY系列伺服阀是动圈双级滑阀式伺服阀，冶金矿山行业用的较多9.1.5电液伺服控制系统电液伺服阀：力矩马达和液压放大器组成力矩马达组成由一对永久磁铁1、导磁体2和4、衔铁3、线圈5和内部悬置挡板7及弹簧管6等组成液压放大器组成前置放大器：前置放大级是一个双喷嘴挡板阀，它主要由挡板7、喷嘴8、节流孔10和滤油器11组成功率放大器：功率放大级主要由滑阀9和挡板下部的反馈弹簧片组成9.1.5电液伺服控制系统电液伺服阀：力矩马达和液压放大器组成力矩马达工作原理磁铁把导磁体磁化成N、S极，形成磁场衔铁和挡板固连由弹簧支撑位于导磁体中间。挡板下端球头嵌放在滑阀中间凹槽内线圈无电流时，力矩马达无力矩输出，挡板处于两喷嘴中间；当输入电流通过线圈使衔铁3左端被磁化为N极，右端为S极，衔铁逆时针偏转弹簧管弯曲产生反力矩，使衔铁转过θ角。电流越大θ角就越大，力矩马达把输入电信号转换为力矩信号输出9.1.5电液伺服控制系统电液伺服阀：力矩马达和液压放大器组成前置放大级工作原理压力油经滤油器和节流孔流到滑阀左、右两端油腔和两喷嘴腔，由喷嘴喷出，经阀9中部流回油箱力矩马达无输出信号时，挡板不动，滑阀两端压力相等。当矩马达有信号输出时，挡板偏转，两喷嘴与挡板之间间隙不等，致使滑阀两端压力不等，推动阀芯移动9.1.5电液伺服控制系统电液伺服阀：力矩马达和液压放大器组成功率放大级工作原理当前置放大级有压差信号使滑阀阀芯移动时，主油路被接通滑阀位移后的开度正比于力矩马达输入电流，则阀的输出流量和输入电流成正比；当输入电流反向时，输出流量也反向滑阀移动同时，挡板下端的小球亦随同移动，使挡板弹簧片产生弹性反力，阻止滑阀继续移动；挡板变形又使它在两喷嘴间的位移量减小，实现了反馈9.1.5电液伺服控制系统电液伺服阀：力矩马达和液压放大器组成功率放大级工作原理当滑阀上的液压作用力和挡板弹性反力平衡时，滑阀便保持在这一开度上不再移动输入电流为0时，阀芯在反馈杆的反力矩作用下回到中位，伺服阀处于不工作状态。因此，电液伺服阀是精确控制输出流量的阀，输出流量的大小与输入电流的大小成正比9.1.5电液伺服控制系统QDY的基本组成9.1.5电液伺服控制系统模拟伺服系统全部信号都是连续的模拟量，模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低(绝对精度低)精度在很大程度上取决于检测装置精度，另外模拟式检测装置精度一般低于数字式检测装置。所以模拟伺服系统分辨能力低于数字伺服系统模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响、因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效的控制模拟电液控制系统9.1.5电液伺服控制系统数字伺服系统在数字伺服系统中，全部信号或部分信号是离散参量数字伺服系统又分为全数字伺服系统和数字-模拟伺服系统两种数字电液控制系统9.1.5电液伺服控制系统电液伺服系统的动力元件分为阀控式和泵控式两种基本型式，但采用的指令装置、反馈测量装置和放大、校正的电子部件不同，就构成了不同的系统1—反馈放大器2—机架3—液压缸4—电子伺服放大器5—电液伺服阀6—粘性阻力负载7—惯性负载9.1.5电液伺服控制系统电液伺服系统的动力元件分为阀控式和泵控式两种基本型式，但采用的指令装置、反馈测量装置和放大、校正的电子部件不同，就构成了不同的系统9.1.5电液伺服控制系统电液位置伺服控制系统该系统控制工作台的位置，使之按照指令电位器给定的规律变化指令电位器将滑臂的位置指令xg转换成电压ug。工作台位置xf由反馈电位器检测，转换成电压uf两个电位器接成桥式回路，电桥的输出电压△u＝ug－uf＝k(xg－xf)，k为电位器增益当工作台位置xf与指令位置xg一致时，xf＝xg，即△u＝09.1.5电液伺服控制系统电液位置伺服控制系统电液伺服阀处于零位，没有流量进出系统，工作台不动当指令电位器向右移动一个位移△u＝k△xg,经放大去控制电液伺服阀，输出压力油推动工作台右移，同时使工作台位移增加，当增量为△u＝xf＋△xf－xg－△xg＝0，工作台重新停止9.1.5电液伺服控制系统电液位置伺服控制系统系统是一个电量反馈的闭环控制系统其工作原理方块图如下9.1.5电液伺服控制系统电液速度伺服控制系统测速发电机：将输出转换为反馈电压信号Uf,是反馈装置9.1.6电液比例控制系统电液比例控制技术是介于普通液压阀的开关控制技术和电液伺服控制技术之间的控制方式比例控制技术主要表现在三个方面采用了压力、流量、位移、动压等反馈及电校正手段，提高了阀的稳态精度和动态响应品质，这些标志着比例控制设计原理已经完善比例技术与插装阀已经结合，诞生了比例插装技术以比例控制泵为代表的比例容积元件的诞生，进一步扩大了比例控制技术的应用9.1.6电液比例控制系统比例阀的工作原理和类型按主要功能分类，分为压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、比例复合控制阀电液比例阀的组成9.1.6电液比例控制系统比例阀的工作原理和类型比例控制的核心是比例阀。比例阀的输入单元是电-机械转换器，它将输入信号转换成机械量。转换器有伺服电机和步进电机、力马达和力矩马达、比例电磁铁等形式常用的比例阀大都采用比例电磁铁，比例电磁铁根据电磁原理设计，能使其产生的机械量（力或力矩和位移）与输入电信号（电流）的大小成比例，再连续地控制液压阀阀芯的位置，进而实现连续地控制液压系统的压力、方向和流量1—推杆

2—销钉

3—线圈

4—衔铁9.1.6电液比例控制系统比例电磁铁的类型按照工作原理力控制型：行程短，只有1.5mm，输出力与输入电流成正比，常用在比例阀的先导控制级上行程控制型：由力控制型加负载弹簧共同组成，电磁铁输出的力通过弹簧转换成输出位移，输出位移与输入电流成正比，工作行程3mm，线性度好，可以用在直控式比例阀上位置调节型：衔铁的位置由阀内的传感器检测后，发出一个阀内反馈信号，在阀内进行比较后重新调节衔铁的位置，阀内形成闭环控制，精度高，衔铁的位置与力无关，在精度上几乎可以和伺服阀相比，国际上不少著名公司生产的比例阀都采用这种结构9.1.6电液比例控制系统比例控制系统有直接比例控制和电液比例控制，本质上与伺服系统控制相似根据有无反馈分为开环控制和闭环控制比例阀控液压缸或马达系统可以实现速度、位移、转速和转矩等参数的控制开环比例控制系统职能图

9.1.6电液比例控制系统比例控制系统闭环比例控制系统职能图9.1.6电液比例控制系统电液伺服系统与比例伺服系统的比较9.1.7电液数字控制系统增量式电液数字阀采用脉冲数字调制演变而成的增量控制方式，以步进电机作为电气-机械转换器，驱动液压阀芯工作，因此又称为步进式数字阀增量式数字阀控制系统工作原理图9.1.7电液数字控制系统增量式电液数字阀采用脉冲数字调制演变而成的增量控制方式，以步进电机作为电气-机械转换器，驱动液压阀芯工作，因此又称为步进式数字阀增量式电液数字流量阀结构1—步进电机；2—滚珠丝杆；3—节流阀阀芯；4—阀套；5—连杆；6—零位移传感器9.1.7电液数字控制系统脉宽调节（PWM）式高速开关数字阀脉宽调节式高速开关数字阀（简称高速开关数字阀）的控制信号是一系列幅值相等、而在每一周期内宽度不同的脉冲信号脉宽调节式高速开关数字阀控制系统工作原理9.1.7电液数字控制系统脉宽调节（PWM）式高速开关数字阀高度开关式数字控制阀有二位二通和二位三通两种，两者又各有常开和常闭两类，为了减少泄露和提高压力，阀芯一般采用球阀或者锥阀结构，也有采用喷嘴挡板阀1-线圈锥阀芯；2-衔铁；3、8-推杆；

4、7-先导级球阀；5、6-功率级球阀力矩马达驱动的球阀式二位二通高速开关数字阀结构图9.1.8发展趋势集成化、数字化、微型化、超大型化和超重型化插装等新型安装方式的液压元件获得广泛应用，多个多种功能的液压控制阀可安装到一个油路块上实现复杂功能，体现了集成化发展趋势电子技术特别是总线技术发展，促使液压技术向数字方向发展。液压阀内部嵌入含电子控制的电子电路，液压控制阀可接收数字信号，并可通过计算机程序来改变液压控制阀的性能，实现数字化补偿等功能新材料和新技术的发展及在液压控制领域应用促使新型液压控制元件研制出来。特别是体积小、性能高的液压元件。液压元件小型化和微型化为液压控制技术在更广泛领域应用创造了条件，如机器人、医疗器械、运动机械9.1.9应用案例F1赛车中应用液压控制技术伺服阀、电磁铁、燃油调节器及液压缸DDV阀与动力转向阀9.1.9应用案例材料力学实验机大功率、材料试验加载大多采用了液压控制9.1.9应用案例四自由度飞行模拟器重负荷、高动态四个自由度四个作动器9.1.9应用案例四个自由度分别由四个电液伺服作动器驱动每个作动器都构成一个电液伺服系统四自由度飞行模拟器9.1.9应用案例超大型地震台具有8个液压伺服作动器实现6个自由度控制频率响应非常高9.1.9应用案例飞机控制系统9.1.9应用案例机器人机械手伸缩运动伺服系统以伸缩伺服系统为例主要由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械手臂3、齿轮齿条机构4、电位器5、步进电动机6和放大器7等元件组成9.2实例分析机械手伸缩运动伺服系统以伸缩伺服系统为例主要由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械手臂3、齿轮齿条机构4、电位器5、步进电动机6和放大器7等元件组成工作原理由数控装置发出的脉冲信号，使步进电机带动电位器5的动触头顺时针转过一定的角度θi，使动触头偏离电位器中位，产生微弱电压u1，经放大器7放大成u2后输入电液伺服阀1的控制线圈，产生一定的开口量9.2实例分析机械手伸缩运动伺服系统以伸缩伺服系统为例主要由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械手臂3、齿轮齿条机构4、电位器5、步进电动机6和放大器7等元件组成工作原理此时压力油以流量q流经阀的开口进入缸左腔，缸右腔油经伺服阀回油箱，活塞连同机械手手臂一起向右移动，行程为xv当电位器中位和触头重合时，输出电压为零，阀口关闭，手臂移动停止。手臂移动行程决定于脉冲数量，速度决定于脉冲频率当数控装置发反向脉冲时，步进电机逆时针转动，手臂缩回9.2实例分析四足机器人四足机器人采用液压缸-伺服阀驱动单元，通过NI-PXI硬件平台驱动缸阀单元来控制机器人12个主动关节