第九章??液壓伺服控制技術和電液比例控制技術

第一節??液壓伺服控制

http://www1.gdou.edu.cn/gcxy/yykj/yeyakejian/09/0901.htm

????液壓伺服系統是一種采用液壓伺服機構，根據液壓傳動原理建立起來的自動控制系統。在這種系統中，執行元件的運動隨著控制機構信號的改變而改變。因此液壓伺服控制系統又稱為隨動系統。

????伺服閥是液壓伺服系統中的重要元件，它是一種通過改變輸入信號，連續的、成比例的控制流量、壓力的液壓控制閥。根據輸入信號的方式不同，又分為電液伺服閥和機液伺服閥兩大類。

一、?????????????電液伺服閥

電液伺服閥是一種將小功率模擬量電控制信號轉換為大功率液壓能輸出，以實現對執行元件的位移、速度、加速度及力的控制的伺服閥。電液伺服閥可分為“流量伺服閥”和“力伺服閥”兩類。由于電液伺服閥應用比較廣泛，通常又簡稱為伺服閥。

（一）電液伺服閥的組成

圖9-1?電液伺服閥的基本組成

電液伺服閥的結構和類型很多，但是都是由電-機械轉換器、液壓放大器和反饋裝置所構成，如圖9-1所示。其中電－機械轉換器是將電能轉換為機械能的一種裝置，根據輸出量的不同分為力馬達（輸出直線位移）和力矩馬達（輸出轉角）；液壓放大器是實現控制功率的轉換和放大。由前置放大級和功率放大級組成，由于電－機械轉換器輸出的力或力矩很小，無法直接驅動功率級，必須由前置放大級先進行放大。前置放大級可以采用滑閥、噴嘴擋板閥或射流管閥，功率級幾乎都采用滑閥。反饋裝置即可以解決滑閥的定位問題，又可使整個閥變成一個閉環控制系統，從而具有閉環控制的全部優點。

（二）電液伺服閥的工作原理

圖9-2電液伺服閥的結構原理圖

1-永久磁鐵2、4－導磁體3－鐵5－擋板6－噴嘴7－固定節流孔8－過濾油器9－滑閥10－彈簧管11－線圈

圖9-2所示為電液伺服閥的結構原理圖、噴嘴擋板閥動畫。它由力矩馬達、噴嘴擋板式液壓前置放大級和四邊滑閥功率放大級等三部分組成。銜鐵3與擋板5連接在一起，由固定在閥座10上的彈簧管11支撐著。擋板5下端為一球頭,嵌放在滑閥9的凹槽內，永久磁鐵1和導磁體2、4形成一個固定磁場，當線圈12中沒有電流通過時，導磁體2、4和銜鐵3間四個氣隙中的磁通都是Φ_g，且方向相同，銜鐵3處于中間位置。當有控制電流通入線圈12時，一組對角方向的氣隙中的磁通增加，另一組對角方向的氣隙中的磁通減小，于是銜鐵3就在磁力作用下克服彈簧管11的彈性反作用力而偏轉一角度，并偏轉到磁力所產生的轉矩與彈性反作用力所產生的反轉矩平衡時為止。同時，擋板5因隨銜鐵3偏轉而發生撓曲，改變了它與兩個噴嘴6間的間隙，一個間隙減小，另一個間隙加大。

通入伺服閥的壓力油經過濾器8、兩個對稱的節流孔7和左右噴嘴6流出，通向回油。當擋板5撓曲，出現上述噴嘴--擋板的兩個間隙不相等的情況時，兩噴嘴后側的壓力就不相等，它們作用在滑閥9的左、右端面上，使滑閥9向相應方向移動一段距離，壓力油就通過滑閥9上的一個閥口輸向液壓執行機構，由液壓執行機構回來的油則經滑閥9上的另一個閥口通向回油。滑閥9移動時，擋板5下端球頭跟著移動。在銜鐵擋板組件上產生了一個轉矩，使銜鐵3向相應方向偏轉，并使擋板5在兩噴嘴6間的偏移量減少，這就是反饋作用。反饋作用的后果是使滑閥9兩端的壓差減小。當滑閥9上的液壓作用力和擋板5下端球頭因移動而產生的彈性反作用力達到平衡時，滑閥9便不再移動，并一直使其閥口保持在這一開度上。

通入線圈12的控制電流越大，使銜鐵3偏轉的轉矩、擋板5撓曲變形、滑閥9兩端的壓差以及滑閥9的偏移量就越大，伺服閥輸出的流量也越大。由于滑閥9的位移、噴嘴6與擋板5之間的間隙、銜鐵3的轉角都依次和輸入電流成正比，因此這種閥的輸出流量也和電流成正比。輸入電流反向時，輸出流量也反向。滑閥式伺服閥動畫

（三）液壓放大器的結構形式

液壓放大器的結構形式有滑閥、噴嘴—擋板閥和射流管閥三種。

1．滑閥

根據滑閥上控制邊數(起控制作用的閥口數)的不同，有單邊、雙邊和四邊滑閥控制式三種結構類型。如圖9-3所示。

圖9-3a單邊（二通伺服閥）

圖9-3a為單邊控制式滑閥。它有一個控制邊a（可變節流口），有負載口和回油口二個通道，故又稱為二通伺服閥。x為滑閥控制邊的開口量，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。壓力油進入液壓缸的有桿腔，通過活塞上的阻尼小孔e進入無桿腔，并通過滑閥上的節流邊流回油箱。當閥芯向左或向右移動時，閥口的開口量增大或減小，這樣就控制了液壓缸無桿腔中油液的壓力和流量，從而改變液壓缸運動的速度和方向。

圖9-3b?雙邊（三通伺服閥）

圖9-3b為雙邊控制滑閥。它有兩個控制邊a、b（可變節流口）。有負載口、供油口和回油口三個通道，故又稱為三通伺服閥。壓力油一路直接進入液壓缸有桿腔；另一路經閥口進入液壓缸無桿腔并經閥口流回油箱。當閥芯向右或向左移動時，x₁增大x₂減小或x₁減小x₂增大，這樣就控制了液壓缸無桿腔中油液的壓力和流量，從而改變液壓缸運動的速度和方向。

以上兩種形式只用于控制單桿的液壓缸。

圖9-3c四邊（四通伺服閥）

圖9-3c為四邊控制滑閥、四邊控制滑閥動畫。它有四個控制邊a、b、c、d（可變節流口）。有兩個負載口、供油口和回油口四個通道，故又稱為四通伺服閥。其中a和b是控制壓力油進入液壓缸左右油腔的，c和d是控制液壓缸左右油腔回油的。當閥芯向左移動時，x₁?、x₄減小，x_2、x₃增大，使p₁迅速減小，p₂迅速增大，活塞快速左移?。反之亦然。這樣就控制了液壓缸運動的速度和方向。這種滑閥的結構形式即可用來控制雙桿的液壓缸，也可用來控制單桿的液壓缸。

由以上分析可知，三種結構形式滑閥的控制作用是相同的。四邊滑閥的控制性能最好，雙邊滑閥居中，單邊滑閥最差。但是單邊滑閥容易加工、成本低，雙邊滑閥居中，四邊滑閥工藝性差加工困難，成本高。一般四邊滑閥用于精度和穩定性要求較高的系統；單邊和雙邊滑閥用于一般精度的系統。

圖9-4滑閥在零位時的開口形式

a?負開口（t>h）、b?零開口（t=h）、c?正開口（t<h）

圖9-4為滑閥在零位時的幾種開口形式，圖9-4a為負開口（正遮蓋）、圖9-4b為零開口（零遮蓋）、圖9-4c為正開口（負遮蓋）。

2．射流管閥

圖9-5?射流管閥

1－液壓缸?2－接受器?3－射流管

如圖9-5所示，射流管閥由射流管3、接受板2和液壓缸1組成，射流管3由垂直于圖面的軸c支撐并可繞軸左右擺動一個不大的角度。接受板上的兩個小孔a和b分別和液壓缸1的兩腔相通。當射流管3處于兩個接受孔道a、b的中間位置時，兩個接受孔道a、b內的油液的壓力相等，液壓缸1不動；如有輸入信號使射流管3向左偏轉一個很小的角度時，兩個接受孔道a、b內的壓力不相等，液壓缸1左腔的壓力大于右腔的，液壓缸1向右移動，反之亦然。

射流管的優點是結構簡單、加工精度低、抗污染能力強。缺點是慣性大響應速度低、功率損耗大。因此這種閥只適用于低壓及功率較小的伺服系統。

3．噴嘴擋板閥

圖9-6?雙噴嘴擋板閥

1－擋板?2、7固定節流小孔?3、6－噴嘴?4、5－節流縫隙

噴嘴擋板閥因結構不同分單噴嘴和雙噴嘴兩種形式，兩者的工作原理相似。圖9-6所示為雙噴嘴擋板閥的原理圖。它主要由擋板1、噴嘴3和6、固定節流小孔2、7和液壓缸等組成。壓力油經過兩個固定阻尼小孔進入中間油室再進入液壓缸的兩腔，并有一部分經噴嘴擋板的兩間隙4、5流回油箱。當擋板處于中間位置時，液壓缸兩腔壓力相等，液壓缸不動；當輸入信號使擋板向左移動時，節流縫隙5關小，4開大，液壓缸向左移動。因負反饋的作用，噴嘴跟隨缸體移動直到擋板處于兩噴嘴的中間位置時液壓缸停止運動。建立起一種新的平衡。???

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、精度和靈敏度較高。缺點是無功損耗大、抗污染能力較差、常用于多級放大式伺服元件中的前置級。

（四）電液伺服閥在閉環液壓控制系統中的應用實例

圖9-7帶鋼恒張力控制系統

1－張力調節液壓缸2－牽引輥3－熱處理爐4、4’－轉向輥5－力傳感器6－浮動閥7－電液伺服閥8－加載裝置9－電放大器

在帶鋼生產過程中，要求控制帶鋼的張力。圖9-7所示為帶鋼恒張力控制系統，牽引輥2牽引帶鋼移動，加載裝置8使帶鋼保持一定的張力。當張力由于某種干擾發生波動，通過設置在轉向輥4’軸承上的力傳感器5檢測帶鋼的張力，并和給定值進行比較，得到偏差值，通過電放大器9放大后，控制電液伺服閥7，進而控制輸入液壓缸1的流量，驅動浮動輥6來調節張力，使張力回復到原來給定之值。

二、機液伺服閥

機液伺服閥的工作原理與電液伺服閥基本相同，不同點是電液伺服閥的輸入信號是通過力（力矩）馬達產生的，而機液伺服閥的輸入信號為機動或手控的位移。

????機液伺服閥廣泛應用于仿形加工和車輛的轉向系統，下面以這兩類系統為例說明機液伺服系統的工作原理。

（一）液壓仿形刀架

車床液壓仿形刀架是由位置控制機—液伺服系統驅動，按照樣件（靠模）的輪廓形狀，對工件進行仿形車削加工的裝置。用這種仿形刀架對工件進行加工時，只要先用普通方法加工一個樣件，然后用這個樣件就可以復制出一批零件來。它不但可以保證加工的質量，生產率高，而且調整簡單，操作方便，因此在批量車削加工中（尤其是對特形面的加工）被廣泛地采用。

圖9-8?車床液壓仿行刀架

1－工件2－車刀3－刀架4－創身導軌5－溜板6－缸體7－閥體8－杠桿9－桿10－伺服閥心11－觸銷12－靠模

圖9-8為某車床上液壓仿形刀架的示意圖。液壓仿形刀架傾斜安裝在車床溜板5的上面，工作時，隨溜板作縱向運動。靠模12安裝在床身支架上固定不動。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3連成一體，可在刀架底座的導軌上沿液壓缸軸向移動。伺服閥心10在彈簧的作用下通過桿9使杠桿8的觸銷11緊壓在靠模上。

車削圓柱面時，溜板沿床身導軌4縱向移動。杠桿觸銷在靠模上方AB段內水平滑動，伺服閥閥口不打開，沒有油液進入液壓缸，整個仿形刀架只是跟隨拖板一起縱向移動，車刀在工件1上車削出A^，B^，段圓柱面。

車削圓錐面時，溜板仍沿床身導軌4縱向移動，觸銷沿靠模BC段滑動，杠桿向上偏擺，從而帶動閥心上移，打開閥口，壓力油進入液壓缸上腔，液壓缸下腔油液流回油箱，液壓力推動缸體連同閥體和刀架一起沿液壓缸軸線方向向上運動。此兩運動的合成就使刀具在工件上車出B^，C^，段圓錐面。

其它曲面形狀或凸肩也都是在這樣的合成運動下，由刀具在工件上仿形加工出來的。仿形加工結束時，通過電磁閥（圖中未畫出）使杠桿抬至最上方位置，這時伺服閥閥芯上移，壓力油進入液壓缸上腔，其下腔的油液通過伺服閥流回油箱，仿形刀架快速退回原位。

（二）滑閥式液壓伺服轉向機構?

圖9-9轉向液壓助力器

1－活塞2－缸體3－閥心4－擺桿5－方向盤6－轉向連桿機構

為減輕司機的體力勞動，通常在機動車輛上采用轉向液壓助力器。這種液壓助力器是一種位置控制的液壓伺服機構。圖9-9是轉向液壓助力器的原理圖，它主要由液壓缸和控制滑閥兩部分組成。液壓缸活塞桿1的右端通過鉸銷固定在汽車底盤上，液壓缸缸體2和控制滑閥閥體連在一起形成負反饋，由方向盤5通過桿4控制滑閥閥芯3的移動。當缸體2前后移動時，通過轉向連桿機構6等控制車輪偏轉，從而操縱汽車轉向。當閥芯3處于圖示位置時，各閥口均關閉，缸體2固定不動，汽車保持直線運動。由于控制滑閥采用負開口的形式，故可以防止引起不必要的擾動。當旋轉方向盤，假設使閥芯3向右移動時，液壓缸中壓力p₁減小，p₂增大，缸體也向右移動，帶動轉向連桿6向逆時針方向擺動，使車輪向左偏轉，實現左轉彎，反之，缸體若向左移就可實現右轉彎。

實際操作時，方向盤旋轉的方向和汽車轉彎的方向是一致的。為使駕駛員在操縱方向盤時能感覺到轉向的阻力，在控制滑閥端部增加兩個油腔，分別與液壓缸前后腔相通（見圖9-9），這時移動控制滑閥芯時所需要的力就和液壓缸的兩腔壓力差（△p=p₁-p₂）成正比，因而具有真實感。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的液压伺服控制技术和电液比例控制技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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