氣動伺服系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

張　健

摘要:本文通過對氣動伺服系統(tǒng)發(fā)展的介紹,主要針對典型的氣動伺服測試系統(tǒng)做了進一步的分析,并詳細(xì)介紹了氣動伺服控制對位置實現(xiàn)精確控制的方法。

關(guān)鍵詞:氣動伺服系統(tǒng) 發(fā)展 應(yīng)用

中圖分類號:TP21文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0134-01

1氣動伺服控制的概念

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)。實現(xiàn)自動化的技術(shù)手段,在目前主要有兩個:電氣(電子)控制和流體動力控制。流體動力控制有三類:一是液壓控制,工作流體主要是礦物油。二是氣壓控制,工作介質(zhì)主要是壓縮空氣,還有燃?xì)夂驼魵狻Ｈ巧淞骷夹g(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、防電磁干擾等一系列的優(yōu)點而得到了迅速的發(fā)展。眾多的報道表明,氣動技術(shù)是實現(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國家的重要標(biāo)志。

2氣動技術(shù)的應(yīng)用情況及研究的必要性

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械、造紙和制革等輕工業(yè)中。

③在交通運輸中,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)中也得到廣泛的應(yīng)用。因電子裝置在沒有冷卻裝置下很難在300℃～500℃高溫條件下工作,故現(xiàn)代飛機上大量采用氣動裝置。同時,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,因為以壓縮空氣作為動力能源,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在機械工業(yè)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。

從氣動的特點和應(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值和實際意義。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,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)達國家的差距,開展和加強氣動技術(shù)的研究是很必要的。

3氣動控制的發(fā)展

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昂貴,因而系統(tǒng)成本高,而且對工作環(huán)境要求嚴(yán)。

伺服氣動系統(tǒng)的引進意味著氣體力學(xué)新的應(yīng)用,這些學(xué)科在不久前,嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動優(yōu)化的機制。一個值得關(guān)注的應(yīng)用是在木材廠的機器上控制壓力輥(見下圖1),該系統(tǒng)由美國俄勒岡州波特蘭市的Pacific Fluid Systems公司制造。

當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時,控制器定位壓力輥,壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料?？刂茐毫佉馕吨谝郧岸x的外型,緊緊地攜帶原木,并不能損壞它們。

當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時,傳感器——控制器——執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合定位壓力輥,壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料。壓力輥的控制是按照以前定義的輪廓,緊緊地攜帶原木,并不能損壞它們。編程前,圓木的位置和力對壓力輥應(yīng)用非常關(guān)鍵,在更高帶寬,比例控制模式下運行,從而使圓木運動到它能減速到最終位置的地方。然后,控制器移動到被控停止位置,并切換力到模式從而承受壓力。

Pacific 公司的工程部經(jīng)理Tom Wells說:“編程前要求的圓木的位置和力對這個應(yīng)用非常關(guān)鍵,它允許我們在更高帶寬,比例控制模式下運行,從而使圓木切換到力模式從而承受適當(dāng)?shù)膲毫?。這極大地降低了設(shè)置時間。”

氣動在這種應(yīng)用的另一個好處是固有的兼容。在表面連續(xù)改變的地方,適應(yīng)偏離比其他技術(shù)更快、更有彈性。新伺服氣動系統(tǒng)相對于舊的‘開關(guān)閥運動更平滑、更精確,這些電子式控制,比例伺服閥在配置氣動系統(tǒng)的應(yīng)用中提供更好的選擇,不太可能直接影響運動的精度。

另一個逐漸增長的創(chuàng)新是使能液壓能力運動控制。這些控制器使用位置和壓力反饋完成閉環(huán)控制。這種雙反饋控制能力允許控制器補償經(jīng)典氣動細(xì)微差別,例如,空氣熱脹冷縮和閥的非線性化。一個主動阻尼方法比以前電-氣動解決方案提供更穩(wěn)定的高性能?？刂破鳜F(xiàn)在能同時處理一到八個軸。Delta的系統(tǒng)包括允許圖形調(diào)節(jié)的控制器中的調(diào)節(jié)向?qū)?見圖2)。

軟件里的調(diào)節(jié)向?qū)箖?yōu)化伺服氣動運動更容易,包括主動阻尼算法的自動調(diào)節(jié)的優(yōu)點。氣動在不要求電子執(zhí)行機構(gòu)的精度的地方性價比非常高。

4結(jié)束語

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”計劃自動化領(lǐng)域智能機器人主課題中的“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。

參考文獻:

[1] 王秋菊.氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究[D].湖南大學(xué),2004.

[2] 張捷,張慧慧.電-氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計與研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000.

[3] 王宣銀.氣動伺服系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2001.

[4] 鮑官軍.氣動柔性驅(qū)動器FPA的特性及其在多指靈巧手設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2006.

[5] 徐曉峰,朱德森.基于DSP的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,2003.

[6] 姜繁生.基于DSP的BDCM位置伺服系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工程大學(xué),2007.