1、液压与气压传动第4版 二0一九年九月二十九日第九章第九章 液压伺服系统及其他液压伺服系统及其他液压液压技术的应用技术的应用 第一节 液压仿形刀架的工作原理 第二节 液压伺服系统基本形式及实例 第三节 其他液压技术及应用 小结 伺服系统是自动控制系统的一种重要类型。它除了具有液压传动的各种优点外，还有反应快，系统刚性大、伺服精度高等特点，所以它在机床中获得了广泛的应用。第一节 液压仿形刀架的工作原理 一、车床仿形刀架液压伺服系统的工作原理 在车床上，利用液压仿形刀架可以仿照样件（或样板）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和减轻劳动强度。图9-1表示一个装
2、在卧式车上的液压仿形刀架的原理图。仿形刀架装在车床溜板箱后部，随溜板箱一起作纵向移动，并按照样件的轮廓形状车削工件，样件7安装在床身支架上，是固定不动的，液压泵站放在车床附近的地面上，与仿形刀架以软管相连。仿行刀架工作时，压力油从液压泵9经过滤器10通入伺服阀的通道f并分两路；一路不经节流进入油路a至液压缸前腔A，所以液压缸前腔A的油压始终等于液压泵的供油压力p1 ,在工作过程中是不变的；另一路经节流缝隙1至环槽b进入油路c至液压缸后腔B，同时压力油从环槽b经节流缝隙2进入油路e而回油箱。可以看出，液压缸后腔B一方面通过缝隙1 和进油相通，另一方面又通过缝隙 和油路相通。因此，液压缸后腔B中的
3、压力p2，就由节流缝隙1和2的比例来决定。图9-1 车床液压仿形刀架原理 仿形刀架的活塞杆2固定在刀架的底座上，液压缸的缸体连同刀架1可在刀架底座的导轨上沿液压缸的轴向移动。控制滑阀11的一端有弹簧5，经杆4使触头6经常压紧在样件7上。车削圆柱面时，触头6沿样件7的圆柱表面滑动，这时滑阀11不动，节流缝隙1和2保持某一比例关系，使得液压缸后腔B中压力油的作用力能和液压缸前腔A中压力油的作用力以及车刀13处沿液压缸轴向的切削分力互相平衡。作用力的平衡关系可以用下式来表示。p1 A1=p2 A2+F 这时,仿形刀架处于相对平衡状态,由溜板箱带动仿形刀架作纵向进给,车出圆柱面。如图9-2中所示的a点
4、。车台肩时，当触头6碰到样件7上的凸肩时，触头6就绕本身的支点3抬起，并经杆4向右上方拉动滑阀11，使节流缝隙1增大，2减小，于是液压缸后腔中的油压增大，破坏了原来的平衡，液压缸的缸体连同刀架1带动车刀13后退，这时溜板箱的纵向进给运动速度纵 和仿行刀架带动车刀13的后退运动速度仿 所形成的合成运动速度合，就使车刀车出工件的台肩部分，见图9-2中的b点。因此，一般作为附件的仿行刀架的液压缸轴线，多与主轴中心线安装成4560的斜角，目的就是为了可以车削直角的肩部。图9-2 进给运动合成示意图 当液压缸的缸体后退时，带动触头6的支点3后退，同时通过杆4也拉滑阀11作较小的后退。这样，当触头只抬起了
5、一小段距离时，在液压缸的缸体也跟着后退同样一小段距离后，就使节流缝隙1和2恢复到原来的大小，仿行刀架又处于平衡状态。在车台肩时，由于样件7的凸肩不断将触头6抬起使节流缝隙1增大，2减小，是平衡状态连续受到破坏，所以液压缸的缸体连同刀架也就带动车刀13不断后退，跟随触头作随动运动。因此，仿形过程就是不平衡和恢复平衡的不断互相转化的过程。二、液压伺服系统的特点 通过对车床液压仿形刀架的工作情况分析，可以看出液压伺服系统有以下几个特点：1）液压伺服系统是一个跟踪系统。2）液压伺服系统是一个力放大系统。3）液压伺服系统是一个反馈系统。4）液压伺服系统是一个误差系统。仿形刀架液压伺服系统的工作过程可用图
6、9-3所示的工作原理方框图来表示。第二节 液压伺服系统基本形式及实例 一、液压伺服系统的基本形式 液压伺服系统按拖动装置的控制方式和控制元件的形式分为：节流式（阀控制式）和容积式（变量泵控制或变量马达控制）两大类。在节流式液压伺服系统中，主要的控制元件是伺服阀或电液伺服阀。这里主要介绍阀控式的滑阀式、射流式、喷嘴档板式三种常的基本类型。1.滑阀式液压伺服系统 根据滑阀上控制的边数（即起控制作用的阀口数）的不同，这种系统又分为单边滑阀控制式、双边滑阀控制式和四边滑阀控制式三种。单边滑阀式液压伺服系统的简图如图9-4所示。控制滑阀只有一个阀边起控制液流的作用。在前面图9-1所示系统中,控制滑阀11
7、有两个阀边起控制液流的作用,这种系统称为双边滑阀式液压伺服系统。四边滑阀式液压伺服系统的简图如图9-5所示。它的工作原理与双边滑阀式也类似，不过液压缸的两个油腔都分别由滑阀上的四个阀边1、2、3和4来控制，同时液压缸两腔的有效工作面积是相等的。图9-5 四边滑阀式液压伺服系统简图 由上述可见，单边、双边、四边滑阀的控制作用是相同的。单边式、双边式用以控制差动连接的液压缸，四边式既可用来控制差动连接的液压缸，也可用来控制非差动连接的液压缸。从控制质量上看，控制边数越多越好，但从结构工艺上看，控制边数越少越容易制造。一般来说，四边式控制用于精度和稳定性要求较高的系统。根据滑阀在平衡状态时阀口初始开
8、口量的不同可分为正开口量、零开口量、重叠量三种类型，如图9-6所示。图9-6 滑阀阀口的几种类型 2.射流管式液压伺服系统 射流管式液压伺服系统的工作原理如图9-7所示。它由射流管3、接受板2和液压缸1等组成。射流管可绕垂直于图面的轴线0向左右摆动一不大的角度接受板上有两个并列的接受孔道a和b，分别与液压缸的两腔相通。压力油从通道c输入射流管内，并从射流管端部的锥形喷嘴射出，油液在经过锥形喷嘴时速度提高，当油液进入接受孔道后，由于通流面积扩大，又使高速运动油液的动能转变成油液的压力能，用以推动液压缸工作。射流管式液压伺服系统的优点是：结构简单、元件加工精度要求低；射流管出口处面积大，抗污染能力
9、强，能适应恶劣的工作条件下工作；射流管上没有不平衡的径向力，不会产“卡紧”现象。3.喷嘴挡板式液压伺服系统 喷嘴挡板式液压伺服系统的工作原理如图9-8所示。它由固定节流孔a、中间油室b、喷嘴1及挡板2等组成。喷嘴和挡板共同组成了一个可变截面的节流装置。中间油室b与执行元件的工作油腔相连通。喷嘴挡板式液压伺服系统的优点是“结构简单，运动部分惯性小，位移小，反应快，精度和灵敏度高，加工要求低，没有径向不平衡力，不会发生“卡紧”现象，因而工作较可靠。图9-8 喷嘴挡板式液压伺服系统的工作原理 二、液压伺服系统实例 1.电液压伺服阀的工作原理 电液伺服阀的工作原理如图9-9所示。它由电磁和液压两部分组
10、成。（1）电磁部分 电磁部分由永久磁铁1、两个导磁体9、线圈8和衔铁2等组成。它的作用是把输入的电信号转变成力矩，使衔铁偏转，以便控制液压部分，一般称它为力矩马达。如图9-10所示。图9-9 电液伺服阀的工作原理图9-10 力矩马达的磁通变化 （2）液压部分 液压部分是一个两级放大器，第一级是喷嘴挡板式，称为前置放大级；第二级是四边滑阀式，称为功率放大级。当无电流信号输入时，力矩马达无力矩输出，与衔铁2固定在一起的挡板5处于中位，主滑阀阀芯亦处于中（零）位。液压泵输出的油压泵输出的油液以压力p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e,c口，但经固定节流孔g分别引到喷嘴4，经喷射
11、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pa与pb相等，主滑阀阀芯两端压力相等，阀芯处于中位。无电流信号输入时：衔铁处在中位滑阀处在中位 若有控制电流输入时，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，衔铁将连同挡板一起绕弹簧管中的支点顺时针偏转。图中左喷嘴与挡板的间隙减小，右喷嘴7与挡板的间隙增大，即压力pa增大，pb减小，主滑阀阀芯向右运动，p与c相通、e与d相通。在主滑阀阀芯向右运动的同时，通过挡板下端的扭轴3的反馈作用使挡板逆时针方向偏转，使左喷嘴的间隙增大，右喷嘴的间隙减小，于是压力pa减小，pb增大
12、。磁力矩为顺时针方向时 当主滑阀阀芯向右移到某一位置，又两端压力差(pa-pb)形成的液压力通过反馈扭轴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扭轴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，改变控制电流的大小，形成比例的调节电磁力矩，从而得到不通的主阀开口大小。若改变输入电流的方向，主滑阀阀芯反向位移，实现液流的反向控制。改变输入电流的方向，主滑阀阀芯反向位移，实现液流的反向控制。2.汽车转向液压助力器 在大型载货汽车中，为了减轻驾驶员操作方向盘的体力劳动，提高汽车的转向灵活性，常采用转向液压助力器。图9-11是转向液压助力器的
13、工作原理图。转向液压助力器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车架上，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移动。图9-11 转向液压助力器的工作原理图 当缸体前后移动时，通过转向梯形机构6等控制车轮向左或向右偏转，从而操纵汽车转向。控制滑阀的阀芯和阀体做成负开口。当阀芯3处于图示位置时，因液压缸左、右腔油液被封闭，因此缸体固定不动，汽车保持直线运动。滑阀阀芯的这一相应位置通常称为平衡位置。由于控制滑阀为负开口，可以防止引起不必要的扰动。转向时，若逆时针方向转动方向盘，通过摆杆带动阀芯向右移动，则液压缸右腔进油，左腔回油，使液压缸缸体向右移动，带动转向梯形机构向逆时针方向摆动，使车轮向左偏转，实现向左转弯；反之，顺时针方向转动方向盘，通过摆杆带动阀芯向左移动，则液压缸左腔进油，右腔回油，使液压缸缸体向左移动，带动转向梯形机构向顺时针方向摆动，使车轮向右偏转，实现向右转弯。
