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具有二自由度力反饋操縱桿的手動(dòng)變速模擬
作者部分不用翻譯
摘要
二自由度反饋操縱桿用于模擬手動(dòng)擋汽車的力反饋。該控制原則基于一種混合動(dòng)力模型。根據(jù)動(dòng)力模型的模擬和尺寸參數(shù)變化，決定了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在相同的環(huán)境下，此操縱機(jī)械可以進(jìn)行換擋，無論此操作是否在傳動(dòng)中是否可行。所得結(jié)果與汽車真實(shí)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配。模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果令人滿意，并且該操縱桿可以給人一種真實(shí)的手動(dòng)擋汽車的感覺。
1 簡(jiǎn)介
用于訓(xùn)練飛行員的汽車模擬器，特別是飛行模擬器可以安裝各種控制裝置，如加速器，減速器和離合器，變速裝置以及方向盤來提高模擬的真實(shí)性。
在模擬系統(tǒng)內(nèi)部HI的調(diào)整似乎提高了整體價(jià)值，提高了它們的功能性。HI可以使用邏輯性系統(tǒng)，同時(shí)還可以控制它們的機(jī)械反饋。模擬器使用者在測(cè)試中用這種方法通過改變動(dòng)覺或觸覺參數(shù)來評(píng)價(jià)汽車的性能。當(dāng)考慮人類環(huán)境改造學(xué)方面的問題時(shí)，這種方法特別有用。
在正常的駕駛條件下，大多數(shù)模擬器當(dāng)中的控制命令被認(rèn)為正傳感系統(tǒng)，用來細(xì)化相互作用的力變化。
用力控制的HI來代替方向盤，這種替換基于此種模擬器的一種內(nèi)部數(shù)字模型而來的。
ATARI公司申請(qǐng)了兩項(xiàng)關(guān)于換擋模擬的專利。此儀器系統(tǒng)是根據(jù)變速桿應(yīng)在至少兩個(gè)齒輪中撥動(dòng)的機(jī)制而研發(fā)出來的。第一項(xiàng)發(fā)明的機(jī)制是安裝電動(dòng)式離合器可以僅僅限制檔位的移動(dòng)。在檔位桿處安裝的精確的傳感器和應(yīng)變儀可以檢測(cè)到檔位的移動(dòng)和力的大小。
在第二項(xiàng)發(fā)明當(dāng)中，螺線管安裝在選裝裝置中來控制作用力的大小。
這篇文章敘述了HI系統(tǒng)的控制規(guī)律的設(shè)計(jì),并整合為汽車駕駛模擬器的檔位變換,目的是在虛擬環(huán)境下提升汽車的內(nèi)部的人類環(huán)境改造問題.這種經(jīng)濟(jì)適用的力反饋操縱桿被用于評(píng)估控制算法.這種控制規(guī)律將最終被應(yīng)用到當(dāng)前在PERCRO結(jié)構(gòu)下的一種二自由度的觸覺內(nèi)部模型.
該篇文章內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下.本文第二部分扼要的介紹了手動(dòng)傳動(dòng)變速的工作機(jī)理.第三部分分析和討論了在汽車上測(cè)試單齒輪傳動(dòng)的分析模型并比較了試驗(yàn)結(jié)果,以模擬該系統(tǒng).最后一部分描述了整體手動(dòng)變速的控制規(guī)律.
2 手動(dòng)變速的機(jī)械性描述
在由離合器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)上的主軸和持續(xù)連接到不同單元甚至是輪軸的從動(dòng)軸之間，變速桿可以改變齒輪傳動(dòng)率。進(jìn)一步考慮到，離合器踏板總被踩到底。
在手動(dòng)傳動(dòng)中，駕駛員可以橫縱交叉的撥動(dòng)變速桿來移動(dòng)齒輪改變檔位，那么如圖1所示，我們將這兩種方向假設(shè)為X和Y方向。外部的操控系統(tǒng)將變速桿與齒輪箱連接，通常被安裝在汽車的前部。
在圖1中，外部的檔位變換要求可以通過改變聯(lián)軸器的連接來改變檔速的位置。
圖1：從駕駛員位置所看到的在變速箱中檔速位置。使用不同的機(jī)械方法安裝的，但主要的檔位是靈活的（單或雙波頓n），精確的（連接和推變速桿）混合式的。駕駛者感覺這種被人接受的
方法會(huì)影響整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。
在齒輪箱中的聯(lián)軸器通常定位的滑動(dòng)到主軸或從動(dòng)軸。例如我們可以假設(shè)，聯(lián)軸器被安裝在從動(dòng)軸上（將第一和第二個(gè)齒輪嚙合在一起是普遍現(xiàn)象）。如圖2所示，在主軸上的兩個(gè)齒輪，長期與在從動(dòng)軸上的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的不工作的齒輪相匹配。聯(lián)軸器通過在傳動(dòng)軸上的滑動(dòng)將其中的一個(gè)齒輪連接到從動(dòng)軸上（相對(duì)應(yīng)于變速桿X方向的撥動(dòng)），因此在主軸與從動(dòng)軸之間還可以進(jìn)行傳動(dòng)。在齒輪沒有嚙合之前，因齒輪可以通過主軸驅(qū)動(dòng)，所以聯(lián)軸器與將要嚙合的齒輪之間，會(huì)有一個(gè)相關(guān)的角度移動(dòng)。為能夠無聲流暢的滑動(dòng)，要嚙合的的兩個(gè)齒輪必須要有相同的角度移動(dòng)速度。在兩個(gè)階段中可以通過中等同步齒輪實(shí)現(xiàn)：同步前和同步兩個(gè)過程。在同步階段后，齒輪將完全嚙合。
2.1 齒輪齒嚙合的三個(gè)階段
在輪齒嚙合的三個(gè)不同主要階段，會(huì)有變速的部分作用力最為顯著：同步，嚙合，以及對(duì)機(jī)械制動(dòng)的影響。因?yàn)辇X輪變速是一個(gè)多體動(dòng)力系統(tǒng)，每一階段都有齒輪箱中的不同部分的相互作用。下面簡(jiǎn)單介紹一下在嚙合過程中產(chǎn)生的力以不同階段的關(guān)系。
如圖2所示，一個(gè)球彈簧系統(tǒng)（被安裝在機(jī)械杠桿的底部）在被選擇的齒輪位置對(duì)杠桿施加壓力。因此原始的提前的加載力必須用于從平衡位置移動(dòng)杠桿。
在杠桿釋放后，另一加載力必須從它的中間位置移動(dòng)傳動(dòng)軸。實(shí)際上，聯(lián)軸器被第二個(gè)球彈簧機(jī)械系統(tǒng)（安裝在變速箱內(nèi)）固定在中間位置，它的作用是用來完成在同步齒輪和聯(lián)軸器之間的柔性連接。此階段為同步前階段。
在同步階段完成后，同步階段開始。與同步齒輪相配合的聯(lián)軸器將其本身推到相關(guān)齒輪處。同步齒輪的內(nèi)部圓錐形表面與惰輪的外部圓錐形表面相接觸，該惰輪的旋轉(zhuǎn)由主軸拖動(dòng)。由于兩個(gè)部分的相關(guān)運(yùn)動(dòng)而改變的切線方向的摩擦力在軸向力中通過同步齒輪的錐形變形而被轉(zhuǎn)變形式。軸向力會(huì)阻礙聯(lián)軸器的進(jìn)一步滑動(dòng)。
在同步齒輪和惰輪之間，只要有相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)存在聯(lián)軸器（及變速桿）均會(huì)被鎖定到固定位置并不會(huì)移動(dòng)。僅僅當(dāng)相對(duì)速度變?yōu)榱銜r(shí)，同步階段才會(huì)開始并且聯(lián)軸器能繼續(xù)它的滑動(dòng)。
在同步過程結(jié)束時(shí)，同步齒輪相嚙合的齒和惰輪會(huì)接觸并最終嚙合。由耦合齒面接觸產(chǎn)生的作用力是任意的，因?yàn)樵撟饔昧κ窃趪Ш蠒r(shí)在齒的相對(duì)位置產(chǎn)生的。完全嚙合后，安裝在球彈簧系統(tǒng)上的變速桿會(huì)到達(dá)機(jī)械止點(diǎn)并停止。
圖3和圖4所示的數(shù)據(jù)是由在實(shí)驗(yàn)汽車上通過傳感器測(cè)試變速桿所得到的。兩條曲線反映了關(guān)于時(shí)間和嚙合位置的典型的力的特征曲線。
表3：力和位置關(guān)系。時(shí)間為當(dāng)?shù)谝患?jí)檔位變換時(shí)在操縱桿上測(cè)得的。（CRF的courtesy）
表4：力和位置的關(guān)系，當(dāng)中間第一個(gè)齒輪變速時(shí)在操縱桿上測(cè)得的。（CRF的courtesy）
同步個(gè)過程前的階段僅僅產(chǎn)生一種可忽略的力的峰值并逐漸下降。
在同步階段期間，力和位置的關(guān)系在一定的時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)一段距離，如圖3所示，力達(dá)到了它的最大值。
嚙合階段的顯著特征是被分離的力達(dá)到最大值，通常比同步階段的力的最大值要低。而且這樣的峰值力的大小在每次變速時(shí)不都是迅速的，且變化比較顯著。在嚙合期間位置保持時(shí)間短且迅速，可以通過在齒輪箱中直接測(cè)量的數(shù)據(jù)反映出來。
如圖4所示同步階段和嚙合階段的高峰期時(shí)的值較精確。關(guān)于試驗(yàn)車的記錄數(shù)據(jù)表明在大約8牛頓的力時(shí)同步高峰期持續(xù)0.3毫秒。由于輪齒的影響，嚙合高峰期時(shí)間比較長。力的雙沖擊在嚙合過程中比較典型，讓駕駛者感覺到種齒輪嚙合感覺。
最后一階段會(huì)提高停止點(diǎn)的影響峰值。因?yàn)閬碜酝饷娴拿?，變速桿可以通過彈性阻尼系統(tǒng)而被定位，撥桿的位置會(huì)有一個(gè)超越點(diǎn)，但隨后相對(duì)于平衡點(diǎn)而言會(huì)逐漸的恢復(fù)，如圖3所示。
手動(dòng)變速的駕駛者將力施加在變速桿上，變速主要通過同步階段，嚙合階段及最后階段的影響來決定的。因此變速的真實(shí)模擬必須精化三個(gè)階段。
3 變速嚙合模型
齒輪變速的分析模型被應(yīng)用于提升對(duì)操作者的準(zhǔn)確反饋。從實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)來看，我們選擇模型變速的不同階段，這些階段會(huì)適應(yīng)有不同細(xì)化階段（每個(gè)細(xì)化的階段都在變速階段范圍內(nèi)）的動(dòng)力系統(tǒng)，與本身混合模型相關(guān)的變速反應(yīng)通過MATLAB Simulink/Stateflow module而提高。
變速嚙合模型，如圖5所示，作為輸入—駕駛者施加在操縱桿上的力和操縱桿上的位置輸出，速度輸出。該模型可以分為兩個(gè)部分：
1：在齒輪階段的一時(shí)間持續(xù)變化的動(dòng)力系統(tǒng)（變速動(dòng)力系統(tǒng)）
2：決定變速桿的位置上和操縱者施加力的基礎(chǔ)上齒輪的階段的一細(xì)化狀態(tài)的裝置（變速的狀態(tài)流）。
變速動(dòng)力系統(tǒng)被用作參數(shù)機(jī)械系統(tǒng)，該系統(tǒng)由質(zhì)量m，彈簧勁度系數(shù)k，阻尼系數(shù)c和滑動(dòng)摩擦：
Fdr = mx + cx_ s + k(x ?? x0) + Ffr
表5：變速嚙合模型
Fdr是駕駛者的力，x是位置，摩擦力Fdr如下給出：
Fdr if Fdr-cx-k（x-x0）≤ Fst
Fdr =﹛ （2）
else Fst
Fst 和Fsl相對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的摩擦影響。通過變速模型，參數(shù)m，k，c，x0，F(xiàn)st，F(xiàn)sl對(duì)每一階段的不同值都有設(shè)定。
變速狀態(tài)流模型將會(huì)接收到有駕駛者操縱桿的位置x和力的輸入。模型的具體狀態(tài)代表以前部分所描訴部分不同的變速狀態(tài)，即同步狀態(tài)，嚙合狀態(tài)和最終的影響。而且自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被加入到這些階段以外的模型操縱桿的動(dòng)作中。
輸入信息被用于在不同階段調(diào)節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)。例如如果駕駛者在同步階段向前推動(dòng)操縱桿。此傳動(dòng)將會(huì)達(dá)到嚙合階段。廣義地講如果力突然被改變，對(duì)于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來講，傳動(dòng)已經(jīng)起作用了。
在傳動(dòng)可以進(jìn)行的條件下，這些狀態(tài)不僅依據(jù)位置和力，而且還依據(jù)時(shí)間。因此同步階段的延遲可以通過依據(jù)時(shí)間的外部傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。
運(yùn)動(dòng)相關(guān)的條件也與傳動(dòng)和狀態(tài)有關(guān)。特別是一些對(duì)于邏輯變化的命令會(huì)根據(jù)當(dāng)前的階段執(zhí)行。這種邏輯變化，包含關(guān)于當(dāng)前的狀態(tài)信息，然后輸出到變速動(dòng)力模型中，它會(huì)控制模擬參數(shù)的當(dāng)前值。
3.1 模型的模擬
為了測(cè)試這種系統(tǒng)的效率，駕駛模型也可以在Simulink換進(jìn)中應(yīng)用。
被模型化的駕駛者假設(shè)他的力是成比例的，根據(jù)公式，相反的卻與變速桿的速度相關(guān)。
F=Fmax(1-) (3)
Vo是目標(biāo)速度并被假設(shè)與在嚙合時(shí)所測(cè)得最大值相等，而Fmax與操作者用的最大力是相對(duì)應(yīng)的。這樣一種駕駛者力的模型可隨不同駕駛者的動(dòng)作而進(jìn)行調(diào)整。
駕駛者模型可作為閉環(huán)速度（變速嚙合模型的位置輸出在這種模擬中不被使用）中變速嚙合模型的界面。
圖6所示為在模擬中的數(shù)據(jù)結(jié)果。嚙合過程中的所有主要階段均被該模型細(xì)化。為匹配力，位置，和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)時(shí)間最大值，模型參數(shù)比較具有規(guī)律性。
表6：通過數(shù)字模擬，圖為力和位置相對(duì)于時(shí)間的輸出
3.2 實(shí)驗(yàn)根據(jù)
2自由度反饋操縱桿被應(yīng)用于進(jìn)行嚙合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。為達(dá)到目標(biāo)要求，我們用Logitech的羽人力反饋操縱桿，一個(gè)有適宜的驅(qū)動(dòng)器和控制面板的經(jīng)濟(jì)實(shí)用機(jī)器。
該操縱桿安裝有2個(gè)直流發(fā)動(dòng)機(jī)和2個(gè)模擬電位器，通過一個(gè)2自由度平行旋轉(zhuǎn)機(jī)制將電位器與手柄連接。這種機(jī)制可使操縱桿在2個(gè)同軸面旋轉(zhuǎn)。該馬達(dá)通過絞盤線傳輸系統(tǒng)傳遞扭矩，該系統(tǒng)提高了馬達(dá)的扭矩，降低了馬達(dá)和電位計(jì)間的相互抵制。
因?yàn)槲覀兊哪康氖菧y(cè)試控制運(yùn)算的效率。排除內(nèi)置的控制處理器，將操縱桿與DSP DS1102 dSPACE面板相連接。通過預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在操縱桿上有DSP預(yù)置的最大執(zhí)行力約10牛頓，該力是我們需要在裝置中提升性能的目標(biāo)力10Kg的十分之一。工作面積必要求的要小。為了評(píng)估控制運(yùn)算，該模擬結(jié)果被加到圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)論當(dāng)中。希望控制運(yùn)算能夠在PERCRO模型中較好地發(fā)揮功效，根據(jù)力的確認(rèn)，該模型已被定下尺寸。
我們通過時(shí)間工具欄將操縱桿定為Matlab 環(huán)境的界面。下載該模型直接在DSP面板上運(yùn)行。GUI的界面面板用來控制和從模擬中獲取數(shù)據(jù)。
在1KHz的頻率下進(jìn)行所有的模擬實(shí)驗(yàn)去解決所有關(guān)于模擬抽樣時(shí)間的問題。
內(nèi)部的位置伺服環(huán)用于控制操縱桿和提供對(duì)變速模型的相互作用力。（見圖7）。當(dāng)模擬操縱桿的位置y歸位到零時(shí)，模擬一個(gè)自由度的滑動(dòng)限制。
表7：?jiǎn)屋S控制
表7：?jiǎn)屋S控制
以下的環(huán)節(jié)為得到的結(jié)果。力信號(hào)的錯(cuò)誤是由模擬電位器產(chǎn)生的電噪音決定的。該信號(hào)噪音不能減弱嚙合的磨損。
第八節(jié)講的是被過濾（低通濾波的巴特沃斯過濾器和20Hz的切斷頻率）和不被過濾的力的信號(hào)。該曲線可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。嚙合的過程的感覺是真實(shí)的，在駕駛中并伴有緩慢的齒輪嚙合。盡管由于硬件的限制不能提高系統(tǒng)的更多性能，但被分離的控制算法似乎可以更好的運(yùn)行。
表8：從錯(cuò)誤的位置中預(yù)測(cè)的力信號(hào)
表9：中間輪變速時(shí)力與位置環(huán)的關(guān)系表
表8：從錯(cuò)誤的位置中預(yù)測(cè)的力信號(hào)
表9：中間輪變速時(shí)力與位置環(huán)的關(guān)系表
4完整的變速模型
單齒輪嚙合后，我們進(jìn)一步研發(fā)了完整的變速系統(tǒng)。（見圖10）。
被擴(kuò)展的模型可被認(rèn)為力的施加是由每個(gè)齒輪的滑動(dòng)而產(chǎn)生的。y軸是由較低數(shù)字狀態(tài)的參數(shù)模型控制的，與x軸模型有關(guān)。根據(jù)與變速的不同狀態(tài)有關(guān)的數(shù)字領(lǐng)域中的x和y，變速的空間被劃分開來。一種稱為狀態(tài)流管理器的主要的狀態(tài)流模型，能區(qū)分出當(dāng)前區(qū)域，并將這種信息輸入到x和y的控制器當(dāng)中。在這些模型中，用戶的動(dòng)作或是選擇一橫向齒輪或縱向齒輪會(huì)被區(qū)分，且回應(yīng)狀態(tài)動(dòng)作會(huì)被激活。當(dāng)用戶明確的嚙合齒輪時(shí)，單齒輪的變速嚙合模型別激活來控制x位置?；瑒?dòng)限制作為機(jī)械阻抗被復(fù)制，限制操縱桿進(jìn)入直線軌道。
圖10：變速的完整模型
表11中展示模擬工作場(chǎng)
表11：模擬的工作場(chǎng)（魚鱗狀）。
5 未來發(fā)展
在PERCRO實(shí)驗(yàn)室中被精細(xì)化的(HI)對(duì)于變速模擬正在創(chuàng)建中。基于硬件限制的控制問題將會(huì)有新的儀器來解決。事實(shí)上裝有高性能的選擇編碼器和DC少鐵芯伺服馬達(dá)的HI能夠把市價(jià)在操縱桿上的力增加到20Kg。而且運(yùn)行空間對(duì)于儀器的要求和機(jī)械帶寬的大幅度提升是相等的。當(dāng)前的工作結(jié)果將會(huì)被優(yōu)化來控制HI。
6 總結(jié)
此文章描述了對(duì)于手動(dòng)變速模擬的HI控制運(yùn)算法則。該控制法則是基于帶有持續(xù)和具體狀態(tài)的混合模型?？刂七\(yùn)算法則的性能在2自由度力反饋操縱桿上即可提前預(yù)測(cè)并得到滿意結(jié)果。
7 感謝
作者感謝CRF（菲亞特技術(shù)中心）提供的技術(shù)支持。歐洲GROWTH協(xié)會(huì)所支持的研究項(xiàng)目，項(xiàng)目研究工程“虛擬”(感覺到的對(duì)駕駛?cè)蝿?wù)和設(shè)計(jì)的人類環(huán)境改造質(zhì)量測(cè)試的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng))在摘要nr.1990-RD.11030中。
參考文獻(xiàn)
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長春工業(yè)大學(xué)
長春工業(yè)大學(xué)
畢業(yè)論文
二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)： 機(jī)械電子工程
指導(dǎo)教師：
2010 年 6 月
二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
有關(guān)于力反饋的一些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在軍事上和民用上。通過建立和設(shè)計(jì)出的力反饋模擬系統(tǒng)在軍事上應(yīng)用的非常完美，但受經(jīng)濟(jì)和地理等相關(guān)的因素制約著軍事上的一些現(xiàn)代化軍事演練，隨著這種力反饋系統(tǒng)的出現(xiàn)，使一些演練變成了現(xiàn)實(shí)，通過應(yīng)用這種系統(tǒng)可以真實(shí)的反映出真實(shí)的實(shí)地演練效果。不僅在軍事上，在民用上，這種相關(guān)系統(tǒng)用在游戲中，模擬游戲中的真實(shí)效果，是玩家有更真實(shí)的游戲感覺。為此，二自由度力反饋操縱手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用了PID的控制算法，其中采用了干擾觀測(cè)器減小了沖擊力的程度，使主副操縱手的反饋更加精準(zhǔn)。為了完成一些實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的力反饋的實(shí)驗(yàn)，增加了液壓控制系統(tǒng)，作為二自由度力反饋系統(tǒng)的執(zhí)行元件。為了更加準(zhǔn)確，在執(zhí)行元件中添加了傳感器等。這樣為老師同學(xué)及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)人員獲取比較可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以應(yīng)用在一些簡(jiǎn)單的游戲模擬當(dāng)中,使游戲也增添一些真實(shí)的感覺。
關(guān)鍵詞：力反饋 液壓系統(tǒng) PID控制 二自由度
Abstract
Recently some systems and facilities about force- feedback are used in military and society field. scalely.The construction and designment of the system of simulation about force-feedback is employed in modern military practices perfertly，but some factors like economy 、environment and other related elements restricted some modern military practices .But as the system coming into being,it make some military exercises came true.Though employment of this system of simulation ,the true resultant would reflect the effects of realistic military practices.Not in military field,it is also used in society,such as in games,like this system can bring the people more real feelings,making them very crazy.So the designment of the force feed-back system about hand controlment of two free-degree consists of three parts like mechanical part、controlment part、and hydraulic part employed PID control algotithm.using the interference inspection equiment can reduce the degree of impulsive force，making the lord manipulate hand and the vice manipulate hand operate correctly.For achieveing some exercises about force feed-back,add the hydraulic controlment system to the two degree equipment of force feed-back as operator of the equipment.Hoping more corret,the sensors also are used in the system.Thus teachers and students will get more corret results of experiments,at the same time,the computer games players also feel more reality.
Key words: force feed-back hydraulic system PID arithmatic controlment two degree manipulate hand
Abstract 2
第一章 引言 5
1.1選題背景 5
1.2研究目標(biāo)和意義 5
1.3研究思路 6
第二章 問題現(xiàn)狀 7
2.1.0系統(tǒng)的缺陷 7
2.1.1運(yùn)算控制類型的對(duì)比 7
2.1.2原因分析 9
第三章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 9
3.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 9
3.2 系統(tǒng)的主要參數(shù) 10
第四章 液壓控制元件的選取與設(shè)計(jì)計(jì)算 10
4.1 液壓系統(tǒng)的組成 10
4.2液壓泵的選取與計(jì)算 11
4.3液壓馬達(dá)的選取與計(jì)算 12
4.4電機(jī)的選擇 13
4.5 油箱的設(shè)計(jì) 14
4.6 油管的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.7液壓工作介質(zhì)的選用 20
4.8 液壓輔助元件的選擇 21
4.8.1閥類的選取 21
4.8.2閥控制回路的選取 23
第五章 系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 26
5.1操縱手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
第六章 電氣控制元器件的選取 28
6.1 微處理器的選取 28
6.2 D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的選用 29
6.3 傳感器的選用 29
6.4控制算法的選取 31
參考文獻(xiàn) 34
第一章 引言
1.1選題背景
近年來對(duì)于力反饋方面的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，其中，多自由度的力反饋操縱系統(tǒng)的應(yīng)用在軍事模擬方向的較多，通過類似系統(tǒng)的出現(xiàn)是軍事模擬方面的訓(xùn)練和創(chuàng)新大大提高了當(dāng)代軍人的身體素質(zhì)和心理素質(zhì)，同時(shí)也提升了現(xiàn)代軍人的軍事化力量，從而使得我國軍事的演練和演習(xí)逐步實(shí)現(xiàn)正規(guī)化。與此同時(shí)，這樣的力反饋系統(tǒng)不僅應(yīng)用在軍事方面，也應(yīng)用在民用方面，通常用在娛樂游戲當(dāng)中，使游戲的真實(shí)感覺增加，讓玩家感覺到游戲中的震動(dòng)和碰撞的強(qiáng)烈效果。增加了游戲的趣味性和刺激性，將游戲的推行和玩者的感覺相結(jié)合，使游戲的廣泛推行增加了砝碼，讓廣大游戲愛好者是對(duì)含有這種系統(tǒng)的游戲更加青睞。力反饋操作系統(tǒng)的應(yīng)用無論在軍事方向還是民用方面都向科學(xué)的前沿邁了一步。此次所設(shè)計(jì)的二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，用于實(shí)驗(yàn)室的力反饋操縱實(shí)驗(yàn)，通過該系統(tǒng)讓老師和同學(xué)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及相關(guān)的力反饋方面的研究，為老師.同學(xué)及實(shí)驗(yàn)人員獲得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為其相關(guān)的研究題目提供可靠的數(shù)據(jù)及相關(guān)的參考。
力反饋操縱手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開始在液壓方向的領(lǐng)域內(nèi)增添了力反饋的因素，使液壓與力相結(jié)合，在該系統(tǒng)中，主要為兩部分，其一為液壓系統(tǒng)，液壓泵提供動(dòng)力源，液壓馬達(dá)為執(zhí)行元件，其二為電控部分，電控部分中的壓力傳感器和單片機(jī)分別擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)裝換的角色，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)力反饋的另一系統(tǒng)，達(dá)到相互作用的效果。使兩種相關(guān)元素在未知的領(lǐng)域和未解決的問題中得到應(yīng)用，從而可以使科學(xué)領(lǐng)域中的其他學(xué)者和研究人員得到使用，能構(gòu)推進(jìn)研究的進(jìn)度和解決問題的速度，達(dá)到對(duì)使用者的滿意程度，使該系統(tǒng)得到充分的使用，并且逐步推進(jìn)該系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)和發(fā)展，從而能夠?qū)ι鐣?huì)和科學(xué)領(lǐng)域做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，讓社會(huì)最終受益。
1.2研究目標(biāo)和意義
研究二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)的目標(biāo)是通過涉及該力反饋液壓操作系統(tǒng)，主要是為了完成主從操縱手的相互制約和控制，從而達(dá)到精確的控制和運(yùn)行。并將可以實(shí)行的系統(tǒng)操作應(yīng)用在較簡(jiǎn)單的軍事訓(xùn)練方面和民用的娛樂游戲方面。在軍事演練上，可以減少訓(xùn)練的經(jīng)費(fèi)，同時(shí)還達(dá)到了訓(xùn)練的效果，在游戲上，是玩家的游戲感覺更加具有真實(shí)性和刺激性。
1.3研究思路
二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)大體上在硬件方面分為三大部分。分別為液壓系統(tǒng)，電控制部分以及機(jī)械部分。
所謂力反饋，就是一種機(jī)械性能同過力的作用表現(xiàn)出來。
液壓部分的構(gòu)成有液壓站和一些閥類部件構(gòu)成，通過計(jì)算執(zhí)行元件設(shè)計(jì)為葉片馬達(dá)?？刂撇糠值倪\(yùn)算處理主要以在大學(xué)里所學(xué)的8051單片機(jī)為主要的運(yùn)算處理單元。并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和一些放大電路元件構(gòu)成，最主要的是數(shù)據(jù)的采集元件即壓力傳感器。機(jī)械的部分主要為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的支撐部分和固定部分，主要為液壓馬達(dá)的固定和主從操縱桿和分布。
在軟件方面，根據(jù)所需的硬件結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用PID的控制算法。由于是二自由度操縱桿，通過兩個(gè)葉片馬達(dá)所合成的力和位移最終成為主從操縱桿的最后動(dòng)作，經(jīng)傳感噐對(duì)力的采集，所采集的模擬量經(jīng)由數(shù)據(jù)變換器即A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)運(yùn)算后再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即D/A轉(zhuǎn)換后傳送給從操縱手，從操縱手根據(jù)所傳給的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)，當(dāng)從操縱手由液壓馬達(dá)傳出力距時(shí)在從操縱趕處的力傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)，經(jīng)過PID控制運(yùn)算，通過運(yùn)算后再將數(shù)據(jù)傳送給主操縱桿，然后主操縱桿通過液壓馬達(dá)的力的合成是主操縱桿進(jìn)行動(dòng)作。即主從操縱桿相互制約和相互控制。力反饋機(jī)構(gòu)原理圖如下:
微處理器
D/A轉(zhuǎn)換
液壓馬達(dá)
角傳感器
力傳感器
A/D轉(zhuǎn)換
輸入電路
功率放大
從操縱手動(dòng)作
角位移傳感器 力傳感器
主操縱手動(dòng)作
第二章 問題現(xiàn)狀
2.1.0系統(tǒng)的缺陷
二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)目前的問題涉及到三大部分。及液壓系統(tǒng)部分，電控制部分和機(jī)械部分。其中液壓方面所涉及到的問題是如何選取較好的動(dòng)力源和執(zhí)行原件以及是否應(yīng)用一些更好的輔助元件，同時(shí)該液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)的合適選擇是一個(gè)關(guān)鍵性的問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大部分的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的故障大都來自于工作介質(zhì)的選取不當(dāng)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的工作效率明顯降低，還帶來經(jīng)濟(jì)問題。電控制部分的要求通過相關(guān)的所學(xué)只是可以解決，最主要的是相關(guān)的軟件部分，應(yīng)用何種運(yùn)算控制才能更好的是液壓系統(tǒng)部分、電控制部分以及相關(guān)的機(jī)械部分更好的結(jié)合在一起這是一個(gè)關(guān)鍵性的問題。就現(xiàn)在的情況來看，軟件控制部分應(yīng)用較多的是PID控制運(yùn)算，通過該種控制運(yùn)算，可以將三種系統(tǒng)更好的結(jié)合在一起，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、操作性能以及透明性等問題也越來越引起人們的重視。在如何消除或緩解反饋力的沖擊、從動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的差異及其溫漂的影響，眾多專家學(xué)者應(yīng)經(jīng)做了大量的工作。為了提高系統(tǒng)的隨動(dòng)性和改善從動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性差異，利用干擾觀測(cè)器的原理，在從動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制中加入了干擾觀測(cè)器。通過分析表明，對(duì)于不同的信號(hào)，系統(tǒng)都有比較好的跟蹤性能，較好的提高了從動(dòng)機(jī)構(gòu)的魯棒穩(wěn)定性和抗干擾能力，從而達(dá)到預(yù)期的目的。
2.1.1 運(yùn)算控制類型的對(duì)比
在雙向伺服控制技術(shù)的發(fā)展過行程中，目前已經(jīng)嘗試了位置對(duì)稱型、力直接反饋型、力偏差反饋型等多種主-從伺服控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明力偏差反饋型效果相對(duì)較好一些，但其存在的不足是，當(dāng)從動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接觸到剛度較大物體（如木塊、石頭或人為較大的施力時(shí)）操縱桿上所受的反饋沖擊力過大，是操縱者難以忍受。但是一位日本的學(xué)者久富提出的改進(jìn)方法，他是將從動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件由原來的位置控制改成了力-位置復(fù)合控制，在操縱桿的控制中加入了狀態(tài)觀測(cè)器，以改善操縱桿油缸動(dòng)態(tài)特性的差異。從其實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，由于從動(dòng)機(jī)構(gòu)的力-位置符合控制的影響，雖然此控制方法從一定的程度上緩解了操縱桿上的反饋力沖擊，但在操作過程中從動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)操縱桿的位置跟隨特性明顯的下降。其中的控制原理圖如下所示：
通過每個(gè)控制的原理圖就可以很明顯地看出各個(gè)控制的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。
經(jīng)過分析比較提出一種新型的力反饋伺服控制，即將操縱桿的力與從動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作阻力之差作為控制信號(hào)去控制從動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，是操縱桿的位移隨從動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移和力的大小，操縱者可及時(shí)把握從動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移及力反饋的大小情況，以改善以前的控制方法的缺點(diǎn)，從而使力反饋系統(tǒng)在受到較大力矩或者是較大沖擊的時(shí)候操縱者無法忍受的問題得到解決，以改善從操縱手受力沖擊的強(qiáng)度和控制的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)為了改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)差異，提高了系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和抗干擾能力。將該系統(tǒng)增加力傳感器和位移傳感器。
主操縱手
主操縱手控制器
位置傳感器
從操縱手控制器
從操縱手
2.1.2原因分析
此次所設(shè)計(jì)的二自由度力反饋機(jī)構(gòu)是由液壓控制系統(tǒng)、電控制系統(tǒng)和一些機(jī)械結(jié)構(gòu)所組成的。其中液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)最為重要。首先液壓系統(tǒng)應(yīng)該有液壓站和伺服控制系統(tǒng)。通過伺服控制根據(jù)傳感器所采集的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械操縱手進(jìn)行控制和運(yùn)行。操縱手的運(yùn)動(dòng)行程是正負(fù)45°，即前后旋轉(zhuǎn)，所以旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)是該系統(tǒng)所需要的。其次在電控方面，該系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度比較低，所以可以不用性能較高的芯片，使用通常的單片機(jī)即可。最主要的是如何使用比較合適的算法使操縱手的運(yùn)動(dòng)更加的準(zhǔn)確，而且能夠使操縱者不承受有操縱桿反饋回來的較大的沖擊力。由于系統(tǒng)的從操縱手以及主操縱手的相互反饋帶來的力的沖擊可能會(huì)使操縱者忍受不住太大的強(qiáng)度，是由于該系統(tǒng)中的軟件即控制算法的不足導(dǎo)致力反饋較大，從以上的伺服控制系統(tǒng)的類型上看，都存在一些不足的地方，所以導(dǎo)致反饋的不準(zhǔn)確性和力較大的沖擊性?！ ?
第三章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
3.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
此次設(shè)計(jì)的二自由度力反饋液壓系統(tǒng)由液壓控制系統(tǒng)、電氣控制部分以及機(jī)械承載部分三大部分組成。
二自由度力反饋力反饋液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)，要從實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求和設(shè)計(jì)手冊(cè)的相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)出新穎，具有合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，正常的控制運(yùn)行狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)性等問題。在現(xiàn)今的社會(huì)當(dāng)中，同時(shí)還要考慮節(jié)能和環(huán)保的性能問題。是自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便且應(yīng)該有較高的工作效率。
（1）液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要保證系統(tǒng)中的每一個(gè)元器件都應(yīng)有相對(duì)應(yīng)的作用，力求沒有多余的液壓器件，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
（2）為了使系統(tǒng)在操作過程中，運(yùn)行的更加穩(wěn)定和安全，要求要有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的液壓元器件或者是相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)安全無誤的運(yùn)行，是操縱安全合理的操作。
（3）二自由度力反饋液壓系統(tǒng)所組成的部分零件應(yīng)盡量保證標(biāo)準(zhǔn)化、普遍化。讓系統(tǒng)的互換性更加符合大眾要求，便于以后的維護(hù)和修理。
3.2 系統(tǒng)的主要參數(shù)
（1）系統(tǒng)的工作壓力：4Mpa
（2）操縱桿最大加載力：500N
（3） 頻率 ：6Hz
第四章 液壓控制元件的選取與設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 液壓系統(tǒng)的組成
此次所設(shè)計(jì)的二自由度力反饋操縱系統(tǒng)有三部分組成，其中的液壓系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)的理論進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的內(nèi)容，液壓泵和液壓馬達(dá)的選用主要根據(jù)系統(tǒng)的工況來選擇液壓泵，泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速、效率。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的%80左右；要求工作可靠性較高的系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)的的設(shè)備，系統(tǒng)的工作壓力為泵的額定壓力的%60左右。泵的流量要大于系統(tǒng)的工作最大流量。為了延長泵的壽命，泵的最高壓力與轉(zhuǎn)速不宜同時(shí)使用。此次設(shè)計(jì)的二自由度力反饋液壓系統(tǒng)的液壓控制部分組成如下圖：
其中的控制液壓元器件分別為油箱、過濾器、先導(dǎo)式溢流閥、壓力表、節(jié)流閥、儲(chǔ)能器、液壓馬達(dá)、液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油管。
(1) 由于是液壓系統(tǒng)，因此一定要有油箱，要想使執(zhí)行元器件運(yùn)動(dòng)必須要有動(dòng)力裝置，及液壓泵。盡管又通過液壓泵傳遞給執(zhí)行元件，且工作環(huán)境的不確定性，為了液壓系統(tǒng)中的工作元件能夠長期的工作并有一定的工作壽命，一定要有過濾裝置。
(2) 液壓中的輔助元件也是必不可少的，為使工作系統(tǒng)能夠良好的運(yùn)行，其保證工作的安全性，一定要有溢流閥、節(jié)流閥的控制閥的選用與設(shè)計(jì)。在液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)為了更加運(yùn)行穩(wěn)定精確，通過增加一些控制和檢測(cè)裝置，使系統(tǒng)的工作更加準(zhǔn)確。
(3) 液壓站是液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)力總成，供給液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行正常穩(wěn)定的工作，保證液壓系統(tǒng)的工作性能更加穩(wěn)定。
4.2液壓泵的選取與計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求提供的情況，對(duì)液壓形同做進(jìn)一步的工況分析，查明每個(gè)液壓執(zhí)行元件在工作循環(huán)個(gè)階段中的速度、載荷變化規(guī)律、繪制液壓系統(tǒng)的有關(guān)工況圖。液壓系統(tǒng)工作壓力由設(shè)備類型、載荷大小，結(jié)構(gòu)要求和技術(shù)水平而定。系統(tǒng)工作壓力高，省材料，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，液壓的發(fā)展方向。但要注意泄露、噪聲控制和可靠性問題的妥善處理。
根據(jù)題目要求的相關(guān)的參數(shù)，首先選取合適的液壓泵，根據(jù)液壓泵選取合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在泵的規(guī)格中，一般同時(shí)給出額定工況（額定壓力、轉(zhuǎn)速、排量或流量）下泵的驅(qū)動(dòng)功率，可按此選擇電機(jī)，同時(shí)也可按液壓泵的實(shí)際使用情況，按下列公式計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率：
P= ΨPnQn/60ηp （KW） (1)
根據(jù)計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)功率和泵的額定轉(zhuǎn)速選擇電機(jī)的規(guī)格。通常，允許電動(dòng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)在超載 25%的狀態(tài)下工作。
假如液壓泵在工作循環(huán)周期各階段所需的輸出功率差別比較大，那么應(yīng)首先按下式計(jì)算循環(huán)周期的等值功率：
P=i=1NPiTii=1Nti （KW） (2)
液壓系統(tǒng)的工作壓力為4.10mPa，為低壓，正常工作壓力為泵的額定壓力的%80左右，系統(tǒng)的工作壓力為泵額定壓力的%60左右，由于選擇液壓泵主要根據(jù)工況來選擇，泵的主要參數(shù)有壓力流量，轉(zhuǎn)速和效率，因系統(tǒng)的工作壓力為4.10Mp，則液壓泵的額定的壓力為5.125mMp，根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)中表20-5-3可知，符合條件的有齒輪泵，葉片泵,柱塞泵三大類別，由于雙作用葉片泵的額定壓是6.3-32mPa，而系統(tǒng)的額定壓力為6.73mPa，并且葉片泵的結(jié)構(gòu)比較緊湊，外形尺寸小，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，且流量均勻，噪聲小，壽命長，雖然與齒輪泵相比，對(duì)油液的污染較敏感，但在室內(nèi)，由于環(huán)境的污染等級(jí)較低，所以沒有太大的影響，因此選雙作用液片泵。齒輪泵也可以，但工作壓力較低，而柱塞泵盡管得到廣泛應(yīng)用，但它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且價(jià)格較貴，所以選葉片泵。根據(jù)表20-5-3雙作用葉片泵的排量為0.5-480ml/r，轉(zhuǎn)速為500-4000r·min，最大功率為320Kw，容積效率為80-294%，總效率為65-82%，最高自吸能力為33.5KPa，流量脈動(dòng)小于1%，根據(jù)表20-5-21初選葉片泵型號(hào)為YB型，YB型泵系經(jīng)過改進(jìn)后的葉片泵由表20-5-22，根據(jù)額定壓力選擇YB型，排量為6.3-100，額定壓力為10mPa，轉(zhuǎn)速為600-2000，又據(jù)表20-5-27，選擇YB-A30型葉片泵，根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)情況，選擇法蘭安裝，這樣是重量輕，可以減小試驗(yàn)臺(tái)的壓力與沖擊。
4.3液壓馬達(dá)的選取與計(jì)算
由于工作環(huán)境在室內(nèi)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的執(zhí)行元件為操縱桿，而操縱桿的運(yùn)動(dòng)是而為的角度旋轉(zhuǎn)，因此操縱桿的動(dòng)力源器件不應(yīng)選取液壓缸等直線型液壓動(dòng)力系統(tǒng)，因此要選取旋轉(zhuǎn)型的動(dòng)力液壓源器件。因此要選液壓馬達(dá)。
液壓馬達(dá)的選取，根據(jù)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的需求，液壓馬達(dá)需要使用四個(gè)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中表20-2-9，通過該表選取液壓馬達(dá)。馬達(dá)有齒輪馬達(dá)，擺線馬達(dá)，曲桿馬達(dá)，葉片馬達(dá)，球塞馬達(dá)，軸向馬達(dá)和內(nèi)曲線馬達(dá)。
方案1：這些馬達(dá)中，雖然齒輪馬達(dá)，擺線吃輪馬達(dá)都速度中等或較高，但是系統(tǒng)中不需要速度較大的馬達(dá)，但結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且價(jià)格相對(duì)比較便宜，選擇擺線齒輪馬達(dá) 。
方案 2：曲桿馬達(dá)，球塞馬達(dá)，曲桿馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是直徑小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，但扭矩卻大，且由于定子的材料不同，選用的介質(zhì)也是不一樣的，受到介質(zhì)大制約，球塞馬達(dá)速度較高，且軸向尺寸較小，扭矩較大，比較適用于塑料機(jī)械和行走機(jī)械。而內(nèi)曲線徑向馬達(dá)，速度較低，扭矩很大，運(yùn)行比較平穩(wěn)。但比較適用于各種重型機(jī)械中的各種液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。
方案3：葉片馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對(duì)比較高，但扭矩比較小，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也比較小，動(dòng)作靈敏而且脈動(dòng)小同時(shí)噪聲也小，由于所設(shè)計(jì)的二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)為一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，需要放置在室內(nèi)，因此首先要噪聲小，由于該系統(tǒng)的運(yùn)行過程中需要手動(dòng)，手動(dòng)的同時(shí)另一個(gè)相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)換進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，因此要?jiǎng)幼黛`敏，又因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的設(shè)計(jì)為了試驗(yàn)和應(yīng)用到其他的領(lǐng)域中，所以二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)的動(dòng)作精準(zhǔn)度也要一個(gè)比較高的精度。
根據(jù)以上的相關(guān)技術(shù)要求和比較，盡管方案1和方案2在價(jià)格上比較占優(yōu)勢(shì)，但在系統(tǒng)的執(zhí)行過程要求不能過多滿足，根據(jù)方案1和方案2以及方案3之間的相對(duì)比較，方案3比較符合所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求，同時(shí)葉片馬達(dá)適合應(yīng)用于磨床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)，多作用大排量用于船舶和錨機(jī)。因此這樣選擇了方案3-葉片馬達(dá)。葉片馬達(dá)的結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，運(yùn)行平穩(wěn)噪聲小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小。
理論流量Qo Qo=1/60qn=30mlr n額定轉(zhuǎn)速=150
實(shí)際流量 Q=qon/60ην =30*1500/60* (3)
輸入功率 Pi=pQ p-工作壓力
輸出功率Po Po =pQη (4)
機(jī)械效率 Po=∏Tn/30 (5)
載荷加載力為0～0.5KN，設(shè)計(jì)的操縱桿為260mm，則所得轉(zhuǎn)矩為0～130N·m，根據(jù)所需的最大扭矩，在表20-5-67中，選擇YM-F-E型，葉片馬達(dá)，其具體型號(hào)為YM-F-E125，最高壓力為20mPa，額定壓力為16mPa。轉(zhuǎn)數(shù)最低為200rmin，最高為1200rmin，，額定轉(zhuǎn)矩為284N·m，完全滿足工作所需的扭矩，容積效率為88%，總效率78%。
4.4電機(jī)的選擇
電機(jī)的選擇 ，根據(jù)泵的參數(shù)及泵的驅(qū)動(dòng)功率，公式如下： P=ΨPnQn/1000ηp （KW） (6)
Pn-液壓泵的額定壓力Pa
Qn-液壓泵的額定流量
ηp-液壓泵的總效率
Ψ-轉(zhuǎn)換系數(shù) 一般液壓泵 ：Ψ=Pmax/Pn (7)
恒功率變量液壓泵 Ψ=0.4
限壓式變量葉片泵Ψ=0.85Pmax/Pn Pmax-液壓泵實(shí)際使用的最大工作壓力
其中Pn=10.5mPa Qn=40.6lmin ηp=82%
由于所使用的液壓泵是葉片泵，所以用一般葉片泵的公式：
Ψ= Pmax/Pn (8)
Ψ=32/10.5=3.05 由葉片泵的參數(shù)壓力6.3～32mPa，排量0.5～480mlr，轉(zhuǎn)速500～4000rml，最大功率320Kw，容積效率80～294%，總效率65～82%,流動(dòng)脈動(dòng)≤1%
根據(jù)上式得:
P=3.05×10.5*4.06/1000*0.85
=1300.215/820
=1.59KW
4.5 油箱的設(shè)計(jì)
油箱是液壓系統(tǒng)中的能源提供裝置，除了向執(zhí)行元件提供能源外，同時(shí)還起到為操縱系統(tǒng)潤滑和散熱的作用，還起著分離油液中的氣體及沉淀物的作用。根據(jù)油箱的具體應(yīng)用條件,合理選用油箱的容積、結(jié)構(gòu)形式和附件,以使油箱充分發(fā)揮其作用.油箱分為開式和閉式兩種類型。開式油箱應(yīng)用比較廣泛。箱內(nèi)液面與大氣相通。為防止油液被大氣污染,在油箱頂部設(shè)置空氣濾清器,并兼作注油口用.閉式油箱一般指箱內(nèi)液面不直接與大氣相通,而設(shè)有氣孔與具有一定壓力的惰性氣體相接,充氣壓力可達(dá)到0.05MP。油箱的形狀一般采用矩形，而容量大于2㎡的油箱采用圓筒結(jié)構(gòu)比較合理,設(shè)備重量相對(duì)較輕,油箱內(nèi)部壓力可到0.05MP.油箱必須有足夠大的容量,以保證系統(tǒng)工作時(shí)能夠保持一定的液位高度;為滿足散熱要求,對(duì)于管路`比較長的系統(tǒng),還應(yīng)考慮系統(tǒng)停制工作時(shí)，維修能容納油液自由流回油箱時(shí)的容量;在油箱容積不能增大而有不能滿足散熱要求的時(shí)候,這時(shí)需要設(shè)置冷卻裝置，以保證系統(tǒng)工作時(shí)油溫不會(huì)變化太大。設(shè)置過濾器時(shí),油箱的回油口一般都設(shè)置成系統(tǒng)所要求的過濾精度的回油過濾器,以保持返回油箱的油液具有允許的污染等級(jí).油箱的排油口(即泵的吸口)為了防止意外落入油箱中存有污染物,有時(shí)也裝設(shè)吸油網(wǎng)式過濾器.由于這種過濾器安裝在油箱的深處,不好清理,因此,即使設(shè)置,過濾網(wǎng)達(dá)到的目地要求也是很低的,一般為60目以下.油箱的排油口與回油口之間的距離應(yīng)盡可能盡量遠(yuǎn)一些,管口都應(yīng)插入最低油面之下,以免發(fā)生吸空和回油沖濺產(chǎn)生氣泡.管口制成45°的斜角,以增大吸油即出油的截面,使油液流動(dòng)是速度變化不致過大.管口應(yīng)面向箱壁.吸油管離箱底距離H≥2D(D為管徑),距箱邊不小于3D.回油管離箱底距離h≥3D.設(shè)置隔板將吸回油管隔開,使液流循環(huán),油液中的氣泡與雜質(zhì)分離和沉淀.擱板結(jié)構(gòu)有溢流式標(biāo)準(zhǔn)型,回流型和溢流式等幾種.另外還可根據(jù)需要在隔板上安置濾網(wǎng).在開式油箱上部的通氣孔上必須配置空氣濾清器.兼作注油口用.油箱的注油口一般不從油桶中將油液直接注入油箱,而是經(jīng)過濾車從注油口注入,這樣可以保證注入油箱中的油液有一定的污染等級(jí).放油孔要設(shè)置在油箱底部最低的位置,使換油時(shí)油液和污物能順利的從放油孔流出.
在設(shè)計(jì)油箱時(shí),從結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮清洗換油的裝置,設(shè)置清洗孔時(shí),以便于油箱內(nèi)沉淀物的定期清理，保證液壓油的清潔度。當(dāng)液壓泵和電動(dòng)機(jī)安裝在油箱蓋板上時(shí),必須設(shè)置安裝板。安裝板在油箱蓋板上通過螺栓加以緊固.為了能夠觀察向油箱注油的液位上升情況和在系統(tǒng)中能夠看見液位高度的變化,必須設(shè)置液位計(jì)或者視油孔。按GB/T3766-1983中的5、2、3a規(guī)定:油箱的底部應(yīng)離地面150mm以上,以便于搬移”、放油和散熱。為了防止油液可能灑落在地面上,可在油箱下或上蓋附近四周設(shè)置油盤。油盤必須有排油口,以便于油盤的清潔。油箱的內(nèi)壁應(yīng)進(jìn)行拋丸或噴砂處理,以清除焊渣和鐵銹以及其他的雜質(zhì)。待灰砂清理干凈之后,按不同工作介質(zhì)進(jìn)行處理或者涂層。對(duì)于礦物油,采用磷化處理。對(duì)于高水基或水、乙二醇等工作液壓油介質(zhì),則應(yīng)從采用與介質(zhì)相容的涂料進(jìn)行涂刷,以防油漆剝落污染油液。油箱的有效容量一般為泵每分鐘流量3～7倍。對(duì)于行走機(jī)械,冷卻效果比較好的設(shè)備,油箱的容量可選擇小些;對(duì)于固定設(shè)備,空間、面積不受限制的設(shè)備,則應(yīng)采用較大的容量.如冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)的油箱容量通常取為每分鐘流量的7～10倍,鍛壓機(jī)械的油箱容量通常取為每分鐘流量的6～12倍.
油箱中油液溫度一般推薦30～50℃,最高不應(yīng)超過65℃,最低不應(yīng)低于15℃。對(duì)于工具機(jī)及其他的固定裝置,工作溫度允許在40～55℃范圍內(nèi)。行走機(jī)械,工作溫度允許達(dá)到65℃.在特殊情況下可達(dá)80℃.對(duì)于高壓系統(tǒng),為了減少漏油。最好不超過50℃另外,油箱容量大小可以從散熱角度方面設(shè)計(jì),計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)熱量或散熱量(加冷卻器時(shí),再考慮冷卻器散熱后),從熱平衡角度計(jì)算出油箱的容積。油箱中的油溫,一般在30～50℃范圍內(nèi)工作比較合適,最高不大于60℃,最低不小于15℃。如果油溫過高,將使油液迅速變質(zhì),同時(shí)會(huì)使泵的容積效率下降;如果油溫過低,油泵啟動(dòng)吸入困難。因此,油液須進(jìn)行加熱或冷卻。最簡(jiǎn)單的冷卻辦法是在油箱中安設(shè)水冷蛇形管,缺點(diǎn)是冷卻效率較低(自然對(duì)流),水耗量大,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高。因此,在回油系統(tǒng)中采用強(qiáng)制對(duì)流的冷卻器降低油溫,更為普遍。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)的最高油溫,如在允許溫度以下時(shí),就可以自然冷卻。否則,也可在油箱中設(shè)置水冷蛇形管進(jìn)行冷卻。在低溫環(huán)境下工作時(shí),為保持合適的油溫,油箱必須進(jìn)行加熱?？捎谜羝訜峄螂娂訜帷Ｕ羝鋮s時(shí),冷凝水聚集時(shí)下端，增加了排除未凝結(jié)氣體的困難,降低了傳熱效果,降低了加熱效率。因此管不宜過長.如果需要傳熱面積較大,則可分成若干并聯(lián)部分,各并聯(lián)管互相排成同心圓形狀,當(dāng)用蒸汽加熱時(shí),管長與管徑之比不應(yīng)超過蒸汽壓力表的最大量程。
由于該設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境在室內(nèi)，為了保證工作環(huán)境的清新，所以使油箱為閉式油箱。力求做到設(shè)計(jì)出的油箱重量輕、體積小、效率高、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和維護(hù)保養(yǎng)方便經(jīng)濟(jì)型好的油箱。
油箱計(jì)算：
T0—環(huán)境溫度 Ty最高允許溫度
由于是室內(nèi)所以選取環(huán)境溫度為20攝氏度，液壓系統(tǒng)的油溫最好不超過50攝氏度，所以選取50攝氏度。
最小受熱面積
Amin=H/K（Ty- T0） (9)
=18.37÷8×50-20
=76541.67mm2
油箱的散熱面積A≈6.66?v2 (10)
V=3（A÷6.66）3
=20.0776.663
=0.001243m3
1243153.463mm3
所以郵箱尺寸擬定為100×100×200mm
4.6 油管的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于是應(yīng)用在液壓系統(tǒng)中，因此應(yīng)該選用耐油性較好且時(shí)間壽命長的油管，對(duì)于塑料管等非耐油的管就不再適用。同時(shí)由于管路在室內(nèi)中且為了經(jīng)濟(jì)性的考慮，鋼管比較不適用于所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)，在液壓傳動(dòng)中常用的管子有鋼管、銅管、膠管、尼龍管和塑料管。
鋼管能承受較高的壓力，價(jià)格相對(duì)比較便宜，但安裝時(shí)彎曲半徑不能太小，多用在裝配位置比較方便且是彎曲回路不多的地方。常用的鋼管是無縫鋼管。
紫銅管所能承受的工作壓力比較低，一般只在低壓液壓系統(tǒng)中使用。但是用紫銅管在液壓系統(tǒng)裝配時(shí)可按照管路的設(shè)計(jì)需要來進(jìn)行彎曲，但其價(jià)格比較貴且抗振能力較弱，也易使油液氧化，因此要盡量少用這類管材。
尼龍管也可以應(yīng)用在低壓的液壓系統(tǒng)中。而塑料管一般只用于回油管或泄油管，但塑料管的使用性能和使用壽命比較短，以節(jié)能環(huán)保的角度考慮，不宜使用塑料管。 膠管用作連接兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的管道。膠管分高低壓兩種。高壓膠管是鋼絲編織體為骨架或鋼絲纏繞體為骨架的膠管，可用于壓力回路。低壓系統(tǒng)用膠管是以麻線或棉線編織體為骨架的膠管，多用于壓力較低的回油路。
所以選用液壓系統(tǒng)中比較實(shí)用的橡膠管即蛇形管作為液壓油的傳輸。如下圖：
此種橡膠管的價(jià)格比較便宜，同時(shí)應(yīng)用在液壓系統(tǒng)中也是比較合適的，因此選用蛇形管。郵箱蛇形管的長度計(jì)算：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)之液壓設(shè)計(jì)的計(jì)算公式得：
H1=P（1-η） η通常取0.8 (11)
其中 P=P1Q/η
p—液壓泵的輸入功率
H1—液壓泵功率損失
P1—實(shí)際出口壓力
Q—實(shí)際流量
在這里選取它的理想狀態(tài)，即實(shí)際出口壓力選為泵的輸出壓力為10.5Mp，實(shí)際流量也選取40.6ml/s，液壓泵中的液壓控制元件溢流閥主要用于防止壓力過載，并同時(shí)保證系統(tǒng)的壓力恒定，因此選用B型先導(dǎo)式溢流閥。先導(dǎo)式溢流閥的具體型號(hào)為BT-03-*-32，它的調(diào)壓范圍為0.5～25.0Mpa，最大的流量為100ml/s。所以取Q=4.6ml/s由以上公式的得：
H1=P1Q（1-0.8）/4
=（10.5×40.6×103×10-3）÷4×60
=106.58 60
=1.78 （W）
H2=pq
P—溢流閥的調(diào)整壓力
q—經(jīng)過溢流閥流回油箱的流量
根據(jù)所設(shè)計(jì)的模型來看，閥功率損失按泵的全部流量流經(jīng)溢流閥流回油箱的最大功率損失。
H2=（40.6×24.5×103×10-3）÷60
=994.7÷60
=16.59 （w）
H=H1+H2
H—系統(tǒng)的發(fā)熱功率
H=16.59+1.78
=18.37
蛇形管的冷卻面積：
A=（H-H‘）÷（K1△Tm） (12)
H—系統(tǒng)的散熱功率
H‘—系統(tǒng)的發(fā)熱功率
K1—油箱的傳熱系數(shù)W/（x2.K）
△Tm—油于冷卻水之間的平均溫差
假定冷卻水的溫度為5攝氏度，油溫為25攝氏度，則 △Tm的溫度為20攝氏度。
K1的選取，周圍通風(fēng)很差時(shí)為8～9，周圍通風(fēng)良好時(shí)為15，用風(fēng)扇冷卻時(shí)為23，用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻時(shí)為110～174，由于此次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)在室內(nèi)，所以選取k值為8.
H‘=KA△T (13)
△T—油在操縱時(shí)，由于周圍空氣的允許溫度差，K
H‘=8×20×A
=160×0.077
=12.32
結(jié)合上式得：
蛇形管的冷卻面積為： A=（18.37-12.32）÷380×54
=0.0002948 （m2）
=294.8mm2
蛇形管的長度L=A÷3.14d
=0.077÷3.14×10-3×20
=1.23m
總長為1.23×4=4.86m
d一般取在15～25
根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和公式求選擇膠管的尺寸規(guī)格。高壓膠管的工作壓力對(duì)不經(jīng)常使用的情況可提高20%；對(duì)于使用頻繁的管路經(jīng)常彎扭者要降低40%。膠管在液壓系統(tǒng)使用及設(shè)計(jì)中要注意以下5個(gè)注意事項(xiàng)：
（1）膠管的彎曲半徑不宜過小。膠管與管接頭的聯(lián)接處應(yīng)留有一段直的部分，此段長度不應(yīng)小于管外徑的兩倍。
（2）膠管的長度應(yīng)考慮到膠管在通入壓力油后，長度方向?qū)l(fā)生收縮變形，一般收縮量為管長的3%～4%。因此，膠管安裝時(shí)應(yīng)避免處于拉緊狀態(tài)。
（3）膠管在安裝時(shí)應(yīng)保證不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，為便于安裝，可沿管長涂以色紋，以便檢查。
（4）膠管的管接頭軸線，應(yīng)盡量放置在運(yùn)動(dòng)的平面內(nèi)，避免兩端互相運(yùn)動(dòng)時(shí)膠管受扭。
（5）膠管應(yīng)避免與機(jī)械上尖角部分相接觸和摩擦，以免管子損壞。
4.7液壓工作介質(zhì)的選用
液壓工作介質(zhì)的選擇，根據(jù)液壓工作介質(zhì)的選擇要求，由于所設(shè)計(jì)的液壓工作系統(tǒng)在室內(nèi)工作，所以工作環(huán)境比較好，沒有太大的污染，液壓油（液）屬于工業(yè)潤滑劑的H組，所以首先根據(jù)工作環(huán)境的溫度-室溫初選取工作液壓油分別為L-HL,L-HM,L-HFAE,L-HFAS,L-HFB幾種，其中L-HL與其他幾種液壓油相比，有抗氧化性和防銹性。L-HM有抗氧定性，與丁 橡膠有良好的相容性，良好的潤滑性和抗磨性，而L-HFAE價(jià)格便宜，粘溫性，但潤滑性比較差，所以在這幾種工作液當(dāng)中，選擇L-HM，L-HM系列中有15,22,32,46,68,100,150幾種。根據(jù)液壓油的粘度再次從L-HM系列中選擇合適的液壓工作液，選擇合適的粘度等級(jí)，是液壓油的工作狀態(tài)處于最佳狀態(tài)，由于大多數(shù)液壓系統(tǒng)的故障絕大多數(shù)與選用和使用有關(guān)，粘度過高，雖然對(duì)潤滑性有利，但增加系統(tǒng)阻力，壓力損失增大，造成功率損失增大，油溫上升，液壓動(dòng)作不穩(wěn)定，出現(xiàn)噪音，還會(huì)造成低溫啟動(dòng)時(shí)吸油困難，甚至是中斷供油，發(fā)生設(shè)備故障，相反液壓粘度過低時(shí)，會(huì)增加液壓設(shè)備的內(nèi)外泄漏，液壓系統(tǒng)工作壓力不穩(wěn)，壓力降低，工作部件不能到位，導(dǎo)致泵的磨損量增加。要使用溫度和壓力高的液壓系統(tǒng)就要選用粘度較高的液壓油，可以獲得較好的潤滑性，相反，當(dāng)溫度和壓力較低工作粘度應(yīng)選用較低的粘度。根據(jù)各種泵的類型，葉片泵的粘度為25-68㎜/s，柱塞泵和齒輪泵都是30-11㎜/s 5，葉片泵的最小粘度不應(yīng)低于10㎜/s ,動(dòng)粘度不應(yīng)大于700㎜/s，而柱塞泵的最小工作粘度不應(yīng)低于8㎜/s，最大不大于1000㎜/s，齒輪泵的要求粘度較大，最小粘度為200㎜/s，最大啟動(dòng)粘度可達(dá)到2000㎜/s，液壓泵的制造廠商VICKERINC規(guī)定了油品在操作溫度下最低粘度為13 ㎜/s，最高為54 ㎜/s ，以此為準(zhǔn)，所以選用L-HM32作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)。
4.8 液壓輔助元件的選擇
4.8.1閥類的選取
液壓泵站由泵組、油箱組件、濾油器組件、控溫組件及蓄能器組件等組合而成.它是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源,可按機(jī)械設(shè)備工況需要壓力、流量和清潔度,提供工作介質(zhì).目前液壓泵站產(chǎn)品尚未標(biāo)準(zhǔn)化,為獲得一套性能良好的液壓系統(tǒng),建議主機(jī)廠委托液壓專業(yè)廠設(shè)計(jì)、制造.一些研究單位和專業(yè)廠開發(fā)量BJHD系列、AB-C系列、UZ系列和UP系列產(chǎn)品,還有適用于中低壓系統(tǒng)的YZ系列及EZ系列等產(chǎn)品均可提供使用者選用.規(guī)模小的單機(jī)型液壓泵站,通常將液壓控制閥安裝在油箱面板之上或集成在油路塊上,再安裝在油箱之上.中等規(guī)模的機(jī)組型液壓泵站則將控制閥組安裝于一個(gè)或幾個(gè)閥臺(tái)(架)上,閥臺(tái)設(shè)置在被控設(shè)備(機(jī)構(gòu))附近.大規(guī)模的中央型液壓泵站,往往設(shè)置在地下室內(nèi),可以對(duì)組成的格液壓系統(tǒng)進(jìn)行集中管理.
伺服閥的應(yīng)用，該系統(tǒng)的是由電器和液壓系統(tǒng)組成的力反饋系統(tǒng)，所以從伺服閥的種類中選擇電液伺服閥，因?yàn)殡娨核欧y比較廣泛的應(yīng)用在有電氣和液壓部分的系統(tǒng)中，在電液伺服閥的力馬達(dá)輸入電流為150-300mA，輸出力為3-5N,輸入的電流轉(zhuǎn)換成與電流成正比的輸出力。所設(shè)計(jì)的力反饋系統(tǒng)的反饋力最大為所以選用電液伺服閥。其輸入電流選擇40mA。
電液伺服閥是電液轉(zhuǎn)換元件，同時(shí)又是功率放大元件，它能夠把非常微小的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成較大功率的液壓能（流量和壓力）通過執(zhí)行元件輸出。它的性能的好壞對(duì)系統(tǒng)的影響非常大。因此它是電液控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵的控制部件。
伺服閥輸入信號(hào)是由電氣元件來完成的。電氣元件在傳輸、運(yùn)算和參量的轉(zhuǎn)換等方面既快速又簡(jiǎn)便，而且可以把各種物理量轉(zhuǎn)換成為電量。所以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，廣泛使用電氣裝置作為電信號(hào)的比較、放大、反饋檢測(cè)等元件；電液伺服閥具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、功率放大倍數(shù)高，線形度好，死區(qū)小，靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，相應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可作為電液轉(zhuǎn)換功率放大的元件。
蓄能器來加以吸收，避免由于系統(tǒng)壓力過高而造成元件損壞，對(duì)于一些要蓄能器在液壓系統(tǒng)中是用來儲(chǔ)存，釋放能量的裝置。其主要用途有以下幾方面：
（1）短期大量供油。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)需要大量壓力油的液壓系統(tǒng)，采用蓄能器輔助供油可減少液壓泵的容量，從而減少了電機(jī)功率的消耗，降低了液壓系統(tǒng)溫升。
（2）維持系統(tǒng)的壓力。
（3）吸收沖擊壓力或液壓泵的脈動(dòng)壓力。對(duì)于有液壓缸的突然停止或換向，換向閥的突然關(guān)閉或換向以及液壓缸的突然起、停所引起的液壓沖擊，可采用求液壓源供油壓力恒定的液壓系統(tǒng)，需要在液壓泵出口處安裝蓄能器，以吸收液壓泵的脈動(dòng)壓力。用來吸收沖擊壓力的蓄能器盡可能安裝在靠近產(chǎn)生沖擊的地方。本液壓系統(tǒng)選用NXQ1-L型囊式蓄能器。
壓力表和壓力表開關(guān)的選用
為保證系統(tǒng)的工作安全性，同時(shí)使系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確的工作，通常要全取液壓表來測(cè)量油壓，最常用的是彈簧管式壓力表，它是利用被測(cè)量的油壓使彈簧管變形，并通過機(jī)械傳動(dòng)使壓力表的指針指向某一讀數(shù)來測(cè)量的。如下圖：
經(jīng)過壓力表的測(cè)量，可以保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全的工作。
壓力表的精度等級(jí)表示該壓力表的最大允許測(cè)量誤差及它的測(cè)量上限
的相對(duì)比值，用百分?jǐn)?shù)k表示，即
一般測(cè)量時(shí)可選用精度等級(jí)為1.5的壓力表。本液壓系統(tǒng)選用YN-60耐震壓力表
KF-L8/14E壓力表開關(guān)。
壓力控制回路種類有很多。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)、選擇液壓基本回路時(shí)，一定要根據(jù)設(shè)計(jì)要求、方案特點(diǎn)、適用場(chǎng)合等認(rèn)真考慮。當(dāng)載荷變化較大時(shí)，應(yīng)考慮多擠壓力控制回路；在一個(gè)工作循環(huán)的某一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行元件停止工作不需要液壓能時(shí)，則考慮卸荷回路；當(dāng)某支路需要穩(wěn)定的低于動(dòng)力油源的壓力時(shí)，應(yīng)考慮減壓回路；在有升降運(yùn)動(dòng)部件的液壓系統(tǒng)中，應(yīng)考慮平衡回路；當(dāng)慣性較大的運(yùn)動(dòng)部件停止容易產(chǎn)生沖擊時(shí)，應(yīng)考慮緩沖或制動(dòng)回路等。即使在同種的壓力控制回路中，也要結(jié)合具體要求仔細(xì)研究，才能選擇出高效率的液壓回路。對(duì)于高效率的液壓回路，可采用改變泵排量的卸荷回路；對(duì)頻繁地重復(fù)加載的工況，可采用換向閥的卸荷回路或卸荷閥與儲(chǔ)能器組成的卸荷回路等。調(diào)壓回路，液壓系統(tǒng)中壓力必須與載荷相適應(yīng)，才能既滿足工作要求又能減少動(dòng)力損耗。這就要通過調(diào)壓回路實(shí)現(xiàn)，回路是指控制整個(gè)液壓系統(tǒng)或系統(tǒng)局部的油液壓力，使之保持恒定或限制其最高值。減壓回路的作用在于是系統(tǒng)中部分油路得到比油源供油壓力低的穩(wěn)定壓力。當(dāng)泵供油源高壓時(shí)，回路中某局部工作系統(tǒng)或執(zhí)行原件需要低壓，便可采用減壓回路。增壓回路用來提高系統(tǒng)中局部油路中的油壓。它能使局部壓力源高于油源的工作壓力。采用增壓回路比選用高壓大流量液壓泵要經(jīng)濟(jì)得多。有些機(jī)械要求在工作循環(huán)的某一階段內(nèi)保持規(guī)定的壓力，為此，需要采用保壓回路。保壓回路應(yīng)滿足保壓時(shí)間、壓力穩(wěn)定、工作可靠及經(jīng)濟(jì)性等多方面的要求。卸荷回路當(dāng)執(zhí)行元件工作間歇（或停止工作）時(shí)，不需要液壓能，應(yīng)自動(dòng)將泵源排油直通油箱，組成卸荷回路，使液壓泵處于無載荷運(yùn)行狀態(tài)，以便達(dá)到減少動(dòng)力消耗和降低系統(tǒng)發(fā)熱的目的。平衡回路，在下降機(jī)構(gòu)中，為了防止下降工況下超速下降，并能使之在任何位置上鎖緊的回路稱為平衡回路。在液壓馬達(dá)帶動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)中，由于運(yùn)動(dòng)部件具有慣性，要要是液壓馬達(dá)又運(yùn)動(dòng)狀態(tài)迅速停止，只靠液壓泵卸荷或停止向系統(tǒng)共有仍然難以實(shí)現(xiàn)，為了解決這一問題，需要采用制動(dòng)回路。制動(dòng)回路是利用溢流閥等元件在液壓馬達(dá)的回路上產(chǎn)生被壓，使液壓馬達(dá)受到阻力矩而被制動(dòng)。也有利用液壓制動(dòng)器產(chǎn)生摩擦阻力矩使液壓馬達(dá)制動(dòng)的回路。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度要求各不相同，而液壓能源往往是共用的，要解決各執(zhí)行元件不同的速度要求，就要采取速度控制回路。其主要控制方式是閥控和液壓泵（或液壓馬達(dá)）控制。根據(jù)題目涉及的要求，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和參考進(jìn)行相應(yīng)的搭配和組合，已達(dá)到液壓系統(tǒng)的通路。
4.8.2閥控制回路的選取
液壓傳動(dòng)中的液壓控制閥是指控制液體壓力、流量、和方向的三類開關(guān)閥；液壓控制中的液壓控制閥則是指可實(shí)現(xiàn)比例控制的液壓閥，按其結(jié)構(gòu)有滑閥、噴嘴擋板閥和射流閥三種；從功能上看，液壓控制閥是一種液壓功率放大器，輸入為位移，輸出為流量或壓力。液壓控制閥加上轉(zhuǎn)換器及反饋機(jī)構(gòu)組成伺服閥，伺服閥是液壓伺服的核心元件。因此，要根據(jù)液壓系統(tǒng)的需要，選擇合適的液壓控制元件，組成設(shè)和所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的伺服閥。
由于液壓控制閥分為三類，即滑閥、噴嘴擋板閥、和射流閥。其中滑閥的壓力增益可以很高，通過的流量可以很大，特性易于計(jì)算和控制，抗污染性能好，因此廣泛用作工業(yè)伺服閥的前置級(jí)和所有伺服閥的功率級(jí)。但要求嚴(yán)格的配合公差，制造成本高，作用在閥芯上的力較多、較大且變化；要求較大的控制壓力。作前置級(jí)時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較低。噴嘴擋板閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、公差較寬；特性可預(yù)測(cè)；無死區(qū)、無摩擦副，靈敏度高；擋板慣量小，所所需的控制力小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)高；抗污染性能差，要求很高的過濾精度；零位泄漏量大，功率損失大。通常做伺服閥的前置級(jí)。射油管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易；噴口較大，流量較大；抗污染能力很好，可靠性很高；無死區(qū)，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦小，靈敏度高；射油管慣量較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較低；特性不易預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)要靠模型試驗(yàn)；壓力恢復(fù)系數(shù)和流量恢復(fù)系數(shù)較大，效率較高；適用于中、小功率控制系統(tǒng)或伺服閥的前置級(jí)。
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和題目的設(shè)計(jì)要求，此次設(shè)計(jì)的二自由度力反饋操縱手液壓系統(tǒng)的要求是該液壓系統(tǒng)需要用滑閥，滑閥需要確定結(jié)構(gòu)形式、主要的參數(shù)確定兩大部分內(nèi)容。其中結(jié)構(gòu)形式的確定還包括工作邊數(shù)和通路數(shù)的確定，工作邊數(shù)及通路數(shù)主要應(yīng)從執(zhí)行元件類型、性能要求及制造成本三方面考慮。三通（雙邊）閥只能用于控制差動(dòng)液壓缸；四通（四邊）閥可以控制液壓馬達(dá)、對(duì)稱液壓缸和不對(duì)稱液壓缸，但用對(duì)稱四通閥控制不對(duì)稱液壓缸容易產(chǎn)生較大的液壓沖擊，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，比較容易以產(chǎn)生不良的影響。四通閥的壓力增益比三通閥高一倍，它所控制系統(tǒng)的負(fù)載誤差小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度高；性能要求高的系統(tǒng)多用四通閥；負(fù)載不大、性能要求不高的機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)，或靠外載回程的特殊場(chǎng)合常用三通閥；二通閥僅用于要求能自動(dòng)跟蹤，但無性能要求的場(chǎng)合。四通閥制造成本較高，三通閥次之。二通閥極易制造。其次為閥口的形狀的確定。閥口形狀由流量大小及流量增益的線性要求來確定。大流量閥要求面積梯度大，因此采用全周開口；為有足夠剛度保證零件工作的安全性考慮，小流量閥的閥芯不宜做得很小，因此采用局部開口。局部開口的閥有矩形閥口和圓形閥口兩種，矩形閥口具有線性的流量增益，但須用電火花或線切割加工，比較浪費(fèi)時(shí)間且價(jià)格也比較貴；圓形閥口加工簡(jiǎn)單，但流量增益非線性。一般多采用矩形閥口，僅性能要求不高的閥才采用圓形閥口。其次為零位開口形式的確定，零位開口形式取決于性能要求及用途。零開口閥的流量增益為線性，壓力增益很高，應(yīng)用很廣。正開口閥零位附近的流量為非線性，壓力增益為線性但增益較低，零位泄露大，一般應(yīng)用的比較少，多用于前置級(jí)、同步控制系統(tǒng)、高溫工作系統(tǒng)、高溫環(huán)境和恒流系統(tǒng)中。最后還要確定一下凸肩數(shù)，凸肩以保證閥芯有良好的支撐，便于開均壓槽，并應(yīng)以軸向尺寸緊湊為原則。四通閥一般為3或4個(gè)凸肩。特殊用途的滑閥，除了兩端有控制面外，還有輔助控制面，所以需5至6個(gè)凸肩。
滑閥的設(shè)計(jì)一般遵循以上幾個(gè)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)需要幾個(gè)相關(guān)的重要參數(shù)。其一為供油壓力，一般以供油壓力作為額定壓力。常用的滑閥供油壓力為4、6.3、10、21、32MP。最大開口面積，Wxvm表征閥的規(guī)格，有要求的空載流量來確定，Wxvm=Qo/(Cd)確定W、xvm組合的原則