第十章 液压伺服系统

1、第一节第一节 概述概述一、液压伺服系统的工作原理一、液压伺服系统的工作原理 仿形刀架装在车床床鞍后仿形刀架装在车床床鞍后部，随床鞍一起作纵向移动，部，随床鞍一起作纵向移动，并按照样件的轮廓形状车削工并按照样件的轮廓形状车削工件；样件安装在床身支架上，件；样件安装在床身支架上，是固定不动的。液压泵站则放是固定不动的。液压泵站则放在车床附近的地面上，与仿形在车床附近的地面上，与仿形刀架以软管相连。刀架以软管相连。 液压仿形刀架工作原理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仿形刀架的活塞杆固定在刀架底座上，液压缸的缸体刀架底座上，液压缸的缸体6 6、杠杆杠杆8

2、 8、伺服阀体、伺服阀体7 7是和刀架是和刀架3 3连连在一起的，可在刀架底座的导在一起的，可在刀架底座的导轨上沿液压缸轴向移动。伺服轨上沿液压缸轴向移动。伺服阀芯阀芯1010在弹簧的作用下通过阀在弹簧的作用下通过阀杆杆9 9将杠杆将杠杆8 8上的触销上的触销1111压在样压在样件件1212上。由液压泵上。由液压泵1414来的油经来的油经滤油器滤油器1313通入伺服阀的通入伺服阀的A A口，并口，并根据阀芯所在位置经根据阀芯所在位置经B B或或C C通入通入液压缸的上腔或下腔，使刀架液压缸的上腔或下腔，使刀架3 3和车刀和车刀2 2退离或切入工件退离或切入工件1 1。图10-1 液压仿形刀架工

3、作原理图 车削圆柱面时，溜板沿床身车削圆柱面时，溜板沿床身导轨导轨4 4纵向移动。杠杆触销在样纵向移动。杠杆触销在样件上水平段滑动，阀口不打开，件上水平段滑动，阀口不打开，刀架跟随溜板一起纵向移动，车刀架跟随溜板一起纵向移动，车刀在工件刀在工件1 1上车出圆柱面；车削上车出圆柱面；车削圆锥面时，触销沿样件斜线滑动，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，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。体后退逐渐关小阀口，直至关闭。触销在样件上不断抬起，

4、刀架也触销在样件上不断抬起，刀架也就不断后退运动，运动合成使刀就不断后退运动，运动合成使刀具在工件上车出圆锥面。具在工件上车出圆锥面。 图10-1 液压仿形刀架工作原理图 其它曲面形状或凸肩都其它曲面形状或凸肩都是合成切削的结果。是合成切削的结果。 如图所示，如图所示，v v1 1、v v2 2和和v v分分别表示溜板带动刀架的纵向别表示溜板带动刀架的纵向运动速度、刀具沿液压缸轴运动速度、刀具沿液压缸轴向的运动速度和刀具的实际向的运动速度和刀具的实际合成速度。合成速度。二、液压伺服系统特点二、液压伺服系统特点 1 1）跟踪：输出跟踪输入）跟踪：输出跟踪输入 2 2）放大：输出大于输入）放大：输

5、出大于输入 3 3）误差：输出滞后输入）误差：输出滞后输入 4 4）反馈：输出减小输入）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、泵控系统按元件分类：阀控系统、泵控系统 液压伺服系统与电气伺服系统相比优点液压伺服系统与电气伺服系统相比优点 1 1）体积小）体积小重量轻重量轻惯性小惯性小可靠性好可靠性好 2 2）快速性好）快速性好 3

6、 3）刚度大）刚度大( (即输出位移受外负载影响小即输出位移受外负载影响小) )定位准确。定位准确。n四、液压伺服控制的优缺点四、液压伺服控制的优缺点 l1. 优点：优点： (1)(1)液压元件的功率液压元件的功率重量比和力矩重量比和力矩- -惯量比大惯量比大 可以组成结构紧可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统。 (2)(2)液压动力元件快速性好，系统响应快。液压动力元件快速性好，系统响应快。 (3)(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。响

7、小，定位准确，控制精度高。l2. 缺点：缺点： (1) (1) 液压元件，特别是精密的液压控制元件液压元件，特别是精密的液压控制元件( (如电液伺服阀如电液伺服阀) )抗污染抗污染能力差，对工作油液的清洁度要求高。能力差，对工作油液的清洁度要求高。 (2) (2) 油温变化时对系统的性能有很大的影响。油温变化时对系统的性能有很大的影响。 (3) (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。漏，造成环境污染。 (4) (4) 液压元件制造精度要求高，成本高。液压元件制造精度要求高，成本高。 (5) (5) 液压

8、能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。 液压控制元件是液压伺服系统中的核心元件。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常见的液压伺服控制元件有控制控制滑阀、射流管阀和喷嘴滑阀、射流管阀和喷嘴挡板阀等挡板阀等。 n一、控制滑阀一、控制滑阀 1 1、单边节流滑阀、单边节流滑阀 滑阀控制边的开口量滑阀控制边的开口量x xs s控制着控制着液压缸右腔的压力和流量，从而控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。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. 2.双边节流滑阀双边节流滑阀 压力

9、油一路直接进入液压缸有杆腔，另一路经滑阀左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控制边的开口x xs1s1和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边和液压缸无杆腔相通，并经滑阀右控制边x xs2s2流回油箱。流回油箱。 当滑阀向左移动时，当滑阀向左移动时，x xs1s1减小，减小，x xs2s2增大，液压缸无杆腔压力增大，液压缸无杆腔压力p p1 1减减小，两腔受力不平衡，缸体向左小，两腔受力不平衡，缸体向左移动。反之缸体向右移动。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 3、四边节流滑阀、四边节流滑阀 滑阀有四个控制边，开口滑阀有四个控制边，开口x xs1

10、s1、x xs2s2分别控制进入缸两分别控制进入缸两腔的压力油，开口腔的压力油，开口x xs3s3、x xs4s4分别分别控制液压缸两腔的回油。当滑控制液压缸两腔的回油。当滑阀向左移动时，液压缸左腔进阀向左移动时，液压缸左腔进油口油口x xs1s1减小，回油口减小，回油口x xs3s3增大，增大，使使p p1 1迅速减小；与此同时，液迅速减小；与此同时，液压缸右腔的进油口压缸右腔的进油口x xs2s2增大，回增大，回油口油口x xs4s4减小，使减小，使p p2 2迅速增大。迅速增大。这样就使活塞迅速左移。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 4、三种节流边的对零状态、

11、三种节流边的对零状态1 1）负开口）负开口 （x xs s0 0）有较大的不灵敏区，较少采用有较大的不灵敏区，较少采用（图（图10-7a10-7a）2 2）正开口）正开口 （x xs s0 0）工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳）工作精度较负开口高，但功率损耗大，稳定性也较差。定性也较差。（图（图10-7b10-7b）3 3）零开口）零开口 （x xs s=0=0）其工作）其工作 精度最高，制造精度最高，制造 工艺性差。工艺性差。（图（图10-7c10-7c）图10-7 滑阀的不同开口形式二、射流管阀二、射流管阀收孔收孔a a、b b，分别与液压缸两腔，分别与液压缸两腔相通。压力油从管道进入

12、射流相通。压力油从管道进入射流管后从锥形喷嘴射出，经接收管后从锥形喷嘴射出，经接收孔进入液压缸两腔。孔进入液压缸两腔。 射流管偏向哪个接收孔，射流管偏向哪个接收孔，油缸相应的工作腔压力提高，油缸相应的工作腔压力提高，缸体就向那个方向运动。缸体就向那个方向运动。 射流管阀由射流管射流管阀由射流管1 1和接收板和接收板2 2组成。射流管可绕组成。射流管可绕轴左右摆动一个不大的角度，轴左右摆动一个不大的角度，接接收板上有两个并列的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、喷嘴挡板阀三、喷嘴挡板阀 由挡板由挡板1 1、喷嘴、喷嘴2 2和和3 3、固定节流小孔、固定节流小孔

13、4 4和和5 5等元件组成。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挡板和两个喷嘴之间形成两个可变截面的节流缝隙1 1和和2 2。当挡板处于中间位置时，两缝隙所形成的液阻相等，两喷嘴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。腔内的油压相等，缸不动。当输入信号使挡板向左偏摆时，当输入信号使挡板向左偏摆时，可变缝隙可变缝隙1 1关小关小2 2开大开大p p1 1上升上升p p2 2下降，缸体向左移动。当喷嘴下降，缸体向左移动。当喷嘴跟随缸体移动到挡板两边对称位跟随缸体移动到挡板两边对称位置时，缸运动停止。置时，缸运动停止。图10-9 喷嘴挡板阀 电

14、液伺服阀是电液联合控制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，在液压控和放大倍数大等优点，在液压控制系统中得到广泛的应用。制系统中得到广泛的应用。图10-10 电液伺服阀 一、电液伺服阀的组成一、电液伺服阀的组成 由力矩马达和液压放大器组成。由力矩马达和液压放大器组成。1.力矩马达组成力矩马达组成 由一对永久磁铁由一对永久磁铁1、导磁体、导磁体2和和衔铁衔铁3、线圈、线圈5和内部悬置挡板和内部悬置挡板 7的弹簧的弹簧管管6等

15、组成等组成 。2.液压放大器组成液压放大器组成l前置放大器前置放大器 前置放大级是一个双喷前置放大级是一个双喷嘴嘴-挡板阀，它主要由挡板挡板阀，它主要由挡板7、 喷嘴喷嘴8、节流孔节流孔10和滤油器和滤油器11组成。组成。l功率放大级功率放大级 功率放大级主要由功率放大级主要由滑阀滑阀9和挡板下部和挡板下部 的反馈弹簧片组成。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二、电液伺服阀工作原理1.1.力矩马达工作原理力矩马达工作原理 磁铁把导磁体磁化成磁铁把导磁体磁化成N N、S S极，极，形成磁场。形成磁场。 线圈无电流时，力矩马达无力线圈无电流时，力矩马达无力矩输出，挡板

16、处于两喷嘴中间；当矩输出，挡板处于两喷嘴中间；当输入电流通过线圈使衔铁输入电流通过线圈使衔铁3 3左端被左端被磁化为磁化为N N极，右端为极，右端为S S极，衔铁逆时极，衔铁逆时针偏转。弹簧管弯曲产生反力，使衔铁转过针偏转。弹簧管弯曲产生反力，使衔铁转过角。电流越大角。电流越大角就越大，力矩马达把输入电信号转换为力矩信号输出。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压力油经滤油器和节流孔流到滑阀左、右两端流孔流到滑阀左、右两端油腔和两喷嘴腔，由喷嘴油腔和两喷嘴腔，由喷嘴喷出，经阀喷出，经阀9 9中部流回油箱中部流回油箱力矩马达无输出信号时，

17、力矩马达无输出信号时，挡板不动，滑阀两端压力相挡板不动，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。间的间隙不等，致使滑阀两端压力不等，推动阀芯移动。2.2.前置放大级工作原理前置放大级工作原理图10-10 电液伺服阀3.3.功率放大级工作原理功率放大级工作原理 当前置放大级有压差信号使滑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输入电流，则阀

18、的输出流量和输入电流成正比；当输入电流反向时，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，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。阀便保持在这一开度上不再移动。图10-10 电液伺服阀实例一实例一 机械手伸缩运动伺服系统机械手伸缩运动伺

19、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。腕的动作。以伸缩伺服系统为例，介绍其工作原理。一、组成一、组成 主要由电液伺服阀主要由电液伺服阀1 1、液压、液压缸缸2 2、活塞杆带动的机械手臂、活塞杆带动的机械手臂3 3、齿轮齿条机构齿轮齿条机构4 4、电位器、电位器5 5、步、步进电机进电机6 6和放大器和放大器7 7等元件组成。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步进电机将数控部分的脉冲信号转换成相应的转角i i，动触头偏离电位器中位，产生微弱电压动触头偏离电位器中位，产生微弱电压u u1 1，经放大后再输入，经放大后再输入电液伺服阀