執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)4

4.8比例閥和伺服閥伺服閥和比例閥，都是通過調(diào)節(jié)輸入的電信號(hào)模擬量，從而無極調(diào)節(jié)閥的輸出量，例如壓力，流量，方向。（伺服閥也有脈寬調(diào)制的輸入方式）。伺服閥比例閥伺服閥依靠調(diào)節(jié)電信號(hào)，控制力矩馬達(dá)的動(dòng)作，使銜鐵產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)前置閥動(dòng)作，前置閥的控制油進(jìn)入主閥，推動(dòng)閥芯動(dòng)作。比例閥是調(diào)節(jié)電信號(hào)，使銜鐵產(chǎn)生位移，帶動(dòng)先導(dǎo)閥芯動(dòng)作，產(chǎn)生的控制油再去推動(dòng)主閥芯。

比例伺服閥調(diào)節(jié)閥將比例閥中的比例電磁鐵和伺服閥中的閥芯和閥套加工技術(shù)有機(jī)結(jié)合獲得比例閥伺服閥驅(qū)動(dòng)裝置比例電磁鐵力馬達(dá)或力矩馬達(dá)；性能參數(shù)中位死區(qū)有沒有頻響（響應(yīng)頻率）一般最高幾十Hz高達(dá)200Hz左右液壓油液的要求要求較低需要精過濾閥芯結(jié)構(gòu)閥芯+閥體結(jié)構(gòu)(閥體兼作閥套)閥芯+閥套的結(jié)構(gòu)中位機(jī)能種類比例換向閥具有與普通換向閥相似的中位機(jī)能伺服閥中位機(jī)能只有O型（Rexroth產(chǎn)品的E型）加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單工藝復(fù)雜成本低高控制精度較低高應(yīng)用場(chǎng)合開環(huán)控系統(tǒng)及閉環(huán)速度控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)典型電---氣比例閥、伺服閥的工作原理

直流比例電磁鐵閥芯閥套閥體位移傳感器控制放大器氣源口輸出口輸出口排氣口排氣口4.8.1滑閥式電---氣方向比例閥

1、換向閥的工作原理2、比例電磁鐵具有水平吸力特性，即在工作區(qū)內(nèi)，其輸出力的大小只與電流有關(guān)，與銜鐵位移無關(guān)，若電磁鐵的吸力不顯水平特性，彈簧曲線與電磁力曲線族只有有限的幾個(gè)交點(diǎn)，這意味著不能進(jìn)行有效的位移控制。3、控制放大器的作用：3）為了改善比例閥的性能，控制放大器還含有對(duì)反饋信號(hào)Uf和電壓差U的處理環(huán)節(jié)。比如狀態(tài)反饋控制和PID調(diào)節(jié)等2）將U放大輸出轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)I輸出驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵工作1）比較指令信號(hào)Ue和位移反饋信號(hào)Uf，得到兩者的差值U滑閥式二級(jí)方向伺服閥噴嘴擋板閥的工作原理壓力一定的液體一部分流入液壓缸的有桿腔，另一部分經(jīng)過固定節(jié)流口后，其中一部分流人液壓缸的無桿腔，其余經(jīng)過噴嘴噴出，流回油箱。當(dāng)信號(hào)電流改變擋板的偏轉(zhuǎn)位置時(shí)，改變了可變節(jié)流口的大小，也就改變了流經(jīng)節(jié)流口的流動(dòng)阻力，從而改變了液壓缸兩腔的壓力平衡狀態(tài)，使液壓缸活塞產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)左右兩動(dòng)圈式力馬達(dá)均無電流輸入，也無力輸出。在噴嘴氣流作用下，兩擋板使可變節(jié)流器處于全開狀態(tài)，容腔3、7內(nèi)壓力幾乎與大氣壓相同。滑閥閥芯被裝在兩側(cè)的反饋彈簧5、6推在中位，兩輸出口A、B與氣源口P和排氣口O均被隔開。當(dāng)某個(gè)動(dòng)圈式馬達(dá)有電流輸入是（例如右側(cè)力馬達(dá)），輸出與電流I成正比的推力Fm將擋板推向噴嘴，使可變節(jié)流器的流通面積減小，容腔6內(nèi)的氣壓P6升高，升高后的P6又通過噴嘴對(duì)檔板產(chǎn)生反推力Ff。當(dāng)Ff與Fm平衡時(shí)，P6趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值乘以噴嘴面積Ay等于電磁力。另一方面，P6升高使閥芯兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，該壓力差作用于閥芯斷面使閥芯克服反饋彈簧力左移，并使左邊反饋彈簧的壓縮量增加，產(chǎn)生附加的彈簧力Fs，方向向右，大小與閥芯位移X成正比。當(dāng)閥芯移動(dòng)到一定位置時(shí)，彈簧附加作用力與7、3容腔的壓差對(duì)閥芯的作用力達(dá)到平衡，閥芯不在移動(dòng)。此時(shí)同時(shí)存在閥芯和擋板的受力平衡方程式：

Fs=KsX=(P6-P5)Ax

Ff=P6Ay=KiI式中KS----反饋彈簧剛度Ax----閥芯斷面積Kf----動(dòng)圈式力馬達(dá)的電流增益。在上述的調(diào)節(jié)過程中，左側(cè)的噴嘴擋板始終處于全開狀態(tài)，可以認(rèn)為P5=0，代入后整理上述兩式可得X=(AxKi/AyKs)*I閥芯位移與輸入電流成正比。當(dāng)另一側(cè)動(dòng)圈式馬達(dá)有輸入時(shí)，通過上述類似的調(diào)節(jié)過程，閥芯將向相反方向移動(dòng)一定距離。當(dāng)閥芯左移時(shí)，氣源口P與輸出口A連通，B口通大氣；閥芯右移時(shí)，P與B通，A口通大氣。閥芯位移量越大，閥口開口量也越大。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣流的流動(dòng)方向和流量的控制。這類閥采用動(dòng)圈式馬達(dá)，動(dòng)態(tài)性能好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在初始狀態(tài)這類閥采用動(dòng)圈式馬達(dá)，動(dòng)態(tài)性能好，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖示是一種壓力伺服閥，其功能是將電信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為氣體壓力輸出。主要組成部分有：動(dòng)圈式力馬達(dá)1、噴嘴2、擋板3、固定節(jié)流口4、閥芯5、閥體6、復(fù)位彈簧7、阻尼孔8等。初始狀態(tài)時(shí)，力馬達(dá)無電流輸入，噴嘴與擋板處在全開位置，控制腔內(nèi)的壓力與大氣壓幾乎相等?；y閥芯在復(fù)位彈簧推力的作用下處在右位，這時(shí)輸出口A與排氣口通，與氣源口P斷開。當(dāng)力馬達(dá)有電流I輸入時(shí)，力馬達(dá)產(chǎn)生推力Fm(=KiI)，將擋板推向噴嘴，控制腔內(nèi)的氣壓P9升高。P9的升高使擋板產(chǎn)生反推力，直至與電磁力Fm相平衡時(shí)P9才穩(wěn)定，這時(shí)脈寬調(diào)制伺服閥4.9電液比例伺服閥4.9.1電-液伺服閥電液伺服閥通常由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器和液壓放大器兩部分組成電液伺服閥內(nèi)部示意圖1、電液伺服閥的工作原理力矩馬達(dá)（力馬達(dá)）液壓放大器反饋機(jī)構(gòu)（平衡機(jī)構(gòu)）2、電液伺服閥的組成SSNNpSpS123456789101112pL,QL1—信號(hào)線;2—永磁體;3—線圈;4—銜鐵;5—彈簧管;6—噴嘴;7—擋板;8—反饋彈簧桿;9—閥芯;10—固定阻尼孔;11—過濾器;12—閥體

力反饋兩級(jí)電液伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖反饋機(jī)構(gòu)（或平衡機(jī)構(gòu)）：使伺服閥的輸出壓力或流量與輸入電氣控制信號(hào)成比例，使伺服閥本身成為閉環(huán)系統(tǒng)平衡機(jī)構(gòu)：用于單級(jí)伺服閥和兩級(jí)彈簧對(duì)中式伺服閥，通常為各種彈性元件，為一力-位移轉(zhuǎn)換元件力矩馬達(dá)（或力馬達(dá)）：將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為力矩或力液壓放大器：控制流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量或壓力閥流量較大時(shí)，采用兩級(jí)或三級(jí)電液伺服閥的形式。包括液壓前置級(jí)和功率級(jí)液壓前置級(jí)：?jiǎn)危p）噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥、射流元件功率級(jí)：滑閥力反饋——反饋彈簧桿動(dòng)作示意圖3、力矩馬達(dá)

電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換器利用電磁原理工作力矩馬達(dá)的分類及要求（1）分類1）可動(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式：直線位移式（力馬達(dá)）、角位移式（力矩馬達(dá)）2）可動(dòng)件結(jié)構(gòu)形式：動(dòng)鐵式（銜鐵）、動(dòng)圈式（控制線圈）3）極化磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式：非激磁式（控制線圈差動(dòng)連接）、固定電流激磁（激磁線圈，大的極化磁通，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大）、永磁式（永久磁鐵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、獲得的極化磁通?。?）對(duì)力矩馬達(dá)的要求1）產(chǎn)生足夠的力或行程，體積小、重量輕2）動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快3）直線性好、死區(qū)小、靈敏度高、磁滯小4）特殊情況下，要求抗振、抗沖擊、不受環(huán)境溫度和壓力影響3）力矩馬達(dá)工作原理永磁動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)

用彈簧管支承銜鐵的力矩馬達(dá)1——彈簧管，2——液壓放大元件

用彈簧管支承銜鐵的力矩馬達(dá)1——彈簧管，2——液壓放大元件

在零位時(shí)，銜鐵正好處于四個(gè)氣隙的中間位置，彈簧管也正好在正中零位。當(dāng)輸入i而產(chǎn)生電磁力矩后，電磁力矩使銜鐵偏轉(zhuǎn)，彈簧管也受力歪斜變形，作用在銜鐵上的電磁力矩與彈簧管變形時(shí)的彈性力矩平衡，也就是電磁力矩Td通過彈簧管彎曲變形而轉(zhuǎn)化為銜鐵的角位移。

雙噴嘴擋板閥

被控對(duì)象

被控對(duì)象

力矩比較元件反饋桿彈簧管3）電-液伺服系統(tǒng)工作流程4.9.2電-液比例閥通過改變線圈電流，可以改變閥芯位移大小，從而實(shí)現(xiàn)了比例閥出口流量的控制。通過改變線圈電流，可以改變閥芯位移大小，從而實(shí)現(xiàn)了比例閥出口流量的控制。4.9.2電-液比例閥通過改變線圈電流，可以改變閥芯位移大小，從而實(shí)現(xiàn)了比例閥出口流量的控制。4.9.2電-液比例閥通過改變線圈電流，可以改變閥芯位移大小，從而實(shí)現(xiàn)了比例閥出口流量的控制。4.9.2電-液比例閥通過改變線圈電流，可以改變閥芯位移大小，從而實(shí)現(xiàn)了比例閥出口流量的控制。4.9.2電-液比例閥通過改變線圈電流，可以改變閥芯位移大小，從而實(shí)現(xiàn)了比例閥出口流量的控制。4.9.2電-液比例閥比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)比例電磁鐵由下列部分組成： -線圈(A) -磁軛(B) -銜鐵(C) -磁極片(D) -推桿(E)銜鐵密閉在導(dǎo)磁套（F）中，比例電磁鐵通常采用塑料樹脂材料(G)封裝。ABCDFGE當(dāng)在線圈上施加電壓時(shí)，將有電流流過線圈。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)1)同樣，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)集中在金屬導(dǎo)磁套、磁極片和銜鐵中。2)然而，在磁極片與銜鐵之間的磁回路中存在間隙，所以，就會(huì)產(chǎn)生電磁力，該電磁力將閉合這個(gè)間隙，從而使磁路導(dǎo)通。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)1)推桿將比例電磁鐵與比例閥閥芯連接起來，其通常推動(dòng)閥芯向擠壓彈簧方向移動(dòng)。2)電磁力大小由磁場(chǎng)強(qiáng)度決定，而磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈電流成正比。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)增加線圈電流將使電磁力增大，因此，閥芯移動(dòng)距離也增大。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)增加線圈電流將使電磁力增大，因此，閥芯移動(dòng)距離也增大。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)增加線圈電流將使電磁力增大，因此，閥芯移動(dòng)距離也增大。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)FIFI在設(shè)計(jì)比例電磁鐵時(shí)，應(yīng)使電磁力(F)與線圈電流(I)之間成線性關(guān)系，即電磁力僅取決于線圈電流。比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)電磁換向閥進(jìn)一步講，電磁換向閥與比例閥之間的不同就在于閥芯結(jié)構(gòu)上。SSQQ電磁換向閥1)對(duì)于電磁換向閥，當(dāng)通電時(shí)，閥芯結(jié)構(gòu)應(yīng)使其壓降最小。2)這意味著為了控制小流量，所需閥開口度將會(huì)是很小。小開口度是很難控制的。SSQ比例閥1)然而，比例閥閥芯在刃口上開有V型槽，這樣可使比例閥開口具有較寬的變化區(qū)間。44軸向V形槽

沿閥芯的軸向開若干個(gè)三角槽。閥芯做軸向運(yùn)動(dòng)，即可改變開口量h，從而改變過流斷面面積。φlDhα45bhaφαφlDhαSSQ比例閥1)然而，比例閥閥芯在刃口上開有V型槽，這樣可使比例閥開口具有較寬的變化區(qū)間。2)所以，與電磁換向閥相比，盡管比例閥的最大流量較低，但是，其更容易實(shí)現(xiàn)小流量控制，即比例閥開口是逐漸變化的。SSQ比例閥根據(jù)將控制的最大流量，可配裝不同的閥芯，即這些閥芯具有不同的形狀、大小或V型槽數(shù)。直動(dòng)式比例溢流閥1)比例閥也可用于控制壓力，在這種情況下，比例電磁鐵用來推動(dòng)閥芯動(dòng)作，即通過彈簧將錐閥芯壓在閥座上。電磁力越大，所需將溢流口打開的壓力就越大。直動(dòng)式比例溢流閥2)這里描述了直動(dòng)式溢流閥功能，直動(dòng)式溢流閥只允許通過較小的流量。1)比例閥也可用于控制壓力，在這種情況下，比例電磁鐵用來推動(dòng)閥芯動(dòng)作，即通過彈簧將錐閥芯壓在閥座上。電磁力越大，所需將溢流口打開的壓力就越大。先導(dǎo)式比例溢流閥為了控制較高的流量，直動(dòng)式比例溢流閥可以作為先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)級(jí)（或減壓閥）。先導(dǎo)式比例溢流閥為了控制較高的流量，直動(dòng)式比例溢流閥可以作為先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)級(jí)（或減壓閥）。遠(yuǎn)程控制–開關(guān)系統(tǒng)在開關(guān)系統(tǒng)中，為了調(diào)節(jié)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度，應(yīng)將流量控制閥安裝在合適位置處，這表明工作油管與操作臺(tái)相連接。比例系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制-

比例系統(tǒng)不過，在比例系統(tǒng)中，比例閥通過電信號(hào)控制，即僅采用小功率電纜就可將操作臺(tái)與比例閥連接起來。比例系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)PLC遠(yuǎn)程控制–比例系統(tǒng)當(dāng)今機(jī)器控制通常采用電子控制器來實(shí)現(xiàn)，而比例閥在液壓系統(tǒng)與電子控制器之間可提供一個(gè)簡(jiǎn)單接口。比例系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)電磁換向閥的響應(yīng)時(shí)間比例閥的最大優(yōu)勢(shì)就在于其電控能力，即通過電信號(hào)可無級(jí)控制其閥芯運(yùn)動(dòng)速度。0.015S電磁換向閥的響應(yīng)時(shí)間根據(jù)電磁換向閥的通徑大小和電源電壓，其通電響應(yīng)時(shí)間約為15ms。0.040S電磁換向閥的響應(yīng)時(shí)間由于復(fù)位彈簧力比電磁力低，所以，電磁換向閥的斷電響應(yīng)時(shí)間稍微長(zhǎng)一些（一般約為25ms）。S比例閥的響應(yīng)時(shí)間不過，比例閥閥芯的運(yùn)動(dòng)速度可由輸入給比例電磁鐵的電信號(hào)確定。通過漸增或漸降（稱之為斜坡）電信號(hào)，可以獲得幾秒鐘的通電和斷電響應(yīng)時(shí)間。1.000S比例閥的響應(yīng)時(shí)間不過，比例閥閥芯的運(yùn)動(dòng)速度可由輸入給比例電磁鐵的電信號(hào)確定。通過漸增或漸降（稱之為斜坡）電信號(hào)，可以獲得幾秒鐘的通電和斷電響應(yīng)時(shí)間。2.000S比例閥的響應(yīng)時(shí)間不過，比例閥閥芯的運(yùn)動(dòng)速度可由輸入給比例電磁鐵的電信號(hào)確定。通過漸增或漸降（稱之為斜坡）電信號(hào)，可以獲得幾秒鐘的通電和斷電響應(yīng)時(shí)間。3.000S比例閥的響應(yīng)時(shí)間不過，比例閥閥芯的運(yùn)動(dòng)速度可由輸入給比例電磁鐵的電信號(hào)確定。通過漸增或漸降（稱之為斜坡）電信號(hào)，可以獲得幾秒鐘的通電和斷電響應(yīng)時(shí)間。無反饋式比例閥為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求，可使用不同類型的比例閥，這些比例閥具有不同的性能。在最簡(jiǎn)單的比例方向閥類型中，電磁力與彈簧力相平衡，以對(duì)閥芯進(jìn)行定位。無反饋式比例閥功率放大器的輸入信號(hào)可產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流，以輸出給比例電磁鐵。這個(gè)電流信號(hào)在閥芯上產(chǎn)生一個(gè)電磁力，從而使閥芯移動(dòng)，直至電磁力與彈簧力相平衡。

小輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)于較小的閥開口度。無反饋式比例閥逐漸增加輸入信號(hào)會(huì)使閥開口度也變大，且允許較大流量流過...無反饋式比例閥...直至達(dá)到閥的最大開口度，即通過最大流量。無反饋式比例閥1)因此，對(duì)于任何輸入信號(hào)，閥芯定位都是通過電磁力與彈簧力相平衡來實(shí)現(xiàn)的。不過，其它形式的力實(shí)際上也作用在閥芯上。當(dāng)流體流過比例閥時(shí)，通常產(chǎn)生液動(dòng)力，這些液動(dòng)力與彈簧力一起克服電磁力，從而使閥口開度變小。無反饋式比例閥1)因此，對(duì)于任何輸入信號(hào)，閥芯定位都是通過電磁力與彈簧力相平衡來實(shí)現(xiàn)的。不過，其它形式的力實(shí)際上也作用在閥芯上。當(dāng)流體流過比例閥時(shí)，通常產(chǎn)生液動(dòng)力，這些液動(dòng)力與彈簧力一起克服電磁力，從而使閥口開度變小。2)所以，這種類型的比例閥具有一定的局限性，如允許通過的最大流量較小和其性能較低等。反饋式比例閥比例閥性能可通過嵌入閥芯位移傳感器來提高，這種傳感器將閥芯位移信號(hào)反饋給功率放大器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯更加精確地定位。反饋式比例閥增加輸入信號(hào)，以使閥口逐漸開啟。反饋式比例閥增加輸入信號(hào)，以使閥口逐漸開啟。反饋式比例閥與無反饋式比例閥一樣，反饋式比例閥中也將產(chǎn)生克服電磁力的液動(dòng)力，該液動(dòng)力試圖將閥口開度變小。不過，閥口開度變化現(xiàn)可通過閥芯位移傳感器感測(cè)，并從功率放大器輸出已增大的電流，即采用已增大的電磁力來補(bǔ)償液動(dòng)力。反饋式比例閥1)隨著閥口壓降和流量的不斷增大，液動(dòng)力最終將克服電磁力，并使閥口開度減小，不過，這種情況發(fā)生時(shí)閥口流量要比無反饋式比例閥大得多。因此，對(duì)于給定規(guī)格的比例閥，反饋式的通流能力要比無反饋式強(qiáng)，且閥芯定位精度更高（流量控制更精確）。2)但反饋式比例閥的制造成本要比無反饋式比例閥高許多，且其需要專用功率放大器來控制。高性能比例閥這里需要高性能比例閥（例如用于閉環(huán)位置或壓力控制），即可采用另一種反饋式比例閥。在這種比例閥中，閥芯與閥套研配，閥芯由單比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)，閥芯工作邊為半邊，當(dāng)單比例電磁鐵通電時(shí)，即獲得相應(yīng)工作位置。高性能比例閥通過增加電磁力（電流）可使閥芯一個(gè)工作邊打開。高性能比例閥通過減小電磁力可使閥芯另一個(gè)