数控液压伺服系统设计原理与应用

现代制造技术与装备

２００７第２期总第１７７期

国内在液压的精密控制领域，采用传统的电液伺服控制系统，由于其结构复杂，传动环节多，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。［１］

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，超越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、数控液压缺或液马达、液压泵站四大部分组成。系统框图如图１所示：

１．１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。

１．２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。

１．３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［２］。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。

数控液压伺服系统设计原理与应用

孙如军

（德州学院机电工程系，德州２５３０２３）

摘

要：为了提高液压系统控制精度，一改传统的电液伺服控制，应用数字控制———即数控液压伺服

系统。充分利用计算机技术的飞速发展，采用ＰＬＣ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：润滑保养

地下铲运机

设备管理

ＴｈｅＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＤｅｓｉｇｎａｎｄＵｓｅｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ

ＳＵＮＲｕｊｕｎ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤｅｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｚｈｏｕ２５３０２３）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｅｃｈａｎｇｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙ－ｄｒａｕｌｉｃｓｅｒｖｏ－ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｎｕｍｅｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔａｂｓｉｓｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｅｒｖｏ．Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅｕｓｅｔｈｅＰＬＣｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｔｅｐｐｉｎｇｍｏｔｏｒ，ｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒａｐｉｄｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔａｌｓｏｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｓｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｔａｌｌｍｅｎｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｅｒｖｏｂｒａｋｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｒｖｏｃｙｌｉｎｄｅｒ

图１

数控液压伺服系统的组成

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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如图２，数控液压缸的结构如图３。

１步进电机２法兰３螺钉４阀体５联轴节６限动盖７定位套８芯轴９阀杆１０阀套１１挡垫１２隔垫１３轴承１４密封圈１５螺盖１６反馈螺母Ｐ压力油孔○回油孔

图２数控液压伺服阀结构

１步进电机２法兰３螺钉４阀体５联轴节６限动盖７定位套８芯轴９阀杆１０阀套１１挡垫１２隔垫１３轴承１４密封圈１５螺盖１６反馈螺母１７锁紧螺母１８活塞１９反馈螺杆副２０油管２１油缸体２２接头２３支撑盖２４活塞杆ａ、ｂ进回油孔

图３数控液压缸结构

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，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１０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１３被档垫１１和隔垫１２定位，用螺盖１５固定在阀体中，反馈螺母１６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，由于反馈螺母被两只球轴承固定，不能轴向位称，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，液马达的旋转轴用键２６与阀的反馈螺母１６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１６不能轴向移动，芯轴８放置产生轴向位移量，带动９轴向位移，打开液马达的进回油通道，油压使旋转轴２７旋转带动反馈螺母１６同向旋转，由于反馈螺母１６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、速度和角位移一由计算机程序控制。

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。

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，由人工操纵手把，将上轧辊将下到一定位置，钢锭从旋转的两１步进电机２法兰３螺钉４阀体５联轴节６限动盖７定位套８芯轴９阀杆１０阀套１１挡垫１２隔垫１３轴承１４密封圈１５螺盖１６反馈螺母２６键２７旋转轴２８油管接头２９液马达壳体３０安装孔ａ、ｂ进回油孔

液电控制技术与应用

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现代制造技术与装备

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管理思想的发展、用户需求的变化与多样性，使得任何的应用系统都无法覆盖所有用户的所有实际需求，因此管理软件还应当有一个易于扩展的框架结构。这种框架结构使得开发商今后对软件的维护和扩展变得更为容易，也使应用系统的客户化和二次开发变得简单，还可以为将来实现多种管理软件系统（来自于不同供应商，应用于不同行业）的彼此衔接打下基础。

（３）加强会计信息系统的安全性，保密性。网络会计变手工分散操作为计算机集中数据处理，数据处理形式发生了质的变化。会计软件必须从存放在服务器和磁盘等设施上的数据安全和在传输过程中信息安全两个方面人手，着重考虑内部控制的安全性问题。建立健全内部控制，建立数据保护机构，加强数据的保密和安全。要增强网络安全防范能力，采用防火墙技术，网络防毒，信息加密存储通讯，身份识别、授予权等措施。

（４）企业必须提高自身系统功能的网络技术。要通过网络技术帮助企业实现财务与业务协同，彼此共享，实现远程报表、报账、查账、审计等远程处理，动态进行会计核算的在线财务管理。

（５）加强会计电算化理论研究。会计电算化理论研究一直落后于技术的发展，究其原因，与对会计电算化的肤浅理解不无关系。会计电算化的初级阶段主要是在会计工作中运用计算机技术，即在手工的模式下，用计算机改变处理的手段。所以会计电算化对技术的需求必然大于对管理的要求，而理论方面也是依附于手工会计理论的发展。但到了会计电算化新的发展阶段，则不仅需要技术，更应注重技术、信息、管理的结合，从而使得理论方面的研究，显得更为迫切。这些都是影响企业财务信息化乃至决定企业信息化能否成功的关键。

（６）培养会计电算化综合性人才。

要积极推进会计电算化进程，就必须大力加强人才培训的力度，提高会计人员综合业务素质。在培训的内容上要切合实际工作需要，及时更新培训内容，学了就能用得上，完善会计人员会计电算化知识结构体系。对会计人员、系统维护人员、系统管理人员应按不同内容、不同要求进行培训，培养会计电算化骨干力量，建立良好的培训机制，落实培训效果，造就一大批既能够精通计算机信息技术，又专于财务管理知识，能够熟练地进行财务信息的加工和分析，满足各方对财务信息的需求的复合型人才，为促进会计电算化的顺利发展打下良好的基石。

（上接第５８页）

轧辊间隙中经过，就将钢锭轧制成所需形状，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，达到运动行程、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。对于制造新设备，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，用计算机控制是很容易实现的。

结论：本文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，虽然还有很多问题，但是我们有理由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．北京：北京航空航天大

学出版社，２００５

［２］姜继海．液压传动（第２版）．哈尔滨：哈尔滨工业大学出

版社，２００４

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