液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

來(lái)源：機(jī)械工程文萃

液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟大致如下:

明確設(shè)計(jì)要求；

擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖；

靜態(tài)計(jì)算:確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇系統(tǒng)組成元件；

動(dòng)態(tài)計(jì)算:確定系統(tǒng)組成元件的動(dòng)態(tài)特性，畫出系統(tǒng)方塊圖，計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和靜態(tài)精度；

校驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，需要時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。

選擇液壓能源。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，以上各步驟實(shí)際上是交叉和反復(fù)進(jìn)行的，直至獲得滿意結(jié)果為止。

01明確設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)主機(jī)要求明確設(shè)計(jì)任務(wù)，包括:

明確被控制的物理量是什么，是位置、速度、力還是其它物理量?？刂埔?guī)律是恒值控制還是隨動(dòng)控制。

明確負(fù)載特性，即負(fù)載的類型、大小和負(fù)載的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。確定負(fù)載最大位移、最大速度、最大加速度、最大消耗功率及控制范圍等。

控制精度的要求:由指令信號(hào)、負(fù)載力引起的穩(wěn)態(tài)誤差;由參數(shù)變化和元件零漂引起的靜差;非線性因素(執(zhí)行元件和負(fù)載的摩擦力，放大器和伺服閥的滯環(huán)、死區(qū)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙等)引起的誤差等。

動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求:相對(duì)穩(wěn)定性可用相位裕量和增益裕量、諧振峰值或超調(diào)量等來(lái)規(guī)定。響應(yīng)的快速性可用穿越頻率、頻寬、上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間等來(lái)規(guī)定。

明確工作環(huán)境，如環(huán)境溫度、周圍介質(zhì)、環(huán)境濕度、外界沖擊與振動(dòng)、噪聲干擾等。

其它要求，如尺寸重量、可靠性、壽命及成本等。

02擬定控制方案，畫出原理圖

1.伺服系統(tǒng)的控制方案主要是根據(jù)被控物理量類型、控制功率的大小、執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方式、各種靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)值以及環(huán)境條件和價(jià)格等因素考慮決定的。在確定控制方案時(shí)應(yīng)考慮

采用開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、控制精度不需很高的場(chǎng)合宜采用開(kāi)環(huán)控制。反之，對(duì)外界干擾敏感、控制精度要求高的場(chǎng)合宜采用閉環(huán)。

采用閥控還是泵控凡是要求響應(yīng)快、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而不計(jì)較效率低、發(fā)熱量大、參數(shù)變化范圍大的小功率系統(tǒng)可采用閥控方式。反之，追求效率高、發(fā)熱量小、溫升有嚴(yán)格限制、參數(shù)量值比較穩(wěn)定，而容許結(jié)構(gòu)復(fù)雜些、價(jià)格高些、響應(yīng)低些的大功率系統(tǒng)可采用泵控方式

執(zhí)行元件采用液壓缸還是液壓馬達(dá)在選擇執(zhí)行元件時(shí)，除了運(yùn)動(dòng)形式以外，還需考慮行程和負(fù)載。例如，直線位移式伺服系統(tǒng)在行程短、出力大時(shí)宜采用液壓缸，行程長(zhǎng)、出力小時(shí)宜采用液壓馬達(dá)。

采用機(jī)液伺服還是電液伺服

2.控制方案決定以后，就可以構(gòu)成控制系統(tǒng)職能方塊圖，從原理上滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。在構(gòu)成職能方塊圖時(shí)，還要考慮輸入信號(hào)發(fā)送器和反饋傳感器的形式。因?yàn)檩斎胄盘?hào)和反饋信號(hào)的形式不同，系統(tǒng)電子部分的方塊結(jié)構(gòu)也不同。

03確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇系統(tǒng)元件

液壓動(dòng)力元件參數(shù)的選擇是系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容。動(dòng)力元件參數(shù)選擇包括系統(tǒng)的供油壓力Ps，液壓執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸，即液壓缸的有效面積Ap，或液壓馬達(dá)的排量Dm，伺服閥的最大空載流量Qom。當(dāng)選擇液壓馬達(dá)作執(zhí)行元件時(shí)，還應(yīng)包括齒輪傳動(dòng)比i的選擇。

(一)供油壓力的選擇

選擇較高的供油壓力，可以減小液壓動(dòng)力元件、液壓能源裝置和連接管道等部件的重量和尺寸，可以減小壓縮性容積和減小油液中所含空氣對(duì)體積彈性模量的影響，有利于提高液壓固有頻率。但執(zhí)行元件主要規(guī)格尺寸(活塞面積和液壓馬達(dá)排量)減小，又不利于液壓固有頻率提高。

選擇較低的供油壓力，可以降低成本，可以減小泄漏、減小能量損失和溫升，可以延長(zhǎng)使用壽命，易于維護(hù)，噪聲較低。在條件允許時(shí)，通常還是選用較低的供油壓力。

在一般工業(yè)的伺服系統(tǒng)中，供油壓力可在2.514MPa的范圍內(nèi)選取，在軍用伺服系統(tǒng)中可在2132MPa的范圍內(nèi)選取

（二）液壓執(zhí)行元件主要規(guī)格尺寸和伺服閥空載流量的確定

1.按負(fù)載匹配確定

有負(fù)載匹配的圖解法和負(fù)載最佳匹配的解析法兩種。按負(fù)載匹配確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸和伺服閥空載流量，系統(tǒng)效率較高，適合于較大功率的伺服系統(tǒng)。

2.按最大負(fù)載力和最大負(fù)載速度確定

工程上常用近似計(jì)算的方法確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸和伺服閥空載流量。

按最大負(fù)載力FLmax確定執(zhí)行元件的規(guī)格尺寸，并限定伺服閥的負(fù)載壓力PL≤2Ps/3，則液壓缸的有效面積為

對(duì)系統(tǒng)的典型工作循環(huán)加以分析，可以確定最大負(fù)載力FLmax。但作工作循環(huán)圖是比較麻煩的，有時(shí)難以確定。作為近似計(jì)算，可以認(rèn)為各類負(fù)載力同時(shí)存在且為最大值。

伺服閥空載流量可按最大負(fù)載速度確定，并認(rèn)為最大負(fù)載速度和最大負(fù)載力是同時(shí)出現(xiàn)的。則伺服閥空載流量為

這種近似的計(jì)算方法偏于保守，計(jì)算出的活塞面積和伺服閥空載流量偏大，系統(tǒng)功率儲(chǔ)備大。

另一種方法是按最大負(fù)載力確定液壓缸活塞面積，然后按負(fù)載最大功率點(diǎn)的速度或最大負(fù)載速度確定伺服閥的空載流量，根據(jù)兩者中的較大值選擇伺服閥。

3.按液壓固有頻率確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸

在負(fù)載很小并要求有較高的頻率響應(yīng)時(shí)，可按液壓固有頻率確定執(zhí)行元件的規(guī)格尺寸。液壓缸活塞面積為

液壓固有頻率可按系統(tǒng)要求頻寬的5~10倍來(lái)確定。按液壓固有頻率確定的執(zhí)行元件規(guī)格尺寸一般偏大，系統(tǒng)功率儲(chǔ)備大。

（三）伺服閥的選擇

伺服閥最大的壓力-流量曲線應(yīng)包圍所有的負(fù)載工況點(diǎn)，并使PL≤2Ps/3(對(duì)位置或速度控制)。伺服閥的額定流量應(yīng)留有一定余量，通常取該余量為負(fù)載所需流量的15%左右，在快速性高的系統(tǒng)中可取到30%。根據(jù)選定的供油壓力Ps和計(jì)算出的伺服閥空載流量q0m，可從伺服閥樣本中選出合適的伺服閥。

除了流量規(guī)格之外，在選擇伺服閥時(shí)還應(yīng)考慮以下因素:

流量增益的線性要好，壓力靈敏度較大，但對(duì)力控制系統(tǒng)要求壓力靈敏度較低為好;

不靈敏度、溫度和壓力零漂盡量小，泄漏較小;

伺服閥的頻寬應(yīng)滿足系統(tǒng)要求，頻寬過(guò)低將限制系統(tǒng)的響應(yīng)特性，過(guò)高將損壞系統(tǒng)的抗干擾能力。伺服閥的頻寬應(yīng)高出液壓固有頻率的3~5倍;

其它，如對(duì)污染的敏感性、是否加顫振信號(hào)、可靠性、價(jià)格等。

（四）齒輪傳動(dòng)比的選擇

1.直接驅(qū)動(dòng)

采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，能獲得較大的負(fù)載加速度，負(fù)載加速特性好;不存在齒輪傳動(dòng)間隙的非線性;避免了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)柔度的影響，可以提高連接剛度;但要求液壓馬達(dá)的低速性能好，適用于控制系統(tǒng)的低速液壓馬達(dá)難以得到。

2.齒輪傳動(dòng)

選擇齒輪傳動(dòng)比應(yīng)考慮:

1)首先必須滿足負(fù)載速度的要求，即

i--齒輪傳動(dòng)比;Wm max液壓馬達(dá)最高額定轉(zhuǎn)速;Wm min--液壓馬達(dá)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;

WL max負(fù)載最高轉(zhuǎn)速;@WL min--負(fù)載最低轉(zhuǎn)速。

最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速所要求的傳動(dòng)比可能是不一樣的，兩者之間必須滿足

式中，i是可取的傳動(dòng)比。

2)為獲得滿意的液壓固有頻率，齒輪傳動(dòng)比應(yīng)足夠大。提高齒輪減速比可以減小負(fù)載慣量的影響，提高液壓固有頻率。在極端的情況下，液壓固有頻率將由液壓馬達(dá)和第一級(jí)齒輪的慣量所決定。

3)應(yīng)使負(fù)載加速度盡量大，提高負(fù)載加速能力。負(fù)載軸上的力矩平衡方程為

式中，Tm--液壓馬達(dá)產(chǎn)生的力矩;

J ~m~ --液壓馬達(dá)和第一級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; J ~L~ --末級(jí)齒輪和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; 負(fù)載的加速度為：

將上式對(duì)i求導(dǎo)令其等于零，求得最佳傳動(dòng)比為

此時(shí)，負(fù)載最大加速度為

當(dāng)負(fù)載慣量Jm一定時(shí)，為了增大負(fù)載最大加速度,應(yīng)使液壓馬達(dá)的Tm/√Jm 盡量大。

采用齒輪減速，高速液壓馬達(dá)容易得到;價(jià)格便宜，同時(shí)改善了系統(tǒng)低速平穩(wěn)性，但存在齒隙非線性。

(五)其它元件的選擇

反饋傳感器或偏差檢測(cè)器、交流誤差放大器、解調(diào)器、直流功率放大器等元件的選擇。

在選擇這些元件時(shí)，要考慮系統(tǒng)在增益和精度上的要求。根據(jù)系統(tǒng)總誤差的分配情況，看它們的精度(如零漂、不靈敏度等)是否滿足要求。反饋傳感器或偏差檢測(cè)器的選擇特別重要，檢測(cè)器的精度應(yīng)高于系統(tǒng)所要求的精度。反饋傳感器或偏差檢測(cè)器的精度、線性度、測(cè)量范圍、測(cè)量速度等要滿足要求。交流誤差放大器、解調(diào)器、直流功率放大器的增益應(yīng)滿足系統(tǒng)要求，而且希望增益有一個(gè)調(diào)節(jié)范圍。在增益分配允許的情況下，應(yīng)使交流放大器保持較高的增益，這樣可以減小直流放大器漂移引起的誤差。

04動(dòng)態(tài)計(jì)算

確定各組成元件的動(dòng)態(tài)特性(傳遞函數(shù)、頻率特性)畫出系統(tǒng)方塊圖，求出傳遞函數(shù)，畫出開(kāi)環(huán)伯德圖。伺服閥和一些元件的傳遞函數(shù)可從樣本中查到。通常，傳感器、放大器的動(dòng)態(tài)特性可以忽略，將其看成比例環(huán)節(jié)。

由穩(wěn)定性確定開(kāi)環(huán)放大系數(shù)和放大器增益。

由開(kāi)環(huán)伯德圖通過(guò)尼柯?tīng)査箞D畫出閉環(huán)伯德圖，確定系統(tǒng)的頻寬等閉環(huán)參數(shù)。

根據(jù)求出的開(kāi)環(huán)增益計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。

05檢驗(yàn)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)指標(biāo)

檢驗(yàn)系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足要求，就需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，或者重新選擇動(dòng)力元件參數(shù)，直至重新選擇控制方案。

審核編輯：湯梓紅