電氣比例閥在液壓夾具中的應(yīng)用研究

肖秦梁，李更生，喬宇，張永健

(西安電力電子技術(shù)研究所，陜西西安710061)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力半導(dǎo)體功率器件在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣［1－6］。特別是特高壓直流輸電換流閥體對(duì)器件的參數(shù)要求又十分嚴(yán)格，而且減少停工檢修期是提高生產(chǎn)力、使生產(chǎn)能力利用系數(shù)最大化的一項(xiàng)重要因素。因而測試技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)與研制顯得至關(guān)重要。器件測試過程中，為了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，工件的定位、支撐、夾緊和夾具的快速松開夾緊，以及操作方便、安全都是非常重要的環(huán)節(jié)，因而大噸位壓力夾具是電力半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)中必不可少的重要支撐環(huán)節(jié)，壓力夾具性能直接關(guān)系到測試的效率和精度。因此電力半導(dǎo)體器件測試過程中的精確定位和裝夾的重復(fù)精度也是改進(jìn)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。

將電氣比例閥應(yīng)用于液壓夾具中，實(shí)現(xiàn)了一種由電氣比例閥控制氣液增壓缸壓力的技術(shù)并基于此技術(shù)研制了一種新型壓力夾具。

1 大噸位壓力夾具的作用及各種實(shí)現(xiàn)方案的對(duì)比

在大功率半導(dǎo)體器件測試過程中，大噸位測試夾具為器件測試提供實(shí)際應(yīng)用的工況，如一定的壓力和溫度、保證器件測試中可靠接觸和導(dǎo)熱。在工程實(shí)踐中，國內(nèi)針對(duì)電力半導(dǎo)體器件測試所用到的大噸位壓力夾具主要可分為以下3種方案，其特點(diǎn)對(duì)比如表1

所示。

表1 大噸位壓力夾具不同方案比較

對(duì)比以上3種方案，發(fā)現(xiàn)前兩種操作效率高，但控制方式復(fù)雜且成本高，第3種方案成本低、控制方式簡單但操作效率低。在分析以上3種方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于電氣比例閥控制壓力的氣液增壓缸型大噸位壓力夾具，通過設(shè)定電信號(hào)來精確控制電氣比例閥的輸出氣壓而后推動(dòng)氣液增壓缸來達(dá)到精確控制夾具壓力的目的。該方案高效環(huán)保，目前國內(nèi)外自動(dòng)夾具技術(shù)的發(fā)展趨向于用這種氣液一體化方式產(chǎn)生大壓力，因此在工程實(shí)踐中具有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。

2 新型基于電氣比例閥的氣液增壓缸夾具原理

2.1 氣液增壓缸的工作原理

氣液增壓缸是由增壓油缸與增壓氣缸組裝成的一個(gè)集合體。使用凈化壓縮空氣作為動(dòng)力源，根據(jù)帕斯卡定律，利用增壓器中大小活塞面積之比，將較低的氣體壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為較高的液體壓強(qiáng)，從而使活塞桿輸出大噸位的壓力。其動(dòng)作原理如圖1所示。

圖1 氣液增壓缸動(dòng)作原理圖

圖1中，A、D通氣，B、C排氣。此時(shí)壓縮空氣作用于增壓活塞表面，使增壓活塞產(chǎn)生位移以擠壓預(yù)壓腔液壓油，使液壓油膨脹，從而使預(yù)壓活塞桿軸端的模具保持高壓力作用于工件。增壓活塞受力分析如下:若D口壓縮空氣壓力為p1，活塞直徑為D1，活塞桿直徑為d1，預(yù)壓活塞直徑為D2，輸出力為F。據(jù)力的平衡原理推得［7］

由以上公式可知，當(dāng)輸入一定壓力的壓縮空氣時(shí)，即使壓力不夠大，但只要增大增壓活塞和預(yù)壓活塞的直徑D1和D2，減小預(yù)壓活塞桿端的直徑d1，就可使增壓缸的輸出壓力F增大數(shù)十倍之多。

2.2 電氣比例閥的技術(shù)原理

電氣比例閥是一種氣壓隨輸入電壓或電流的變化呈線性比例輸出的減壓閥。它屬于線性連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而線性變化。比例控制有開環(huán)控制和閉環(huán)控制之分。當(dāng)系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值偏離希望值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行糾正，使輸出量向著接近希望值的方向變化，從而保持輸出量與輸入量的一定比例關(guān)系。閉環(huán)控制的電氣比例閥動(dòng)作原理如圖2所示［8］。

電氣比例閥的輸出氣壓p1與輸入電流I成線性比例關(guān)系。其公式為

式中:K1為比例因子。

圖2 電氣比例閥閉環(huán)控制框圖

2.3 電氣比例閥對(duì)壓力的控制

根據(jù)氣液增壓缸和電氣比例閥的特點(diǎn)，提出將氣液增壓缸作為自動(dòng)壓力夾具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用電氣比例閥進(jìn)行氣壓的精確控制，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)夾具工作壓力的精確控制。整臺(tái)機(jī)構(gòu)的壓力控制原理框圖如圖3所示。

圖3 夾具壓力控制原理框圖

由圖3可知，若設(shè)定電壓信號(hào)為Vi，信號(hào)放大輸出為Vo。則有如下關(guān)系式

壓控恒流源輸出電流為I，則有如下關(guān)系式

由式 (1)— (4)可得缸體的輸出力

其中:K2、K3為各級(jí)比例因子。由式 (5)可知，缸體的輸出力F與壓力設(shè)定Vi成線性比例關(guān)系。

由圖3可看到，當(dāng)壓力設(shè)定后，由精度可達(dá)0.1%的電氣比例閥線性控制壓縮空氣的壓力，從而為氣缸提供高精度的動(dòng)力源。由電磁閥1控制氣液增壓缸工作于預(yù)壓行程，使氣缸執(zhí)行高速上升動(dòng)作，從而提高夾具工作效率;由電磁閥2控制氣液增壓缸工作于增壓行程，使夾具最終達(dá)到工作壓力。隨著夾頭上升，壓力不斷接近設(shè)定壓力，管道里的氣壓逼近于設(shè)定氣壓，直到氣壓達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)壓力值穩(wěn)定。由于氣動(dòng)控制是一個(gè)柔性系統(tǒng)，夾頭上升速度根據(jù)需要可在高速和低速間切換，從而有效避免了對(duì)被測器件的過壓和沖擊。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

測試精度是此方案重點(diǎn)考核的一個(gè)指標(biāo)。為此搭建了試驗(yàn)機(jī)架、邏輯電路和氣路。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試并運(yùn)行正常后，經(jīng)檢驗(yàn)得到一組實(shí)際壓力值和顯示壓力值數(shù)據(jù)，如表2所示。將這組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖4所示。

表2 顯示壓力值和實(shí)際壓力值及誤差表

圖4 顯示壓力和實(shí)際壓力曲線

由表2和圖4可以看出:在所測試的30～150 kN壓力范圍內(nèi)，該夾具系統(tǒng)測試精確度較高，完全能滿足工程需要。目前此技術(shù)已應(yīng)用于特高壓器件的測試，使用效果良好。

4 結(jié)論

作為特高壓大功率晶閘管制造的重要支撐條件和基本保證手段，測試系統(tǒng)及大噸位測試夾具對(duì)晶閘管性能測試至關(guān)重要。設(shè)計(jì)了一種基于電氣比例閥控制壓力的氣液增壓缸型大噸位壓力夾具，通過設(shè)定電信號(hào)來精確控制電氣比例閥的輸出氣壓而后推動(dòng)氣液增壓缸來達(dá)到精確控制夾具壓力。通過對(duì)壓力系統(tǒng)的實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明用文中方法實(shí)現(xiàn)壓力控制在相當(dāng)大的范圍內(nèi)具有良好的控制精度和線性度?？梢灶A(yù)計(jì)未來大噸位自動(dòng)壓力夾具技術(shù)的發(fā)展傾向于這種電、氣、液一體化的方向，該技術(shù)具有相當(dāng)好的應(yīng)用前景。

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