電氣比例閥在邦定機壓力控制系統(tǒng)下的特性分析

張 鵬，劉建功

(中電科風華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024)

氣動技術作為當今工業(yè)設備的一種主流動力源，是以壓縮空氣作為工作介質，進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術。相較于傳統(tǒng)的機械齒輪傳動技術，氣動技術在布局簡潔以及操控準確方面帶來了機械傳動不可比擬的優(yōu)勢，以空氣為介質，比液壓介質取材更為便捷，如若能設計回氣通道則基本不會造成環(huán)境污染。也因為在易燃、易爆、多塵、輻射、強磁、振動、沖擊等惡劣的工作環(huán)境中適應性強，氣壓傳動的工作環(huán)境安全可靠，在各行各業(yè)的專用裝備得到了更加廣泛的應用。但是在當前市場需求尤其是一些精密行業(yè)的設備中，普通的氣動技術已經(jīng)無法滿足像邦定生產(chǎn)線在LCD搬運、定位、夾緊、壓接等工序中的精度要求，這樣更高精度的氣動技術就顯得尤為重要，電氣比例閥的出現(xiàn)也就應運而生。

1 機構原理

電氣比例閥是一種通過持續(xù)性、無級調(diào)節(jié)性去改變閥體中電磁信號強弱從而精確控制輸出壓力的調(diào)節(jié)電磁閥，一般的電氣比例閥主要包括電子控制器、進氣控制電磁閥、排氣控制電磁閥、壓力傳感器、排氣閥芯以及主閥幾個主要元器件構成。根據(jù)程序控制或遠程控制設定的壓力對比實際輸出的壓力值去改變電子控制器采集的信息進行自動補償，控制閥口開關方向、開口量來實現(xiàn)一系列持續(xù)可控的動作完成調(diào)節(jié)。

我們以邦定機為例系統(tǒng)地分析電氣比例閥所能展現(xiàn)的特性，邦定機是一種用于將TCP或FPC（柔性電路板）與ITO玻璃之間建立穩(wěn)定的機械和電氣連接的生產(chǎn)設備。生產(chǎn)工藝是通過與ACF膠粘合，并在一定的溫度、壓力和時間下熱壓而實現(xiàn)液晶玻璃與柔性線路板機械連接和電氣導通的一種加工方式。為了達到邦定機壓力輸出連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)控，并且得到精準的壓力控制精度。我們選用ITV0030先導式壓力型電氣比例閥進行分析。電氣比例閥結構如圖1所示。

圖1 電氣比例閥結構圖

如圖1所示，當電子控制器增大電流，進氣控制閥處于開啟狀態(tài)，對應的排氣控制閥處于關閉狀態(tài)，則氣體從SUP進氣口通入閥體進入先導控制區(qū)，推動膜片向下運動，帶動主閥開啟，排氣閥芯關閉，此時電磁閥內(nèi)氣壓增大產(chǎn)生輸出氣壓。此時輸出的氣壓通過聯(lián)通在輸出OUT口的壓力傳感器產(chǎn)生壓力信號反饋至電子控制器。在這里與目標設定值進行快速校準修正，當電磁比例閥輸入的信號大于閥體內(nèi)的氣壓時，氣壓持續(xù)向上升；如若小于閥體內(nèi)氣壓時進氣控制閥處于關閉狀態(tài)，排氣控制閥換向處于開啟狀態(tài)，進入到先導控制區(qū)的氣壓減小使膜片上升，連動主閥關閉，排氣閥芯開啟，EXH排氣口開始排氣，OUT輸出口始終與壓力傳感器進行信號傳遞，從而得到輸出壓力與輸入信號成比例的變換完成運行周期。

2 控制部分

邦定機壓力控制系統(tǒng)由電氣比例閥、壓頭輸出氣缸、橫河模擬量模塊以及觸摸屏組成。壓力部件的電路控制以及氣路輸出如圖2所示。工作原理：從觸摸屏上設置壓頭輸出氣缸的工作壓力，通過PLC運算并轉變?yōu)槟M輸出模塊所需要的量化數(shù)字，經(jīng)由模擬輸出模塊輸出相應的電壓值至電氣比例閥，電氣比例閥通過輸出氣壓經(jīng)過閥體中的壓力傳感器檢測后達到設置壓力數(shù)值，即完成一個完整的調(diào)壓工作流程。

圖2 邦定機壓力控制原理圖

3 技術指標

在整個壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，壓力的精度不僅取決于電氣比例閥調(diào)節(jié)的精度，所選擇氣缸活塞桿的摩擦阻力特性對其影響也很重要。標準氣缸缸體在運動過程中摩擦阻力會隨著工作環(huán)境、運動速度等因素而變化，對實現(xiàn)平穩(wěn)壓力控制造成的難度較大。所以實驗過程中我們選擇低速、恒摩擦阻力的氣缸，壓頭輸出氣缸選用缸徑20 mm，活塞桿直徑8 mm的氣缸驅動，氣體壓力的作用面積為628 mm2。

系統(tǒng)所需求的壓力控制范圍為10～200 N時，壓力控制系統(tǒng)可滿足的最大氣壓為：

并且氣壓的精準控制可以滿足參數(shù)以及精度的需求，故選用控制精度較高的先導式壓力型電氣比例閥，同時必須滿足不小于系統(tǒng)控制的最大氣壓0.32 MPa，選用型號為ITV0030-2BS的電氣比例閥，設定壓力范圍0.001～0.5 MPa，最高供給壓力為1.0 MPa，輸入信號電壓0～10 V，內(nèi)部裝有壓力檢測傳感器輸出信號為1～5 V。對應選用松下模擬量輸出模塊FP2-DA4，選擇輸出電壓-10～+10 V。

4 閉環(huán)特性仿真測試

結合邦定機壓力控制系統(tǒng)，通過輸出氣缸進行壓力反饋，采用ITV0030-2BS電氣比例閥對設定壓力和反饋壓力的偏差信號進行修正。設定氣源輸入壓力為0.5 MPa。壓力設定值的不同在閉環(huán)特性中與相應的響應時間進行對比，如圖3所示。

圖3 不同設定值的閉環(huán)響應

通過邦定機壓力控制系統(tǒng)的仿真結果可以看出，系統(tǒng)終端氣缸輸出壓力都可以快速平穩(wěn)的達到不同的設定壓力值，穩(wěn)態(tài)誤差較小，同時證明了電氣比例閥對邦定機壓力輸出的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。

保持其他參數(shù)不變，設定終端氣缸輸出壓力為0.2 MPa，分別接入總氣源壓力為0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa檢測氣源壓力對電氣比例閥修正穩(wěn)態(tài)性的影響，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)氣源總壓力在0.5MPa上下有明顯的響應滯后，但是當大于0.5 MPa后響應時間幾乎沒有變化，且可以發(fā)現(xiàn)氣源壓力的高低偏差對終端氣缸出口壓力的穩(wěn)態(tài)值基本沒有影響，也證明了電氣比例閥修正速度以及時效的可靠性。

圖4 不同氣源壓力對閥體的修正速度影響

5 結 論

本文介紹了先導式電氣比例閥整體結構和工作原理，并結合邦定機壓力控制系統(tǒng)通過分析對輸出終端氣缸缸徑以及工作面積進行匹配，選取了不小于系統(tǒng)控制最大壓力0.32 MPa型號為ITV0030-2BS的電氣比例閥進行特性分析。在建立以邦定機為基礎的壓力控制系統(tǒng)模型的基礎上，基于實驗數(shù)據(jù)得出，通過電氣比例閥的介入，可以讓邦定機的壓力控制系統(tǒng)得到更為穩(wěn)定更加時效的終端壓力，在保證精度的同時增加其穩(wěn)定性。

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