第十章 液压伺服系统第十章 液压伺服系统

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本章目录本章目录

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

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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

特点： 泵承载能力大、控制精度高、响应速度快自动 化程度高、体积小；但是，元件造价高，对油要求高，反应灵敏度高，效率较低。

四、液压伺服控制的优缺点 1. 液压伺服控制的优点： (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. 液压伺服控制的缺点： (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。在此着重介绍一种典型电液伺服阀的工作原理

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。

3. 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