液压伺服系统培训讲稿

伺服系统培训讲稿液压伺服机构是根据液压传动原理建立起来的控制系统。

在这种系统中，执行元件的运动随着控制机构的信号改变，因而伺服系统又称为随动系统。

由于它具有结构紧凑、尺寸小、重量轻、出力大、刚性好、响应快和精度高等特点，因而在工业上获得了广泛的应用。

第一节液压伺服系统的工作原理一、液压伺服系统的工作原理图9-1所示为某机液位置伺服系统的原理。

它是一个具有机械反馈的节流型阀控缸伺服系统。

它的输入量（输入位移）为伺服滑阀阀芯3的位移，输出量（输出位移）为液压缸的位移。

图中液压泵2和溢流阀1构成恒压油源。

滑阀的阀体4与液压缸为一体，组成液压伺服拖动装置。

当阀芯处于中间位置时，各阀口均关闭，液压缸不动，系统处于静止状态。

给伺服滑阀阀芯一个输入位移x i，阀口a、b便有一个相应的开口量x b，使压力油经阀口b进入液压缸的左腔，其右腔油液经阀口a回油池，液压缸在压力的作用下左移x b，因而阀体也右移x o使阀口关闭，液压缸停止运动，从而完成液压缸输出位移对伺服滑阀输入位移的跟随运动。

若伺服滑阀反向运动，液压缸也作反向跟随运动。

这就是液压伺服系统的工作原理。

二、液压伺服系统的特点1）跟踪——液压伺服系统是一个位置跟随系统。

输出位移自动地跟随输入位移的变化规律而变化，体现为位置跟随运动。

2）反馈——液压伺服系统是一个负反馈系统。

输出位移之所以能够精确地复现输入位移的变化，是因为控制滑阀的阀体和液压缸体固连在一起，构成一个负反馈控制通路。

液压缸输出位移，通过这个反馈通路回输给滑阀阀体，并与输入位移相比较，从而逐渐减小和消除输出位移之间的偏差，直到两者相同为止。

因此负反馈环节是液压伺服系统中必不可少的重要环节。

3）放大——液压伺服系统是一个功率放大系统。

推动滑阀阀芯所需的力很小，只需几牛顿到几十牛顿，而系统的输出功率却可以很大，可带动较大的负载运动。

第二节 液压伺服元件和应用液压伺服阀在液压伺服系统中起着信号转换、功率放大及反馈等控制作用。

它是液压伺服系统中最重要、最基本的组成部分典型的液压伺服阀有机液伺服阀和电液伺服阀。

此外，随着计算机的推广使用，液压数字和数字控制伺服机构也越来越受到重视。

一、机液伺服阀机液伺服阀是以机械运动来控制液体压力和流量的伺服元件。

从结构形式上，机液伺服阀可为滑阀、射流管阀和喷嘴挡板阀三类。

其中滑阀的结构形式较多，应用也较普遍。

喷嘴挡板阀和射流管阀主要用作液压前置放大器。

分别介绍如下。

(一) 射流管阀如图9-2所示，射流管阀由射流管3、接收板2等组成。

射流管由转轴支承，可以绕轴摆动。

接收器上的两个接收孔a 、b 分别和液压缸1的左右两腔相通。

压力油由射流管射出，被两个接收孔接收，并加在液压缸左右两腔。

在没有输入信号时射流管处于中间位置，喷嘴对准两接收孔中间，两接收孔内油液的压力相等，液压缸不动，即液压缸处于平衡状态。

有输入信号时射流管偏转，两接收孔接受的油液不相等，加在一液压缸两腔压力不相等，液压缸就会运动直到液压处于平衡状态。

射流管的优点是结构简单、加工精度低，抗污染能力强，缺点是惯性大、响应速度低、功耗大。

因此这种阀只适用于低压、小功率场合。

（二）喷嘴挡板阀喷嘴挡板阀有单喷嘴式和双喷嘴式两种形式，两者的工作原理基本相同，如图9-3所式。

双喷嘴挡板阀由挡板1喷嘴3和6、固定节流小孔2和7等组成。

挡板和两个喷嘴之间形成两个可变截面的节流缝隙4和5。

当挡板处于中间位置时，两缝隙所形成的节流阻力相等，两喷嘴腔内的油液压力相等，即1p =2p ，液压缸不动，即处于平衡状态。

当输入信号使挡板向左摆动时，则节流缝隙5关小，4开大，1p 上升，2p 下降，液压缸体向左移动。

因负反馈作用，当喷嘴跟随缸体移动到挡板两边对称位置时，液压缸停止运动。

喷嘴挡板阀的优点是结构简单，加工方便，运动部件惯性小、反应快，精度和灵敏度较高。

缺点是无功损耗大，抗污染能力较差，多用于多级放大伺服元件中的前置级。

（三）滑阀式伺服阀滑阀式伺服阀系统应用较多。

根据滑阀上的控制边数不同分为单边滑阀、双边滑阀、四边滑阀。

图9-4a 为单边滑阀控制式系统，它有一个控制边。

当控制边的开口量X 改变时，进入液压缸的油液压力和流量发生变化，从而改变液压缸的运动速度和方向。

图9-4b 为双边滑阀控制式系统，即它有两个控制边。

压力油一路进入液压缸左腔，另一路一部分经滑阀控制边X1开口进入液压缸的右腔，一部分经滑阀控制边X2开口流回油箱。

当滑阀移动时，X1和X2此增彼减，使液压缸右腔回油阻力发生变化，因可以控制液压缸的运动速度和方向。

图9-4C 为四边滑阀控制系统，即它有四个控制边。

X1和X2是控制压力油进入液压缸左、右油腔的控制口。

X3和X4是控制液压缸左、右油腔通向油箱的控制口。

当滑闪移动时，X1和X3、X2和X4两两此增彼减，使进入液压缸左、右腔油液的压力和流量发生变化，从而控制液压缸的运动速度和方向。

二 、电液伺服阀电液伺服阀是一种能把微弱的电气模拟信号转变为大功率液压能（流量、压力）的伺服阀。

它集中了电气和液压的优点，具有快速的动态响应和良好的静态特性。

电液伺服阀工作原理见图9-5，它由力矩马达、喷嘴挡板式液压前置放大级和四边滑阀功率放大级等三部分组成，现分述如下。

（一）力矩马达力矩马达由一对永久磁铁1、导磁铁2、4 、衔铁3、线圈12和弹簧管11等组成。

其工作原理为：永久磁铁将两块导磁体磁化为N 、S 级。

当控制电流通过线圈12时，衔铁3被磁化。

若通入的电流使X 铁左端为N 级，右端为S 级，根据磁极间同性相斥、异性相吸的原理，衔铁向逆时针方向偏转O 角。

衔铁由固定在阀座位10上的弹簧管11支承，这时弹簧弯曲变形，产生一反力矩作用在衔铁上。

由于点磁力与输入电流值成正比，弹簧管的弹性力矩又与其转角成正比，因此衔铁的转角与输入电流的大小成正比。

电流越大，衔铁偏转的角度也越大。

电流反向输入时，衔铁也反向偏转。

（一） 前置放大级力矩马达产生的力矩很小，不能直接用来驱动四边控制滑阀，必须先进行放大。

前置放大级由挡板5（与衔铁固连在一起）、喷嘴6、固定节流孔7和滤油器8组成。

工作原理为：力矩马达使衔铁偏转，挡板5也一起偏转。

挡板偏离中间对称位置后，喷嘴腔内的油液压力1p ，2p 发生变化。

若衔铁带动挡板逆时针偏转时，挡板的节流间隙右侧减少，左侧增大，于是，压力1p 增大，2p 减少，滑阀9在压力差的作用下向左移动。

（二） 功率放大级功率放大级由滑阀9和阀体10组成。

其作用是将前置放大级输入的滑阀位移信号进一步放大，实现控制功率的转换和放大。

工作原理为：当电流使衔铁和挡板做逆时针方向偏转时，滑阀受压差作用而向左移动，这时油源的压力油从滑阀左侧通道进入液压马达13，回油经滑阀右侧通道，经中间空腔流回油箱，使液压马达13旋转。

与此同时，随着滑阀向左移动，使挡板在两喷嘴的偏移量减小，实现了反馈作用，当这种反馈作用使挡板又恢复到中位时，滑阀受力平衡而停止在一个新的位置不动，并有相应的流量输出。

由上述分析可知，滑阀位置是通过反馈杆变形力反馈到衔铁上，使诸力平衡而决定的，所以也称此阀为力反馈式电液伺服阀。

第三节 液压伺服系统应用实例一、阀控马达式液压系统阀控马达式液压系统的工作原理见图9-6。

它由回转式控制阀心4、阀套3、联轴节2和液压马达1组成。

当阀心得到一个信号而顺时针方向转过角度θ时，阀心和阀套间的开口被打开，压力油经阀口d 和h 按图中箭头方向进入液压马达的一腔；液压马达另一腔的油通过阀口b 和f 与回油接通，这样马达的输出轴也顺时针转动。

由于阀套通过联轴节与液压马达的输出轴相连，两者一同转动，阀套在转过角度θ后把阀口b 、d 、f 、h 关闭，液压马达于是也停止转动。

这种液压伺服系统实质是通过小的力矩控制阀心，从而控制马达输出大的力矩，即有放大力矩的作用，液压马达的转动跟随阀心的转动。

二、机械手液压伺服系统控制机械手的动作分解为伸缩，回转，升降和手腕的动作，每一个动作都应用到液压伺服系统，它们的工作原理均相同，现以伸缩伺服系统为例，简述它的工作原理。

图9-7是机械手手壁伸缩电液伺服系统原理图。

它主要由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械手壁3，电位器4，步进电动机5，齿轮齿条机构6和放大器7等元件组成。

当电位器4的动触头在中位时，触头上没有电压输出。

当它偏离这个位置时就会输出相应的电压。

电位器动触头产生的微弱电压，经放大器7放大后对电液伺服阀进行控制。

电位器的动触头由步进电动机带动旋转，步进电动机的转角位移和转角速度由数控控制装置发出的脉冲数和脉冲频率控制；齿条固定在机械手壁上，电位器固定在齿轮上，所以当手壁带动齿轮转动时，电位器同齿轮一起转动，实现负反馈。

机械手伺服系统的工作原理如下：假定由数字控制装置发出的一定数量的脉冲，使步进电机带动电位器4的动触头顺时针转过一定角度θ，动触头偏离电位器的中u，经位，产生微弱的电压1u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，这样压放大器7放大成2力油经滑阀开口进入液压缸的左腔，推动活塞连同机械手手壁一起向右移动，液压缸由腔的油经伺服阀流回油箱。

由于电位器齿轮和机械手臂上的齿条相啮合，手臂向右移动时，电位θ角时，电位器的碳膜中位和动触头重合，动触头器跟着顺时针方向转动。

当电位器转过输出电压为零，电液伺服阀没有信号输出，使阀口关闭，手臂停止移动。

手臂移动的行程决定于脉冲的数量，手臂移动的速度决定于脉冲的频率。

当数字控制装置反向发出脉冲时，步进电动机逆时针方向转动，手壁便向左移动。

三、液压助力器液压助力器实现的机液伺服系统。

见图9-8，若由操纵杆拉动差动杆上端从a1移到a2点，由于液压缸中负载阻力大而暂时不移动，因而差动杆上b点就以c点为支点右移到b1点，于是带动滑阀右移，阀口δ1和δ3增大，而阀口δ2和δ4减小，从而导致液压油进入液缸右腔，一方面使活塞向左移动，同时也使滑阀阀心向左移动，直到b1点又回到b点，各阀口δ1、δ2、δ3、δ4的开度又回到原的平衡开度，这时差动杆上的C 点移动到C 1点，系统在新的平衡点上稳定下来。

四、汽车转向液压助力器大型载重卡车广泛采用液压助力器，以减轻司机的体力劳动。

这种液压助力器也是一种位置控制的液压伺服机构。

汽车转向液压助力器工作原理和液压助力器的工作原理类似，图9-8是转向液压助力器的原理图，它主要由液压缸和控制滑阀两部分组成。

液压缸活塞1的右端通过铰销固定在汽车底盘上，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控制滑阀阀芯的移动。

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。

当阀芯3处于图示位置时，各阀口均关闭，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的形式，则可以防止引起不必要的扰动。