水液壓旋轉(zhuǎn)式伺服閥研究.pdf

1、液壓傳動(dòng)具有功率密度大、輸出力/力矩大、調(diào)速方便、工作平穩(wěn)、沖擊小、快速啟動(dòng)/制動(dòng)/換向、過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),在仿生機(jī)器人領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。然而,由于油液存在污染、易燃、易爆、廢液處理成本高等一系列嚴(yán)重問(wèn)題,使得油壓驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器人的安全性受到質(zhì)疑,工作環(huán)境受到制約。水壓驅(qū)動(dòng)是以純水作為工作介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞和控制的驅(qū)動(dòng)方式,它具有油壓驅(qū)動(dòng)的一切優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了油壓驅(qū)動(dòng)的缺陷,能大幅提高仿生機(jī)器人的性能。
　　液壓伺服閥是仿生機(jī)器人

2、的關(guān)鍵部件,控制著其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置及速度。本研究針對(duì)仿生機(jī)器人和水下機(jī)械手,提出研發(fā)一微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥。該閥以純水(包括自來(lái)水和海水)代替礦物油作為工作介質(zhì)解決了礦物油所帶來(lái)的污染、易燃、易爆、工作場(chǎng)所骯臟等缺點(diǎn),同時(shí)提高了仿生機(jī)器人的性能如:響應(yīng)速度、效率、控制精度等。在運(yùn)動(dòng)方式上,該閥采用旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑動(dòng),解決了滑動(dòng)式的伺服閥對(duì)污染敏感、易于卡死等問(wèn)題,且閥芯及閥口均采用軸對(duì)稱布置,閥芯上下端都與水

3、箱相通,減小徑向和軸向不平衡力(理論值為零),達(dá)到降低所需驅(qū)動(dòng)功率目的,這些與傳統(tǒng)液壓控制閥完全不同的。采用微型直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)PWM控制,提高了控制的精度、穩(wěn)定性等。
　　本文主要的研究任務(wù)是:課題來(lái)源于山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目,主要研究目的是為水下機(jī)器人和機(jī)械手研發(fā)一微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的水壓旋轉(zhuǎn)式伺服閥,主要工作包括以下內(nèi)容:
　　1)研究了純水液壓技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用及研究現(xiàn)狀,闡述了研制水液壓元件存在的技術(shù)難題和關(guān)鍵技術(shù)

4、,特別是材料選擇的原則不同于油壓元件的設(shè)計(jì)制造?；瑒?dòng)式伺服閥存在諸多缺陷,因此需要研發(fā)新型的旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥來(lái)解決這些問(wèn)題。
　　2)研發(fā)出旋轉(zhuǎn)式水壓三位四通伺服閥,本文對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理以及性能特點(diǎn)做了充分的描述。該閥采用微型直流電機(jī)直接控制閥芯的旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的角度范圍是53°(由端蓋出的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制),閥芯旋轉(zhuǎn)角度的不同控制著閥空的大小以及流向,從而控制流量流速,達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)器的目的。采用微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥,

5、可以實(shí)現(xiàn)PWM控制,提高了控制的精度、穩(wěn)定性。
　　3)研究了旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥的靜動(dòng)態(tài)特性,包括流量與壓力特性、流動(dòng)特性、壓力特性、泄露特性及動(dòng)態(tài)特性。非線性特性比如滯后現(xiàn)象以及死區(qū),在閥的特征中都有存在。壓力動(dòng)態(tài)顯示出了有時(shí)短暫的壓降現(xiàn)象,這說(shuō)明了內(nèi)部泄漏和電源的局限性的因素。線性參數(shù)如流量增益和壓力增益也都是估計(jì)的值。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的階躍響應(yīng)顯示了,應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的PID控制器在10毫秒時(shí)就能達(dá)到閥門全開的狀態(tài)。此外,閥在一個(gè)2H

6、z正弦波確定閥芯位置的操作上表現(xiàn)出很好的參考跟蹤性能。
　　4)對(duì)旋轉(zhuǎn)式水壓電液伺服閥進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,根據(jù)旋轉(zhuǎn)式電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及工作原理,建立數(shù)學(xué)模型,將該閥中的直流電機(jī)、變速器和閥芯都進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型建立,并分析了阻力矩的組成和影響因素,確定了該閥控制的系統(tǒng)方程和傳遞函數(shù)根據(jù)數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,為系統(tǒng)仿真研究提供理論基礎(chǔ)。
　　5)研究了旋轉(zhuǎn)式水壓伺服閥的流場(chǎng)特性,包括對(duì)流量壓力特性、液動(dòng)力矩特性以及射流角