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[2016最新精品]伺服液压缸和普通液压缸的区别
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翻转起模机电液伺服系统研制论文
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3秒自动关闭窗口电液伺服系统的设计要点
电液伺服系统的设计要点
作者：宋学义
时间：1991
这篇文章是"宋学义"宋老先生多年以前的作品，本人有幸获得了它的复印件。我想，知识是需要更多的人掌握才能更加发挥它的作用，这也可能是宋先生本人的想法。为了更好的传播，我把复印件重新录入并稍作了些修改。希望这些资料对电液伺服系统设计感兴趣的认识有所帮助。
注：请在引用或使用后表明出处与，以表示对作者"宋学义"宋老先生的劳动成果的尊重。
由于承接电液伺服系统的设计与成套任务越来越多，有必要把电液伺服系统的设计要点总结成书面材料，使更多人能掌握起来，尽快取得独立设计的能力。
本文介绍的设计方法，仍然以古典控制理论中的频率响应阀为基础，而未采用现代方法。更好的方法，更多的经验数据，还需要大家在今后的工作实践中去创造、去积累和总结。
3.电液伺服系统的基本构成
电液伺服系统的基本构成见图1。信号源发出输入信号，与反馈信号比较后，产生误差信号，经放大后，由阀控缸执行，带动负载使之产生于输入对应的输出。
信号源可以是简单的模板和仿形传感器，或者给定电位器，也可以是比较复杂的信号发生器、甚至是电子计算机。
伺服放大器包括加法器在内，最好多有几路输入端子，以便于反馈补偿等信号处理。放大器一般设有深度电流负反馈以便得到很高的输出阻抗，从而减小伺服阀线圈电感和温度引起的电阻变化的影响。伺服放大器中有振幅和频率连续可调的颤振信号源，能在输出的控制电流中叠加高频小振幅的颤振信号，用以克服摩擦力的影响，改善系统性能。放大器应用具有必要的保护能力，即在信号过载时保护伺服阀线圈不被烧毁的饱和特性，及负载短路时放大器本身不被烧毁的自我保护能力。有的放大器中还装有PID调节器。
电液伺服阀一般可看成振荡环节，其频带宽度和阻尼比影响系统的动态特性。其主要参数还有：供油压力、伺服阀的额定流量和额定电流。
液压伺服缸一般不用普通的液压缸，而需要特殊设计制造，成本较高。缸内设置静压轴承以克服活塞杆上的侧向载荷，活塞处采用间隙密封以减小摩擦力，活塞杆密封不承受压差以延长其使用寿命。位置控制伺服系统中的位移传感器一般与伺服缸装成一体，结构上要保证能够防止活塞的转动而使传感器损坏，调试要提供调整机械零点的手段。如果通过传动机构取得反馈信号，还要采取措施消除传动间隙。
反馈检测手段视检测物理量的种类而定。检测位移的传感器可以是电位器、差动变压器、自整角机、旋转变压器、光栅等。某中心的喷漆机器人中用钢带带动多圈电位器检测位移，用闹钟发条消除间隙。1970年代末该单位给南京汽车厂搞的两台油压机同步系统中用齿轮齿条带动自整角机反馈，用力矩电动机消除齿隙影响。近年来，该单位用的较多的是直流LVDT。
图1中仅涉及到电液伺服系统中的信息流，其实，提供动力的液压站也是伺服系统的重要组成部分，理应给予足够的重视。伺服系统需要恒压油源，可以用定量泵+溢流阀或恒压变量泵。伺服系统经常在零点附近工作，泵站应采用节能方案。伺服阀和伺服缸都是精密液压元件，对油液污染比较敏感。所以，要加强液压站的污染控制，除机械滤油器外。还应增设磁性滤油器。推荐的泵站回路见图2。
&4.伺服系统基本设计步骤
每个项目所面对的问题是不同的，处理问题的步骤也会不同。即使处理同一个问题，步骤也不是单方向的，而是会有交叉反复。这里给出的仅仅是基本的步骤和大致的思路。
电液伺服系统的基本设计步骤如下：
弄清设计要求；
拟定设计方案；
进行负载匹配，确定各部分的基本参数；
选定电液伺服阀和伺服放大器；
设计伺服缸；
设计液压站；
分析系统性能；
进行必要的校正；
进行系统调试；
整理技术文件；
下面逐项解释每个步骤。
弄清设计要求；
应与顾客进行业务洽谈时，请客户尽可能详细地提出具体技术要求，其中应包括：伺服系统所驱动的负载的动力学参数（如移动质量、阻尼系数、弹簧刚度）、要求伺服系统的工作能力（如行程、速度、推力）、环境条件（如温度、粉尘、振动）、性能要求（如稳定性、快速性、精度）、耐久性要求（如可靠性、寿命）。
根据客户的要求，我方尽快进行方案论证并提出报价。对于难以实现的要求，应与顾客交涉适当放宽要求。对于我方仅承担一部分工作的系统，要与客户划清范围、明确责任（如系统清洁度和现场干扰等）。
签约时应有明确、确定、范围清楚的书面技术要求。
弄清移动质量m、阻尼系数b、弹簧刚度k、推力F、振幅Y、频率ω后，可画出3所示的伺服系统外特性曲线。图中的横坐标是频率，纵坐标是速度，斜率为1的直线是等振幅线，斜率为-1的直线是等加速度线。用粗折现画出的伺服系统外特性表明，该系统的振幅为80mm，最高速度为0.8m/s，最大加速度为20m/s2，最高频率为20Hz(约为125rad/s)。
伺服系统外特性上的M点是同时要求最高速度和最大加速度的设计工况点。次例子中M点要求以31.5mm的振幅和4Hz的频率运动，最高速度为0.8m/s，最大加速度为20m/s2.。
拟定设计方案；
基本方案就是图1所示的基本思路，只是执行元件要根据所需的运动方式可以变为伺服马达或摆动马达，反馈传感器根据被控量的类型可选用各种不同的传感器。
如果是多通道控制，则方案较复杂，需要考虑各通道的相互关系。
进行负载匹配，确定各部分的基本参数；
需要确定液压伺服缸、电液伺服阀、伺服放大器、液压泵站等部分的基本参数。其中，最主要的参数有供油压力Ps、伺服阀额定流量QR（即阀压降为7MPa时伺服阀的控制流量）和液压伺服缸的有效面积A。这三个参数之间的关系取决于伺服系统负载特性与驱动特性的匹配，即所谓的负载匹配。
负载特性为下式所表达的椭圆：
驱动特性为下式所表达的抛物线：
Ps：供油压力(Pa)；
A：活塞有效面积（m2）；
Qnl：伺服阀无载流量（m3/s）
进行负载匹配时，把式（1）和（2）两条曲线画在P-Q或F-v平面上，并使驱动特性曲线从外部包围负载椭圆。
如使两条曲线在P=（2/3）Ps处相切，则系统的传动效率最高。对于振动台、扫雷武器、次声武器之类的应用场合，可以忽略粘性和弹性负载而只考虑惯性负载。这时，负载曲线变成正椭圆，高效匹配的示例见图4。
供油压力Ps一般由客户指定或按用户行业的习惯确定，如火电设备为1MPa，水电设备为2.51MPa，机床为7MPa，振动台为21MPa，试验机为31.5MPa等。
根据图中的M点求出最高速度Y'm和最大加速度Y''m，再求出最大推力Fm=mxY''m，即可确定活塞的有效面积：
选定活塞直径和活塞杆直径后，计算实际的活塞有效面积，即可确定伺服阀流量：
液压缸的行程应比二倍振幅在大一点，如大6-12mm。
液压缸的有效面积A已确定了，
伺服阀的供油压力Ps已确定，其流量按式3.3.3-2在伺服阀规格中选定，没有必有提供Qnl。
液压泵站的压力Ps已确定，流量按Qm选定。
选定电液伺服阀和伺服放大器；
选用伺服阀时要注意两点。
一是：伺服阀的流量规格要比上面计算的QR再放大10%，以便留有余地。流量过大会使精度降低；
二是：阀的频宽应为所要求的系统频宽的3倍以上。
设计伺服缸；
设计伺服缸的时候要注意以下几个问题：
对称缸两侧活塞的有效面积相等，因而在流量一定时往复速度相等。但用四通伺服阀控制不对称缸时，为了克服往复速度不等的问题，应采用在阀套上开有异形窗口的伺服阀。
伺服阀与伺服缸之间的连接管路应短而粗。
反馈用位移传感器与缸装成一体时，结构上要能调整机械零点（即当活塞处于零位时使传感器的输出为零），同时防止活塞旋转引起传感器的损坏。
活塞与活塞杆上应采用静压轴承。
设计液压站；
液压站的压力Ps已经确定。液压站的流量应大于负载最大流量+伺服阀零耗流量+静压轴承供油量+溢流阀开启后的溢流量。推荐采用图2所示的节能方案，其中安全阀的开启压力应比供油压力高1～1.5MPa。建议油箱中设磁棒。
分析系统性能；
需要分析所设计的伺服系统的稳定性、快速性及控制精度，看它们是否满足设计要求。
列出系统的传递函数并数字化，根据系统的特征方程式的系数，运用罗斯判据判断系统的绝对稳定性。绘制系统开环对数频率特性，运用奈奎斯特判据判定系统的相对稳定性。要求系统有8～12dB的幅值裕度和45度～60度的相位裕度。
绘制线条闭环对数频率特性，求出-3dB和90度相移时的频宽，分析快速性。
系统的控制精度，取决于传感器的分辨率、放大器的零漂、伺服阀的滞环与死区等不理想性，以及前向积分环节数和环路增益。
进行必要的校正；
如果系统的稳定性、快速性或控制精度未满足设计要求，可以通过校正来改善系统性能以满足设计要求。
设置PID调节器可以在不降低稳定裕度的前提下提高环路的增益，从而提高控制精度。
设置节流塞、旁通阻尼塞、增加动态压力反馈或速度反馈等，都是行之有效的提高稳定裕度的措施，统称为阻尼技术。
阻尼技术中的动态压力反馈和速度反馈，又称为反馈补偿。也可以在反馈通道增设环节抵消不良的主导极点，人为设置最佳的主导极点。
观测系统的输出并与期望值输出比较，将其差值预先叠加于控制信号，以便获得期望输出，这是所谓的顺溃补偿。
实现状态反馈与优化的现代方法，也可看成广义的校正。
进行系统调试；
伺服系统出厂之前必须进行调试。
首先进行彻底的冲洗，使油液的清洁度达到要求；
测试压力，保证没有外泄漏；
接换向阀加叠加式单向节流阀，高压跑合；
调信号极性，使系统接成负反馈；
调颤振，使系统动作灵活；
调零点，使系统在无信号时处于零位；
调增益，使系统稳定工作并达到精度；
测试系统的频率特性。
整理技术文件；
技术文件是项目的技术总结，是以后技术工作的重要参考资料，是项目归档和用户售后服务必不可少的工作记录，必须充分重视，认真总结。
需要收集和整理的技术文件包括：
项目计划任务书；
设计计算书；
施工图样；
试验报告；
使用说明书；
研制总结报告；
技术鉴定书；
电液伺服系统设计举例
上面虽然介绍了电液伺服系统的基本设计步骤，但仍然是抽象的。下面，举例说明这些设计步骤的如何在实际中运用。
技术要求：
最大推力Fm：17～18kN；
最高速度v：0.43m/s；
最大振幅X：±5mm；
机械行程：8mm；
工作频率f：5～100Hz；
快速性要求：100Hz时相位移&180度；
控制精度要求：两伺服缸相位差&90度；
供油压力Ps：21MPa；
电机功率：10kW；
用于用户提出了同步误差的要求，拟采用图5所示的同步系统控制方案。
图5 振源控制方案
根据公式（3）可计算出最小的活塞有效面积：
因活塞杆内需要装入传感器的线圈部分，因此取活塞杆直径d=40mm，取活塞的直径D=52mm，则实际活塞的有效面积为：
取活塞的总行程为16mm；
根据公式（4）可计算出伺服阀的额定流量
取伺服阀额定流量QR=16L/min。
已限定油源的功率为10kw，压力为21MPa，设泵的效率为η=0.9，则泵的流量为：
采用蓄能器补油，泵的流量是平均流量，采用蓄能器后油源能输出的最大流量为：
油源的流量供两组伺服缸使用，所以每个缸的最大速度（不考虑零耗流量和静压轴承流量）因为受油源功率的限制充其量可达到：
经过试算，伺服阀的90度相移频宽为120Hz时可以满足快速性要求。假设伺服阀ω0=2π&120,ζ=0.5的振荡环节，则伺服系统的方块图如下图6所示。给定信号UR与反馈信号UF相比较，得出误差信号UE，经增益为KA的放大器放大成控制电流后作用于增益为KSV、固有频率为ω0、阻尼比为ζ=0.5的伺服阀振环节，伺服阀输出流量Q经增益为KCYL的液压缸积分环节产生位移X，反馈增益为KF。
图6 电液伺服系统方块图
已知LVDT的输出电压为±5v，伺服阀的额定电流为±150mA，，伺服缸的振幅为±5mm，所以：
引入环路增益KL和系数a、b
则图6所示的方块图可简化为图7的形式。
图7电液伺服系统简化方块图
从图7可知，系统特征方程系数依次为1.759e-6、1.326e-3、1、106.5，根据罗斯判据，四个系数都大于零，而且：
所以，此系统绝对稳定。
根据图z，系统的开环对数频率特性为：
据此算出可绘制开环对数频率特性曲线，
图 8 开环对数频率特性曲线
根据图z，系统的闭环对数频率特性为：
据此算出可绘制闭环对数频率特性曲线，
图 9 闭环对数频率特性曲线
转向架回转试验台
1985年起，为铁道部科学研究院机车车辆研究所的转向架回转试验台液压系统，用户要求以2度的角振幅和1.5Hz的频率及以10度的角振幅和0.5Hz的频率，驱动3.2mx2mx0.4m质量5000kg的转台和3.55mx2.62质量8000kg的转向架作正弦摆动。阻力力矩50kN.m，液压缸力离转轴的力臂为1m。
转台与转向架在液压缸轴线上的折算质量为：
阻力矩引起的阻力为：
以2度的角振幅和1.5Hz的频率摆动时，
及以10度的角振幅和0.5Hz的频率摆动时，
负载特性表达式为：
据此可画出图上的两条负载曲线。
经过试算，取液压缸活塞直径为140mm，活塞杆直径为80mm，行程为360mm，供油压力为14MPa，Qnl=500L/min，按算出的驱动特性曲线也画在图上。
图10 转向架回转台负载匹配
液压缸最大速度，所需流量Qmax=0.548x1.037e-2=341L/min。采用蓄能器，所需平均流量为，泵站压力16MPa，流量270L/min。
轻钢龙骨飞剪
此项目因为非技术原因而未能实施，但很有特色。1985年，某厂提出要搞制造灯具罩盒的轻钢龙骨的轧机飞剪。飞剪小车重700kg，最短料长2m时的最大出料速度为40m/min，切料精度±5mm。切断缸缸径160mm，杆径100mm，行程10mm，推力200kN，下行时间0.2秒，上行时间0.12秒。
弄清设计要求比较复杂，需要我们仔细推敲。飞剪装在小车上，由切断缸上下移动完成切断动作。小车由拖动缸拖动与龙骨轧机出料同步运动，实施同步切割。切割动作完成后，飞剪小车迅速后退，对准下一次同步切割。
拖动缸前行时经历一个加速---等速---减速的运动过程，其中等速运动时的速度应等于龙骨轧机的出料速度，以便进行同步切割。拖动缸后退时，龙骨轧机继续出料，飞剪小车应在下一个切口到达小车前行起始位置之前退回起始位置，等待下一次前行。
出料速度v=40m/min=2/3m/s，料长L=2m时，飞剪的工作循环周期T=L/v=3s。考虑到液压缸换向的停顿，把前行的单行程时间定为1.3s并做如下分配(见下图)：
加速时间：t1=0.3s；
等速时间：t2=0.7s；
减速时间：t3=0.3s；
图 11 时间分配
前行速度v在0.3s内由0加速到v,如果按匀加速规律加速，则加速度为：
地震模拟振动台激振器
该单位曾经为地震模拟振动台激振器提供专用的电液伺服阀，为了确定此伺服阀的参数，有必要对该激振器进行全面的了解。地震模拟振动台激振器是原振动台研究室为建筑科学研究院抗震研究所开发的，设计要求：
最大振幅：0.1m；
最高速度：0.63m/s；
搭载质量：25000kg；
最大加速度：1g；
工作频率：0.1Hz～15Hz；
激振器活塞直径：220mm；
活塞杆直径：150mm；
图12 地震模拟台激振器外特性
根据设计要求，可画出外特性图。如下所示。它是由100mm振幅，0.63m/s速度，1g加速度：15Hz频率线所组成的；在实验室试验时，试验用砝码仅有2500kg，是实际使用时的十分之一，所以要试验到10g加速度，如虚线所示。
已设定减振器本身的移动质量为300kg。驱动 25000kg达到1g时所需推力为：，而驱动2500kg达到10g时的驱动力为：。显然，后者更大一些。所以取虚线所示试验外特性的拐点M为设计工况点。此点对应的推力为：
已选定激振器活塞直径：220mm，活塞杆直径：150mm，于是，活塞有效面积为：
所需的最低供油压力：
设计工况点对应的最高速度为v=0.63m/s，可求出所需伺服阀的额定流量为：
设计的SV4伺服阀，阀芯直径为32mm，全周开口，阀芯最大位移为2mm，其额定流量为：
可满足要求。
以上介绍了电液伺服系统的设计要点。国内可看到的谈电液伺服阀系统的书籍很多，多数写的很厚，可是到底怎么设计呢，又都语焉不详，不得要领。这或者出于多种原因。
本人举了几个不同类型的例子。企图说明这样一个观点，即伺服系统设计的难点，不在于已有成式的计算，而在于如何把用户提出的五花八门的要求，抽象成我们可以用所学到的理性知识与数学手段加以处理的问题，从而拟定设计准则，这才是要发挥主观能动性的创造性劳动。
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