1、第第1111章章 液壓伺服系統液壓伺服系統11.1 概述概述11.2 典型的液壓伺服控制元件典型的液壓伺服控制元件11.3 電液伺服閥電液伺服閥11.4 液壓伺服系統實例液壓伺服系統實例 伺服系統又稱隨動系統或跟蹤系統，是一種自動控制系統。在這種系統中，執行元件能以一定的精度自動地按照輸入信號的變化規律動作。液壓伺服系統是用液壓元件組成的伺服系統。 液壓伺服系統液壓伺服系統(1/1)11.1 概述概述1.液壓伺服系統的工作原理和特點 圖中是一種進口節流閥式節流調速回路。在這種回路中，調定節流閥的開口量，液壓缸就以某一調定速度運動。通過前述分析可知，當負載、油溫等參數發生變化時，這種系統將無法保

2、證原有的運動速度，因而其速度精度較低且不能滿足連續無級調速的要求。進口節流閥式節流調速回路液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(1/10) 這里將節流閥的開口大小定義為輸入量，將液壓缸的運動速度定義為輸出量或被調節量。在上述系統中，當負載、油溫等參數的變化而引起輸出量（液壓缸速度）變化時，這個變化并不影響或改變輸入量（閥的開口大小），這種輸出量不影響輸入量的控制系統被稱為開環控制系統。開環控制系統不能修正由于外界干擾引起的輸出量或被調節量的變化，因此控制精度較低。 液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(2/10)液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的

3、工作原理和特點(3/10) 為了提高系統的控制精度，可以設想節流閥由操作者來調節。在調節過程中，操作者不斷地觀察液壓缸的測速裝置所測出的實際速度，并判斷實際速度與所要求的速度之間的差別。然后，操作者按這一差別來調節節流閥的開口量，以減少這一差值（偏差）。例如，由于負載增大而使液壓缸的速度低于希望值時，操作者就相應地加大節流閥的開口量，從而使液壓缸的速度達到希望值。液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(4/10) 使液壓缸的速度達到希望值的調節過程可表示為： 液壓缸速度調節過程示意圖 由此可以看出，輸出量（液壓缸速度）通過操作者的眼、腦和手來影響輸入量（節流閥的開口量）。 這

4、種反作用被稱為反饋。在實際系統中，為了實現自動控制，必須以電器、機械裝置來代替人，這就是反饋裝置。 由于反饋的存在，控制作用形成了一個閉合回路，這種帶有反饋裝置的自動控制系統，被稱為閉環控制系統。液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(5/10) 在圖示電液伺服閥控制的液壓缸速度閉環自動控制系統中不僅使液壓缸速度能任意調節，而且在外界干擾很大（如負載突變）的工況下，仍能使系統的實際輸出速度與設定速度十分接近，即具有很高的控制精度和很快的響應性能。 液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(6/10)閥控油缸閉環控制系統原理圖1齒條；2齒輪；3測速發電機；4給定

5、電位計；5放大器；6電液伺服閥；7液壓缸 該系統的工作原理如下：在某一穩定狀態下，液壓缸速度由測速裝置測得（齒條1、齒輪2和測速發電機3）并轉換為電壓uf0。這一電壓與給定電位計4輸入的電壓信號ug0進行比較。其差ue0=ug0-uf0值經積分放大器放大后，以電流i0輸入給電液伺服閥6。電液伺服閥按輸入電流的大小和方向自動地調節其開口量的大小和移動方向，控制輸出油液的流量大小和方向。液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(7/10) 對應所輸入的電流i0，電液伺服閥的開口量穩定地維持在xv0，伺服閥的輸出流量為q0，液壓缸速度保持為恒值0。如果由于干擾的存在引起液壓缸速度增大

6、，則測速裝置的輸出電壓ufuf0，而使ue=ug0-ufue0，放大器輸出電流ii0。電液伺服閥開口量相應減小，使液壓缸速度降低，直到=0時，調節過程結束。按照同樣原理，當輸入給定信號電壓連續變化時，液壓缸速度也隨之連續地按同樣規律變化，即輸出自動跟蹤輸入。 液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(8/10) 液壓伺服系統的特點如下： （1）反饋。把輸出量的一部分或全部按一定方式回送到輸入端，并和輸入信號進行比較，這就是反饋。在上例中，反饋（測速裝置輸出）電壓和給定（輸入信號）電壓是異號的，即反饋信號不斷地抵消輸入信號，這是負反饋。自動控制系統大多數是負反饋。液壓伺服系統的工

7、作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(9/10) （2）偏差。要使液壓缸輸出一定的力和速度，伺服閥必須有一定的開口量，因此輸入和輸出之間必須有偏差信號。液壓缸運動的結果又力圖消除這個誤差。但在伺服系統工作的任何時刻都不能完全消除這一偏差，伺服系統正是依靠這一偏差信號進行工作的。 （3）放大。執行元件（液壓缸）輸出的力和功率遠遠大于輸入信號的力和功率，其輸出的能量是液壓能源供給的。 （4）跟蹤。液壓缸的輸出量完全跟蹤輸入信號的變化。 液壓伺服系統的工作原理和特點液壓伺服系統的工作原理和特點(10/10)2.液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節 在速度伺服系統的職能方框圖中，圖中一個方框表

8、示一個元件，方框中的文字表明該元件的職能。帶有箭頭的線段表示元件之間的相互作用，即系統中信號的傳遞方向。速度伺服系統職能方框圖液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節(1/5) 職能方框圖明確地表示了系統的組成元件、各元件的職能以及系統中各元件的相互作用。因此，職能方框圖是用來表示自動控制系統工作過程的。由職能方框圖可以看出，上述速度伺服系統是由輸入（給定）元件、比較元件、放大及轉換元件、執行元件、反饋元件和控制對象組成的。 液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節(2/5)速度伺服系統職能方框圖 實際上，任何一個

9、伺服系統都是由這些元件（環節）組成的。 液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節(3/5)控制系統的組成環節 在職能方框圖中： （1）輸入（給定）元件。通過輸入元件，給出必要的輸入信號。如上例中由給定電位計給出一定電壓，作為系統的控制信號。 （2）檢測、反饋信號。它隨時測量輸出量（被控量）的大小，并將其轉換成相應的反饋信號送回到比較元件。上例中由測速發電機測得液壓缸的運動速度，并將其轉換成相應的電壓作為反饋信號液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節(4/5) （3）比較元件。將輸入信號和反饋信號進行比較，并將其差

10、值（偏差信號）作為放大轉換元件的輸入。有時系統中不一定有單獨的比較元件，而是由反饋元件、輸入元件或放大元件的一部分來實現比較功能。 （4）放大、轉換元件。將偏差信號放大并轉換（電氣、液壓、氣動、機械間相互轉換）后，控制執行元件動作。如上例中的電液伺服閥。 （5）執行元件（機構）。直接帶動控制對象動作的元件或機構。如上例中的液壓缸。 （6）控制對象。如機器的工作臺、刀架等。 液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節液壓伺服系統的職能方塊圖和系統的組成環節(5/5)3.液壓伺服系統的分類 伺服系統可以從不同的角度加以分類。 （1）按輸入的信號變化規律分類：有定值控制系統、程序控制系統和伺服系統三類

11、。 當系統輸入信號為定值時，稱為定值控制系統，其基本任務是提高系統的抗干擾能力。當系統的輸入信號按預先給定的規律變化時，稱為程序控制系統。伺服系統也稱為隨動系統，其輸入信號是時間的未知函數，輸出量能夠準確、迅速地復現輸入量的變化規律液壓伺服系統的分類液壓伺服系統的分類(1/2) （2）按輸入信號的不同分類：有機液伺服系統、電液伺服系統、氣液伺服系統等。 （3）按輸出的物理量分類：有位置伺服系統、速度伺服系統、力（或壓力）伺服系統等。 （4）按控制元件分類：有閥控系統和泵控系統。 在機械設備中，閥控系統應用較多，故本章重點介紹閥控系統。 液壓伺服系統的分類液壓伺服系統的分類(2/2)4.液壓伺服

12、系統的優缺點 液壓伺服系統除具有液壓傳動系統所固有的一系列優點外，還具有控制精度高、響應速度快、自動化程度高等優點。 但是，液壓伺服元件加工精度高，因此價格較貴；對油液污染比較敏感，因此可靠性受到影響；在小功率系統中，液壓伺服控制不如電器控制靈活。隨著科學技術的發展，液壓伺服系統的缺點將不斷得到克服。在自動化技術領域中，液壓伺服控制有著廣泛的應用前景。 液壓伺服系統的優缺點液壓伺服系統的優缺點(1/1)11.2 典型的液壓伺服控制元件典型的液壓伺服控制元件1.滑閥 根據滑閥控制邊數（起控制作用的閥口數）的不同，有單邊控制、雙邊控制和四邊控制三種類型滑閥。 圖示為單邊滑閥的結構簡圖。單邊滑閥的工

13、作原理單邊滑閥單邊滑閥(1/3) 滑閥控制邊的開口量xs控制著液壓缸右腔的壓力和流量，從而控制液壓缸運動的速度和方向。來自泵的壓力油進入單桿液壓缸的有桿腔，通過活塞上小孔a進入無桿腔，壓力由ps降為p1，再通過控制滑閥唯一的節流邊流回油箱。單邊滑閥單邊滑閥(2/3)單邊滑閥的工作原理 在液壓缸不受外載作用的條件下，p1A1=psA2。當閥芯根據輸入信號向左移動時，開口量xs增大，無桿腔壓力減小，于是p1A1psA2，缸體向左移動。因為缸體和閥體連接成一個整體，故閥體左移又使開口量xs減小（負反饋），直至平衡。 單邊滑閥單邊滑閥(3/3)單邊滑閥的工作原理雙邊滑閥雙邊滑閥(1/2) 在雙邊滑閥的

14、結構中，壓力油一路直接進入液壓缸有桿腔，另一路經滑閥左控制邊的開口xs1和液壓缸無桿腔相通，并經滑閥右控制邊的開口xs2流回油箱。 雙邊控制滑閥的工作原理 雙邊滑閥雙邊滑閥(2/2) 當滑閥向左移動時，xs1減小，xs2增大，液壓缸無桿腔壓力p1減小，兩腔受力不平衡，缸體向左移動。反之缸體向右移動；雙邊控制滑閥比單邊控制滑閥的調節靈敏度高、工作精度高。 雙邊控制滑閥的工作原理 四邊滑閥四邊滑閥(1/4) 四邊滑閥有四個控制邊，開口xs1、xs2分別控制進入液壓缸兩腔的壓力油，開口xs3、xs4分別控制液壓缸兩腔的回油。四邊控制滑閥的工作原理四邊滑閥四邊滑閥(2/4) 當滑閥向左移動時，液壓缸左

15、腔的進油口xs1減小，回油口xs3增大，使p1迅速減小；與此同時，液壓缸右腔的進油口xs2增大，回油口xs4減小，使p2迅速增大。這樣就使活塞迅速左移。與雙邊控制滑閥相比，四邊控制滑閥同時控制液壓缸兩腔的壓力和流量，故調節靈敏度高，工作精度也高。 四邊控制滑閥的工作原理 單邊、雙邊和四邊控制滑閥的控制作用是相同的，均起到換向和調節的作用。 控制邊數越多，控制質量越好，但其結構工藝性差。 在通常情況下，四邊控制滑閥多用于精度要求較高的系統；單邊、雙邊控制滑閥用于一般精度系統。四邊滑閥四邊滑閥(3/4) 四邊滑閥在初始平衡的狀態下，其開口有三種形式，即負開口（xs0 ），如圖10.9所示。具有零開

16、口的控制滑閥，其工作精度最高；負開口控制滑閥有較大的不靈敏區，較少采用；具有正開口的控制滑閥，工作精度較負開口高，但功率損耗大，穩定性也差。 滑閥的三種開口形式四邊滑閥四邊滑閥(4/4)2.射流管閥 射流管閥由射流管1和接收板2組成。射流管可繞O軸左右擺動一個不大的角度，接收板上有兩個并列的接收孔a、b，它們分別與液壓缸兩腔相通。壓力油從管道進入射流管后從錐形噴嘴射出，經接收孔進入液壓缸兩腔。射流管閥的工作原理1射流管；2接收板射流管閥射流管閥(1/3) 當射流管處于兩接收孔的中間位置時，兩接收孔內油液的壓力相等，液壓缸不動。當輸入信號使射流管繞O軸向左擺動一小角度時，進入孔b的油液壓力就比進

17、入孔a的油液壓力大，液壓缸向左移動。由于接收板和缸體連結在一起，接收板也向左移動，形成負反饋，當射流管又處于兩接受孔中間位置時，液壓缸停止運動。 射流管閥的工作原理1射流管；2接收板射流管閥射流管閥(2/3) 射流管閥的優點是結構簡單、動作靈敏、工作可靠。它的缺點是射流管運動部件慣性較大、工作性能較差；射流能量損耗大、效率較低；供油壓力過高時易引起振動。這種控制只適用于低壓小功率場合。流管閥的工作原理1射流管；2接收板射流管閥射流管閥(3/3)3.噴嘴擋板閥 噴嘴擋板閥有單噴嘴和雙噴嘴兩種，兩者的工作原理基本相同。噴嘴擋板閥的工作原理1擋板；2、3噴嘴；4、5節流小孔噴嘴擋板閥噴嘴擋板閥(1/

18、5) 雙噴嘴擋板閥主要由擋板1、噴嘴2和3、固定節流小孔4和5等元件組成。擋板和兩個噴嘴之間形成兩個可變的節流縫隙1和2。噴嘴擋板閥噴嘴擋板閥(2/5) 當擋板處于中間位置時，兩縫隙所形成的節流阻力相等，兩噴嘴腔內的油液壓力相等，即p1=p2，液壓缸不動。壓力油經孔道4和5、縫隙1和2流回油箱。噴嘴擋板閥噴嘴擋板閥(3/5) 當輸入信號使擋板向左偏擺時，可變縫隙1關小， 2開大，p1上升，p2下降，液壓缸缸體向左移動。因負反饋作用，當噴嘴跟隨缸體移動到擋板兩邊對稱位置時，液壓缸停止運動。 噴嘴擋板閥噴嘴擋板閥(4/5) 噴嘴擋板閥的優點是結構簡單、加工方便、運動部件慣性小、反應快、精度和靈敏度

19、高；缺點是能量損耗大、抗污染能力差。噴嘴擋板閥常用作多級放大伺服控制元件中的前置級。 電液伺服閥電液伺服閥(5/5)11.3 電液伺服閥電液伺服閥 電液伺服閥是電液聯合控制的多級伺服元件，它能將微弱的電氣輸入信號放大成大功率的液壓能量輸出。電液伺服閥具有控制精度高和放大倍數大等優點，在液壓控制系統中得到了廣泛的應用。電液伺服閥的結構原理1永久磁鐵；2、4導磁體；3銜鐵；5線圈；6彈簧 ；7擋板；8噴嘴；9滑閥；10節流孔；11濾油器電液伺服閥電液伺服閥(1/2) 電液伺服閥由電磁和液壓兩部分組成。 電磁部分是一個力矩馬達，液壓部分是一個兩級液壓放大器。 液壓放大器的第一級是雙噴嘴擋板閥，稱前置

20、放大級；第二級是四邊滑閥，稱功率放大級。 液壓放大器液壓放大器(2/2)電液伺服閥的結構原理1永久磁鐵；2、4導磁體；3銜鐵；5線圈；6彈簧 ；7擋板；8噴嘴；9滑閥；10節流孔；11濾油器1.力矩馬達 力矩馬達主要由一對永久磁鐵1、導磁體2和4、銜鐵3、線圈5和內部懸置擋板7及彈簧管6等組成。永久磁鐵把上下兩塊導磁體磁化成N極和S極，形成一個固定磁場。銜鐵和擋板連在一起，由固定在閥座上的彈簧管支撐，使之位于上下導磁體中間。擋板下端為一球頭，嵌放在滑閥的中間凹槽內。力矩馬達力矩馬達(1/2) 當線圈無電流通過時，力矩馬達無力矩輸出，擋板處于兩噴嘴中間位置。當輸入信號電流通過線圈時，銜鐵3被磁化

21、，如果通入的電流使銜鐵左端為N極，右端為S極，則根據同性相斥、異性相吸的原理，銜鐵向逆時針方向偏轉。于是彈簧管彎曲變形，產生相應的反力矩，致使銜鐵轉過 角便停下來。電流越大， 角就越大，兩者成正比關系。這樣，力矩馬達就把輸入的電信號轉換為力矩輸出。 力矩馬達力矩馬達(2/2)2.液壓放大器 力矩馬達產生的力矩很小，無法操縱滑閥的啟閉來產生控制大的液壓功率。所以要在液壓放大器中進行兩級放大，即前置放大和功率放大。液壓放大器液壓放大器(1/4) 前置放大級是一個雙噴嘴擋板閥，它主要由擋板7、噴嘴8、固定節流孔10和濾油器11組成。液壓油經濾油器和兩個固定節流孔流到滑閥左、右兩端油腔及兩個噴嘴腔，由

22、噴嘴噴出，經滑閥9的中部油腔流回油箱。力矩馬達無信號輸出時，擋板不動，左右兩腔壓力相等，滑閥9也不動。若力矩馬達有信號輸出，即擋板偏轉，使兩噴嘴與擋板之間的間隙不等，造成滑閥兩端的壓力不等，便推動閥芯移動。 液壓放大器液壓放大器(2/4)液壓放大器液壓放大器(3/4) 功率放大級主要由滑閥9和擋板下部的反饋彈簧片組成。前置放大級有壓差信號輸出時，滑閥閥芯移動，傳遞動力的液壓主 油 路 即 被 接 通 （ 圖11.12下方油口的通油情況）。因為滑閥位移后的開度是正比于力矩馬達輸入電流的，所以閥的輸出流量也和輸入電流成正比。輸入電流反向時，輸出流量也反向。液壓放大器液壓放大器(4/4) 滑閥移動的

23、同時，擋板下端的小球亦隨同移動，使擋板彈簧片產生彈性反力，阻止滑閥繼續移動；另一方面，擋板變形又使它在兩噴嘴間的偏移量減小，從而實現了反饋。當滑閥上的液壓作用力和擋板彈性反力平衡時，滑閥便保持在這一開度上不再移動。因這一最終位置是由擋板彈性反力的反饋作用而達到平衡的，故這種反饋是力反饋。11.4 液壓伺服系統實例液壓伺服系統實例1.車床液壓仿形刀架 車床液壓仿形刀架是機液伺服系統。車床液壓仿形刀架的結構組成1工件；2車刀；3刀架；4導軌；5溜板；6缸體；7閥體；8杠桿；9桿；10閥芯；11觸銷；12樣件；13濾油器；14液壓泵車床液壓仿型刀架車床液壓仿型刀架(1/5)車床液壓仿型刀架車床液壓仿

24、型刀架(2/5) 液壓仿形刀架傾斜安裝在車床溜板5的上面，工作時隨溜板縱向移動。樣板12安裝在床身后側支架上固定不動。液壓泵站置于車床附近。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和刀架連成一體，可在刀架底座的導軌上沿液壓缸軸向移動。滑閥閥芯10在彈簧的作用下通過桿9使杠桿8的觸銷11緊壓在樣件上。車削圓柱面時，溜板5沿床身導軌4縱向移動。杠桿觸銷在樣件上方ab段內水平滑動，為了抵抗切削力滑閥閥口有一定的開度，刀架隨溜板一起縱向移動，刀架在工件1上車出AB段圓柱面。車床液壓仿型刀架車床液壓仿型刀架(3/5) 車削圓錐面時，觸銷沿樣件bc段滑動，使杠桿向上偏擺，從而帶動閥芯上移，

25、打開閥口，壓力油進入液壓缸上腔，推動缸體連同閥體和刀架軸向后退。閥體后退又逐漸使閥口關小，直至關小到抵抗切削力所需的開度為止。在溜板不斷地做縱向運動的同時，觸銷在樣件bc段上不斷抬起，刀架也就不斷地作軸向后退運動，此兩運動的合成就使刀具在工件上車出BC段圓錐面。 車床液壓仿型刀架車床液壓仿型刀架(4/5) 其它曲面形狀或凸肩也都是在切削過程中兩個速度合成形成的。圖中 、 和 分別表示溜板帶動刀架的縱向運動速度、刀具沿液壓缸軸向的運動速度和刀具的實際合成速度。進給運動合成示意圖12車床液壓仿型刀架車床液壓仿型刀架(5/5) 從仿形刀架的工作過程可以看出，刀架液壓缸（液壓執行元件）是以一定的仿形精

26、度按著觸銷輸入位移信號的變化規律而動作的，所以仿形刀架液壓系統是液壓伺服系統。 進給運動合成示意圖2.機械手伸縮運動伺服系統 在一般的機械手中應包括四個伺服系統，分別控制機械手的伸縮、回轉、升降和手腕的動作。它們的工作原理相同。機械手伸縮運動電液伺服系統原理1電液伺服閥；2液壓缸；3機械手手臂；4齒輪齒條機構；5電位器；6步進電機；7放大器機械手伸縮運動伺服系統機械手伸縮運動伺服系統(1/6)機械手伸縮運動伺服系統機械手伸縮運動伺服系統(2/6) 機械手伸縮運動電液伺服系統主要由電液伺服閥1、液壓缸2、活塞桿帶動的機械手手臂3、齒輪齒條機構4、電位器5、步進電動機6和放大器7等元件組成。它是電

27、液位置伺服系統。機械手伸縮運動電液伺服系統原理1電液伺服閥；2液壓缸；3機械手手臂；4齒輪齒條機構；5電位器；6步進電機；7放大器機械手伸縮運動伺服系統機械手伸縮運動伺服系統(3/6) 當電位器的觸頭處在中位時，觸頭上沒有電壓輸出。當它偏離這個位置時，就會輸出相應的電壓。電位器觸頭產生的微弱電壓，須經放大器放大后才能對電液伺服閥進行控制。電位器觸頭由步進電動機帶動旋轉，步進電動機的角位移和角速度由數字控制裝置發出的脈沖數和脈沖頻率控制。齒條固定在機械手手臂上，電位器固定在齒輪上，所以當手臂帶動齒輪轉動時，電位器同齒輪一起轉動，形成負反饋。 機械手伸縮運動伺服系統機械手伸縮運動伺服系統(4/6)

28、 機械手伸縮系統的工作原理是： 由數字控制裝置發出的一定數量的脈沖，使步進電動機帶動電位器5的動觸頭轉過一定的角度i（假定為順時針轉動），動觸頭偏離電位器中位，產生微弱電壓u1，經放大器7放大成u2后，輸入給電液伺服閥1的控制線圈，使伺服閥產生一定的開口量。機械手伸縮運動伺服系統機械手伸縮運動伺服系統(5/6) 這時壓力油經閥的開口進入液壓缸的左腔，推動活塞連同機械手手臂一起向右移動，行程為xv；液壓缸右腔的回油經伺服閥流回油箱。由于電位器的齒輪和機械手手臂上齒條相嚙合，手臂向右移動時，電位器跟著作順時針方向轉動。當電位器的中位和觸頭重合時，偏差為零，則動觸頭輸出電壓為零，電液伺服閥失去信號，閥口關閉，手臂停止移動。手臂移動的行程決定于脈沖數量，速