（机械电子工程专业论文）新型转板式气动数字阀的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 新型转板式气动数字阀的研究 摘要 随着数字化控制技术的快速发展，直接数字化控制是目前研究较多的一种针对数字 伺服阀控压力系统的控制方法。 本文针对现有的数字伺服阀存在的一些不足，在原有数字阀的基础上改进设计出了 一种新型转板式气动数字阀，该数字阀结构简单，抗污染能力强，成本低，能连续控制， 能够满足新型气动柔性驱动器f p a 及其应用研究的需要，并且能够普遍地应用在工业用气 压控制系统中 本文的主要工作和成果如下： 1 、针对目前数字阀体积偏大的，加工困难的问题，采用了全新的阀体设计，减小了 阀体体积，降低了加工要求。 2 、针对目前数字阀依赖外界控制的弊端，设计了新的阀用电路，集成了测量、通讯、 控制等功能。 3 、针对目前气动监控系统不易增减控制元件的弱点，提出了基于c a n 总线的即插即 用技术，并在该气动数字阀上得以实现。 4 、对这一种新型的转板式数字阀，进行了实验，进一步分析了其优势与不足。 5 、通过对新型转板式气动数字阀设计研究，有利于推进伺服系统的研究和数字化元 件的优化设计。 关键词：转板，气动数字阀，特性，c a n ，l a b v i e w 浙江工业大学硕士学位论文 r e s a r c ho nt h en e wp n e lm p 汀i cd i g i t a lv a i e w i t hr o t a t i n gp l a t e a b s t r a c t a l o n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , d i r e c td i g i t a l c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e np o p u l a rs t u d i e do nc o n t r o lo ft h ed i g i t a l s e r v ov a l v e p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m an e wt y p eo fp n e u m a t i cd i g i t a lv a l v ew i t hr o t a t i n gp l a t eh a sb e e nd e s i g n e d b a s e do nt h eo r i g i n a ld i g i t a lv a l v e ，i no r d e rt oc o n q u e rm a n ys h o r t c o m i n go ft h e p r e s e n td i g i t a l s e r v e v a l v e t h en e wv a l v eh a ss i m p l e s t r u c t u r e ，p o w e r f u l a n t i - p o l l u t i o n ，l o wc o s ta n dc a nb ec o n t i n u o u sc o n t r o l l e d t h i sv a l v ew i l la b l et o m e e tt h ed e m a n do fs t u d yt h ef l e x i b l ep n 匣i ，m a t i ca c t u a ：r o rf p a ，a n d c a ng e n e r a l l yb ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lp n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gm a i n p u r s u i t 1 a r m i n ga tt h ep r e s e n tp r o b l e m so ft h eb i gv o l u m ea n dd i f f i c u l tm e c h a n i c a l t r e a t m e n t ，t h en e wd e s i g nw a sa d o p t i tm a k et h ev o l u m eo fv a l v es m a l l e ra n dt h e m e c h a n i c a lt r e a t m e n te a s i e r 2 n en e wc i r c u i tw a f e rh a sb e e nd e s i g n e d i th a sm a n yf u n c t i o n si n c l u d e s u r v e y , c o m m u n i c a t i o n sa n dc o n t r 0 1 3 t h ed e v i c e sb a s e do nc a nb u sc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fp l u ga n dp l a y o nt h ev a l v e 4 t h ee x p e r i m e n t so ft h en e wv a l v ew e r ec a r r i e do u tf o ri t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s 5 f r o mt h er e s e a r c ho ft h en e wv a l v e ，t h e s ew i l lb eh e l p f u lf o rt h ef u r t h e r i i 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo fs e r v es y s t e ma n dt h eo p t i m i z e dd e s i g no fd i g i t a lc o m p o n e n t s k 呵w o r d s ：t h ep n e u m a t i cd i g i t a lv a l v e ，r o t a t i n gp l a t e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，c a nb u s ，l a b v i e w i 一 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：烤多磊 日期：枷7 年岁，月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打v ) 日期：细节年5 _ 月7 日 日期：沁呻年5 _ 月叼日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1气动控制技术及气动控制元件发展概述 1 1 1 气动控制技术概述 人类对流体的控制和利用几乎与其文明的发展具有同样长的历史。早在文明初期人类 已经懂得利用各种水闸来控制水流，达到排涝和灌溉的目的。能量转换、动力传动以及 运动控制依然是2 1 世纪全球经济重要组成部分，流体传动与控制技术也依然是其中极为 重要和积极的角色心1 。 早在两千多年前，人们就开始利用空气的能量完成各种工作。而在近代，车辆的制动 装置、采煤用的风钻等都用了气动装置。从1 8 世纪的产业革命开始，气动技术逐渐被应 用于各类生产行业中b 1 。1 7 7 6 年，第一台能产生l a t m 的空气压缩机问世，1 8 2 9 年出现了 多级空气压缩机，为气动技术的发展创造了条件。1 8 7 1 年风镐开始用于采矿。1 8 8 0 年人 类第一次使用气缸，并成功用于铁路车辆的制动。进入2 0 世纪以来，气动机具和控制系 统得到广泛的应用。1 9 3 0 年出现了低压气动调节器。5 0 年代研制成功的高压气动伺服机 构。6 0 年代发明射流和气动逻辑元件，进入7 0 年代，随着工业机械化和自动化的发展， 气动技术得到了充分的发展，广泛地应用在生产自动化的各个领域，逐步形成了具有完整 体系的现代气动技术。 在目前，生产传动和自动控制技术的主要方有：机械方式、电气方式、电子方式、液 压方式和气动方式。气动技术就是其中一种传动与控制技术h 1 。与其它技术相比，气动技 术有着诸多优点，诸如工作介质提取方便快捷，其使用过程清洁无污染；机器结构简单， 轻便，易于安装；工作压力等级相对较低，安全性高：气体的粘度小，管道阻力损失小， 便于集中供气与中距离输送；气压传动对工况要求低，在易燃、易爆、强辐射等恶劣工作 环境下，能够可靠地工作。于此同时，气动技术存在着也有某些弱势，例如噪音大，气体 的压缩性大，使速度控制和定位精度不高；驱动力不大，仅适用于中、轻负载；能量利用 效率偏低等。但近年来，在计算集成制造( c i m ) 的大趋势引导下，气动装置的性能正得 到不断地提高，更多地被用于控制复杂动作的清洁机器，以及生物工程等领域中1 。 气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号传递，实现生产过程自动化的一门 浙江工业大学硕士学位论文 流体技术n 们。它包含气压传动和气动控制两方面内容。气动控制系统一般由气源、气动执 行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气源由空压机提供。气动执行元件则把气源提供的 压缩空气转换成机械能，驱动工作部件，比如气缸、气动马达等。气动控制阀用来调节气 流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气动辅件包 括净化空气用的分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，管子联接件等。为提高气动控 制的精度，还可在系统执行末端增加传感设备，用来实时检测执行端输出情况，使整个系 统构成闭环控制。 气动技术的应用范围大，广泛应用于各个领域d ，不仅用于生产、工程自动化和机械化 中，还渗透到医疗保健和日常生活中。气动系统具有防火、防爆等特点，可应用于矿山、石 油、天然气、煤气等设备。还因其耐高温，适用于火力发电设备、焊接夹紧装置等。同时， 它容易净化，可用于半导体制造、纯水处理、医药、香烟制造等设备。气动系统的高速工 作性能，在冲床、压机、压铸机械、注塑机等设备中得到了广泛的应用，还用于工件的装配 生产线、包装机械、印刷机械、工程机械、木工机械和金属切削机床和纺织设备等。 1 1 2 气动控制阀的发展概述 气动控制阀的是气动控制技术中重要的机械基础，气动技术的发展离不开气动阀的发 展。在传统的气动控制系统中，通常采用换向阀改变气流的方向，节流阀调节流量，调压 阀调节压力，这些元件都是使用机械方式调定，无法适应高精度的伺服定位系统的要求u 别。 5 0 年代以来微电子技术的飞速发展，计算机渗入工业生产的各个领域，人们也在气动 系统中引入计算机参与控制n 司。计算机接收及发出的信号一般是离散型数字式的，伺服元 件及比例控制元件在与计算机相联时一般要经过数字化，即需要经过a d 或d a 转换，而 不能直接相连，正由于伺服、比例元件具有上述缺点，人们自然想到种能够直接接受数 字信号的电液控制元件。此外在应用数字元件的过程中，人们还发现它还具有可靠性高， 抗干扰能力强及对放大器输出信号要求不高等特点，因而其发展受到人们广泛的重视。 由于气动技术越来越多地应用于各行业的自动装配和自动力i i d 件、特殊物品的设备 上，因此近年来各国都在不遗余力地发展和完善新的控制元件，原有传统的气动元件由于 结构落后、体积大、可靠性差等原因逐渐被新出现的气动元件所替代n “引。这些新型气动 元件的陆续开发，使得气动元件的品种日益增加，其发展趋势主要有以下几个方面： 1 ) 小型化、集成化、组合化。气动元件有些使用场合，如在制鞋、电阻、电容制造 和线路板检测等装置，有限的空间要求气动元件的外形尺寸尽量小，小型化是主要发展趋 2 浙江工业大学硕士学位论文 势。据调查，小型化元件的需求量，大约每5 年增加一倍。气阀的集成化不仅仅将几只阀 合装，还包含了传感器、可编程序控制器等功能。集成化的目的不单是节省空间，还有利 于安装、维修和提高可靠性。 2 ) 精密化、高速化。为了提高生产率，自动化的节拍正在加快，高速化是必然趋势。 目前，气缸的活塞速度范围为5 0 7 5 0 m m s 。在目前市场需求下，要求气缸的活塞速度提 高到5 m s ，最高达1 0 m s 。据调查，五年后，速度2 5 m s 的气缸需求量将增加2 5 倍， 5 m s 以上的气缸需求量将增加3 倍。与此相应，阀的响应速度将加快，要求由现在的1 1 0 0 秒级提高到1 1 0 0 0 秒级。 3 ) 高寿命、高可靠性和自诊断功能。随着机械装置的多功能化，接线数量越来越多， 不仅增加了安装、维修的工作量，也容易出现故障，影响工作可靠性。而气动元件大多用 于自动生产线上，元件的故障往往会影响全线的运行，生产线的突然停止，造成的损失严 重，为此，对气动元件的工程可靠性提出了更高的要求。美国有一种间隙密封的阀，由于 阀芯悬浮在阀体内，相互不接触，在无需润滑下，寿命高达2 亿次。 4 ) 节能、低功耗、机电一体化。气动元件的低功耗不仅仅为了节能，更主要的是能与 微电子技术相结合。功耗0 5 w 的电磁阀早已商品化，0 4 w 、0 3 w 的气阀也已开发，可由 p c 直接控制。在今后相当长的时期内开发各种形式的比例控制阀和电气比例伺服系统， 并且使其性能好、工作可靠、价格便宜是气动技术发展的一个重大课题。 5 ) 应用新技术、新工艺、新材料。在产品开发和制造中，能否善于应用新技术、新工 艺、新材料是体现企业技术素质的一个重要方面。型材挤压、铸件浸渗和模块拼装等技术 十多年前在国内已广泛应用：压铸新技术( 液压抽芯、真空压铸等) 、去毛刺新工艺( 爆炸法、 电解法等) 目前已在国内逐步推广：压电技术、总线技术，新型软磁材料、透析滤膜等正在 被应用：超精加工、纳米技术也将被移植。 我国的气动工业虽然达到了一定规模与技术水平，但是与国际先进水平相比，差距甚 大。我国气动产品产值只占世界总产值的1 3 ，仅为美国的1 2 1 ，日本的1 1 5 ，德国的 i 8 。这与1 0 多亿人口的大国很不相称。从品种上看，日本一家公司有6 5 0 0 个品种，我 国只有它的1 5 。产品性能和质量水平的差距也很大。 但是国产的气动元件的发展经历着联合设计、技术引进和自主开发三个阶段。近几年 根据市场需要，开发了许多新产品。其中有些新产品正在向高新技术发展，例如高频电磁 阀，工作频率为1 0 3 0 h z ，最高可达4 0 h z ，耐久性3 亿次，接近国际水平。 在国家扩大对外开放方针的指引下，各行业加速吸引外资，同时引进各种自动化程度 3 浙江工业大学硕士学位论文 较高的生产设备，进一步促进了国内气动市场的开拓。外资企业的增多带来了行业结构的 重大调整。近几年新开发的气动元件产品大都具有较高水平，2 0 0 3 年国产气动元件首次到 参展国际展览会，得到了国外厂商的好评。 1 1 3 当前气动控制阀的分类 气动控制阀是指在气动系统中控制气流的压力、流量和流动方向，保证气动执行元件 或机构按规定程序正常工作的各类气动元件。气动控制阀用来控制压缩气体的压力、流量、 流动方向和执行元件的工作程序。 目前在市场上流通的气动控制阀，一般分类如下所示。 气动控制阀 断续控制 压力控制阀 流量控制阀 方向控制阀 逻辑控制元件 制 黧 1 ) 压力控制阀 压力控制阀是用来调节和控制压力大小的气动元件。根据其功能的不同可以分为减压 阀、安全阀、顺序阀、增压阀及多功能组合阀等。 减压阀用于保持气动装置的供气压力；安全阀用于限制回路中最高气压；顺序阀用于 控制气动回路中各元件的通气顺序；增压阀可以使输出压力高于输入压力。 2 ) 流量控制阀 流量控制阀故名意义，就是对压缩空气的流量进行控制。一般情况下有两类方法，一 类是不可调的流量控制，也可称为固定的局部阻力装置，如毛细管、孔板等；另一种是可 调的流量控制，也可称为可调节的局部阻力装置，如节流阀、喷嘴挡板机构等。 3 ) 方向控制阀 方向控制阀是指能改变气体流动方向或通断的控制阀。通过对方向控制阀的操作，以 满足执行器启动、停止及运动方向的变换等工作要求。 方向阀控制阀的品种规格相当多，分法也不尽相同。一般来说，按阀内气体的作用方 向可以分为单向型及换向型方向阀；按阀芯结构分，有截止式、滑阀式方向阀；按操纵控 浙江工业大学硕士学位论文 制方式可以分为人为控制、机械控制、气压控制及电磁控制方向阀。 4 ) 气动比例阀 气动比例阀按控制参量的不同可以分为压力比例控制阀和流量比例控制阀。前者是输 出压力随输入电信号( 电流或电压) 的变化而成比例变化，后者是输出流量随输入电信号 变化而成比例变化。但其都有一个共同的特点，旅游活动是具有补偿功能，其压力或流量 可不受负载变化的影响。 气动比例阀通常由电气机械转换器和气动放大器两部分组成。电气机械转换 器通常是电磁铁( 输出位移) 、力马达( 输出位移) 或力矩马达( 输出转角) 等。而气动 放大器可以是滑阀、截止阀。 5 ) 气动伺服阀 气动伺服阀也是一种输入量与输入信号成比例的气动控制阀，它可以按给定的输入信 号连续成比例地控制气流的压力、流量和方向等。与气动比例阀相比，除了在结构上有差 异外，气动伺服阀独有的带有负反馈的控制系统。下图为典型的电气气动伺服系统组 成方块图。 图i - i电气气动伺服系统组成 6 ) 阀岛 从严格意义上来说，阀岛并不是一种气动控制阀，但在气动控制阀的发展过程中，阀 岛占具重要的地位。它是新一代的电气一体化控制元器件，是集气动电磁阀、通讯( 具有 多种接口及符合多种总线协议) 、电控输入输出部件( 具有传感器输入接口及电输出、模 拟量输入输出接口、控制网络接口) 的整套系统控制单元。采用阀岛技术后，可大大节省 电磁阀等元器件，简化气路，简化了接口，并且和现场总线技术相结合，使两者的技术优 势得到充分发挥，具有广泛的应用前景。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 电气数字控制技术 1 2 1 电气数字控制技术的发展 计算机技术的发展正改变着人们的日常生活和生产方式，电液控制技术在过去的二、 三十年间悄悄经历了一场由模拟控制方式向数字控制方式的转变。电气数字控制的实现方 法一般有两种：间接数字控制技术和直接数字控制技术n 1 钉。 1 、电气间接控制技术 目前国内外液压与气动数字控制流行的方法是采用传统的比例阀或伺服阀等模拟信 号控制元件构成的系统，一般通过d a 接口实现数字控制。这是一种间接数字控制方法， 这种方法存在的缺点n _ 】： 1 ) 由于控制器中存在着模拟电路，易于产生温漂和零漂，这不仅使得系统易受温度变 化的影响；同时，也使得控制器对阀本身的非线性因素的如死区、滞环等难以实现彻底补 偿。 2 ) 增加了d a 接口电路。计算机技术在流体传动控制系统中日益广泛的运用要求电液 ( 气) 控制元件实现数字化以便同计算机实现方便、快捷的连接。现有的伺服阀或比例阀， 由电流或电压的模拟信号控制，无法同计算机直接相连，而必需通过专用的计算机接口 ( 如a d 转换器等) 电路。为此人们也试图采用新的电一机械接口元件，以构成可以直接接 受计算机输出的数字信号的控制数字控制元件n 引。 3 、用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁滞现象，导致 阀的外控特性表现出2 - 8 的滞环，控制特性较差。采用阀芯位置检测和反馈等闭环控制 的方法可以基本消除比例阀的滞环，但却使阀的造价大大增加。 4 ) 由于结构特点所决定，比例电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构成，在高频 信号作用下，由铁损而引起的温升较为严重。 2 、电气直接控制技术 电气直接控制技术主要有两种方法。 其一是对高速开关阀的p w m ( 脉宽调制) 控制n9 2 仉2 。通过控制开关元件的通断时间比， 以获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。在流体动力系 统中，这种控制方式的控制信号是开关量，因而本质上是直接数字控制。该思想源于电机 的p w m 控制，流体动力的p w m 控制最早开始于5 0 年代末对电液伺服阀的开关特性的研究。 1 9 5 9 年，首次报道了m u r t a u g h 在p v l q v l 技术上的研究。从那时起特别是自8 0 年代以后， 人们对电液( 气) 控制系统p w m 控制的性能提高及工程实际应用做了大量的工作。如：t s a i 6 浙江工业大学硕士学位论文 a n du k r a i n e t z ( 19 7 9 ) ，e l - i b i a r y , u k r a i n e t za n dn i k i f o r u k ( 19 7 8 ) ：t a i ta n dh a m e d ( 19 8 0 ) ，l e e a n dw o r m a l e y ( 19 8 0 ) ，t a f t , h e r r i c k a n da n db u k r k e ( 19 8 1 ) ，u s m a na n dp a r k e r ( 19 8 4 ) ，a n d t a n a k a ( 1 9 8 6 ) 等。该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。但是存在以 下缺点： 1 ) 由于高速开关阀的p w m 控制最终表现为一种机械信号的调制，易于诱发管路中压力 脉冲和冲击，从而影响元件自身和系统的寿面及工作的可靠性。 2 ) 元件的输入与输出之间没有严格的比例关系，一般不能用于开环控制。 3 ) 控制特性受机械调制频率不易提高的限制。 其二是利用数字执行元件步进电机加适当的旋转一直线运动转换机构驱动阀芯实现 直接数字控制2 钳。由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作，因而常称为步进式数 字阀或离散式比例阀。1 9 8 5 年，r a m c h a n d r a n 等发明了利用步进电机驱动的带机械反馈的 二阶数字阀；阮健教授等在1 9 8 9 - 1 9 9 6 年期间利用阀芯的双运动自由度发明了流量一压力 控制的复合型数字阀；l - i e n k e 在1 9 8 9 年的研究表明：通过合理的设计，用步进电机驱动的 离散式比例阀具有重复精度高及无滞环的优点；然而，步进式数字阀是通过阀芯的步进运 动将输入的信号量化为相应的步数( 脉冲数) ，因而存在着量化误差，通过增加阀的工作 步数可以减少量化误差，但却使阀的响应速度大大降低。 1 2 2 数字阀的研究现状 用数字信号直接控制的阀，称为数字控制阀，简称数字阀。在计算机技术日益得到广 泛应用的情况下，用计算机对电液控制系统进行实时控制是今后液压技术发展的重要趋向 【舶，2 5 】 o 数字阀可直接与计算机连接，不需要d a 转换器。它与比例阀或伺服阀相比，具有结 构简单、工艺性好、价格低廉、抗干扰及抗污染能力强、重复性好、工作稳定可靠、功率 小等优点。因此数字阀的研究正在受到国内外液压、气动界的广泛关注，他们正相继开展 这方面的研究。在国内有些数字阀己成为系列产品投入生产。在微机实时控制的电( 气) 液 系统中，数字阀可部分取代比例阀或伺服阀工作。 随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，流体控制元件的数字化成为一种必然 趋势。国内外同类产品研究也十分广泛，但是大都研究的直动式数字阀结构比较复杂。目 前国内为流行数字阀都是大多采用比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件组成，一般通过 d a 接口间接实现数字控制。但这神方法存在如温漂零漂，磁滞，高频信号下由铁损而引 7 浙江工业大学硕士学位论文 起温升严重等缺点。为解决比例阀所固有的缺点如由磁滞及摩擦力所引起的非线性，通常 采用阀芯位置检测和反馈等闭环控制方法，虽然可以基本消除比例阀非线性，但使阀的造 价大大增加。 除了上述的比例阀外，有些研究机构也采用了步进电机作为驱动机构，由于步进电机 的独特的工作方式，使得它不能很好的控制阀芯的开度，因此往往需要对步进电机进行细 分，但是进行细分的代价就是降低系统的响应速度。采用的是步进电机连续跟踪控制算法 可以解决传统的步进式数字阀所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾乜删。 1 3 本课题研究的背景、主要内容及意义 1 3 1 本课题的研究背景 机器人技术的不断发展要求某些特种机器人( 例如服务机器人) 不仅具有精度高、反应 快等特点，而且在与人做近距离的交互及抓取操作时还要具有良好的柔顺性。基于机器人 这一发展方向，本课题组前几届毕业生的毕业论文对气动柔性驱动器在机器人手指关节的 应用，进行了较为深入的研究，例如气动柔性关节手指，五自由度气动手指等。在这些研 究的过程中，都使用了例如压力控制阀、流量控制阀等等各种气动控制元件，通过对高压 气体的控制来驱动各个装置，以完成不同的运动动作。 在这些气动控制元件中，有相当一部分是电气比例阀。与其它气动控制元件相比，电 气比例阀的控制属于连续控制，其特点是输出量随输入量的变化而变化，输出量与输入量 之存在着一定的比例关系。但其输出功率不大，动态性能不高，对工作环境有一定的要求。 同时，不菲的价格也是制约其推广大的一个重要原因。 本课题针对以往使用的气动控制阀所存在的一些不足之处，全新设计一种转板式气动 数字阀，其结构小巧，使用方便，加工要求不高，并能方便、精确地实现对气体压力或流 量的控制。 本课题的研究得到国家8 6 3 计划项目“温室环境下果实信息感知与黄瓜收获机器人关 键技术研究”( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 2 2 ) 、国家自然科学基金项目“基于气动柔性驱动器f p a 的气动 柔性灵巧手研究”( 5 0 5 7 5 2 0 6 ) 的资助。 1 3 2 本论文选题意义 气压传动以其洁净、小型轻量化、集成化等突出优点，作为易于推广、普及的机电一 体化技术的代表，广泛应用于机械、化工、电子电器、医药食品等各个现代制造领域。 8 浙江工业大学硕士学位论文 本实验室设计的气动柔性驱动器正是基于气动技术，采用特制的橡胶管作为运动执行元件， 以规律可控的高压气体作为驱动力来实现规律可控的运动动作。要实现对气动柔性驱动器 进行高精度的运动控制，必须实现对高压气体压力及流量进行高精度的控制，而实现这个 目标的前提是要具备有高精度的气动控制元件。过去一直采用比例阀、电磁阀等作为输入 输出的控制元件。一方面，其结构复杂，价格昂贵，对工作环境及配套设备要求高：另一 方面，以上这些阀都需要有专属的控制器来控制，无法实现集中控制。因此，研制新型气 动数字阀来作为高精度气动实验中的气动控制元件显得尤为重要。 本课题设计的新型转板式气动数字阀，采用先进的c a n 总线为通讯方式，通过控制小 型步迸电机的运动，实现对高压气体的输入输出进行规律控制的目的，尤其是对于系统有 小量或微小量泄漏时，可以自动补偿，以维持系统压力。该数字阀结构简单，紧凑，制造 成本低。对工作环境及配套设备要求低，操作简单、方便，易于扩展。 1 3 3 本课题研究的主要内容 本课题以转板式气动数字阀为研究对象，主要研究该阀的设计、制作、压力特性、流 量特性及其控制系统的设计，实现为气动柔性驱动器提供规律可控的高压气体。 1 ) 阀的机械结构 转板式气动数字阀是具有完全知识产权的新型气动数字阀，它不同于传统的柱塞阀、 针阀等，也没有采用目前广泛应用于气动数字阀的电磁结构。在机械结构方面，采用了特 殊形状的转板，通过对步进电机转动角度的控制，以达到对气体压力或流量的控制。在一 定程度上降低了机械加工要求，方便生产。 2 ) 阀的电路设计 阀的主控芯片采用的是单时钟机器周期( 1 t ) 的单片机s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 芯片。阀内部 集成了气压传感器，在感受到流体压力时，产生与压力成线性关系的电压信号，从而实现 传感功能。为了扩展和通讯的方便，阀的电路中还集成了c a n 收发系统，以满足气动数字 阀的通讯需求。 浙江工业大学硕士学位论文 3 ) 实验测试系统的设计 1 ) 为了使气动数字阀能够满足预期的气动控制的要求，需要得到它的压力特性曲线及 流量特性曲线，对它的压力特性及流量特性进行实验研究。 2 ) 对气动数字阀的工作状态进行实时控制，并测试其在受控过程中的工作性能。 4 ) 实验数据分析 对实验部分所获得的实验数据进行整理，结合理论分析，总结出影响气动数字阀两大 气动特性的系统因素，以及这些因素分别对实验系统造成影响程度，为进一步改进和制作 提供更多的参考。 1 4本章小结 本章首先介绍了气动控制技术及气动元件的发展历史，分析了气动控制阀的发展趋势。 在此基础上介绍了电气数字控制技术及数字阀的发展现状，以及现代数字阀存在的一些不 足。最后提出了本课题的研究背景、主要研究内容及本课题的研究意义。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章转板式气动数字阀机械结构及其特性分析 2 1转板式气动数字阀的原理及机械结构设计 2 1 1转板式气动数字阀的工作原理 在进行转板式气动数字阀的实际设计过程中，想找到一种曲线，可以使得进排气孔的 面积与电机的转角成一个简单函数关系。通过多次试验和数学分析后发现，阿基米德曲线 可以较好地满足这一要求，因此设计出了这一种新型的转板式气动数字阀，并已申请国家 发明专利和实用新型专利，其中实用新型专利已在论文发表前得到了授权，发明专利还在 公示中。 做为转板式气动数字阀的核心转板，其外轮廓的一半呈半圆形，另一半为类阿基 米德螺线。阿基米德螺线的一端与所述半圆形的一端连接，另一端通过辅助半圆形与所述 半圆形的另一端连接，如图2 - i 所示。 a f f 图2 - i 转板工作过程图 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 在图2 - 1 为转板的工作过程示意图，其中a f 分别为转板转动不同时刻，气孔的敞 开大小( 如阴影面所示) 。从a 位到e 位，随着转板转过不同的角度，气孔的敞开大小随 之变化，以此达到控制气体流量的目的。 通过对敞开面积的研究，不难得到表2 - 1 通气孔敞开面积与转动角度的对应关系： 表2 - 1 通气孔敞开面积与转动角度弧度关系表 序号 1 2 34 56 78 9 角度值 0 0 0l o 0 01 1 2 52 0 0 0 2 2 5 03 0 0 03 3 7 5 4 0 0 0 4 5 o o 弧度值 0 0 0 00 1 7 50 1 9 60 3 4 9 0 3 9 30 5 2 40 5 8 9 0 6 9 8 0 7 8 5 开口面积 0 0 0 00 1 9 00 2 2 30 4 9 40 5 8 2 0 8 6 8 1 0 2 11 2 8 91 5 1 3 序号1 01 11 21 31 41 51 61 71 8 角度值5 0 0 05 6 2 56 0 0 06 7 5 07 0 0 07 8 7 58 0 0 09 0 0 01 0 0 0 0 弧度值0 8 7 30 9 8 21 0 4 71 1 7 81 2 2 21 3 7 41 3 9 61 5 7 11 7 4 5 开口面积 1 7 4 52 0 4 1 2 2 2 2 2 5 9 0 2 7 1 53 1 5 03 2 1 2 3 7 1 14 2 0 2 序号1 92 02 12 22 32 42 52 62 7 角度值1 0 1 2 51 1 0 o o1 1 2 5 01 2 0 0 01 2 3 7 51 3 0 0 01 3 5 0 01 4 0 0 01 4 6 2 5 弧度值1 7 6 71 9 2 01 9 6 32 0 9 42 1 6 02 2 6 92 3 5 62 4 4 32 5 5 3 开口面积4 2 6 34 6 8 14 7 9 85 1 4 15 3 0 85 5 7 75 7 8 35 9 8 16 2 1 3 序号 2 82 93 03 13 23 3 角度值 1 5 0 0 01 5 7 5 01 6 0 0 01 6 8 7 51 7 0 0 01 8 0 0 0 弧度值2 6 1 82 7 4 92 7 9 32 9 4 52 9 6 73 1 4 2 开口面积6 3 4 56 5 8 76 6 6 0 6 8 8 36 9 1 0 7 0 6 3 由上表可以绘制如下图2 - 2 的关系图表： 娶 暄 泉 疑 帚 扩 熠 一一二- 一；p 一 “ - 一一 ： t 一l 一土；。 二 i ： “j 善_ j 一 l ：，王二。二l + 二曼：圭 1 ? j 澎 j 一- ：蔓二 i 一 - ；一 _ ：“l 二上二二二工二：一i ：“r 。十r 。 一 一一一一：一 。 一i l i ? i ；，；， + ；。： 一 ：， -， ， “ 。 ：? ： j 0 0 0 00 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 转动弧度 图2 - 2 转动弧度与通气孔敞开面积图 对于这样一个关系式，借助于i v i a t l a b 的曲线拟合工具箱( c u r v ef i t t i n gt o o l b o x ) ， 姗 肋 肋 脚 姗 脚 咖 咖 咖 8 7 6 5 4 王 乙 l 良 浙江工业大学硕士学位论文 对其进行分析。作为一个评价拟合好坏的测度就是残差一一观测值与预测值的差异。对 不同的拟合，利用残差平方和进行比较。下面分别对数据进行2 阶，3 阶，4 阶和5 阶的 拟合，作图，并比较其残差平方和，如图2 - 3 所示， 娶 旧 敬 爱 蠢 醇 赠 转动弧度 图2 32 阶、3 阶和4 阶拟合曲线图 由上图可以很清楚地看到，当2 阶拟合时，拟合曲线与实际曲线有很大的差距，但当 3 阶拟合时，曲线的拟合度已经基本满足要求。由于5 阶与3 阶、4 阶的拟合过于接近， 故图2 - 4 中，未给出。再由2 阶、3 阶、4 阶和5 阶的拟合曲线及其残差平方和，如表2 - 2 所示，可知，取3 阶拟合，已经可以满足要求。 表2 22 阶、3 阶、4 阶和5 阶的拟合度比较 阶次拟合曲线方程残差平方和 2 阶 彳= o 0 7 8 3 9 2 + 2 2 0 4 4 9 0 7 8 8 4 3 阶 a = 一0 4 1 0 1 9 3 + 1 1 6 6 8 9 2 + 1 1 6 6 5 8 o 0 1 0 0 4 阶 a = 0 2 6 2 8 9 4 0 4 1 0 1 9 3 + 1 4 3 5 1 8 2 + 1 0 2 5 6 9 0 0 0 8 2 5 阶 a = 一0 0 3 8 5 + 0 2 6 2 8 8 4 1 0 3 9 7 8 3 + 2 10 19 8 2 - t - o 7 9 8 4 9 0 0 0 2 5 综上所述，通气孔敞开面积与转动弧度之间可用一个一次三阶的方程表示，即： a = 一0 4 10 1 8 3 - i - 1 1 6 6 8 9 2 + 1 1 6 6 5 9( 2 1 ) - 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 转板式气动数字阀的机械结构设计 转板式气动数字阀的内部机械结构如图2 4 所示。其主要组成部分为驱动模块，阀体 模块和转接模块三部分。其中，驱动模块主要由步进电机、连接柱、衬柱等传动件组成。 阀体模块为转板式气动阀的核心部件，其主要是由气缸、衬板、转板三部分组成，主要负 责实现对气体的控制。转接模块包括二部分，分别为单个数字阀上的进排气板和阀岛结构 上的分气块。 a 卜步进电机2 一电机外壳3 气缸4 一内电路板5 一衬柱6 一转板7 一进气孔8 一进排气板 9 一排气孔l o 一连接柱1 卜衬板1 2 一压板1 3 一电机后盖板 1 4 - 出线孔1 5 - 电机电缆1 6 - 输气孔 图2 - 4 转板式气动数字阀结构图 转板式气动数字阀为一个典型的三通阀，有一个进气孔，一个排气孔和一个输气孔。 由电机、气缸和衬板共同组成一个气室，可作为气体缓冲的作用。同时，在气室中放置有 一块电路板，电路板上有压力传感器和位置传感器，可以实时测得气室中的压力和转板的 初始位置。 在实际工作中，由步进电机，通过电机轴带动转板旋转，由于转板的特殊结构，输入 浙旺工业大学硕士学位论文 孔和排气孔只有一个与气室相连通，而气室直接通过输出孔与气动执行元件相连，在同一 时刻，阀的工作状态只有一个：通气或放气。 转板式气动数字阀成品实物，如图2 5 所示。图中的阀上未装电路板。 b 图2 - 5 转板式气动数字厕( 不舍电路扳) 其使用中，还配备了一块最多可 i 工同时五只数字同的阀岛，图2 - 6 ，即为一块转板上 同时装二只数字阀的实物照片。 尊尊 二；、) 羹乏莎 一囊鬣， i ：繁一 麓秘麓馥臻翌墼蕊蠹誊强勰 浙江工业大学硕士学位论文 目的，以保证设计要求。研磨所使用的机器为浙江工业大学超精密加工中心，自行研发的 n m o p o i - 1 0 0 精密研磨抛光机，其最大理论可加工零件直径为1 5 0 n ，研磨后零件的表面 粗糙度可以迭到3 0 纳米左右，若经抛光，则零件表面粗糙度可以达到1 0 纳米以内。对于 转板式气动数字阀，只需使用磨盘进行研磨加工即可。图2 - 7 所示的，就是转板经过研磨 后表面粗糙度的测定图，由图可见，其表面粗糙度为r a - o 0 5 u r n 。 图2 7 表面粗糙度的测定图 图2 - 8 为加工好以后，转板和衬板的实物图片。 篇 襟 ，_ j 图2 - 8 转板和村板的实物图 2 2 转板式气动数字阀数学建模 22 1 步进电机数学模型 气动数字阀采用2 0 b y g i8 系列的单输出轴的混合式步进电机8 h 3 ( 卜0 6 0 4 a 作为驱动装 置。其基本参数如下表2 3 所示： 表2 - 38 h 3 0 0 6 0 4 h 混合式步进电机基本参数 二相混合步进电动机有三个比较通用的数学模型：s i n g h k u o 模型、p i c k u pr u s s e l l 模型和l e e n h o u t s 模型“。其中p i c k u l r - - r u s s e l l 模型对二相混合步进电动机的非线性问 题，特别是绕组磁链，进行了详细的试验研究，比较准确的描述了电机内部电磁变化过程。 具有较高的精度。但是它需要详细测试绕组的磁链变化，相当复杂，并不适合于通常的仿 - i 6 浙江工业大学硕士学位论文 真。l e e n h o u l q 电路模型用电感系数来体验绕组磁链电流的变化关系，考虑到四次谐波定 位转矩，单相绕组动态电感恒定分量的值与相电流相关，实测较为复杂。 考虑到实际应用中不需要建立被控对象非常精确的数学模型，而且步进电机内部存在 高度的非线性关系等因素。因此，在s i n g h - k u o 模型的基础上，结合文献，建立两相混合 步进电动机系统的数学模型哑1 。 死ta：=一-p九f6,iasink(p(o口)ps i n 一五) 】 ( 2 2 ) 【死= 一九p 妒一五月 其中，p 为转子齿数，九为最大磁通，五为极距角。转子的运动方程为： - ，警+ 。警+ p 丸s i n o 秒) + p 九岛s i i l 咕p 一兄) 】= t ( 2 3 ) 式中，d 为粘性摩擦系数，d 望呈为摩擦转矩。 假设步迸e g 机的相电流为理想方波。则混合式步进电机的力矩方程为： t = zs i n 【z f 娩一o ) 1 ( 2 - 4 ) 式中：乃为静转矩；互为转子齿数；吃为旋转磁场的角度；秒为步进电机转子转角。 2 2 2 阀口气体质量流量方程 图2 9 流体流经溥刃孔口时的流场 当气流经过阀口等局部阻力时，流体的过流面积突然减小，速度增大，由于横向速度 等原因，气流在过流截面下游某一位置收缩成最小截面，如图2 - 9 中c - c 断面所示。实际 的节流过程是很复杂的热力过程。当气体通过节流器是，由于节流口前后的流道突然收缩 和扩张，气流在孔口前后均形成涡流，产生强烈的干摩擦，同时由于流体的运动极不规则， 很难分析其复杂的内部过程。为了方便分析，特作如下假设3 1 ： 1 工作介质为理想气体； 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 在同一容器内压力场和温度场都是均匀的； 3 气流通过节流器时，整个流动是稳定的一维流动； 4 气体流动为等熵流动。 空气在流动过程中，每单位质量接受热量，对外做功，可以用热力学第一定律，即能 量方程，可得： 一= 华2 + 睁韵嘶：_ ) + 皈训 协5 ， 式中：z f l 、”：为流入流出截面上气体的速度( m s ) ；p 。、p 2 为流入流出截面上气体 的压力( p a ) ；, o l 、见为流入流出截面上气体的密度( k g m 3 ) ；z i 、z 2 为流入流出截面 上气体的高度( 研) ；巨、岛为流入流出截面上气体的内能( ，) ，其有如下关系： 易一互= q 亿一互) ( 2 6 ) 而对于理想气体来说，有以下关系的存在： v=v|m(2-7) c ,