鸿钛裁断机液压伺服和电液比例控制技术！

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第一节 液压伺服控制

裁断机液压伺服控制是以液压伺服阀为核心的高精度控制系统。液压伺服阀是一种通过改变输入信号，连续、成比例地控制流量和压力进行液压控制的。根据输入信号的方式不同，又分为电液伺服阀和机液伺服阀，如图2-24所示。

一、电液伺服阀

电液伺服阀是电液伺服系统中的放大转换元件，它把输入的小功率电流信号，转换并放大成液压功率（负载压力和负载流量）输出，实现执行元件的位移、速度、加速度及力控制。它是电液伺服系统的核心元件，其性能对整个系统的特性有很大影响。

1.电液伺服阀的组成

电液伺服阀通常由电气--机械转换装置、液压放大器和反馈（平衡）机构三部分组成。

电气--机械转换装置用来将输入的电信号转换为转角或直线位移输出。输出转角的装置称为力矩马达，输出直线位移的装置称为力马达。

液压放大器接受小功率的电气--机械转换装置输入的转角或直线位移信号，对大功率的压力油进行调节和分配，实现控制功率的转换和放大。

反馈和平衡机构使电液伺服阀输出的流量或压力获得与输入电信号成比例的特性。

2.电液伺服阀的工作原理

图8-1所示为喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理图。图中上半部分为电气--机械转换装置，即力矩马达，下半部分为前置级（喷嘴挡板）和主滑阀。当无电流信号输入时，力矩马达无力矩输出，与衔铁5固定在一起的挡板9处于中位，主滑阀阀芯亦处于中（零）位。液压泵输出的油液以压力ps进入主滑阀阀口，因阀芯两端台肩将阀口关闭，油液不能进入A、B口，但经节流孔10和13分别引到喷嘴8和7，经喷射后，液流流回油箱。由于挡板处于中位，两喷嘴与挡板的间隙相等，因而油液流经喷嘴的液阻相等，则喷嘴前的压力p1与p2相等，主滑阀阀芯两端压力相等，阀芯处于中位。若线圈输入电流，控制线圈中将产生磁通，使衔铁上产生磁力矩。当磁力矩为顺时针方向时，衔铁连同挡板一起绕弹簧管中的支点顺时针偏转。图中左喷嘴8的间隙减小、右喷嘴7的间隙增大，即压力p1增大，p2减小，主滑阀阀芯在两端压力差作用下向右运动，开启阀口，ps与B相通，A与T相通。在主滑阀阀芯向右运动的同时，通过挡板下端的弹簧杆11反馈作用使挡板逆时针方向偏转，使左喷嘴8的间隙增大，右喷嘴7的间隙减小，于是压力p1减小，p2增大。当主滑阀阀芯向右移到某一位置，由两端压力差（p1-p2）形成的液压力通过反馈弹簧杆作用在挡板上的力矩、喷嘴液流压力作用在挡板上的力矩以及弹簧管的反力矩之和与力矩马达产生的电磁力矩相等时，主滑阀阀芯受力平衡，稳定在一定的开口下工作。

显然，改变输入电流大小，可成比例地调节电磁力矩，从而得到不同的主阀开口大小。若改变输入电流的方向，主滑阀阀芯反向位移，可实现液流的反向控制。图8-1所示电液伺服阀的主滑阀阀芯的最终工作位置是通过挡板弹性反力反馈作用达到平衡的，因此称之为力反馈式。除力反馈式以外，伺服阀还有位置反馈、负载流量反馈、负载压力反馈等。

3.液压放大器的结构形式

电液伺服阀的液压放大器常用的形式有滑阀、射流管和喷嘴挡板三种。这里仅介绍滑阀式液压放大器的结构形式。

根据滑阀的控制边数，滑阀的控制形式有单边、双边和四边三种，如图8-2所示。其中单边和双边的控制式只用于控制单出杆液压缸；四边控制式既可控制单出杆液压缸，也可控制双出杆液压缸，四边控制式因控制性能好，用于精度和稳定性要求较高的系统。

4.伺服阀的性能与特点

以图8-4所示零开口四边滑阀为例来分析。

图示位置阀芯向右偏移、阀口1和3开启，2和4关闭。压力油源pp经阀口1通往液压缸，液压缸的回油经阀口3回油箱。因阀口开度很小，因此在进、回油路上起节流作用，阀口1处压力由pp降为p1，流量为q1，阀口3处的压力由p2降为零，流量为q3。当负载条件下进入伺服阀的流量为qp，进入液压缸为双出杆形式时可得到下列方程

式中，A1、A3为阀口1、3的过流面积，当阀芯为对称结构时A1=A3，q1=q3。由此可得pp-p1=p2，又因负载压力pL=p1-p2，所以p1=（pp+pL）/2，p2=（pp-pL）/2，阀口的压力流量方程可写成

式中，w为阀口面积梯度，当窗口为全圆周时，w=πD。该式表示了伺服阀处于稳态时各参量（qL，x，pp，pL）之间的关系，因此被称为静特性方程，可用流量放大系数kq、流量压力系数kc及压力放大系数kp来表示

阀系数kq和kp大、kc小，则伺服阀性能好。

由于伺服阀控制精度高，响应速度快，特别是电液伺服系统易实现计算机控制，因此在工业自动化设备、航空、航天、冶金和军事装备中得到广泛应用。其缺点是：伺服阀加工工艺复杂，对油液污染敏感，液压伺服系统成本高，维护保养困难等。

二、电液伺服系统应用举例

电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号而动作。这类伺服系统中电液两部分之间都采用电液伺服阀作为转换元件。

电液伺服系统根据被控物理量的不同分为位置控制、速度控制、压力控制等。本节以机械手电液伺服系统为例，介绍常用的位置控制电液伺服系统。一般机械手包括四个电液伺服系统，分别控制机械手的伸缩、回转、升降及手腕（正爪、反爪）的动作。由于四个系统的工作原理均相似，故以机械手手臂伸缩电液伺服系统为例，介绍其工作原理。

图8-5所示为机械手手臂伸缩电液伺服系统原理图。它由电液伺服阀1、液压缸2、活塞杆带动的机械手手臂3、电位器5、步进电动机6、齿轮齿条4和放大器7等元件组成。当数字控制部分发出一定数量的脉冲信号时，步进电动机带动电位器4的动触头转过一定的角度，使动触头偏移电位器中位，产生一定的开口量，假设此时压力油经伺服阀进入液压缸左腔，推动活塞连同机械手手臂上的齿条相啮合，手臂向右移动时，电位器跟着作顺时针方向旋转。当电位器的中位和动触头重合时，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的数量，速度决定于脉冲的频率。当数字控制部分反向发出脉冲时，步进电动机向反方向转动。手臂便向左移动。由于机械手手臂移动的距离与输入电位器的转角成比例，机械手手臂完全跟随输入电位器的转动而产生相应的位移，所以它是一个带有反馈的位置控制电液伺服系统

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