资源描述：
2 0 0 7年 8月 第 3 5卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Au g ．2 0 0 7 V0 1 ． 3 5 N0 ． 8 数控液压伺服系统组成及工作原理 孙如 军 德州学院机电工程 系，山东德 州 2 5 3 0 2 3 摘要为了提高液压系统控制精度，将传统的电液伺服控制方式改为数控液压伺服控制方式。充分利用先进的计算机 技术，采用 P L C控制步进电机，不仅能够满足数控液压系统的快速性和可靠性要求，而且大大降低了成本。 关键词数控装置；数控伺服阀；数控液压伺服油缸 中图分类号T H 1 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 0 7 8 1 2 5 2 Th e Co mp o s i ng o f Nu me r i c a l Co n t r o l Hy dr a ul i c S e r v o S ys t e m a n d i t s W o r k i n g Pr i n c i p l e S UN Ru i t i n D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c a l E n g i n e e r i n g ， D e z h o u U n i v e r s i t y ， D e z h o u S h a n d o n g 2 5 3 0 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i n c r e a s e t h e c o n t r o l p r e c i s i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m ，n u me r a l c o n t r o l h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m wa s a d o p t e d i n s t e a d o f t r a d i t i o n a l e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m． B y u s i n g P L C t o c o n t r o l s t e p p i n g mo t o r ，t h e r a p i d i t y a n d r e l i a b i l i t y o f n u me r a l c o nt r o l hy dr a u l i c s y s t e m Was r e a l i z e d，t h e c o s t wa s r e du c e d ． Ke y wo r d s Nu me r i c a l c o n t r o l i n s t a l l me n t Nu me 6 c al c o n tr o l S c h n e i d e r ；Nu me r i c a l c o n t r o l h y d r a u l i c p r e s s u r e s e r v o c y l i n d e r 国内在液压的精密控制领域通常采用传统的电液 伺服控制系统，但 由于其结构复杂 、传动环节多而不 能由电脉冲信号直接控制。对于现代液压伺服控制需 考虑① 环境和任务复杂，普遍存在较大程度 的参 数变化和外负载干扰 ；②非线性的影响，特别是阀控 动力机构流量非线性的影响；③有高的频宽要求及静 动态精度的要求 ，须优化系统的性能；④微机控制与 数字化及离散化带来 的问题；⑤如何通过 “ 软件伺 服”达到简化系统及部件的结构 。 因此发达国家已应用数字控制，即数控液压伺服 系统来取代电液伺服控制系统，经过几年的努力，设 计并研制成功自己的数控液压伺服系统 ，它超越了传 统的电液伺服控制系统，大大提高控制精度。本文仅 就该系统作简要介绍 。 1 数控液压伺服系统的组成 系统由数控装置 、数控伺服阀、数控液压缸或液 马达、液压泵站 4大部分组成。系统框图如图 1 所示。 控 制器 驱动器数 控伺 服 阀 执 行 元件 负载 鍪 H 鍪 H 薹 路 垂 豆 j[ 坌 查 焦 垦 塑 闭环 反馈 图 1 数控液压伺服系统的组成 1 数控装置包括控制器、驱动器和步进电 机。之所以要采用步进电机 ，是由于计算机技术的飞 速发展，使步进电机的性能在快速性和可靠性方面能 够满足数控液压系统的要求 ，而其价格低廉，又由于 数控液压系统结构的改进 ，所需步进 电机功率较小， 不需采用宽调速伺服电机等大功率伺服电机系统，就 能大大降低成本 。 2 液压缸 、液马达 和液 压泵 站是 液压 行业 的 老产品，只要按数控液压伺服系统的要求选取精度较 高 的即可应用。 3 伺服控制元件是液压伺服系统中最重要 、 最基本的组成部分，它起着信号转换、功率放大及反 馈等控制作用 。所以整个数控液压伺服系统的关键 部件就是数控伺服阀，它必需将电脉冲控制的步进电 机的角位移精确地转换为液压缸的直线位移 或液 马达的角位移 。也可以说，只要有了合格的数控伺 服阀，就能获得不同的数控液压伺服系统。 2 数控液压伺服阀的结构和工作原理 2 ． 1 数控 液 压伺服 阀的结构 数控液压伺服阀的结构如图 2所示 ，数控液压缸 的结构如图 3 所示 。 l S l 4 l 3 l 2 l 1 l 0 9 R 7 6 5 4 3 2 l 1 一步进电机2 一法兰3 一螺钉4 一阀体5 一联轴节 6 一限动盖7 一定为套8 一芯轴9 一阀杆1 0 一阀套 1 1 一挡垫 l 2 一隔垫 1 3 一轴承 1 4 一密封圈 1 5 一螺 盖1 6 一反馈螺母P 一压力油孔0 一回油孔 图2 数控液压伺服阀结构 维普资讯 1 2 6 机床与液压 第 3 5卷 1 一步进电机2 一法兰3 一螺钉4 一阀体5 一联轴节6 一限动盖7 一定位套 8 一芯轴9 一阀杆1 0 一阀套1 1 一挡垫1 2 一隔垫1 3 一轴承1 4 一密封圈 1 5 一 螺盖1 6 一反馈螺母1 7 一锁紧螺母1 8 一活塞1 9 一反馈螺杆副2 0 一油管2 1 一 油缸体2 2 一接头2 3 一支撑盖2 4 一活塞杆a 、b 一进、回油孔2 5 一锥销 图3 数控液压缸 2 ． 2工作原 理 2 ． 2 ． 1 数控液压伺服阀和液压缸匹配工作原理 如图 2和图 3 所示 ，步进电机 1 通过法 兰 2用 螺 钉 3与阀体4联接 ，电机轴通过联轴节 5与芯轴 8联 接，阀杆 9被定位套 7固定在芯轴 8上，阀杆可随芯 轴在阀套 1 0中轴向移动，阀套被限动盖 6固定在阀 体 4中，压力油口P 、回油口0分别与阀体上相应的 油道相通，阀体 4的左端有 2只球轴承 1 3被档垫 1 1 和隔垫 1 2定位，用螺盖 1 5固定在阀体中，反馈螺母 1 6被两只球轴承固定；芯轴 8的左端加工有外螺纹 ， 拧入反馈螺母 的内螺纹 中。当有 电脉 冲输入 ，步进电 机产生角位移，带动芯轴角位移，由于反馈螺母被 2 只球轴承固定 ，不能轴向移动 ，螺母与活塞杆 中的反 馈螺杆刚性 连接 ，在 活塞 杆静 止 的条 件 下也 不能 转 动，迫使芯轴产生直线位移，带动阀杆产生轴 向位 移 ，打开阀的进 、回油通道 ，压力油经 阀套开 口处进 入液压缸 ，油压推动活塞作直线 位移 ，由于活塞杆固 定在机床导轨上不能转动 ，迫使 活塞杆 中的反馈螺杆 作旋转运动，带动伺服阀的反馈螺母旋转 ，旋转方向 与芯轴方向相同，使芯轴巡回原位，当芯轴退回到 0 位时 ，阀杆 关闭了进 、回油 口，油缸停止运动 ，活塞 杆运动的方向、速度和距离由计算机程序控制。数控 伺服液压缸完成 了一次脉 冲动作 。 2 ． 2 ． 2 数控伺服阀和液马达匹配工作原理 如 图 4 所示 ，液 马达的旋 转轴用键 2 6与 阀的反 馈螺母 1 6 联接 ，液 马达 的进 、回油接头 与 阀的相应 接头联接，当有电脉冲输入时，步进电机按指令方向 旋转 ，由于反馈螺母 1 6 不能轴 向移动，芯轴 8 放置产 生轴向位移量 ，带动阀杆 9轴 向移动 ，打开液马达 的 进、回油通道，油压使旋转轴 2 7 旋转带动反馈螺母 1 6 同向旋转，由于反馈螺母 1 6不能轴向位移，使芯轴 8 产生轴 向位移 ，当移动量 达到一 定时 ，阀杆关 闭进 、 回油通道，液马达停止转动，完成一次脉冲动作，其 转动的方向、速度和角位移由计算机程序控制。 1 一步进电机2 一法兰3 一螺钉4 一阀体5 一联轴节 6 一限动盖7 一定位套8 一芯轴9 一阀杆1 O 一阀套 1 1 一挡垫1 2 一隔垫 1 3 一轴承 1 4 一密封圈 1 5 一螺 盖1 6 一反馈螺母2 6 一键2 7 一旋转轴 2 8 一油管接 头2 9 一液马达壳体3 0 一安装孔a 、b 一进、回油孔 图4 数控伺服阀和液马达匹配 3 液压泵站 3 ． 1 对泵站的技 术要 求 1 根 据 系 统 需 要 ，提供一定 范 围的油 压 。 2 根据机床加工 情况 ，在油缸 慢速运 行 时供应油缸需要的较小 流量 ，在油缸 快速 运行 时 ，又能及 时提供 较大 的流量 。 图 5 泵站的组成 下转第 1 2 8页 T 一 L 。 事 ①●●r血 一 一 一 维普资讯 机床与液压 第 3 5卷 端引射线，两射线的 夹 角 即为 过 渡 曲 线 所 占的角度范围。当 然 ，同这种定子配用 的配流盘也要作相应 的改变 ，具 体地说就 是增大配流盘上吸油 窗 口所 占 的 角 度 范 围，减小压油窗 口所 占的角度 范围 ，使前 者大于后者，并使其 和定 子 曲线 相适 应 。 具体方案如图 2所示。 图2 改进的双作用叶 片泵定子 曲线 在图 2中，1 、6表示短半 径 r 所形成 的小 圆弧 ， 2 、7表示压油腔 的过渡 曲线 ，咖 。 、 ， 是过渡 曲线 2 、 7所 占的 角度范 围 ，3 、8表示 长半 径所 形 成 的大 圆 弧 ，5 、9表示 吸油腔 的过渡 曲线 ， 、咖 是 过渡 曲 线5 、9所占的角度范围， 4 表示叶片， 是叶片转动 的方 向。改进 的定子 曲线在油泵中所起 的作用 以及工 作过程和传统定子曲线相同，这里不再赘述。需要说 明的是 ，对于改进后的定子 曲线 ，当叶片 4在过渡曲 线 5 、9 上按 图中方 向滑动时 ，由于过渡 曲线 5 、9的 角度范围 、咖 增大了 ，所以在定子曲线升程 一 r 上接第 1 2 6页 3 为保证油缸运行的稳定性，油压的脉动不 大于 0 ． 1 MP a 。 4 油液能保持热平衡，温升最大不大于5 5 ℃。 5 油液 清洁 ，无 杂质水 份 ，滤 油器 过 滤精 度 不大于 0 ． 1 m。 6 各元 件和联 接件在 最 大工作 压力下 不渗 漏 油。 3 ． 2泵站 的组 成 泵站 的组成如图 5所示 。 4 数控系统 根据数控液压伺服阀、数控液压缸 数控液马 达的工作原理，需要有与其相匹配的数控系统， 具体要求是 1 采用小功率步进电机系统 ，其驱动器功率 较小 ，可降低成本。 。 2 空载起动频率要达到2 k H z以上 ，连续运行 频率应达到 1 0～ 2 0 k H z ，保证系统运行需要。 3 数控系统功能应达到国家 机床数字控制 系统通用技术条件的要求。 4 体积小，重量轻，便于安装。 一 定时，叶片4外伸的速度和加速度都可以减小 ，这 样可使叶片可靠地贴紧定子内表面。同时由于扩大了 吸油腔 的角度范 围，所 以也 改善 了油泵 的吸油条件 。 而在叶片4的径向速度和径向加速度一定时，定子曲 线 的升程 一 r 可 以增 大 ，这样可 以增大油 泵 的排 量 。当叶片 4在过渡曲线 2 、7上按 图中方 向滑动时 ， 由于过渡 曲线 2 、7所 占的角度 范 围 。 、咖 减小 了， 所以径向速度和径向加速度均有所增加，但这是允许 的。 3结束语 为了克服传统双作用 叶片油 泵定子 曲线 的缺点 ， 提 出一种对油泵定子 曲线和配流 盘改进设 计的思路 ， 改进定子 的特点 是用 它构 成 的油泵 吸油 腔大 于压油 腔。这样可以使叶片在吸油腔的外伸速度和加速度减 小 ，或者使定子曲线的升程增大。用这种定子构成的 油泵运转平稳 、噪声小 、起 动性 能和 吸油条件均好。 参考文献 【 l 1 何存兴 ． 液压传动与气压传动 [ M]． 二版 ． 湖北 华 中科技 大学 出版社 ， 2 0 0 2 8 7 ， 作者简介杨延荣 1 9 7 6 一 ，女，汉族，山西太谷 人，硕士，讲师 ，主要研究方向为机电一体化技术。电话 0 2 2 2 7 5 1 3 3 4 3 ．Em a i l t j s h y y r s i n z _e o m。 收 稿 日期 2 0 0 60 80 9 5 抗干扰性能强 ，能在 车间环境下正常工作。 6 系统可靠性应达 到平 均无故 障工作时间 3 0 0 0 h以上 。 根据考查 ，北京斯达特公司的系统基本能满足要 求，特别是驱动器具有细分功能 ，便于调整脉冲当 量，且体积小、重量轻，便于安装。 5结论 本文介绍了数控伺服系统的组成，重点分析了数 控伺服阀的结构和工作原理，只要我们有了满足要求 的数控伺服阀，就能获得不同的数控液压伺服系统。 鉴于该系统的优越性 ，我们有理 由相信其市场应 用前 景值得期待 。 参考文献 【 1 】王占林 ． 近代电气液压伺服控制 [ M]． 北京北京 航 空航 天大学出版社 ，2 0 0 5 ， 【 2 】姜继海 ． 液压传动 [ M]． 第 2 版 ． 哈尔滨哈尔滨 工业大学出版社 ，2 0 0 4 ． 作者简介孙如军 1 9 6 6 一 ，男，山东乐陵人，硕 士，副教授，从事机械制造及 自动化研究。电话 0 5 3 4 8 9 8 5 5 2 7， 1 3 1 7 3 3 4 1 9 7 2 。 E ma i l 2 3 0 6 5 7 9 9 1 6 3 ． e o m。 收稿 日期 2 0 0 7 0 31 2 维普资讯
展开阅读全文
