第九章??液壓伺服控制技術(shù)和電液比例控制技術(shù)

第一節(jié)??液壓伺服控制

http://www1.gdou.edu.cn/gcxy/yykj/yeyakejian/09/0901.htm

????液壓伺服系統(tǒng)是一種采用液壓伺服機(jī)構(gòu)，根據(jù)液壓傳動(dòng)原理建立起來的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)隨著控制機(jī)構(gòu)信號(hào)的改變而改變。因此液壓伺服控制系統(tǒng)又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。

????伺服閥是液壓伺服系統(tǒng)中的重要元件，它是一種通過改變輸入信號(hào)，連續(xù)的、成比例的控制流量、壓力的液壓控制閥。根據(jù)輸入信號(hào)的方式不同，又分為電液伺服閥和機(jī)液伺服閥兩大類。

一、?????????????電液伺服閥

電液伺服閥是一種將小功率模擬量電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率液壓能輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的位移、速度、加速度及力的控制的伺服閥。電液伺服閥可分為“流量伺服閥”和“力伺服閥”兩類。由于電液伺服閥應(yīng)用比較廣泛，通常又簡(jiǎn)稱為伺服閥。

（一）電液伺服閥的組成

圖9-1?電液伺服閥的基本組成

電液伺服閥的結(jié)構(gòu)和類型很多，但是都是由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器、液壓放大器和反饋裝置所構(gòu)成，如圖9-1所示。其中電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種裝置，根據(jù)輸出量的不同分為力馬達(dá)（輸出直線位移）和力矩馬達(dá)（輸出轉(zhuǎn)角）；液壓放大器是實(shí)現(xiàn)控制功率的轉(zhuǎn)換和放大。由前置放大級(jí)和功率放大級(jí)組成，由于電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器輸出的力或力矩很小，無法直接驅(qū)動(dòng)功率級(jí)，必須由前置放大級(jí)先進(jìn)行放大。前置放大級(jí)可以采用滑閥、噴嘴擋板閥或射流管閥，功率級(jí)幾乎都采用滑閥。反饋裝置即可以解決滑閥的定位問題，又可使整個(gè)閥變成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而具有閉環(huán)控制的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。

（二）電液伺服閥的工作原理

圖9-2電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖

1-永久磁鐵2、4－導(dǎo)磁體3－鐵5－擋板6－噴嘴7－固定節(jié)流孔8－過濾油器9－滑閥10－彈簧管11－線圈

圖9-2所示為電液伺服閥的結(jié)構(gòu)原理圖、噴嘴擋板閥動(dòng)畫。它由力矩馬達(dá)、噴嘴擋板式液壓前置放大級(jí)和四邊滑閥功率放大級(jí)等三部分組成。銜鐵3與擋板5連接在一起，由固定在閥座10上的彈簧管11支撐著。擋板5下端為一球頭,嵌放在滑閥9的凹槽內(nèi)，永久磁鐵1和導(dǎo)磁體2、4形成一個(gè)固定磁場(chǎng)，當(dāng)線圈12中沒有電流通過時(shí)，導(dǎo)磁體2、4和銜鐵3間四個(gè)氣隙中的磁通都是Φ_g，且方向相同，銜鐵3處于中間位置。當(dāng)有控制電流通入線圈12時(shí)，一組對(duì)角方向的氣隙中的磁通增加，另一組對(duì)角方向的氣隙中的磁通減小，于是銜鐵3就在磁力作用下克服彈簧管11的彈性反作用力而偏轉(zhuǎn)一角度，并偏轉(zhuǎn)到磁力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與彈性反作用力所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)為止。同時(shí)，擋板5因隨銜鐵3偏轉(zhuǎn)而發(fā)生撓曲，改變了它與兩個(gè)噴嘴6間的間隙，一個(gè)間隙減小，另一個(gè)間隙加大。

通入伺服閥的壓力油經(jīng)過濾器8、兩個(gè)對(duì)稱的節(jié)流孔7和左右噴嘴6流出，通向回油。當(dāng)擋板5撓曲，出現(xiàn)上述噴嘴--擋板的兩個(gè)間隙不相等的情況時(shí)，兩噴嘴后側(cè)的壓力就不相等，它們作用在滑閥9的左、右端面上，使滑閥9向相應(yīng)方向移動(dòng)一段距離，壓力油就通過滑閥9上的一個(gè)閥口輸向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)回來的油則經(jīng)滑閥9上的另一個(gè)閥口通向回油。滑閥9移動(dòng)時(shí)，擋板5下端球頭跟著移動(dòng)。在銜鐵擋板組件上產(chǎn)生了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使銜鐵3向相應(yīng)方向偏轉(zhuǎn)，并使擋板5在兩噴嘴6間的偏移量減少，這就是反饋?zhàn)饔谩７答佔(zhàn)饔玫暮蠊鞘够y9兩端的壓差減小。當(dāng)滑閥9上的液壓作用力和擋板5下端球頭因移動(dòng)而產(chǎn)生的彈性反作用力達(dá)到平衡時(shí)，滑閥9便不再移動(dòng)，并一直使其閥口保持在這一開度上。

通入線圈12的控制電流越大，使銜鐵3偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩、擋板5撓曲變形、滑閥9兩端的壓差以及滑閥9的偏移量就越大，伺服閥輸出的流量也越大。由于滑閥9的位移、噴嘴6與擋板5之間的間隙、銜鐵3的轉(zhuǎn)角都依次和輸入電流成正比，因此這種閥的輸出流量也和電流成正比。輸入電流反向時(shí)，輸出流量也反向。滑閥式伺服閥動(dòng)畫

（三）液壓放大器的結(jié)構(gòu)形式

液壓放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴—擋板閥和射流管閥三種。

1．滑閥

根據(jù)滑閥上控制邊數(shù)(起控制作用的閥口數(shù))的不同，有單邊、雙邊和四邊滑閥控制式三種結(jié)構(gòu)類型。如圖9-3所示。

圖9-3a單邊（二通伺服閥）

圖9-3a為單邊控制式滑閥。它有一個(gè)控制邊a（可變節(jié)流口），有負(fù)載口和回油口二個(gè)通道，故又稱為二通伺服閥。x為滑閥控制邊的開口量，控制著液壓缸右腔的壓力和流量，從而控制液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度和方向。壓力油進(jìn)入液壓缸的有桿腔，通過活塞上的阻尼小孔e進(jìn)入無桿腔，并通過滑閥上的節(jié)流邊流回油箱。當(dāng)閥芯向左或向右移動(dòng)時(shí)，閥口的開口量增大或減小，這樣就控制了液壓缸無桿腔中油液的壓力和流量，從而改變液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度和方向。

圖9-3b?雙邊（三通伺服閥）

圖9-3b為雙邊控制滑閥。它有兩個(gè)控制邊a、b（可變節(jié)流口）。有負(fù)載口、供油口和回油口三個(gè)通道，故又稱為三通伺服閥。壓力油一路直接進(jìn)入液壓缸有桿腔；另一路經(jīng)閥口進(jìn)入液壓缸無桿腔并經(jīng)閥口流回油箱。當(dāng)閥芯向右或向左移動(dòng)時(shí)，x₁增大x₂減小或x₁減小x₂增大，這樣就控制了液壓缸無桿腔中油液的壓力和流量，從而改變液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度和方向。

以上兩種形式只用于控制單桿的液壓缸。

圖9-3c四邊（四通伺服閥）

圖9-3c為四邊控制滑閥、四邊控制滑閥動(dòng)畫。它有四個(gè)控制邊a、b、c、d（可變節(jié)流口）。有兩個(gè)負(fù)載口、供油口和回油口四個(gè)通道，故又稱為四通伺服閥。其中a和b是控制壓力油進(jìn)入液壓缸左右油腔的，c和d是控制液壓缸左右油腔回油的。當(dāng)閥芯向左移動(dòng)時(shí)，x₁?、x₄減小，x_2、x₃增大，使p₁迅速減小，p₂迅速增大，活塞快速左移?。反之亦然。這樣就控制了液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度和方向。這種滑閥的結(jié)構(gòu)形式即可用來控制雙桿的液壓缸，也可用來控制單桿的液壓缸。

由以上分析可知，三種結(jié)構(gòu)形式滑閥的控制作用是相同的。四邊滑閥的控制性能最好，雙邊滑閥居中，單邊滑閥最差。但是單邊滑閥容易加工、成本低，雙邊滑閥居中，四邊滑閥工藝性差加工困難，成本高。一般四邊滑閥用于精度和穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)；單邊和雙邊滑閥用于一般精度的系統(tǒng)。

圖9-4滑閥在零位時(shí)的開口形式

a?負(fù)開口（t>h）、b?零開口（t=h）、c?正開口（t<h）

圖9-4為滑閥在零位時(shí)的幾種開口形式，圖9-4a為負(fù)開口（正遮蓋）、圖9-4b為零開口（零遮蓋）、圖9-4c為正開口（負(fù)遮蓋）。

2．射流管閥

圖9-5?射流管閥

1－液壓缸?2－接受器?3－射流管

如圖9-5所示，射流管閥由射流管3、接受板2和液壓缸1組成，射流管3由垂直于圖面的軸c支撐并可繞軸左右擺動(dòng)一個(gè)不大的角度。接受板上的兩個(gè)小孔a和b分別和液壓缸1的兩腔相通。當(dāng)射流管3處于兩個(gè)接受孔道a、b的中間位置時(shí)，兩個(gè)接受孔道a、b內(nèi)的油液的壓力相等，液壓缸1不動(dòng)；如有輸入信號(hào)使射流管3向左偏轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度時(shí)，兩個(gè)接受孔道a、b內(nèi)的壓力不相等，液壓缸1左腔的壓力大于右腔的，液壓缸1向右移動(dòng)，反之亦然。

射流管的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工精度低、抗污染能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是慣性大響應(yīng)速度低、功率損耗大。因此這種閥只適用于低壓及功率較小的伺服系統(tǒng)。

3．噴嘴擋板閥

圖9-6?雙噴嘴擋板閥

1－擋板?2、7固定節(jié)流小孔?3、6－噴嘴?4、5－節(jié)流縫隙

噴嘴擋板閥因結(jié)構(gòu)不同分單噴嘴和雙噴嘴兩種形式，兩者的工作原理相似。圖9-6所示為雙噴嘴擋板閥的原理圖。它主要由擋板1、噴嘴3和6、固定節(jié)流小孔2、7和液壓缸等組成。壓力油經(jīng)過兩個(gè)固定阻尼小孔進(jìn)入中間油室再進(jìn)入液壓缸的兩腔，并有一部分經(jīng)噴嘴擋板的兩間隙4、5流回油箱。當(dāng)擋板處于中間位置時(shí)，液壓缸兩腔壓力相等，液壓缸不動(dòng)；當(dāng)輸入信號(hào)使擋板向左移動(dòng)時(shí)，節(jié)流縫隙5關(guān)小，4開大，液壓缸向左移動(dòng)。因負(fù)反饋的作用，噴嘴跟隨缸體移動(dòng)直到擋板處于兩噴嘴的中間位置時(shí)液壓缸停止運(yùn)動(dòng)。建立起一種新的平衡。???

噴嘴擋板閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、運(yùn)動(dòng)部件慣性小、反應(yīng)快、精度和靈敏度較高。缺點(diǎn)是無功損耗大、抗污染能力較差、常用于多級(jí)放大式伺服元件中的前置級(jí)。

（四）電液伺服閥在閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

圖9-7帶鋼恒張力控制系統(tǒng)

1－張力調(diào)節(jié)液壓缸2－牽引輥3－熱處理爐4、4’－轉(zhuǎn)向輥5－力傳感器6－浮動(dòng)閥7－電液伺服閥8－加載裝置9－電放大器

在帶鋼生產(chǎn)過程中，要求控制帶鋼的張力。圖9-7所示為帶鋼恒張力控制系統(tǒng)，牽引輥2牽引帶鋼移動(dòng)，加載裝置8使帶鋼保持一定的張力。當(dāng)張力由于某種干擾發(fā)生波動(dòng)，通過設(shè)置在轉(zhuǎn)向輥4’軸承上的力傳感器5檢測(cè)帶鋼的張力，并和給定值進(jìn)行比較，得到偏差值，通過電放大器9放大后，控制電液伺服閥7，進(jìn)而控制輸入液壓缸1的流量，驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)輥6來調(diào)節(jié)張力，使張力回復(fù)到原來給定之值。

二、機(jī)液伺服閥

機(jī)液伺服閥的工作原理與電液伺服閥基本相同，不同點(diǎn)是電液伺服閥的輸入信號(hào)是通過力（力矩）馬達(dá)產(chǎn)生的，而機(jī)液伺服閥的輸入信號(hào)為機(jī)動(dòng)或手控的位移。

????機(jī)液伺服閥廣泛應(yīng)用于仿形加工和車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，下面以這兩類系統(tǒng)為例說明機(jī)液伺服系統(tǒng)的工作原理。

（一）液壓仿形刀架

車床液壓仿形刀架是由位置控制機(jī)—液伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，按照樣件（靠模）的輪廓形狀，對(duì)工件進(jìn)行仿形車削加工的裝置。用這種仿形刀架對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，只要先用普通方法加工一個(gè)樣件，然后用這個(gè)樣件就可以復(fù)制出一批零件來。它不但可以保證加工的質(zhì)量，生產(chǎn)率高，而且調(diào)整簡(jiǎn)單，操作方便，因此在批量車削加工中（尤其是對(duì)特形面的加工）被廣泛地采用。

圖9-8?車床液壓仿行刀架

1－工件2－車刀3－刀架4－創(chuàng)身導(dǎo)軌5－溜板6－缸體7－閥體8－杠桿9－桿10－伺服閥心11－觸銷12－靠模

圖9-8為某車床上液壓仿形刀架的示意圖。液壓仿形刀架傾斜安裝在車床溜板5的上面，工作時(shí)，隨溜板作縱向運(yùn)動(dòng)。靠模12安裝在床身支架上固定不動(dòng)。仿形刀架液壓缸的活塞桿固定在刀架的底座上，缸體6、閥體7和刀架3連成一體，可在刀架底座的導(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動(dòng)。伺服閥心10在彈簧的作用下通過桿9使杠桿8的觸銷11緊壓在靠模上。

車削圓柱面時(shí)，溜板沿床身導(dǎo)軌4縱向移動(dòng)。杠桿觸銷在靠模上方AB段內(nèi)水平滑動(dòng)，伺服閥閥口不打開，沒有油液進(jìn)入液壓缸，整個(gè)仿形刀架只是跟隨拖板一起縱向移動(dòng)，車刀在工件1上車削出A^，B^，段圓柱面。

車削圓錐面時(shí)，溜板仍沿床身導(dǎo)軌4縱向移動(dòng)，觸銷沿靠模BC段滑動(dòng)，杠桿向上偏擺，從而帶動(dòng)閥心上移，打開閥口，壓力油進(jìn)入液壓缸上腔，液壓缸下腔油液流回油箱，液壓力推動(dòng)缸體連同閥體和刀架一起沿液壓缸軸線方向向上運(yùn)動(dòng)。此兩運(yùn)動(dòng)的合成就使刀具在工件上車出B^，C^，段圓錐面。

其它曲面形狀或凸肩也都是在這樣的合成運(yùn)動(dòng)下，由刀具在工件上仿形加工出來的。仿形加工結(jié)束時(shí)，通過電磁閥（圖中未畫出）使杠桿抬至最上方位置，這時(shí)伺服閥閥芯上移，壓力油進(jìn)入液壓缸上腔，其下腔的油液通過伺服閥流回油箱，仿形刀架快速退回原位。

（二）滑閥式液壓伺服轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)?

圖9-9轉(zhuǎn)向液壓助力器

1－活塞2－缸體3－閥心4－擺桿5－方向盤6－轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)

為減輕司機(jī)的體力勞動(dòng)，通常在機(jī)動(dòng)車輛上采用轉(zhuǎn)向液壓助力器。這種液壓助力器是一種位置控制的液壓伺服機(jī)構(gòu)。圖9-9是轉(zhuǎn)向液壓助力器的原理圖，它主要由液壓缸和控制滑閥兩部分組成。液壓缸活塞桿1的右端通過鉸銷固定在汽車底盤上，液壓缸缸體2和控制滑閥閥體連在一起形成負(fù)反饋，由方向盤5通過桿4控制滑閥閥芯3的移動(dòng)。當(dāng)缸體2前后移動(dòng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)6等控制車輪偏轉(zhuǎn)，從而操縱汽車轉(zhuǎn)向。當(dāng)閥芯3處于圖示位置時(shí)，各閥口均關(guān)閉，缸體2固定不動(dòng)，汽車保持直線運(yùn)動(dòng)。由于控制滑閥采用負(fù)開口的形式，故可以防止引起不必要的擾動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向盤，假設(shè)使閥芯3向右移動(dòng)時(shí)，液壓缸中壓力p₁減小，p₂增大，缸體也向右移動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向連桿6向逆時(shí)針方向擺動(dòng)，使車輪向左偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎，反之，缸體若向左移就可實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎。

實(shí)際操作時(shí)，方向盤旋轉(zhuǎn)的方向和汽車轉(zhuǎn)彎的方向是一致的。為使駕駛員在操縱方向盤時(shí)能感覺到轉(zhuǎn)向的阻力，在控制滑閥端部增加兩個(gè)油腔，分別與液壓缸前后腔相通（見圖9-9），這時(shí)移動(dòng)控制滑閥芯時(shí)所需要的力就和液壓缸的兩腔壓力差（△p=p₁-p₂）成正比，因而具有真實(shí)感。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的液压伺服控制技术和电液比例控制技术的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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