液压伺服系统教程.pdf

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1、液压伺服系统液压伺服系统11.1 概述概述11.2 典型的液压伺服控制元件典型的液压伺服控制元件11.3 电液伺服阀电液伺服阀11.4 液压伺服系统实例液压伺服系统实例返回返回11.1 概述概述1.液压伺服系统的工作原理和特点图11.1是一种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，液压缸就以某 一调定速度运动。通过前述分析可知，当负载、油 温等参数发生变化时，这种系统将无法保证原有的 运动速度，因而其速度精度较低且不能满足连续无 级调速的要求。这里将节流阀的开口大小定义为输入量，将液 压缸的运动速度定义为输出量或被调节量。在上述 系统中，当负载、油温等参数的变化而引起输出

2、量（液压缸速度）变化时，这个变化并不影响或改变 输入量（阀的开口大小），这种输出量不影响输入 量的控制系统被称为开环控制系统。开环控制系统 不能修正由于外界干扰引起的输出量或被调节量的 变化，因此控制精度较低。图11.1 进口节流阀式节流调速回路液压伺服系统的工作原理和特点液压伺服系统的工作原理和特点(2/5)为了提高系统的控制精度，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，并判断实际速度与 所要求的速度之间的差别。然后，操作者按这一差别 来调节节流阀的开口量，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

3、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11.2表 示。图11.2 液压缸速度调节过程示意图由图11.2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 反作用被称为反馈。在实际系统中，为 了实现自动控制，必须以电器、机械装 置来代替人，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自动控制系 统，被称为闭环控制系统。图11.3为采 用电液伺服阀控制的液压缸速度闭环自 动控制系统。这一系统不仅使液压缸速 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

4、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。液压伺服系统的工作原理和特点液压伺服系统的工作原理和特点(3/5)图11.3 阀控油缸闭环控制系 统原理图1齿条；2齿轮；3测速 发电机；4给定电位计；5 放大器；6电液伺服阀；7 液压缸上述系统的工作原理如下：在某一稳定状态下，液 压缸速度由测速装置测得（齿条1、齿轮2和测速发电机 3）并转换为电压uf0。这一电压与给定电位计4输入的电 压信号ug0 进行比较。其差ue0=ug0-uf0 值经积分放大器放 大后，以电流i0 输入给电液伺服阀6。电液伺服阀按输入 电流的大小和方向自动地调节其开口量的大小和移动方 向，控制输

5、出油液的流量大小和方向。对应所输入的电 流i0，电液伺服阀的开口量稳定地维持在xv0，伺服阀的 输出流量为q0，液压缸速度保持为恒值0。如果由于干 扰的存在引起液压缸速度增大，则测速装置的输出电压 uf uf0，而使ue=ug0-uf ue0，放大器输出电流ii0。电液伺 服阀开口量相应减小，使液压缸速度降低，直到=0 时，调节过程结束。按照同样原理，当输入给定信号电 压连续变化时，液压缸速度也随之连续地按同样规律变 化，即输出自动跟踪输入。液压伺服系统的工作原理和特点液压伺服系统的工作原理和特点(4/5)液压伺服系统的特点如下：（1）反馈。把输出量的一部分或全部按一定方式回送到 输入端，并和

6、输入信号进行比较，这就是反馈。在上例中，反馈（测速装置输出）电压和给定（输入信号）电压是异号 的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这是负反馈。自动控 制系统大多数是负反馈。（2）偏差。要使液压缸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。液压缸运动的结果又力图消除这个误差。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。（3）放大。执行元件（液压缸）输出的力和功率远远大 于输入信号的力和功率，其输出的能量是液压能源供给的。（4）跟踪。液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。液压伺服系统的工作原理和特点液压伺服系统的

7、工作原理和特点(5/5)2.液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节图11.4是上述速度伺服系统的职能方框图。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 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作用。因此，职能方框图是用来 表示自动控制系统工作过程的。由职能方框图可以看出，上 述速度伺服系统是由输入（给定）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。图11.4 速度伺服系统职能方框图实际上，任何一个伺服系统都是由这些元件（环 节）组成的，如图11.5所示。

8、液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节(2/4)图11.5 控制系统的组成环节下面对图11.5中各元件做一些说明：（1）输入（给定）元件。通过输入元件，给出必 要的输入信号。如上例中由给定电位计给出一定电压，作为系统的控制信号。（2）检测、反馈信号。它随时测量输出量（被控 量）的大小，并将其转换成相应的反馈信号送回到比较 元件。上例中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（偏差信号）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

9、入元件或放大元件的一部分来实现比较功能。液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节(3/4)（4）放大、转换元件。将偏差信号放大并转换（电气、液压、气动、机械间相互转换）后，控制执行 元件动作。如上例中的电液伺服阀。（5）执行元件（机构）。直接带动控制对象动作 的元件或机构。如上例中的液压缸。（6）控制对象。如机器的工作台、刀架等。液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节液压伺服系统的职能方块图和系统的组成环节(4/4)3.液压伺服系统的分类伺服系统可以从下面不同的角度加以分类。（1）按输入的信号变化规律分类：有定值控制系统、程 序控制系统和伺服系统三类。

10、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干扰能力。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）按输入信号的不同分类：有机液伺服系统、电液伺 服系统、气液伺服系统等。（3）按输出的物理量分类：有位置伺服系统、速度伺服 系统、力（或压力）伺服系统等。（4）按控制元件分类：有阀控系统和泵控系统。在机械设备中，阀控系统应用较多，故本章重点介绍阀 控系统。4.液压伺服系统的优缺点液压伺服系统除具有液压传动系统所固有的一系 列优点外，还具有控制精度高、响应速

11、度快、自动化程 度高等优点。但是，液压伺服元件加工精度高，因此价格较 贵；对油液污染比较敏感，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，液压伺服系统的缺点将不断得到克服。在自动化技术领域中，液压伺服控制有着广泛的应用前 景。11.2 典型的液压伺服控制元件典型的液压伺服控制元件1.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11.6所示为单边滑阀的工作原理。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。来自 泵的压力油进入单杆液压缸的有杆腔，通过活

12、 塞上小孔a进入无杆腔，压力由ps 降为p1，再通 过控制滑阀唯一的节流边流回油箱。在液压缸 不受外载作用的条件下，p1 A1=ps A2。当阀芯根 据输入信号向左移动时，开口量xs 增大，无杆腔 压力减小，于是p1 A1 ps A2，缸体向左移动。因 为缸体和阀体连接成一个整体，故阀体左移又 使开口量xs 减小（负反馈），直至平衡。图11.6 单边滑阀的 工作原理滑阀滑阀(2/4)图11.7所示为双边滑阀的工作原理。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，并经滑阀右控制边的开口xs2 流回 油箱。当滑阀向左移动时，xs1 减小，xs2 增大，液

13、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；双边控制滑阀比单边控制滑阀的调节 灵敏度高、工作精度高。图11.7 双边控制滑阀的工作原理滑阀滑阀(3/4)图11.8所示为四边滑阀的工作原理。滑阀有四个控制 边，开口xs1、xs2 分别控制进入液压缸两腔的压力油，开口 xs3、xs4 分别控制液压缸两腔的回油。当滑阀向左移动时，液压缸左腔的进油口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。与双边控制 滑阀相比，四边控制滑阀同时控制液压缸两腔的压力和流

14、量，故调节灵敏度高，工作精度也高。图11.8 四边控制滑阀的工作原理滑阀滑阀(4/4)由上述可知，单边、双边和四边控制滑阀的控制作 用是相同的，均起到换向和调节的作用。控制边数越多，控制质量越好，但其结构工艺性差。在通常情况下，四边 控制滑阀多用于精度要求较高的系统；单边、双边控制滑 阀用于一般精度系统。四边滑阀在初始平衡的状态下，其开口有三种形 式，即负开口（xs 0），如图10.9所示。具有零开口的控制滑阀，其工 作精度最高；负开口控制滑阀有较大的不灵敏区，较少采 用；具有正开口的控制滑阀，工作精度较负开口高，但功 率损耗大，稳定性也差。图11.9 滑阀的三种开口形式2.射流管阀图11.1

15、0所示为射流管阀的工作原理。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收孔a、b，它们分别与液压缸两腔 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。当射流管处于两接收孔的中间位置时，两接收孔内油液的压力相等，液压缸不动。当输入信号使射 流管绕O轴向左摆动一小角度时，进入孔b的油液压力就比进 入孔a的油液压力大，液压缸向左移动。由于接收板和缸体连 结在一起，接收板也向左移动，形成负反馈，当射流管又处 于两接受孔中间位置时，液压缸停止运动。射流管阀的优点是结构简单、动 作灵敏、工作可靠。它的缺点是射流 管运动部件惯性

16、较大、工作性能较 差；射流能量损耗大、效率较低；供 油压力过高时易引起振动。这种控制 只适用于低压小功率场合。图11.10 射流管阀的工作原理1射流管；2接收板3.喷嘴挡板阀喷嘴挡板阀有单喷嘴和双喷嘴两种，两者的工作原理基 本相同。图10.11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等元件组成。挡板和两 个喷嘴之间形成两个可变的节流缝隙1 和2。当挡板处于中间 位置时，两缝隙所形成的节流阻力相等，两喷嘴腔内的油液 压力相等，即p1=p2，液压缸不动。压力油经孔道4和5、缝隙 1 和2 流回油箱。当输入信号使挡板向左偏摆时，可变缝隙1 关小，2 开大，p1

17、上升，p2 下降，液压缸缸体向左移动。因 负反馈作用，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；缺点是能量损 耗大、抗污染能力差。喷嘴挡板阀常 用作多级放大伺服控制元件中的前置 级。图11.11 喷嘴挡板阀的工作原理1挡板；2、3喷嘴；4、5 节流小孔11.3 电液伺服阀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。电液伺服阀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 了广泛的应用。图11.12是一种典型的电液伺服 阀工作原理图

18、。它由电磁和液压两部 分组成，电磁部分是一个力矩马达，液压部分是一个两级液压放大器。液 压放大器的第一级是双喷嘴挡板阀，称前置放大级；第二级是四边滑阀，称功率放大级。电液伺服阀的结构原 理如下。图11.12 电液伺服阀的结构原理1永久磁铁；2、4导磁体；3 衔铁；5线圈；6弹簧 7 挡板；8喷嘴；9滑阀；10 节流孔；11滤油器1.力矩马达力矩马达主要由一对永久磁铁1、导磁体2和4、衔 铁3、线圈5和内部悬置挡板7及弹簧管6等组成（见图 11.12）。永久磁铁把上下两块导磁体磁化成N极和S 极，形成一个固定磁场。衔铁和挡板连在一起，由固定 在阀座上的弹簧管支撑，使之位于上下导磁体中间。挡 板下

19、端为一球头，嵌放在滑阀的中间凹槽内。当线圈无电流通过时，力矩马达无力矩输出，挡板 处于两喷嘴中间位置。当输入信号电流通过线圈时，衔 铁3被磁化，如果通入的电流使衔铁左端为N极，右端为 S极，则根据同性相斥、异性相吸的原理，衔铁向逆时 针方向偏转。于是弹簧管弯曲变形，产生相应的反力 矩，致使衔铁转过角便停下来。电流越大，角就越 大，两者成正比关系。这样，力矩马达就把输入的电信 号转换为力矩输出。2.液压放大器力矩马达产生的力矩很小，无法操纵滑阀的启闭来 产生控制大的液压功率。所以要在液压放大器中进行两 级放大，即前置放大和功率放大。前置放大级是一个双喷嘴挡板阀，它主要由挡板 7、喷嘴8、固定节流

20、孔10和滤油器11组成。液压油经滤 油器和两个固定节流孔流到滑阀左、右两端油腔及两个 喷嘴腔，由喷嘴喷出，经滑阀9的中部油腔流回油箱。力矩马达无信号输出时，挡板不动，左右两腔压力相 等，滑阀9也不动。若力矩马达有信号输出，即挡板偏 转，使两喷嘴与挡板之间的间隙不等，造成滑阀两端的 压力不等，便推动阀芯移动。液压放大器液压放大器(2/2)功率放大级主要由滑阀9和挡板下部的反馈弹簧片 组成。前置放大级有压差信号输出时，滑阀阀芯移动，传递动力的液压主油路即被接通（图11.12下方油口的通 油情况）。因为滑阀位移后的开度是正比于力矩马达输 入电流的，所以阀的输出流量也和输入电流成正比。输 入电流反向时

21、，输出流量也反向。滑阀移动的同时，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；另一方 面，挡板变形又使它在两喷嘴间的偏移量减小，从而实 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。因这一最终位 置是由挡板弹性反力的反馈作用而达到平衡的，故这种 反馈是力反馈。11.4 液压伺服系统实例液压伺服系统实例1.车床液压仿形刀架车床液压仿形刀架是机液伺服系统。结合图11.13来说 明它的工作原理和特点。图11.13 车床液压仿形刀架的工作原理1工件；2车刀；3刀架；4导轨；5溜板；6 缸体；7阀体；8杠杆；9杆；10阀芯；11 触销；

22、12样件；13滤油器；14液压泵车床液压仿型刀架车床液压仿型刀架(2/3)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12安装在床身后侧支架上固定不动。液 压泵站置于车床附近。仿形刀架液压缸的活塞杆固定在刀架 的底座上，缸体6、阀体7和刀架连成一体，可在刀架底座的 导轨上沿液压缸轴向移动。滑阀阀芯10在弹簧的作用下通过 杆9使杠杆8的触销11紧压在样件上。车削圆柱面时，溜板5 沿床身导轨4纵向移动。杠杆触销在样件上方ab段内水平滑 动，为了抵抗切削力滑阀阀口有一定的开度，刀架随溜板一 起纵向移动，刀架在工件1上车出AB段圆柱面。车削圆锥面时，触销沿样件bc段滑动，使杠杆

23、向上偏 摆，从而带动阀芯上移，打开阀口，压力油进入液压缸上 腔，推动缸体连同阀体和刀架轴向后退。阀体后退又逐渐使 阀口关小，直至关小到抵抗切削力所需的开度为止。在溜板 不断地做纵向运动的同时，触销在样件bc段上不断抬起，刀 架也就不断地作轴向后退运动，此两运动的合成就使刀具在 工件上车出BC段圆锥面。车床液压仿型刀架车床液压仿型刀架(3/3)其它曲面形状或凸肩也都是在切削过程中两个速度合 成形成的，如图11.14所示。图中、和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。从仿形刀架的工作过程可以看出，刀架液压缸（液压 执行元件）是以一定的仿形精度按着触

24、销输入位移信号的 变化规律而动作的，所以仿形刀架液压系统是液压伺服系 统。图11.14 进给运动合成示意图2.机械手伸缩运动伺服系统一般机械手应包括四个伺服系统，分别控制机械手 的伸缩、回转、升降和手腕的动作。由于每一个液压伺服 系统的原理均相同，现仅以某一机械手伸缩伺服系统为 例，介绍它的工作原理。图11.15是机械手手臂伸缩电液 伺服系统原理图。图11.15 机械手伸缩运动电液伺服系统原理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步进电 机；7放大器机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩运动伺服系统(2/4)它主要由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械 手手臂3、齿轮

25、齿条机构4、电位器5、步进电动机6和放大 器7等元件组成。它是电液位置伺服系统。当电位器的触 头处在中位时，触头上没有电压输出。当它偏离这个位置 时，就会输出相应的电压。电位器触头产生的微弱电压，须经放大器放大后才能对电液伺服阀进行控制。电位器触 头由步进电动机带动旋转，步进电动机的角位移和角速度 由数字控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制。齿条固定 在机械手手臂上，电位器固定在齿轮上，所以当手臂带动 齿轮转动时，电位器同齿轮一起转动，形成负反馈。机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩运动伺服系统(3/4)机械手伸缩系统的工作原理如下：由数字控制装置发出的一定数量的脉冲，使步进电动 机带动电位器5的动

26、触头转过一定的角度i（假定为顺时针 转动），动触头偏离电位器中位，产生微弱电压u1，经放 大器7放大成u2 后，输入给电液伺服阀1的控制线圈，使伺 服阀产生一定的开口量。这时压力油经阀的开口进入液压 缸的左腔，推动活塞连同机械手手臂一起向右移动，行程 为xv；液压缸右腔的回油经伺服阀流回油箱。由于电位器 的齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，手臂向右移动时，电 位器跟着作顺时针方向转动。当电位器的中位和触头重合 时，偏差为零，则动触头输出电压为零，电液伺服阀失去 信号，阀口关闭，手臂停止移动。手臂移动的行程决定于 脉冲数量，速度决定于脉冲频率。当数字控制装置发出反 向脉冲时，步进电机逆时针方向转动，

27、手臂缩回。机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩运动伺服系统(4/4)图11.16为机械手手臂伸缩运动伺服系统方块图。图11.16 机械手伸缩运动伺服系统方块图3.钢带张力控制系统在带钢生产过程中，经常要求控制钢带的张力（例如 在热处理炉内进行热处理时），因此对薄带材的连续生产 提出了高精度恒张力控制要求。这种系统是一种定值控制 系统。图11.17给出了钢带张力控制液压伺服系统的原理。图11.17 带钢张力控制系统原理1液压缸；21号张力辊组；3热处理炉；4转向辊；5力传感器；6浮动辊；7电液伺服阀；82号张力辊组；9放大器；10钢带钢带张力控制系统钢带张力控制系统(2/3)热处理炉内的钢带张力由带

28、钢牵引辊组2和带钢加载 辊组8来确定。用直流电机D作牵引，直流电机D作为负 载，以造成所需张力。由于在系统中各部件惯量大，因此 时间滞后大，精度低不能满足要求，故在两辊组之间设置 一液压伺服张力控制系统来控制精度。其工作原理是：在 转向辊4左右两侧下方各设置一力传感器5，把它作为检测 装置，传感器5检测所得到的信号的平均值与给定信号值 相比较，当出现偏差信号时，信号经电放大器放大后输入 给电液伺服阀7。如果实际张力与给定值相等，则偏差信 号为零，电液伺服阀7没有输出，液压缸1保持不动，张力 调节浮动辊6不动。当张力增大时，偏差信号使电液伺服 阀7有一定的开口量，供给一定的流量，使液压缸1向上移 动，浮动辊6上移，使张力减少到一定值。反之，当张力 减少时，产生的偏差信号使电液伺服阀7控制液压缸1向下 移动，浮动辊6下移，使张力增大到一定值。钢带张力控制系统钢带张力控制系统(3/3)因此该系统是一个恒值力控制系统。它保证了带钢的 张力符合要求，提高了钢材的质量。张力控制系统的职能 方框图如图11.18所示。图11.18 张力控制系统职能方块图