第-9-章-液压伺服控制简介课件

第9章液压伺服控制简介9.1液压伺服系统的工作原理9.2液压伺服系统应用举例本章小结思考与练习

【学习任务】

(1)了解液压伺服系统的工作原理和特点。

(2)了解几种常用的液压伺服系统。

液压伺服系统是在液压传动和自动控制理论的基础上建立起来的一种液压自动控制系统。液压伺服系统又称随机系统或跟踪系统，也是一种功率放大装置。在这种系统中，执

行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。液压伺服系统除了具有液压传动的各种优点外，还有响应快、惯性小、系统刚性大、伺服精度高等特点，所以得到广泛应用。

9.1液压伺服系统的工作原理

9.1.1液压伺服控制原理图9.1所示为一种简单的液压传动系统，当给阀芯输入位移xi

时，滑阀移动一个开口量xv

，此时压力油进入无杆腔，推动缸体向右运动，即有一输出位移xo

。它与输入位移xi大小无直接关系，而与液压缸的结构尺寸有关。图9.1液压传动系统

若将上述滑阀和液压缸组合成一个整体，上述系统就变成了一个简单的液压伺服系统，如图9.2所示。如果控制滑阀处于中间位置而没有信号输入，即xi

=0，阀芯凸肩正好堵住液压缸两个油口，缸体不动，系统的输出量xo

=0，负载停止不动，处于静止平衡状态。若给控制滑阀输入一个向右的位移xi

，阀芯偏离其中间位置，液压缸进出油路同时打开，阀相应开口量xv

=xi

，压力油经过节流口进入液压缸的无杆腔，而液压缸有杆腔的油通过另一个节流口回油，液压缸产生一个向右的位移xo

，由于控制滑阀阀体和液压缸缸体连在一起，成为一个整体，随着输出量xo的增加，滑阀的开口量xv逐渐减小，当xo增加到xi时，开口量xv

=0，油路关闭，液压缸停止运动，负载停止在一个新的平衡位置。如果继续给控制滑阀向右的输入信号xi

，液压缸就会跟随这个信号继续向右运动。反之，若给控制滑阀输入一个向左位移的输入信号，则液压缸就会跟随这个信号向左运动。图9.2液压伺服系统

由此可以看出，伺服系统与一般的液压传动系统不同，控制阀的阀体与液压缸的缸体实现刚性连接成为一个整体，因而，两者必然同步运动。滑阀移动多少距离，液压缸也移动多少距离;滑阀移动的速度快，液压缸移动速度也快;只要给控制滑阀以某一规律的输入信号，则执行元件就自动、准确地跟随控制滑阀运动。所以，只要有信号输入，使控制滑阀的阀芯与阀体产生相对位移，即所谓的位置误差，引起系统控制环节和执行环节的失调，产生系统误差，使执行环节跟随输入信号产生相应的运动，反馈机构又力图消除误差。一旦输入信号停止，由于反馈作用，系统误差消除，液压系统在新的位置平衡，这就是液压伺服系统的工作原理。

在液压伺服系统中，一般称控制元件(控制滑阀)为控制环节或输入环节，加给控制元件的信号称为输入信号，输入信号的大小称为输入量。伺服液压缸产生的位移变化量称为输出量。液压伺服系统的基本工作原理可用图9.3所示的方框图表示。图9.3液压伺服系统工作原理方框图

9.1.2液压伺服控制系统的基本特点

液压伺服控制系统的基本特点如下:

(1)液压伺服系统是一个自动位置跟随系统，输出量能够自动地跟随输入量的变化规律而发生变化。

(2)液压伺服系统是一个负反馈系统。当阀芯向右移动一定距离时，液压缸体随着向右移动，控制滑阀的阀体也一道向右运动，使滑阀阀芯和阀体的相对位置始终保持一段很小的距离。如果停止输入信号，阀芯与阀体的相对位置恢复到初始状态，使液压缸停止运动，这种作用称为负反馈。因为反馈是由于缸体和阀体的刚性连接而完成的。负反馈的结

果，总是使输入信号变小以至于消除。如果没有负反馈，只要控制阀的控制口有一个输入位移，液压缸就以一定的速度运动，一直走完缸的全部行程为止。所以说反馈环节是液压

伺服系统中必不可少的组成部分。

(3)液压伺服系统是一个功率或力的放大系统。移动滑阀所需信号功率很小，而系统的输出功率是由液压缸的压力油的流量和压力决定的，可以很大，输出力比输入力大几百

倍甚至数千倍。

(4)液压伺服系统是一个误差系统。液压缸位移xo和阀芯位移xi

之间不存在偏差(即当控制滑阀处于零位)时，系统处于静止状态。由此可见，欲使系统有输出信号，首先必须保证控制滑阀具有一个开口量，即xv

=xi-xo

≠0。系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也就是说没有误差，伺服系统就不工作而处于静止状态。

9.2液压伺服系统应用举例

在机械设备中广泛使用液压伺服系统，下面分别介绍车床液压仿形刀架、汽车转向液压助力器和机械手伸缩运动伺服系统，它们分别代表不同类型的液压伺服系统。

9.2.1车床液压仿形刀架伺服系统

图9.4所示为车床液压仿形刀架的工作原理图。仿形刀架主要由伺服阀、液压缸和反馈机构三部分组成。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。仿形刀架液压缸的活塞杆固定在刀架3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紧压在样板上。利用仿形刀架可以依照样件的形状自动加工出多台肩的轴类零件或曲线轮廓的旋转表面，从而大大提高劳动生产率并减轻劳动强度。图9.4车床液压仿形刀架的工作原理图

车削圆柱面时，溜板5沿床身导轨4纵向移动。杠杆触销11在样板的圆柱段内水平滑动，滑阀阀口不打开，刀架只能随溜板一起纵向移动，刀架在工件1上车出AB段圆柱面。车圆锥面时，触销沿样板的圆锥段滑动，使杠杆向上偏摆，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，直至关闭为止。在溜板不断地作纵向运动的同时，触销在样板的圆锥段上不断抬起，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。其他曲面形状或凸肩也都是这样合成切削来形成的。如图9.5所示，图中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。图9.5进给运动合成示意图

从仿形刀架的工作过程可以看出，刀架液压缸是以一定的仿形精度按着触销输入位移信号的变化规律而动作的，所以说仿形刀架液压系统是液压伺服系统。

9.2.2汽车转向液压助力器

为了减轻司机的体力劳动，大型载重卡车广泛采用液压助力器，这种液压助力器也是一种位置控制的机液伺服机构。图9.6所示是转向液压助力器的工作原理图，它主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。液压缸活塞1的右端通过铰链固定在汽车底盘上；液压缸缸体2和控制滑阀阀体连在一起形成负反馈，由方向盘5通过摆杆4控制滑阀阀芯3的移动。图9.6转向液压助力器的工作原理图

当缸体2前后移动时，通过转向连杆机构6等控制车轮偏转，从而操纵汽车转向。当阀芯3处于图示位置时，各阀口关闭，缸体2固定不动，汽车保持直线运动。由于控制滑阀采用负开口(阀芯与阀口处于中间对称位置时，阀芯与阀口有重叠遮盖量)的形式，故可以防止引起不必要的扰动。若逆时针方向转动方向盘，通过摆杆4带动阀芯3向后移动时，压力p1

减小，压力p2

增大，使液压缸缸体向后移动，转向机构6向逆时针方向摆动，使车轮向左偏转，实现向左转向;反之，缸体若向前移动，转向连杆机构向顺时针方向摆动，使车轮向右偏转，实现向右转弯。

缸体前进或后退时，控制阀阀体同时前进或后退，即实现刚性负反馈，使阀芯和阀体重新恢复到平衡位置，因此保持了车轮偏转角度不变。

为了使驾驶员在操纵方向盘时能感觉到路面的好坏，在控制滑阀两端增加两个油腔，见图9.6，油腔分别与液压缸前后腔相通，这时移动控制阀芯时所需的力就和液压缸的两

腔压力差(Δp=p1-p2

)成正比，因而具有真实感。

9.2.3机械手伸缩运动伺服系统

一般机械手能实现机械手的伸缩、回转、升降和手腕的动作，每一个动作都是由液压伺服系统驱动的。由于每个液压伺服系统的原理均相同，现仅以伸缩伺服系统为例，介绍它的工作原理。

图9.7所示是机械手伸缩运动伺服系统原理图。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、齿轮齿条机构4、电位器5、步进电机6和放大器7等元件组成。当电位器的触头处于中位时，触头上没有电压输出。当它偏离这个位置时，由于产生了偏差就会输出相应的电压。电位器产生的微弱电压，经放大器放大后对电液伺服阀进行控制。电位器的触头由步进电机带动旋转，步进电机的转角位移和转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，实现负反馈。图9.7机械手伸缩运动伺服系统原理图

机械手伺服系统的工作原理如下：

由数字控制装置发出一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器5的动触头转过一定的角度

θi

(假定为顺时针方向)，动触头偏离电位器中位，产生微弱的电压u1

，经放大器7放大成u2

后输入电液伺服阀1的控制线圈，使伺服阀产生一定的开口量。这时压力油经滑阀开口进入液压缸的左腔，推动活塞连同机械手臂一起向右移动xv

，液压缸右腔的油经伺服阀流回油箱。

由于电位器齿轮和机械手手臂上齿条相啮合，手臂向右移动时，电位器随着作顺时针方向转动。当电位器转过θi角，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，手臂缩回。

图9.8所示为机械手伸缩运动伺服系统方框图。图9.8机械手伸缩运动伺服系统方框图

本章小结

液压伺服系统是一个位置跟随系统。液压缸的输出位移能自动地跟随输入位移的变化而变化。液压伺服系统是一个负反馈系统。液压伺服系统是一个功率或力的放大