十液压与气压伺服系统课件

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1、第十章 液压与气压伺服系统,伺服系统又称为随动系统或跟踪系统，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人信号的变化规律动作。液压与气压伺服系统是由液压元件或气压元件组成的伺服系统。,10.1 概 述 10.1.1 伺服系统的工作原理和特点 图10.1是一种液压进口节流阀式节流调速回路。在这种回路中，调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。通过前述章节分析可知，当负载、油温等参数发生变化时，这种回路将无法保证原有的运动速度，因而其速度精度较低且不能满足精确的连续无级调速要求。,第十章 液压与气压伺服系统,可以将节流阀的开口大小定义为输入量，将液压缸的运动速度

2、定义为输出量或被调节量。在上述回路中，当负载、油温等参数的变化而引起输出量变化时，这个变化并不影响或改变输入量，这种输出量不影响输入量的控制系统称为开环控制系统。开环控制系统不能修正由于外界干扰(如负载、油温等)变化而引起的输出量或被调节量的变化，因此控制精度较低。,图101 液压进口节流 阀式节流调速回路 1液压泵；2溢流阀；3节流阀；4换向阀； 5液压缸,第十章 液压与气压伺服系统,为了提高这种回路的控制精度，可以设想节流阀由操作者来调节。在调节过程中，操作者不断地观察液压缸的测速装置所测出的实际速度，并比较这一实际速度与所希望的速度之间的差别。然后，操作者按这一差别来调节节流阀的开口量，

3、以减少这一差值(偏差)。例如，由于负载增大而使液压缸的速度低于希望值时，操作者就相应地加大节流阀的开口量，从而使液压缸的速度达到希望值。这一调节过程可用图102表示。,图10.2 液压缸速度调节过程图,第十章 液压与气压伺服系统,由图10.2中可以看出，输出量(液压缸速度)通过操作者的眼、脑和手来影响输入量(节流阀的开口量)，这种作用称为反馈。在实际系统中，为了实现自动控制，必须以电器、机械等装置代替人来判断比较，这就是反馈装置。由于反馈的存在，控制作用形成了一个闭合回路，这种带有反馈装置的控制系统，称为闭环控制系统。图10.3为采用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环控制系统。 这一系统不仅使液压

4、缸速度能任意调节，而且在外界干扰很大(如负载突变)的工况下，仍能使系统的实际输出速度与设定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的响应性能。,第十章 液压与气压伺服系统,图10.3 阀控油缸闭环控制系统原理图 1一齿条；2一齿乾；3一测速发电机；4一给定电位计； 5一放大器；6一电液伺服阀；7一液压缸,第十章 液压与气压伺服系统,第十章 液压与气压伺服系统,通过分析上述伺服系统的工作原理，可以看出伺服系统的特点如下： (1)它是反馈系统 把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负

5、反馈。自动控制系统中大多数反馈是负反馈。 (2)靠偏差工作 要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这个误差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。 量是液压能源供给的。 (4)它是跟踪系统 液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。,第十章 液压与气压伺服系统,10.1.2 伺服系统职能方框图和系统的组成环节 图104是上述速度伺服控制系统的职能方框图。图中一个方框表示一个元件，方框中的文字表明该元件的职能。带有箭头的线段表示元件之间的相互作用，即系统中信号的传递方

6、向。职能方框图明确地表示了系统的组成元件、各元件的职能以及系统中各元件的相互关系。因此，职能方框图是用来表示自动控制系统工作过程的。,图10.4 速度控制系统职能方框图,第十章 液压与气压伺服系统,由职能方框图可以看出，上述速度伺服控制系统是由输入元件、比较元件、放大及转换元件、执行元件、反馈元件和控制对象组成的。实际上，任何一个伺服控制系统都是由这些元件组成的，如图105所示,图10.5 伺服控制系统的组成环节,第十章 液压与气压伺服系统,下面对图105中各元件做一些说明： (1)输入元件 通过输入元件，给出必要的输入信号。如上例中由电位计给出一定电压，作为系统的控制信号。 (2)检测、反馈

7、元件 它随时测量输出量的大小，井将其转换成相应的反馈信号送回到比较元件。上例中是由测速发电机测得液压缸的运动速度，并将其转换成相应的电压作为反馈信号。 (3)比较元件 将输入信号和反馈信号进行比较，并将其差值作为放大转换元件的输入。有时系统中不一定有单独的比较元件，而是由反馈元件、输入元件或放大元件的一部分来实现比较的功能。 (4)放大、转换元件 将偏差信号放大并转换后，控制执行元件动作。如上例中的电液伺服 阀。 (5)执行元件 直接带动控制对象动作的元件。如上例中的液压缸。 (6)控制对象 机器直接工作的部分，如工作台、刀架等。,第十章 液压与气压伺服系统,10.1.3 伺服系统的分类 伺服

8、系统可以从下面不同的角度加以分类。 (1)按输入信号变化规律分类 有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。 当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本任务是提高系统的抗于扰能力。当系 统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动系统，其输入 信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律。 (2)按输入信号介质分类 有机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统等。 (3)按输出物理量分类 有位置伺服系统、速度伺服系统、力(或压力)伺服系统等。 在液压伺服系统中还可以按控制元件分为阀控系统和泵控系统两类。在液压传动中，阀控 系统应用较多，

9、故本章重点介绍阀控伺服系统。,第十章 液压与气压伺服系统,10.1.4 伺服系统的优缺点 液压与气压伺服系统除具有液压与气压传动所固有的一系列优点外，还具有控制精度高、响 应速度快、自动化程度高等优点。 但是，伺服元件加工精度高，因此价格较贵：特别是液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因 此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活。随着科学技术的发展， 液压与气压伺服系统的缺点将不断地得到克服。在自动化技术领域中，液压与气压伺服控制有 着广泛的应用前景。,第十章 液压与气压伺服系统,10.2 典型的伺服控制元件 伺服控制元件是液压与气压伺服系统中最重要、最基本的组成部分，它起

10、着信号转换、功率 放大及反馈等控制作用。常用的伺服控制元件有力矩马达或力马达、滑阀、射流管阀和喷嘴挡板 阀等，下面简要介绍它们的结构原理及特点。,10.2.1 力矩马达和力马达 力矩马达是一种具有旋转运动的电机械转换器，力马达是一种具有直线运动的电机械 转换器。它们在阀中的作用是将电控信号转换成转角(力矩马达)或直线位移(力马达)，用来作 为液压放大器的输入信号，它们的具体介绍参见571节。,第十章 液压与气压伺服系统,10.2.2 滑阀 根据滑阀控制边数(起控制作用的阀口数)的不同，有单边控制、双边控制和四边控制三种类型滑阀。,图10.6 单边滑阀的工作原理,第十章 液压与气压伺服系统,图1

11、0.7 双边滑阀的工作原理 图10.8 四边滑阀的工作原理,第十章 液压与气压伺服系统,图10.9 滑阀的三种开口形式,10.2.3 射流管阀,图10.10 射流管阀的工作原理,第十章 液压与气压伺服系统,图10.11 喷嘴挡板阀的工作原理,10.2.4 喷嘴挡板阀,第十章 液压与气压伺服系统,10.3 伺 服 阀 液压与气压用伺服阀是电液或电气联合控制的多级伺服元件，它能将微弱的电气输入信号放大成大功率的液压或气压能量输出，以实现对流量和压力的控制。它接受一种模拟量电控信号，输出随电控信号的大小及极性变化的液压模拟量。电液或电气伺服阀具有控制精度高和放大倍数大等优点，在液压与气压控制系统中得

12、到了广泛地应用。,10.3.1 液压伺服阀的分类、结构和工作原理 1.液压伺服阀的分类 液压伺服阀主要指电液伺服阀，它在接受电气模拟信号后，相应输出调制的流量和压力。它既是电液转换元件，也是功率放大元件，它能够将小功率的微弱电气输入信号转换为大功率的液压能(流量和压力)输出。在电液伺服系统中，它将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与液压放大。电液伺服阀是电液伺服系统控制的核心。,第十章 液压与气压伺服系统,电液伺服阀广泛地应用于电液位置、速度、加速度、力伺服系统，以及伺服振动发生器中。它具有体积小、结构紧凑、功率放大系数高、控制精度高、直线性好、死区小、灵敏度高、动态性能好以及响应

13、速度快等优点。 电液伺服阀按用途、性能和结构特征可分为通用型和专用型；按输出量可分为流量控制伺服阀和压力控制伺服阀；按液压放大级数可分为单级、双级和三级伺服阀；按电气机械转换后动作方式可分为力矩马达式(输出转角)和力马达式(输出直线位移)；按电气机械转换装置可分为动铁式(一般为衔铁转动)与动圈式和干式与湿式；按液压前置级的结构形式可分为单喷嘴挡板式、双喷嘴挡板式、四喷嘴挡板式、射流管式、偏转板射流式和滑阀式；按反馈形式可分为位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈；按输入信号形式可分为连续控制式和脉宽调制式。,第十章 液压与气压伺服系统,第十章 液压与气压伺服系统,2. 液压伺服阀的组成 伺服阀通

14、常由电机械转换器(力马达或力矩马达)、液压放大器和反馈或平衡机构等三部分组成。其中，我们已经介绍过了电机械转换器(力马达或力矩马达)和液压放大器，而伺服阀的输出级所采用的反馈或平衡机构是为使伺服阀的输出流量或输出压力获得与输人电控信号成比例的特性。平衡机构通常用圆柱螺旋弹簧或片弹簧等。反馈常采用力反馈、位置反馈、电反馈和压力反馈等形式。具体结构原理在典型伺服阀的结构中阐述。 3. 典型伺服阀的结构和工作原理 (1)滑阀式伺服阀 滑阀式伺服阀又称动圈伺服阀。图10.12所示为滑阀式直接反馈二级电液伺服阀。,第十章 液压与气压伺服系统,图10.12 滑阀式二级三通电液伺服阀 1一左节流孔；2一壳体

15、；3一滤油器；4一减压孔扳；5一控制级节流边；6一主滑阀(控制级阀套)；7一控制级节流边；8一右仃流孔；9一控制阀心；10一磁钢(永久磁铁)；11一动圈；12一对中弹簧；13一调节螺钉；14一内导磋体；15一外导磁体,第十章 液压与气压伺服系统,(2)喷嘴挡板式伺服阀,图10 .13 喷嘴挡板式二级四通电液伺服阀图 1一永久磁铁；2、4一导磁体；3一衔铁；5一挡板；6一喷嘴； 7一固定节流；8一滤油器；9一滑阀；10一阀体； 11一反馈弹簧杆；12一弹簧管；13一线圈,第十章 液压与气压伺服系统,(3)射流管式伺服阀 图10.14所示为射流管式伺服阀的结构示意图,图10.14 射流管式二级四通

16、电液伺服阀,第十章 液压与气压伺服系统,10.3.2 液压伺服阀的选用 伺服阀的控制精度高，响应速度快，所以在航空、冶金、机械、船舶和化工等工业部门得到广 泛的应用。它常用于实现位置、速度、加速度和力的控制。 伺服阀的选用应考虑： (1)伺服阀对油液的清洁度要求较高，要考虑工作环境，采取较好的过滤措施。 (2)为了改善伺服系统的动态性能，一般要尽量缩短阀和执行元件间的连接管道，常将阀直 接固定在执行元件上，这时要注意阀的外形尺寸是否妨碍机器的布局。 (3)伺服阀的价格高，要考虑到用户的承受能力。,第十章 液压与气压伺服系统,第十章 液压与气压伺服系统,104 液压伺服系统 本节介绍车床液压仿形刀架、机械手伸缩运动伺服系统和带钢张力控制系统，它们分别代表不同类型的液压伺服系统。 1.4.1车床液压仿形刀架,车床液压仿形刀架是机液伺服系统。下面结合图10.17来说明它的工作原理和特点。液压仿形刀架倾斜安装在车床溜板5的上面，工作时随溜板纵向移动。样板11安装在床身后侧支架上固定不动。液