液压伺服系统

第十章液压伺服系统郭婷制作本章目录第一节概述第二节液压伺服控制元件第三节电液伺服阀第四节液压伺服系统实例第一节概述一、液压伺服系统的工作原理仿形刀架装在车床床鞍后部，随床鞍一起作纵向移动，并按照样件的轮廓形状车削工件；样件安装在床身支架上，是固定不动的。液压泵站则放在车床附近的地面上，与仿形刀架以软管相连。液压仿形刀架工作原理图10-1液压仿形刀架工作原理图仿形刀架的活塞杆固定在刀架底座上，液压缸的缸体6、杠杆8、伺服阀体7是和刀架3连在一起的，可在刀架底座的导轨上沿液压缸轴向移动。伺服阀芯10在弹簧的作用下通过阀杆9将杠杆8上的触销11压在样件12上。由液压泵14来的油经滤油器13通入伺服阀的A口，并根据阀芯所在位置经B或C通入液压缸的上腔或下腔，使刀架3和车刀2退离或切入工件1。图10-1液压仿形刀架工作原理图车削圆柱面时，溜板沿床身导轨4纵向移动。杠杆触销在样件上水平段滑动，阀口不打开，刀架跟随溜板一起纵向移动，车刀在工件1上车出圆柱面；车削圆锥面时，触销沿样件斜线滑动，杠杆向上方偏摆，带动阀芯上移，阀口打开，压力油进入缸上腔推动缸体连同阀体和刀架后退。阀体后退逐渐关小阀口，直至关闭。触销在样件上不断抬起，刀架也就不断后退运动，运动合成使刀具在工件上车出圆锥面。图10-1液压仿形刀架工作原理图节标题其它曲面形状或凸肩都是合成切削的结果。如图所示，v1、v2和v分别表示溜板带动刀架的纵向运动速度、刀具沿液压缸轴向的运动速度和刀具的实际合成速度。二、液压伺服系统特点1）跟踪：输出跟踪输入2）放大：输出大于输入3）误差：输出滞后输入4）反馈：输出减小输入图10-2液压仿形刀架速度合成图图10-3液压伺服控制系统流程图三、液压伺服系统分类按输出物理量分类：位置、速度、力伺服系统按信号分类：机液、电液、气液伺服系统按元件分类：阀控系统、泵控系统液压伺服系统与电气伺服系统相比优点﹕1）体积小﹐重量轻﹐惯性小﹐可靠性好﹔2）快速性好﹔3）刚度大(即输出位移受外负载影响小)﹐定位准确。四、液压伺服控制的优缺点1.优点：(1)液压元件的功率—重量比和力矩-惯量比大可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。(2)液压动力元件快速性好，系统响应快。(3)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，控制精度高。2.缺点：(1)液压元件，特别是精密的液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。(2)油温变化时对系统的性能有很大的影响。(3)当液压元件的密封设计、制造相使用维护不当时．容易引起外漏，造成环境污染。(4)液压元件制造精度要求高，成本高。(5)液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。第二节液压伺服控制元件液压控制元件是液压伺服系统中的核心元件。常见的液压伺服控制元件有控制滑阀、射流管阀和喷嘴挡板阀等。一、控制滑阀1、单边节流滑阀滑阀控制边的开口量xs控制着液压缸右腔的压力和流量，从而控制液压缸运动的速度和方向。图10-4单边节流滑阀结构示意图2.双边节流滑阀压力油一路直接进入液压缸有杆腔，另一路经滑阀左控制边的开口xs1和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边xs2流回油箱。当滑阀向左移动时，xs1减小，xs2增大，液压缸无杆腔压力p1减小，两腔受力不平衡，缸体向左移动。反之缸体向右移动。图10-5双边节流滑阀结构示意图3、四边节流滑阀滑阀有四个控制边，开口xs1、xs2分别控制进入缸两腔的压力油，开口xs3、xs4分别控制液压缸两腔的回油。当滑阀向左移动时，液压缸左腔进油口xs1减小，回油口xs3增大，使p1迅速减小；与此同时，液压缸右腔的进油口xs2增大，回油口xs4减小，使p2迅速增大。这样就使活塞迅速左移。图10-6四边节流滑阀结构示意图4、三种节流边的对零状态1）负开口（xs＜0）有较大的不灵敏区，较少采用（图10-7a）2）正开口（xs＞0）工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳定性也较差。（图10-7b）3）零开口（xs=0）其工作精度最高，制造工艺性差。（图10-7c）图10-7滑阀的不同开口形式二、射流管阀收孔a、b，分别与液压缸两腔相通。压力油从管道进入射流管后从锥形喷嘴射出，经接收孔进入液压缸两腔。射流管偏向哪个接收孔，油缸相应的工作腔压力提高，缸体就向那个方向运动。射流管阀由射流管1和接收板2组成。射流管可绕Ｏ轴左右摆动一个不大的角度，接收板上有两个并列的接图10-8射流管阀1-射流管2-接受器三、喷嘴挡板阀由挡板1、喷嘴2和3、固定节流小孔4和5等元件组成。挡板和两个喷嘴之间形成两个可变截面的节流缝隙δ1和δ2。当挡板处于中间位置时，两缝隙所形成的液阻相等，两喷嘴腔内的油压相等，缸不动。当输入信号使挡板向左偏摆时，可变缝隙δ1关小δ2开大p1上升p2下降，缸体向左移动。当喷嘴跟随缸体移动到挡板两边对称位置时，缸运动停止。图10-9喷嘴挡板阀第三节电液伺服阀电液伺服阀是电液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能量输出。它具有控制精度高和放大倍数大等优点，在液压控制系统中得到广泛的应用。图10-10电液伺服阀一、电液伺服阀的组成由力矩马达和液压放大器组成。1.力矩马达组成由一对永久磁铁1、导磁体2和衔铁3、线圈5和内部悬置挡板7的弹簧管6等组成。2.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。功率放大级功率放大级主要由滑阀9和挡板下部的反馈弹簧片组成。图10-10电液伺服阀二、电液伺服阀工作原理1.力矩马达工作原理磁铁把导磁体磁化成N、S极，形成磁场。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，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。图10-10电液伺服阀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，两喷嘴与挡板之间的间隙不等，致使滑阀两端压力不等，推动阀芯移动。2.前置放大级工作原理图10-10电液伺服阀3.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的输入电流，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。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。图10-10电液伺服阀第四节液压伺服系统实例实例一机械手伸缩运动伺服系统包括四个伺服系统，分别控制机械手的伸缩、回转、升降和手腕的动作。以伸缩伺服系统为例，介绍其工作原理。一、组成主要由电液伺服阀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、步进电机6和放大器7等元件组成。图10-11机械手伸缩电液伺服工作原理图二、工作原理步进电机将数控部分的脉冲信号转换成相应的转角θi，动触头偏离电位器中位，产生微弱电压u1，经放大后再输入电液伺服阀1的控制线圈u2，产生一定的开口量。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。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。当数控装置发反向脉冲时，步进电机逆时针转动，手臂缩回。图10-11机械手伸缩电液伺服工作原理图图示的纸带张力控制系统中，2为牵引辊，8为加载装置，它们使纸带具有一定的张力。由于张力可能有波动，为此在转向辊4的轴承上设置力传感器5，以检测纸张张力，并用伺服液压缸1带动浮动辊6来调节张力。当实测张力与要求张力有偏差时，偏差电压经放大器9放大后得电液伺服阀7有输出活塞带动浮动辊6调节纸带的张紧程度以减少其偏差，所以这是力控制系统。实例二纸带张力控制系统图10-12纸带张力电液伺服控制原理图