第九章液压伺服系统

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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便有一个相应的开口量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

2、连在一起，因而阀体也右移X0，则阀口 a、b的开口量减小（xv = xi 一 xO），直到xO = 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。若伺服滑阀反向运动，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。I图 9-1 机液位置伺服系统原理图1一溢流阀 2 一泵 3 一阀芯 4 一阀体（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

3、压缸输岀的力却很大，可达数千到数万 牛顿。功率放大所需要的能量是由液压泵供给的。3 反馈把输岀量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，和输入信号作比较，这就是反馈。回送的信 号称为反馈信号。若反馈信号不断地抵消输入信号的作用，则称为负反馈。负反馈是自动控制系统具有的主要特征。图9 1中的负反馈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相比较，其结果使阀的开口减小。此例中的反馈是一种机械反馈。反馈 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 输入信号与反馈信号的差值称为偏差。图9-1中的偏差就是滑阀的开口量xv , xv二

4、x - y。只要有 xv 存在，液压缸就运动，直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，液压伺服控制的基本原理是：利用反馈信号与输入信号相比较得到偏差信号，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

5、液压传动 所固有的一系列优点外，还具有承载能力大、控制精度高、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。随着科学技术的发展，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 液压伺服系统的基本形式一、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

6、式三种，见图9-3（图中未画出反馈联系）。图 9-3a 为单边滑阀控制式系统，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，另一路则一部分经滑阀控制边xs1 的开口进入液压缸右腔，一部分经控制边 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

7、入液压缸左、 右油腔的， xs3 和 xs4是控制左、右油腔通向油箱的。当滑阀移动时，xsl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，阀的开口有负开口（xs0）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，

8、但功率损耗大，稳定性也较差。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 部分的惯量较大，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

9、伺服系统。二、阀控马达式液压系统这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，两者的工作原理基本相同。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

10、等，两喷嘴腔内的油液压力 则相等，即p1= p2，液 压缸不动。压力油经孔道 4和5、缝隙51和52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， 52 开大，pl上升，p2下降，液压缸缸体向左移动。由于负反馈的作用，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，反应快，精度和灵敏度高；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

11、（流量、压力），使执行元件跟随输入信号而动作。电液伺服阀具 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

12、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，滑阀阀芯的位置是由反馈杆组的件弹性变形力反馈到衔铁上与电磁力平衡而决定的，所 以也称此阀为力反馈式电液伺服阀，其工作原理可用图9-9 来表示。1K压马迭功曜放大图 9-9 力反馈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

13、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开口量。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， 手臂即停止运动。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。i Qr y图 9 11 机械手手臂伸缩运动伺服系统方框图本章小结1 液压伺服系统是以液压为动力的自动控制系统，它可以利用反馈信号与输入信号相比较得到偏差信号， 来控制液压 能源的输入，使系统向着减小偏差的方向变化。2 液压伺服系统的基本形式：阀控缸式液压伺服系统（滑阀式、射流管式）、阀控马达式液压系统、喷嘴 挡板阀。3. 电液伺服阀？既是电液转换元件，又是功率放大元件。它将输入的微小电信号转为大功率的液压信号输 岀。其由力矩马达、喷嘴挡板式液压前置放大级和四边滑阀功率放大级三部分组成。