氣壓伺服和氣液連動控制發(fā)展概況綜述

1、氣壓伺服和氣液連動控制發(fā)展概況綜述1氣動技術(shù)應(yīng)用情況及研究和發(fā)展的重要性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)。實(shí)現(xiàn)自動化的技術(shù)手段，在目前主要有兩個(gè)：電氣(電子)控制和流體動力控制。流體動力控制有三類：(1)液壓控制，工作流體主要是礦物油。(2)氣壓控制，工作介質(zhì)主要是壓縮空氣，還有燃?xì)夂驼魵狻?3)射流技術(shù)，工作介質(zhì)有氣體也有液體，該技術(shù)在一些多管道的生產(chǎn)流程中得到應(yīng)用。氣壓伺服控制是以氣體為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞、轉(zhuǎn)換、分配及控制的一門技術(shù)。氣動系統(tǒng)因其節(jié)能、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、高速、高效、工作可靠、壽命長、適應(yīng)溫度范圍廣、工作介質(zhì)具有防燃、防爆、防電

2、磁干擾等一系列的優(yōu)點(diǎn)而得到了迅速的發(fā)展。眾多的報(bào)道表明，氣動技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動和控制的關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展水平和速度直接影響機(jī)電產(chǎn)品的數(shù)量和水平，采用氣動技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國家的重要標(biāo)志。據(jù)資料表明，目前氣動控制裝置在自動化中占有很重要的地位，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，現(xiàn)概括如下：(1)絕大多數(shù)具有管道生產(chǎn)流程的各生產(chǎn)部門往往采用氣壓控制。如：石油加工、氣體加工、化工、肥料、有色金屬冶煉和食品工業(yè)等。(2)在輕工業(yè)中，電氣控制和氣動控制裝置大體相等。在我國已廣泛用于紡織機(jī)械、造紙和制革等輕工業(yè)中。(3)在交通運(yùn)輸中，列車的制動閘、貨物的包裝與裝卸、倉庫管理和車輛門窗的開閉等。(4)在航空工業(yè)中也

3、得到廣泛的應(yīng)用。因電子裝置在沒有冷卻裝置下很難在300500高溫條件下工作，故現(xiàn)代飛機(jī)上大量采用氣動裝置。同時(shí)，火箭和導(dǎo)彈中也廣泛采用氣動裝置。(5)魚雷的自動裝置大多是氣動的，因?yàn)橐詨嚎s空氣作為動力能源，體積小、重量輕，甚至比具有相同能量的電池體積還要小、重量還要輕。(6)在生物工程、醫(yī)療、原子能中也有廣泛的應(yīng)用。(7)在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。從氣動的特點(diǎn)和應(yīng)用情況可知，研究和發(fā)展氣動技術(shù)具有非常重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。氣動技術(shù)在美國、法國、日本、德國等主要工業(yè)國家的發(fā)展和研究非常迅速，我國于七十年代初期才開始重視和組織氣動技術(shù)的研究。無論從產(chǎn)品規(guī)格、種類、數(shù)量、銷售量、應(yīng)用范圍，

4、還是從研究水平、研究人員的數(shù)量上來看，我國與世界主要工業(yè)國家相比都十分落后。為發(fā)展我國的氣動行業(yè)，提高我國的氣動技術(shù)水平，縮短與發(fā)達(dá)國家的差距，開展和加強(qiáng)氣動技術(shù)的研究是很必要的。2電氣伺服控制的發(fā)展概況氣動伺服控制系統(tǒng)按其采用的電氣轉(zhuǎn)換元件的不同可分為電氣比例伺服系統(tǒng)和電氣開關(guān)伺服系統(tǒng)。電氣比例伺服系統(tǒng)模擬信號控制的比例閥或伺服閥作電氣信號轉(zhuǎn)換元件。這類系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)較快，但伺服閥或比例閥造價(jià)昂貴，因而系統(tǒng)成本高，而且對工作環(huán)境要求嚴(yán)。早在1956年，Shearer等人成功地將高壓、高溫氣體作為工作介質(zhì)的氣動伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于航天飛行器及導(dǎo)彈的姿態(tài)和飛行穩(wěn)定控制中。由于空氣壓縮性大、粘度小

5、、剛度低，對于低壓系統(tǒng)很難用古典控制方法和模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)精密伺服控制，因此，氣動伺服控制長期停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段。1979年德國Aachen R.W工業(yè)大學(xué)W.Backe'教授研制出的第一個(gè)氣動伺服閥大大推進(jìn)了氣動伺服控制的發(fā)展。此后，德國、日本、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入大量資金和人力成功地研制了各種規(guī)格的比例閥和伺服閥，以及高性能的氣缸、氣馬達(dá)。隨著高性能的電氣控制元件和執(zhí)行元件的迅速發(fā)展，氣動伺服控制技術(shù)的研究也取得了一定的成果。我國的周洪博士、陳大軍博士對電氣比例/伺服系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行了研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授承擔(dān)國家高技術(shù)“863”計(jì)劃自動化領(lǐng)域智能機(jī)器人主課題中

6、的“電氣伺服系統(tǒng)及其電氣伺服器件的開發(fā)研究”，取得了一定的成果。電氣開關(guān)/伺服系統(tǒng)采用數(shù)字信號控制的開關(guān)閥作電氣信號轉(zhuǎn)換元件。這類系統(tǒng)成本低，對工作環(huán)境要求不高，且易于計(jì)算機(jī)控制；但獲得寬頻帶、高精度比較困難。開關(guān)/伺服控制最早出現(xiàn)在液壓系統(tǒng)中，Burrows最先將開關(guān)/伺服控制用于氣動伺服機(jī)構(gòu)中。八十年代初，T.Eun等人設(shè)計(jì)了一種新的氣動開關(guān)伺服機(jī)構(gòu)，并詳細(xì)研究了該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度。以上的開關(guān)伺服機(jī)構(gòu)都是通過簡單的邏輯判斷來反饋氣缸位置，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)(PTP)控制，而且精度很低。這期間，G.Belforate等人將機(jī)車制動技術(shù)引入氣動機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種帶抱閘實(shí)現(xiàn)氣缸在目標(biāo)位置定位。這種氣

7、動開關(guān)伺服機(jī)構(gòu)受負(fù)載等干擾的影響大，但定位后的剛度大，其定位精度約±0.3mm。后來，日本的花房秀郎、原田正一等人用開關(guān)閥、節(jié)流閥的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)氣缸的分區(qū)控制，獲得±0.4mm的定位精度。意大利的G.Belforate等人也對這種系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他采用的是無密封裝置氣缸和FESTO公司的開關(guān)閥、單向節(jié)流閥及FPC606微處理器等元件。理論上，這種控制能獲得±0.0314mm定位精度，實(shí)際系統(tǒng)受間隙的影響，獲得定位精度約±0.35mm。北京航空航天大學(xué)莫松峰博士用三個(gè)開關(guān)閥組成一個(gè)新的氣動位置開關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡單、方便、成本低且性能

8、好等優(yōu)點(diǎn)。以上的氣動開關(guān)控制系統(tǒng)，盡管采用了位移傳感器，但位移信號只是作為邏輯判斷用，沒有用來調(diào)節(jié)控制信號的大小，其本質(zhì)上仍是開環(huán)控制，或者說是準(zhǔn)閉環(huán)控制。因此，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是成本低、控制簡單；但精度進(jìn)一步提高受到限制。隨著控制指標(biāo)的提高，氣動開關(guān)控制向脈沖調(diào)制的開關(guān)/伺服控制發(fā)展。脈沖調(diào)制方式有脈寬調(diào)制(PWM)、脈沖編碼調(diào)制(PCM)、脈沖數(shù)調(diào)制(PNM)及脈頻調(diào)制(PFM)等。PWM控制原理是用一定周期Ts的脈沖信號驅(qū)動開關(guān)閥(見圖1)，用控制信號控制脈沖寬度DITs(I=1，2，n)，即開關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)間。因此，控制DI的大小宏觀上等價(jià)于控制流過閥的介質(zhì)流量。典型的氣動PWM控制回路如

9、圖2所示。PWM控制最初是美國的Stephen用在伺服閥組成的電液伺服系統(tǒng)。用PWM控制的伺服系統(tǒng)解決了溫漂和卡緊現(xiàn)象，提高了穩(wěn)定性和抗介質(zhì)污染能力，放寬了制造公差；并易于直接與計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。與此同時(shí)，隨著開關(guān)閥的迅速發(fā)展，Goldstein提出用快速開關(guān)電磁閥代替昂貴的伺服閥。最先將PWM開關(guān)伺服控制引入系統(tǒng)的是日本的則次俊郎，他成功地將PWM電氣開關(guān)/伺服系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手中，他獲得的定位精度是±0.06mm。小山紀(jì)等人用二個(gè)開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)廣義PWM控制，獲得±0.02mm的高精度。美國的JingYih Lai等人以五自由度機(jī)器人的手臂為控制對象進(jìn)行了PWM氣動控制

10、理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉慶和教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對氣動PWM控制也進(jìn)行了研究，獲得了±0.09°的氣馬達(dá)轉(zhuǎn)角位置精度。吳沛溶教授也對PWM控制氣動系統(tǒng)作過研究，取得了一定的成績。此外，北京理工大學(xué)的楊樹興、姚曉光對PWM控制系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過研究。脈沖編碼(PCM)控制是把控制信號編為n位二進(jìn)制信號來控制n個(gè)開關(guān)閥的開啟和閉合。這n個(gè)開關(guān)閥的有效截面積(為方便敘述，本文所說的開關(guān)閥有效截面積都是指開關(guān)閥與其串聯(lián)的接節(jié)流閥的綜合節(jié)流面積)之間的關(guān)系為S0：S1：S2：Sn-1=1：2：4：2n-1。N個(gè)閥的開關(guān)狀態(tài)組合數(shù)為2n，即可獲得2n級不同的截面積。以圖

11、1圖3所示的氣動系統(tǒng)來說明PCM控制原理及過程。PCM控制方式非常適合計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制，其控制原理和過程是：在每一個(gè)采樣周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)將控制量的設(shè)定值與檢測到的控制量進(jìn)行比較，按照設(shè)計(jì)的控制規(guī)率，經(jīng)判斷、計(jì)算，發(fā)出一組二進(jìn)制編碼控制n個(gè)開關(guān)閥，得到不同的綜合開口面積，從而控制氣缸的氣體流量，使氣缸按要求運(yùn)動。日本的中村最先將PCM控制技術(shù)用于液壓控制。Hirohisa Tanaka對PCM液壓控制系統(tǒng)也進(jìn)行了研究，提出了用軟件克服因開關(guān)閥的啟閉時(shí)間不同造成流量波動。后來，則次俊郎第一個(gè)將PCM控制技術(shù)用于氣動系統(tǒng)，并成功用PCM方式控制了英國Pendar公司的三自由度機(jī)器人，他獲得的定位精度

12、約±0.25mm。我國對氣動PCM控制的研究是從90年代初開始的，主要的研究人員有哈工大劉慶和教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，山東輕工學(xué)院的寧舒。鄭學(xué)明博士對Fuzzy-PI控制氣動PCM位置系統(tǒng)進(jìn)行了研究獲得了±0.25mm的定位精度。王宣銀博士首次提出變增益PCM控制，并利用自校正，自學(xué)習(xí)控制算法，獲得了±0.18mm的定位精度。3氣液連動的必要性及發(fā)展概況但是，由于氣體的壓縮性大、粘度小、剛度低等因素，導(dǎo)致了氣動運(yùn)動的不平穩(wěn)性以及氣動定位的不準(zhǔn)確性(即定位精度不高)。為了提高其定位精度及運(yùn)動平穩(wěn)性。又充分發(fā)揮氣動的優(yōu)點(diǎn)，故考慮引入不可壓縮性(在低壓下視之)的油作為介質(zhì)，采

13、用氣液連動控制，提高系統(tǒng)的性能。關(guān)于氣液連動，最先應(yīng)用的是氣液阻尼缸，亦稱之為油阻尼缸。它實(shí)際上是一種雙作用雙活塞缸，采用一根活塞桿將兩活塞串聯(lián)在一起。活塞的輸出力是汽缸的推力(或拉力)與油缸阻力之差。油缸裝在氣缸的后面被氣缸帶動，其運(yùn)動速度是靠調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來調(diào)節(jié)的，如圖4所示。此外，還有用到氣液轉(zhuǎn)換器的回路，如圖6所示的單向節(jié)流調(diào)速回路、圖7所示的雙向節(jié)流調(diào)速回路。氣液轉(zhuǎn)換器是將空氣壓轉(zhuǎn)換為油壓(增壓比為1：1)的元件，可作為附件組入氣液回路。使用它可消除一般氣動回路中出現(xiàn)低速運(yùn)動的爬行和不穩(wěn)定現(xiàn)象，并可和各種氣動元件組合使用。氣液轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：(1)規(guī)格多，適應(yīng)性強(qiáng)。例如日本達(dá)柯公司生

14、產(chǎn)的氣液轉(zhuǎn)換器有48種規(guī)格，輸出壓力油的有效容積為4027000cm3，常用工作壓力為0.30.7MPa，只要調(diào)節(jié)氣動減壓閥，就能獲得相應(yīng)的壓力變化。反應(yīng)速度快，能滿足不同用戶的要求；(2)由于工作油溫穩(wěn)定，空氣不會混入油中，效率高，因而能獲得穩(wěn)定的移動；(3)與液壓相比，不需復(fù)雜、龐大的泵站和冷卻系統(tǒng)等，價(jià)格便宜。又因無泵引起的脈動，油溫穩(wěn)定，可用于精密切割，精密穩(wěn)定進(jìn)給；(4)與液壓阻尼缸比較，氣液轉(zhuǎn)換器和油缸分離，可放在任意位置，操作方便，自由度高。另外，還有氣液增壓的輔助回路，如圖5所示。氣液增壓裝置在生產(chǎn)實(shí)踐中，特別是在機(jī)床的液壓夾具中廣泛使用，已為人們所熟知。在實(shí)際工作中有時(shí)要應(yīng)用

15、壓力1MPa以上的氣壓，此時(shí)一般小型空氣壓縮機(jī)已無能力而往往又沒有必要購買一臺高壓空氣的壓縮機(jī)。這一問題往往采用氣液增壓裝置得到解決?？傊瑲鈮簜鲃右话阌糜诳焖賯鬟f，不怕沖擊，速度要求不嚴(yán)的場合；液壓傳動一般用于傳動平穩(wěn)，必須控制調(diào)節(jié)的場合。壓縮空氣為氣液傳動系統(tǒng)的動力源，代替液壓傳動系統(tǒng)動力裝置的油泵推壓油液，推動進(jìn)給缸進(jìn)行切削加工，又可同時(shí)用于其它氣缸的直接傳動。在中低壓的狀況下，油液視為不可壓縮的，使進(jìn)給缸能獲得平穩(wěn)的運(yùn)動。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是油液的過濾和密封要求嚴(yán)格，為補(bǔ)償泄漏要設(shè)置一油杯或補(bǔ)油泵。而且，負(fù)載變化時(shí)，壓力有波動，泵之響應(yīng)性較差，應(yīng)用范圍狹窄，不適用于連續(xù)大量供油的場合或壓力波動要求較嚴(yán)的場