数控液压伺服系统设计与应用.pdf

2 0 1 0年 9月 第3 8 卷 第 1 8 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS S e p ． 2 01 0 Vo I ． 3 8 No ． 1 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 8 ． 0 1 8 数控液压 伺服系统设计与应 用 孙 如 军 德州学院机 电工程 系，山东德 州 2 5 3 0 2 3 摘要为提高液压系统控制精度，采用数控液压伺服控制取代传统的电液伺服控制。介绍数控液压伺服系统的组成 ， 重点介绍数控液压伺服阀的结构和工作原理 ，并介绍该系统的应用领域。该系统采用 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 ，而且大大降低成本。 关键词数控伺服阀；数控液压伺服油缸 中图分类号T H1 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 f 2 0 1 0 1 8 0 4 8 3 The De s i g n a nd Ap pl i c a t i o n o f Nume r i c a l Co nt r o l Hy d r a ul i c Se r v o S y s t e m s uN R u i a n D e p a r t me 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 e 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 T o i mp r o v e t h e c o n t r o l p r e c i s i o n，n u me r i c a l c o n t r o l h y d r a u l i c s e n ro c o n t r o l w a s u s e d t o r e p l a c e 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 o c o n t r o 1 ． T h e c o mp o s i t i o n o f t h e n u me ric 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 i n t r o d u c e d ．T h e s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e a s w e l l a s t h e a p p l i c a t i o n d o ma i n s o f t h e n u me r i c a l c o n t r o l h y d r a u l i c s e nr0 v a l v e w e r e i l l u s t r a t e d ． T h e s y s t e m t h a t a d o p t e d P L C t o c o n t r o l s t e p mo t o r n o t o n l y s a t i s fi e s t h e r e q u i r e me n t s o f r e l i a b i l i t y a n d s p e e d i n e s s ，b u t als o g r e a t l y r e d u c e s t h e c o s t ． Ke y wo r d s Nu me r i c a l c o n t r o l h y d r a u l i c s e r v o v a l v e Nu me ri c a l c o n t r o l h y d r a u l i c s e r v o c y l i n d e r 国内在液压精密控制领域 ，采用传统的电液伺服 控制系统，但是其结构复杂、传动环节多、不能由电 脉冲信号直接控制。对于近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⋯。 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 。作者经几年的努力 ，设计 并研制成功 自己的数 控液压伺服系统 ，超越传统 的电 液伺服控制系统，大大提高控制精度。现对该系统作 简要介绍 。 1 数控液压伺服系统的组成 控制 器 单片机 PLC 系 统 机 驱 动器 功 率 放大 液 压泵 站 闭环 反馈 繇 接反 馈 J液 马达 J I角 位 移 分离 式 ，传 动 反馈 I I 图 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。 ’ 数控装置包括控制器 ，驱动器和步进电机。之 所 以采 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，大 大降低成本。 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 。 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 ，即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 数控液压伺服阀的结构如图 2 ，数控液压缸的结 构如 图 3 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 8 作者简介孙如军 1 9 6 6 一 ，男，硕士，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 ，Ema i l 2 3 0 6 5 7 9 9 1 6 3． t o m。 阚 日 r ● ● ● ● ● ● ● 伺_ 1进 机 控 一 步 电 数 广 第 1 8 期 孙如军数控液压伺服系统设计与应用 4 9 l 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l 1 一 挡垫I 2 一 隔垫 l 3 一 轴 承l 4 一 密 封 圈l 5 一 螺盖1 6 一 反馈 螺 母P一 压力 油孔 。一 回 油孔 图2 数控液压伺服阀结构 25 l4 l 一 步 进 电机2 一法 兰3 一 螺钉4 一 阀体5 一联 轴 节6 ～ 限动盖 7 一定位 套8 一 芯轴9 一 阀杆l 0 一 阀套l l 一 挡 垫1 2 一隔 垫 l 3 一 轴承1 4 一 密封 圈1 5 一螺 盏l 6 一 反馈 螺母1 7 一 锁 紧螺 母 l 8 ～活塞1 9 一反馈螺杆副2 O 一油管2 l 一油缸体2 2 一接头 2 3 一 支撑 盖2 4 一 活 塞杆2 5 一a 、b 进 回油 孔 图 3数控液压缸结构 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 ，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的左端有两只球轴承 1 3 被 挡垫 1 1和隔 垫 1 2定位，用螺盖 l 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 人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 ，带动芯轴转动，由于反馈螺母被两只球 轴 承固定 ，不能产生轴 向位称 ，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，使芯轴返 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 数控 伺服 阀和液 马达 匹配 工作原理 如 图 4，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 l 6不能轴向移动，芯轴 8产生轴 向位移量 ，带动阀杆 9轴向位移，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 钡I 1 一 步进 电机2 一 法 兰3 一螺 钉4 ～ 阀体卜 联轴 节6 一 限动 盖 7 一 定位 套8 ～ 芯轴9 一 阀杆l 0 一 阀套l 1 一挡 垫1 2 一 隔垫 l 3 ～轴 承1 4 ～ 密封 圈1 s 一螺 盖l 6 一反 馈螺 母26 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 _ _ 进 回 油孔 图4 数控伺服阀和液马达匹配 3 数控液压伺服系统的应用领域 3 ． 1 用于中型机床 车床的应用是各类机床中比较基本的形式，用一 只行程较 大的数控液压缸作机床 的纵 向运行部件 ，另 一 只行程和缸径较小的数控液压缸作车床的横向运行 部件 ，数控系统采用两坐标车床控制系统，辅助部件 有液压站一台、回转刀架一台、车床主轴脉冲发生器 等 ，其结构和一般的数控机床系统基本相 同，特点在 于用数控液压缸代替大功率伺服电机和滚珠螺杆 副，数控系统采用小功率步进 电机系统，因而推力 大 、成 本低 。 其他重型机床的应用基本和车床相似，例如铣床 的应用要采用三坐标可以加工一些复杂而精密的零 件；滚齿机在加工鼓形齿时采用数控液压伺服系统， 保证齿 面 的精度 ，数 控 液压 缸所 占空 间小 ，便 于安 装 。 5 0 机床与液压 第 3 8卷 3 ． 2 用 于冶金机械 轧钢 机 轧钢机 的工作 原理 是 由一对 轧辊 完成 钢锭 的轧 制和成 型 ，下面 一 个 轧辊 是 固定 的 ，由轴 承 支 撑 ， 动力带 动 旋 转 ；上 面 一 个 轧 辊 由支 架通 过 螺 杆 吊 装 ，经过 螺 杆 可操 作 上 轧辊 上 、下 运 动。轧 钢 时 ， 由工人操纵手 把 ，将 上轧辊 下 到一定 位 置 ，钢 锭从 旋 转的两轧辊 间隙 中经过 ，轧 制成所 需形 状 。一 种 型钢要经过多次轧制才能成型 ，对于精度要求较高 的钢材 ，手工操 作难 以达 到要求 ，并且 轧辊 下压 时 两端难 以达到 同步 ，致 使压 制 的钢材 质量 低 。如 果 用 两只 数 控液 压缸 来 吊装 轧 辊 ，由计 算 机 精 密 控 制 ，不仅 能保证两 轧辊 之 间间 隙准确 ，且 轧 辊两 端 同步 ，发 现误差时 也能 方便 准确 调整 ，保 证 轧钢 质 量 。如在 轧制钢板 特 别是轧 薄板 时 用数 控液压 缸 吊装轧 辊将使钢 板质量 大 幅度提 高 ，用 数控 液压 缸 吊装轧 辊 ，消除丝 杠 的磨损 ，减少 维修 费用 和维 修时停机 停产的损失 。 3 ． 3 用于油压机、冲床 、铸锻设备 油压机 、冲床 、锻造设 备其原理基本相同 ，用一 只普通液压缸经各种 液压原 件和电气原件 的控制 ，进 行运动行程 、速度的调节 。一般情况是在远离工 件时 速度快 ，离工件较近时减慢速度 ，加大压力 ，压 紧工 件后停 留一定时间 ，再快速退 回。存在的问题是 控 制调解不精确 ，加工精度较低 ；传动环节多，发生 故障时维修困难。不仅要求尺寸精确，还要求造型 美观 ，为满足社会需求 ，就应有 高精度 的机械设 备 ，数控 液压 伺 服 系 统 具 有 推 力 大 、精 度 高 的优 势，完全能满足要求。这些设备有 的本来就装有液 压缸，在应用时只需略加改进就可使用。对于新设 备 ，可根据需要 重新设 计制 造 。汽 车制 造 企业 是发 展很快的行业 ，需 要大量 冲压设备，例 如轿车车 身 、车 门 、车窗等 ，在 加工 时用 一 只液压 缸不 能完 成 ，要 用数 只或 更多 的液压缸 油 缸群 才 能共 同 完成 ，这种情况下用数控液压伺服 系统更显优势， 用计 算机控制容 易实现 。 4结论 介绍 了数控伺 服系统 的组成和应用 ，重点分析 了 数控伺服阀的结构和工作原理 ，只要有满足要求的数 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 ，虽然还有很多问题，但是作者相信 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] ． 2 版． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 上接 第 4 7页 液压泵输 出压力 P经过阀芯 l 7的直径 方向的小孔 和 中心孔注入 阀芯 1 7的左 端 ，负载敏感 压力 P 。 引入 阀芯 l 7的右端 。如果 阀芯 1 7两端压 力差 卸 P P 。 超过调定值，阀芯 1 7右移，打开 P通往 T之间的开 口，降低P值，使压力差 △ p 恢复原值。 2 ． 3 差压式顺序阀在在 系统 中的作用 差压式顺序阀只保证阀片节流压力差 卸 P P 为恒定值 ，如果超过此值 ，则开 口大卸 除部 分压力 。 但卸除 的压力并 不多 ，流量 也不大 ，因为压 力差 △ p 增 大的同时 ，变量泵就减小排量 。特别是在所有 阀片 都停止工作时，油泵压力P急剧升高，即 △ p P P 急剧升高 ，此 刻 ，变量泵减小排量和差 压式顺序 阀打 开放油 同时工作 ，可 以迅速卸荷。这是压力卸荷与流 量卸荷并举 的卸荷方式 。 3结论 在 力士乐多路阀 M 7阀内 ，有 两个 阀，由于对其 名称 、结构和功能有不 同认识 ，作 者尝试做 了解 释。 命名阀 1 为定流量阀、阀2为差压式顺序阀 或差压 式溢流 阀 。 根据定流量阀实际结构和 D I N I S O 1 2 1 9标 准拟定 了相应的职能符号 ，用来帮助读者理解其工作原理 。 从 阀结构 可知该 阀功能 为 压力 差 却 、开 口量 A 的变化方 向相 反。定 流 量 阀是 负载 敏感 系统建立 负载敏感压力 不可缺 少的元 件 ，影 响到 P 岱的响应 时间 。 对于阀 2 ，力 士乐公 司称 此 阀为 T h r e e w a y P r e s - s u r e C o m p e n s a t o r ，即三通压力补偿器。从结构上看其 功能是用液压泵 与负载敏感压力 的压力差 卸 p 控制阀芯的开启。为了更好理解其工作原理， 作者根 据 D I N I S O 1 2 1 9标准拟定 了相应的职能符号 。 参考文献 【 1 】 李玉琳． 液压元件与系统设计[ M] ． 北京 北京航空航天 ．大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． 1 2 ． 【 2 】雷天觉， 液压工程手册 [ M] ． 北京． 一 E 京理工大学出版 社 ， 1 9 9 8 ． 1 2 ． 【 3 】李中复． 单斗液压挖掘机液压 回路效率分析[ J ] ． 机械 设计与制造 ， 1 9 9 8 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