（高职）液压与气动技术（第二版）第八章液压伺服系统ppt课件.ppt

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1、液压与气动技术（第二版）第八章 液压伺服系统第八章液压伺服系统第八章液压伺服系统主要内容：主要内容：u液压伺服系统概述液压伺服系统概述u电液伺服系统电液伺服系统u机液伺服系统机液伺服系统第一节液压伺服系统概述第一节液压伺服系统概述 液压伺服系统是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的一种液压自动控制系统。它的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而进行动作。液压伺服控制系统除了具有液压传动的各种优点外，还具有体具有体积小、响应速度快、系统刚度大和控制精度高等优点积小、响应速度快、系统刚度大和控制精度高等优点，因此广泛应用于机床、重型机械、起重机械、汽车、飞机、船舶和军事装备等方面

2、。一、液压伺服系统的工作原理及基本特点一、液压伺服系统的工作原理及基本特点图8-1液压传动系统1液压伺服系统的工作原理液压伺服系统的工作原理 如图所示为一简单的液压传动系统，用一个四通滑阀控制液压缸推动负载运动。当向右给阀芯一个输入位移量xi时，则滑阀移动某一开口量xv，此时，压力油进入液压缸右腔，液压缸左腔回油，在压力油的作用下缸体向右运动，输出位移xp。图8-2液压传动系统 若将滑阀和液压缸组合成一个整体，上述系统就变成一个简单的液压伺服系统，如图8-2所示。由于阀体与缸体制成一个整体，从而构成反馈控制。它的反馈控制过程是：当控制滑阀处于中间位置（零位，即没有信号输入，xi =0）时，阀芯

3、凸肩恰好遮住通往液压缸的两个油口，阀没有流量输出，缸体不动，系统的输出量xp=0，系统处于静止平衡状态。 若给控制滑阀一个输入位移xi（图8-2中向右），阀芯将偏离其中间位置，则节流窗口a、b便有一个相应的开口量xo= xi， 压力油经a口进入液压缸右腔，左腔油液经b口回油，缸体右移xp，由于阀体与缸体是固连在一起的，因此阀体也右移xo。因阀芯受输入端制约，则阀的开口量减小，即xv= xi- xo， 直到xo= xi(xv=0)时，阀的输出流量等于零，缸体停止运动，处在一个新的平衡位置，完成了液压缸输出位移对滑阀输入位移的跟随运动。如果控制滑阀反向运动，液压缸也反向跟随运动。这种系统移动滑阀所

4、需要的信号功率很小，而系统的输出功率却很大。因此，这也是一个功率放大系统（功率放大所需要的能量由液压能源供给，供给能量的控制是根据系统偏差的大小而自动地进行）。控制滑阀作为转换、放大元件，把输入的机械信号（位移或速度）转换并放大成液压信号（流量或压力）输出至液压缸。 在这个系统中，输出位移xv之所以能够精确地复现输入位移xi的变化，是因为缸体和阀体是一个整体，构成了负反馈控制。缸体的输出信号（位移xo）反馈至阀体。并与滑阀输入信号（位移xi）进行比较，有偏差（即有开口量）缸体就继续移动，直到偏差消除为止。 由此可见，在此系统中滑阀阀芯不动，液压缸也不动；阀芯移动多少距离，液压缸也移动多少距离；

5、阀芯移动速度快，液压缸移动速度也快；阀芯向哪个方向移动，液压缸也向哪个方向移动。 只要给控制滑阀以某一规律的输入信号，则执行元件（系统输出）就自动地、准确地跟随控制滑阀，也按照这个规律运动。 在这个系统中，反馈介质是机械连接，称为机械反馈。一般说来，反馈介质可以是机械的、电气的、气动的、液压的或它们的组合形式。 综上所述，液压伺服系统的工作原理就是利用反馈得到偏差信号，控制液压能源输入系统的能量（流量和压力），使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符。 这一原理也可用如图8-3所示的方块图表示。图8-3液压伺服系统工作原理框图（1）液压伺服系统是一个自动跟踪系统（或称随动

6、系统），其输出量能够自动地跟随输入量的变化规律而变化。（2）液压伺服系统是一个有差系统。系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也可以说液压伺服系统是靠偏差信号进行工作的。（3）液压伺服系统是一个负反馈系统。它的控制阀体和液压缸固连在一起，构成了一个反馈控制通路，使输出信号能精确地复现输入信号的变化。液压缸输出位移 xo 与控制阀体的输入位移 xi 相比较，从而逐渐减小和消除输出信号和输入信号之间的偏差，即滑阀的开口量，直至输出位移和输入位移相同为止。2液压伺服系统的基本特点液压伺服系统的基本特点（4） 液压伺服系统是一个功率（或力）放大系统。移动滑阀所需信号功率是很

7、小的，而系统的输出功率（液压缸输出的速度和力）却可以很大。执行元件输出的功率远大于输入信号的功率，多达几百倍，甚至几千倍。二、液压伺服系统的类型及组成二、液压伺服系统的类型及组成 1液压伺服系统的类型液压伺服系统可以从不同的角度加以分类。（1） 按被控制物理量的不同分：位置伺服系统、速度伺服系统、力（或压力）伺服系统等。（2） 按控制信号的类别和回路的组成不同分：机械液压伺服系统、电气液压伺服系统、气动液压伺服系统。（3） 按控制元件的不同分：滑阀式、射流管式、喷嘴挡板式、转阀式伺服系统。（4） 按控制方式的不同分：阀控系统（节流式），由伺服阀利用节流原理，控制输入执行元件的流量或压力的系统；

8、泵控系统（容积式），利用伺服变量泵改变排量的办法，控制输入元件的流量或压力的系统。2液压伺服系统的组成图8-4液压伺服系统方框图实际的液压伺服系统无论多么复杂，也都是由一些功能相同的基本元件组成（图8-4）。（1）输入元件它给出输入信号（指令信号）加于系统的输入端。（2）反馈测量元件测量系统的输出量，并转换成反馈信号，如上例中缸体与阀体的机械连接。（3）比较元件将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。反馈信号与输入信号应是相同的物理量，以便进行比较。比较元件有时不单独存在，而是与输入元件、反馈测量元件或放大转换元件一起组合为同一结构元件，如上例中伺服阀同时构成比较和放大两种功能。（4）放大

9、转换元件将偏差信号放大并转换成液压信号（压力或流量），如伺服放大器、液压控制阀、电液伺服阀等。（5）液压执行元件与液压传动系统中的相同，通常指液压缸或液压马达。（6）控制对象它是系统中所控制的对象，如工作台及其他负载装置。三、电液伺服阀三、电液伺服阀 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能将输入的微小电信号转换为大功率的液压信号输出，是电液伺服控制系统的关键元件。 电液伺服阀可分为电液流量控制伺服阀和电液压力控制伺服阀两大类，最常用的是电液流量伺服阀。 图8-5为一种典型的力反馈电液伺服阀的结构与工作原理图。电液伺服阀由力矩马达（或力马达）、液压放大器、反馈机构（或平衡机构）三部分

10、组成。图8-5力反馈电液伺服阀工作原理（1） 力矩马达 力矩马达是一个电磁元件，其作用是将输入的电信号变成力或力矩，控制液压放大器运动。电磁部分是一个力矩马达，由一对永久磁铁1、导磁体2、4、衔铁3、线圈12和弹簧管11等组成。其工作原理为：永久磁铁将两块导磁体磁化为N极和S极，形成一个固定磁场。当线圈12无控制电流通过时，衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，力矩马达无力矩输出，挡板5处于两喷嘴的中间位置。当有控制电流通过线圈12时，衔铁3被磁化。若通入的电流使衔铁左端为N极，右端为S极，根据磁极间同性相斥、异性相吸的原理，衔铁向逆时针方向偏转角。 于是弹簧管弯曲变形，产生相应的反力矩，

11、直至电磁力矩与弹簧管反力矩相平衡为止。由于电磁力与输入电流成正比，弹簧管的弹性力矩又与其转角成正比，因此，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。（2） 前置放大级 由于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，须先进行放大。液压放大器控制液压能源流向液压执行元件的流量或压力，通常包括前置放大器和功率放大器两级。第一级采用双喷嘴挡板，称前置放大级。 前置放大级由挡板5（与衔铁固连在一起）、喷嘴6、固定节流孔7和滤油器8组成。其工作原理为：当没有控制电流时，衔铁处于中位，挡板也处于中位，p1=p2， 滑阀不动，四个阀口均关闭。

12、因此，无液压信号输出。当有控制电流时，力矩马达使衔铁偏转，挡板5也一起偏转，挡板偏离中间位置后，喷嘴内腔的油液压力p1、p2 发生变化。若衔铁带动挡板逆时针偏转时，挡板的节流小孔间隙右侧减小，左侧增大，于是，压力p1增大，p2减小，滑阀9在压力差的作用下向左移动。（3） 功率放大级 功率放大级是由滑阀9 和阀体10 组成的。其作用是将前置放大级输入的滑阀位移信号进一步加以放大，实现控制功率的转换与放大。其工作原理为：当电流使衔铁与挡板做逆时针方向偏转时，滑阀受压差作用而向左移动，这时油源的压力油从滑阀左侧通道A 进入液压马达13，回油经滑阀右侧通道及中间空腔流回油箱，使液压马达13 旋转。与此

13、同时，随着滑阀向左移动，使挡板在两喷嘴的偏移量减小，实现了反馈作用，这种反馈作用使挡板向中位移动，使滑阀两端压力差相应地减小；当滑阀上的液压作用力与挡板弹性反力平衡时，滑阀便保持在某一开度上不再移动，并有相应的流量输出。 输入的控制电流越大，滑阀的偏移量也越大，输出的流量越多，因而执行元件的运动速度就越高。当控制电流反向时，衔铁顺时针方向偏转，滑阀右移，输出的压力油也反向流动，使执行元件反向运动。因此，输入控制电流的方向和大小决定了执行元件的运动方向和速度。由上述分析可知，滑阀位置是通过反馈杆变形力反馈到衔铁上，使诸力平衡而决定的。所以称此阀为力反馈式电液伺服阀。第二节电液伺服系统第二节电液伺

14、服系统 电液伺服系统是由电的信号处理部分和液压的功率输出部分组成的闭环控制系统。电液伺服控制系统综合了电和液压两方面的优势，具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑和质量轻等优点，因此得到了广泛的应用。一、机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统一、机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统 机械手是现代工业生产和自动化设备中出现的新型装置。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。由于每一个液压伺服系统的原理均相同，仅以伸缩运动伺服系统为例，介绍其工作原理。图8-6机械手手臂伸缩运动电液伺服系统原理图 图8-6是机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图。系统主要由电

15、放大器1、电液伺服阀2，液压缸3、机械手手臂4、齿轮齿条机构5、电位器6和步进电动机7等元件组成。指令信号由步进电动机发出。步进电动机将数控装置发出的脉冲信号转换成角位移，其输出转角与输入脉冲数成正比，输出转速与输入脉冲频率成正比。步进电动机的输出轴与电位器的动触头连接。电位器输出的微弱电压经放大器放大后产生相应的信号电流控制电液伺服阀，推动液压缸产生相应的位移。其位移又通过齿条带动齿轮转动。由于电位器固定在齿轮上，最终又使触头回到中位，控制机械手的伸缩运动。 其具体工作过程如下：当数控装置发出一定数量的脉冲时，步进电机就带动电位器的动触头转动，假定顺时针转过一定的角度，这时，电位器输出电压为

16、u，经放大器放大后输出电流为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，推动活塞带动机械手手臂右移，液压缸右腔回油经伺服阀流回油箱。机械手手臂上的齿条带动齿轮也做顺时针转动，当转到f时，动触头回到电位器中位，电位器输出电压为零，放大器输出电流也为零，电液伺服阀回到零位，没有流量输出，手臂即停止运动。当数控装置发出反向脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，机械手手臂缩回。 图8-7为机械手手臂伸缩运动伺服系统方框图。在这个系统中，输入信号为步进电动机的转角；输出信号为液压缸的位移，即机械手的位移y；反馈信号为齿轮的转角f；偏差信号为电位器的输出电压u，uK( -

17、 f),其中，K为电位器的增益。最终，当齿轮转角f等于步进电动机转角时，偏差信号uK(-f)=0， 系统停止运动。图8-7机械手伸缩运动伺服系统方框图第三节机液伺服系统第三节机液伺服系统 机械液压伺服系统简称为机液伺服系统，这种系统是通过机械传动方式，将机械运动形式的信号输入到系统中，操纵有关的液压控制元件动作，来控制液压执行元件使其跟随输入信号而动作的。 这类伺服系统几乎都是专门用来进行位置控制的，即控制液压执行元件运动的位置。由于它具有结构简单、工作可靠、维护简便、价格低廉等特点，故广泛地应用于飞机、导弹、喷气发动机、液压仿形机床及行走机械动力转向装置液压系统中。汽车转向助力器的机液伺服系

18、统汽车转向助力器的机液伺服系统大型载重卡车广泛采用液压助力器；用以减轻司机的体力劳动和提高汽车转向的灵活性。这种液压助力器也是一种机液伺服位置控制系统。图8-8转向液压助力器 图8-8是转向液压助力器的原理图，它主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。液压缸活塞1的右端通过铰销固定在汽车底盘上，液压缸缸体2和控制滑阀阀体连在一起形成负反馈，由方向盘5通过摆杆4控制滑阀阀芯3的移动。当缸体2前后移动时，通过转向连杆机构6等控制车轮偏转，从而操纵汽车转向。当阀芯3处于图示位置时，各阀口均关闭，缸体2固定不动，汽车保持直线运动。由于控制滑阀采用负开口的形式，则可以防止引起不必要的扰动。当逆时针旋转方向盘时

19、，摆杆4使阀芯3向右移动，液压缸中压力p1减小，p2增大，缸体也向右移动，带动转向连杆6 向逆时针方向摆动，使车轮向左偏转，实现左转弯；反之，缸体若向左移就可实现右转弯。实际操作时，驾驶方向盘的旋转方向和汽车转弯的方向是一致的。为使驾驶员在操纵方向盘时能感觉到转向的阻力，所以在控制滑阀端部增加两个油腔A、B，分别与液压缸左、右腔相通；这时移动控制阀阀芯时所需的力就和液压缸的两腔压力差（pp1p2）成正比，因而具有真实感。巩固与练习巩固与练习一、填空题1液压伺服系统，是在和基础上建立起来的一种液压自动控制系统。2液压伺服控制系统除了具有液压传动的各种优点外，还具有、系统刚度大和控制精度高等优点。

20、3液压伺服系统是一个系统，其输出量能够自动地跟随输入量的变化规律而变化。4 液 压 伺 服 系 统 按 被 控 制 物 理 量 的 不 同 分 为 ：伺服系统、伺服系统和力（或压力）伺服系统等。5电液伺服阀由、和三部分组成。二、判断题（ ）1. 液压伺服系统广泛应用于机床、重型机械、起重机械、汽车、飞机和军事装备等方面。（ ）2. 力矩马达产生的力矩不能直接用来驱动四边控制滑阀。（ ）3. 液压伺服系统中液压放大器的第一级是功率放大器。（ ）4. 电液伺服阀既是电液转换元件，又是电压放大元件。（ ）5. 机液伺服系统是通过机械传动方式，将机械运动形式的信号输入到系统中，操纵有关的液压控制元件动

21、作，来控制液压执行元件使其跟随输入信号而动作的。三、选择题1液压伺服系统具有（）、（）、系统刚度大和控制精度高等优点。 A.体积小响应速度快 B.体积大响应速度快 C.体积小响应速度慢 D.体积大响应速度慢2电液伺服阀由（）、液压放大器、反馈机构（或平衡机构）三部分组成。 A.柱塞马达 B.叶片马达 C.齿轮马达 D.力矩马达3电液伺服系统输入的电信号一般都（）。 A.比较大 B.比较小 C.中等 D.无法判断4机液伺服系统是专门用来进行液压执行元件运动的（）控制的。 A.位置 B.压力 C.流量 D.速度四、简答题1.什么是液压伺服系统？它与普通液压系统有何区别？2.液压伺服系统有哪些基本类型？它们各有哪些优缺点？3.电液伺服阀是由哪几部分组成的？什么叫力反馈？ 力反馈是通过什么元件并如何实现的？4.为什么液压仿形刀架液压缸在安装时要与车床主轴中心线倾斜一个角度？高等教育出版社Higher Education Press谢 谢！