4H 伺服机构详解.docx.docx

4H 伺服机构详解在流体传动及控制领域, 甚至整个机电领域, 大功率、高精度的旋转——直线转换机构, 一直是研究的重点。因为电控量最方便、经济的输出就是旋转运动, 无论是伺服电机、步进电机还是力矩马达。所以, 如何把旋转的输入精确地转换成直线的输出, 各国的科研人员作出了很多的努力。美国专利( US3106226 , 1963 )首次出现了利用螺旋槽组成的旋转——直线转换机构, 它的伺服阀芯是中空的, 内有控制杆相配合, 控制杆表面的两条螺旋槽分别部分地遮盖伺服阀芯内圆上的两个孔口, 形成两个可变阻尼, 这两个孔口同时连通到油源的高压或低压管路之一, 而油源的另外一路, 则由两个固定阻尼孔分别引到伺服阀芯的两端, 再分别接通控制杆上的两条螺旋槽, 对伺服阀芯两端的压力实行半桥控制。当控制杆转动时, 两个可变阻尼中一个开口变大, 另一个则变小, 伺服阀芯两端的压力失衡, 推动伺服阀芯横向移动, 直到两个可变阻尼把伺服阀芯两端的压力恢复到平衡状态。控制杆的转动就精确地对应到伺服阀芯的横向位移。德国专利( DE2806929 , 1979 ) 提出的伺服马达( 也可看作油缸), 活塞的圆柱面的两侧各有一小段螺旋台肩, 分别遮盖住相配合的筒壁上的高压和低压孔, 螺旋台肩的两侧都有凹槽, 各自由小孔分别连通到活塞两端的工作腔。活塞受到控制旋转后, 螺旋台肩产生圆周方向的位移, 分别把高、低压引到活塞两端的工作腔, 活塞两端的压力失衡, 推动活塞垂直移动, 直到两螺旋台肩再次遮盖住筒壁上的高压和低压孔。活塞的垂直位移也和转动精确地对应。日本专利( JP60-69277 A, 1985 ) 提出的伺服变量机构, 则利用阀芯上对称的两对螺旋槽, 跨接在相配合的阀套内圆表面的两对高低压孔之间, 螺旋槽都连通到中间的环形槽, 再连通到控制斜盘油缸的大腔, 对大腔压力实行全桥控制。斜盘油缸的小腔连通高压, 当阀芯转动, 环形槽接通高压或低压,斜盘油缸压力失衡,推动斜盘运动,而斜盘运动反馈至阀套移动, 直至螺旋槽和高低压孔之间的开口恢复到平衡状态。 90 年代开始, 中国有人提出了比较完整的概念——双自由度阀机构, 也是理论上对螺旋槽特性的总结, 它由阀芯上的两对高低压孔口夹接相配合的阀套内表面的两条螺旋槽, 对阀芯一端的压力实行全桥控制。美国专利( US 2008/0149181A , 2008 )则有两种方式:一是由控制阀芯上的一对螺旋槽供油, 再经由活塞内圆表面的一对小孔引导压力到活塞两端的控制腔; 二是阀套内圆表面的两对小孔供油,再经由控制阀芯上的两对螺旋槽引导压力到活塞和主阀芯两端的控制腔。以上的技术都是利用了螺旋运动的两个自由度——圆周转动和轴向移动,把圆周转动作为控制量,把轴向移动作为输出,同时也是负反馈。 4H 伺服机构基本的原理也是如此,此外还可应用于直线输入,转动输出的场合。下面就详细介绍一下 4H 伺服机构。图一显示了此机构最基本模型的简化剖面图。在两端有两个敏感腔 C1和 C2。 C1中的流体压力作用在阀芯上的表面为 A1 , C2 中的则为 A2 。 A1 面积大于 A2 。4 条轴向对称的螺旋槽, 其中两条接通 C1, 另两条接通 C2。在内孔的表面, 有两个 P 口和两个 T 口被螺旋齿所遮盖, 它们也是轴向对称的。敏感腔 C1 中的压力是 P1, C2 中的压力为 P2。 C1 中的流体压力作用在阀芯上的轴向力( P1X A1 ) 把阀芯向右推,而 C2 中的流体压力作用在阀芯上的轴向力( P2X A2 )把阀芯向左推,结果达到平衡状态: P1X A1= P2X A2 图二显示了阀芯逆时针旋转后,阀口的接通状况。由于螺旋槽的旋转,阀口 P1 接通敏感腔 C1, 使得压力 P1 升高; 与此同时, C2 和阀口 T 接通, 使得压力 P2 降低。因此导致 P1X A1 > P2X A2, 迫使阀芯向右运动。而阀芯的向右运动又使得螺旋齿逐渐关闭阀口 P和T, 直到敏感腔中的压力恢复到平衡的状态, P1X A1= P2X A2 。图一图二图三显示平衡的状态,此时阀芯已经向右移动了一定的位移。图四显示阀芯顺时针旋转后,阀口的接通状况。 C1 连通到阀口 T ,压力 P1 降低;与此同时, C2 连通到阀口 P, 压力 P2 升高。这样一来, P1X A1 <P2 X A2 , 使得阀芯向左移动。而阀芯的这个左向移动又使得螺旋齿逐渐关闭阀口 P和T, 直到敏感腔中的流体压力恢复到平衡的状态, P1X A1= P2X A2 。图三图四图五图五显示平衡的状态,此时阀芯已经向左移动了一定的位移。再进一步, 在很多应用场合, 较小作用面积的敏感腔通常直接与高压阀口 P 连通, 这有效地简化了整个结构。图六显示了简化后的结构。敏感腔 C2