（机械电子工程专业论文）气缸综合性能测试系统的研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 气缸是在气动自动化中应用比较广泛的元件之一，具有运动速度快，结构简 单、制造成本低等一系列优点，因此广泛用于机械制造、冶金、石油、化工、轻 纺、电子、仪器仪表、家用电器、自行车、缝纫、食品、医药卫生等机械和包装 机械的气压传动系统中，以驱动工作机构实现预定的动作，进行自动化操作。正 是由于气缸在工业中的广泛用途，而气缸性能的好坏决定了一个气缸的使用寿命 和它的应用场合，因此气缸的性能指标就显得十分重要了，对气缸性能的测试在 工业应用中对气缸的选择起着指导性的作用。本文就是建立一个试验平台，对气 缸的各种性能进行测试，判断气缸的各个性能。 本文主要分为四个章节： 第一章首先介绍了一下气动技术的特点、应用现状和近几年来的发展趋势。 然后简单介绍了气缸的特点和应用场合。接下来主要介绍了课题研究的意义，以 及国内外对气缸性能研究的现状和主要方法，最后介绍了本课题研究的主要内 容。 第二章首先对气缸爬行的现象进行描述，深入详细的分析了气缸的爬行机 理，从爬行的动力学模型推导出最小无爬行速度，然后分析了影响爬行的各个因 素。接下来对气缸泄漏进行了分析，得到了泄漏的物理模型和泄漏公式，并且对 气缸的输出力和速度性能进行了简单的分析。 第三章首先进行了试验台架的总体设计，然后分硬件和软件部分进行阐述。 硬件部分包括驱动部分，传感器部分，数据采集卡以及连接件。软件部分包括多 路数据采集系统和输出控制开关阀以及压力阀系统。软件开发是用v i s u a lc + + 开 发工具和c + + 语言。对于驱动部分，是用f e s t o 公司提供的软件来编程进行速度 和方向的控制。 第四章对实验采集的数据进行处理，通过多项式的方式得出气缸摩擦力与速 度之间的关系，得出气缸的最小无爬行速度；通过计算得出气缸的内、外泄漏量， 并与理论允许的最大泄漏量进行比较分析；通过对位移数据的处理分析气缸的速 度。 关键字：爬行，泄漏，输出力，速度，v i s u a lc + + 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h ep n e u m a t i cc y l i n d e ri sw i d e l yu s e di nm a n ya u t o m a t i o nf i l e d s d e p e n d e do n i t sa d v a n t a g e so fq u i c ks p e e d ，s i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t n o wi ti su s e di n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g y , p e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，t e x t i l ei n d u s t r y ， e l e c t r o n i c si n d u s t r ya n ds oo n i t sw o r k i n gs u b s t a n c ei sc o m p r e s s e da i r ，a n di tc a r r i e s o u tt h ep r e d i c t i v eo p e r a t i o n s i n c et h ep n e u m a t i cc y l i n d e ri s w i d e l yu s e d , i t s p e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n t i f w ek n o wi t sp e r f o r m a n c eb e f o r ew eu 8 e t h ec y l i n d e r ， w ec a nu s ei tm o r ec o r r e c ta n de f f e c t i v e l y t h er e s e a r c hs u b j e c ti st os e tu pat e s t s y s t e mw h i c hc a nt e s tm o s tp r o p e r t i e so ft h ec y l i n d e r , a n dj u d g et h ec y l i n d e rc a nb e u s e do r n o t t h ew h o l et h e s i sc o n s i s t so f f o u rs e c t i o n s ： c h a p t e ro n ef i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep n e u m a t i c st e c h n i q u ef e a t u r e ，t h ec u r r e n t a p p l i c a t i o ns i t u a t i o n a n dt h ef r o n t i e r so fp n e u m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e s t h e ni t r e p r e s e n t dt h ei m p o r t a n c eo ft h er e s e a r c hs u b j e c t t h em e t h o d st ot e s tt h e p e r f o r m a n c e o ft h ec y l i n d e ra r e a l s od e s c r i b e di nt h ec l l a ：p t e ro n e t h el a s tt h e s e c t i o np o i n t so u tt h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h es u b j e c t c h a p t e rt w oi i i 虹o d u c e dt h ep h e n o m e n o no fc r e e pa n dd e t a i l e dd e s c r i b et h e m e c h a n i s mo fc y l i n d e rc r a w l i n g t h ed e r i v a t i o ft h em i n i n a u n ls p e e da tw h i c ht h e c r a w lw i l ln o th a p p e n e da n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ra r ea l s oi n c u l d e d t h e nt h ec h a p t e r d e s c r i b et h el e a k a g eo f t h ec y l i n d e r , t h ep h y s i c a lm o d e lo f l e a k a g ei si n t r o d u c e di nt h e e n do f t h ec h a p t e r i nt h ec h a p t e rt h r e e ，at e s t i n gs y s t e mw a sd c 、，e l o p e df o ri n v e s t i g a t i n gt h e p e r f o r m a n c eo f t h ec y c l i n d e r , t h es y s t e mi sc o n s i s to f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r t s t h eh a r d w a l _ ep a r t si n c l u d ed r i v i n gs y s t e m ，s e n s o r s ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h e c o n n e c t i n gp a r t s t h es o f t w a r ep a r ti sm a i n l yc o n s i s t e do f a da n dd ac h a n n e l sf o r t h ed a t ai na n do u t t oc o m p i l et h es o f t w a r e t h ec + + l a n g u a g ea n dt h ev i s u a lc + + a r eu s e d t oc o n t r o lt h es p e e da n dt h et u r n i n go ft h ed r i v i n g , w eu s et h es o f t w a r e s u p p l i e db yf e s t oc o m p a n y c h a p t e rf o u rr e p r e s e n t st h em e t h o d so fh o wt op r o c e s st h ea c q u i r e dd a t a t h e m e t h o d sf o rp r o c e s s i n gt h ec r a w ld a t ai sp o l y n o m i a lf i t t i n g ：t oa n a l y s et h el e a k a g e r a t e , w ec a na n a l y s et h ea c q u i r e dd a t a ，t h e nc o m p a r ew i t ht h et h e o r e t i c a ll e a k a g e ，w e c o u l d j u d g ew e t h e rt h ec y c l i n d e ri sn o r m a lo rn o t b yp r o c e s s i n g t h ed i s p l a c e m e n td a t a , w ec a nk n o wt h ec y c l i n d e rs p e e d k e yw o r d s ：c r e e p ，l e a k a g e ，o u t p u tp o w e r , s p e e d ，v i s u a lc + + i i 学号2 0 5 0 8 1 1 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝鎏盘望或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：系i 司诿字日期：0 7 年7 月_ u 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态望有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘 生可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：系。氰么导师签名： 签字日期：o - 1 年7 月；。日签字日期：哆年夕月；。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 气动技术的特点和发展状况 1 1 1 气动技术的特点 气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量和信 号传递的工程技术，是实现生产过程自动化的有效技术之一。气动技术与其它传 动和控制技术( 机械方式、电气方式、电子方式、液压方式) 相比，其特点如下 f 1 4 】： 1 ) 空气介质可从大气中取得，没有费用和供应上的困难。空气介质清洁， 没有变质、更换和补充的问题。空气使用后可直接排到大气中，处理方便。 万一空气管路泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生严重的影响。 2 ) 压缩空气由于介质粘度小，在管道中流动时能量损失小，便于集中供应， 用配管连向工厂各使用单位。 3 ) 气动元件使用压力低，可用多种材料满足技术性能要求，可用压制法大 批生产，价格便宜。 4 ) 由于空气具有可压缩性，可把能量贮存在气罐里，当使用多个执行元件 时，相互之间的影响不大。 5 ) 使用安全可靠，没有防火防爆问题，便于实现过载保护，能在高温、辐 射、潮湿、灰尘等恶劣环境下可靠地工作，因此在石化、矿山、食品等工业 中得到了大量使用。 6 ) 气动元件动作比较快，有利于提高生产效率。 7 ) 气动回路简单明了，易于掌握和维护，便于推广。 但是，气动技术也存在着缺点： 1 ) 气动装置中的信号传递速度仅限于声速的范围内，远慢于电子信号传递 速度( 相对于光速) ，所以气动要实现遥控或用于高速传递信号的场合，要 与电控结合。但是对一般的机床工作速度来说，气动信号的传递速度也就足 够了。 2 ) 由于空气具有可压缩性，气缸工作的稳定性比较差。因此在要求工作运 动速度均匀稳定时，采用气液联动阻尼缸能得到较好的效果。 3 ) 气压传动的效率较低，因而一般工厂建立压缩空气站，以便统一分配和 供应，以提高压缩空气的利用率。 4 ) 气动装置工作时噪声对周围环境有影响，一般应安装消声器，使噪声降 到规定范围之内。 5 ) 气体中的灰尘、油污和水滴是影响气动系统正常工作的有害杂质，必须 浙江大学硕士论文 经过适当处理后，才能放行使用。 1 1 2 气动技术的发展现状 气动技术的发展是与人类的生产进步紧密相关的。 空气很早就被应用与生产中，远在几千年前，人们首先利用风力扬帆航船， 我国首先发明了卧式风车，这是最早的风动机械应用与农业灌溉。 十八世纪的英国工业革命促进了社会生产力的迅速发展，在1 8 8 5 年发明了 空气压缩机后，压缩空气的应用不断推广，1 8 8 0 年美国的威斯汀豪斯利用压缩 空气可以快速驱动的特点，研制了火车的刹车装置，显示了气压传动简单、快速、 安全、可靠的优点，开创了气压传动的应用技术。 二次世界大战后，由于各国科技迅速进步和经济繁荣，迫切需要提高生产机 械化和自动化的水平，以提高产品质量和增加劳动率。工业界在寻求高效率、低 成本、安全可靠又有较长使用寿命的自动化元件和技术，于是气动技术应运而生。 由于气动元件恰恰在这几方面能适应生产提出的要求：气动元件简单可靠并容易 掌握，可采用高效生产工艺大批制造，适合生产空间各种复杂动作，可与电控装 置和计算机配套使用等，促使气动技术在各行各业广泛应用【1 j 。 目前，许多先进的工业生产部门以及引进的生产线，如汽车、冰箱、空讽、 电气电子元件、电视机、手表、轴承和基础件的生产线的许多加工和装配机械上， 都大量使用了气动装置【5 1 ，可以说，气动技术已经应用于从民用到军工的各个领 域。 七十年代以来，世界主要工业国家气动产品的产量和品种均有不同程度的增 长。资料统计表明，目前世界上的自动化流程，近百分之三十的工业机器人上装 有气动装置；原苏联有百分之五十的自动化装置是靠气动技术实现的，远大于电 动和液压所占的比重；日本从1 9 7 5 到1 9 8 5 的1 0 年中，气动元件的销售额增长 了4 1 倍；1 9 9 1 年液压与气动的总产值为七千亿日元，其中气动元件的总产值约 为三千亿日元，可见气动技术的应用已经接近液压技术的应用1 6 1 ；美国气动元件 的销售额平均增长率为机械工业的1 5 倍左右。目前，国外2 2 一2 9 的机器人， 9 0 的包装机械，7 0 的铸造焊接设备都装有气动系统或元件。采用气动技术的 程度，已经成为衡量一个国家工业发展水平的重要指标之_ 1 7 1 。 相对来说，我国的气动技术起步较晚而且应用还不是很广泛，有待进一步的 大力发展。从1 9 6 7 年上海建立第一家气动元件厂开始，经过3 0 多年的发展，已 经形成了一个独立的行业。然而无论从产品规模、种类、质量、销售额、应用范 围，还是从研究水平、研究人员的数量上看，我国与国际先进水平相差甚远，而 且气动技术的应用远远低于国际先进水平。我国气动行业产值为机械工业产值的 o 1 一0 3 t 8 1 ，而国外工业发达国家要占l - - 2 0 6 。我国气动技术应用水平也 远远低于国际领先水平，控制技术仍局限于普通的点位开关控制，气动伺服技术， 2 浙江大学硕士论文 尤其是电一气比例、伺服的高精度、高响应应用的较少。 1 1 3 气动技术的发展趋势 随着科学技术的发展，现代气动技术也有迅猛的发展，与其它传动技术相比， 已有了更多的优势。仅在可靠性方面，一般的气动电磁阀的寿命已高于3 0 0 0 万 次，小型阀更是超过l 亿次，己高于一般电器元件( 数百万次) 的寿命。 近十几年来随着工业自动化的飞速发展，气动技术也得到了令人瞩目的发 展，无论在近期和未来，气动技术都会有创新的发展。下面就对气动技术的最新 发展方向进行简单的阐述 9 - 。 1 ) 精确化 气动技术采用压缩空气作为它的工作介质，由于空气的可压缩性比较大， 所以气动元件在使用中可能会出现不稳定或者定位不精确的现象，这就限制了气 动技术的进一步应用。 为了解决这方面的问题，国外的气动企业，如f e s t o 、s m c 、c k d 、脚o 等针对这些问题研制了相应的气动元件。像带磁性接近开关的气缸，由于在活塞 在上装有永久磁铁，当活塞运动到接近开关的预设位置时，活塞上的磁铁使触电 闭合，发出电信号，指示行程位置或控制某一元件动作，省去了机械定位档块和 附加的位置传感器等部件。像s m c 公司生产的带有位移传感器的气缸，利用磁 栅尺原理在活塞移动过程中能实时测量位移，其分辨率为o 1 m m ，它集驱动、测 量功能于一体，可以作为精确定位的位置伺服执行元件使用。 8 图1 1 磁性开关气缸【l “ 1 一动作指示灯2 一保护电路3 一开关外壳4 一导线5 一活塞6 一磁环7 一缸筒8 一舌簧开关 在一些应用场合，不仅要求执行元件有足够的驱动力，而且还要求进给速度 均匀、可调、在负载变化的时能保持其平稳性。普通气缸的特点是速度快，但是 速度不易控制，会出现“爬行”和“自走”等现象，难以满足这些要求：而液压 缸的特点是动作较慢，但是负载刚性高，速度稳定性好。将二者恰当组合在一起， 发挥各自的优点，组成气一液阻尼缸。目前，国内外已开始有计划的开发这一有 浙江大学硕士论文 发展前途的产品，例如德国f e s t o 公司已经研制出这类产品供市场需要。 图1 - - 2 气液阻尼缸 2 ) 高速化 气缸的高速化发展对提高装置的生产效率有着重要的意义，近年来颇引人注 目，像s m c 、o r i g a 、m e c m e n 等公司研制的无杆气缸的最大速度己达到了 2 m s 以上，其它类型的高速气缸甚至达到了3 4 m s 的速度。气缸高速化要解 决相应的技术问题，除了对密封的材料、形状要考虑外，气缸的驱动方式以及如 何吸收冲击惯量进行缓冲等问题非常重要。国外企业对气缸缓冲机构装置、外部 缓冲回路的构成等方面的研究非常重视。 3 ) 小型化 现在有针笔型的气缸和薄型气缸，针笔型的气缸可以用于小型和微型机械设 备的场合；薄型气缸属于节省安装空间型的气缸，像s m c 公司的m u 系列气缸 是径向超薄型气缸，它采用椭圆活塞，在同样推力的情况下，其厚度只是普通气 缸的一半。 气缸小型化的另一个方面就是低功耗和微电子化。现在有国外的气动企业在 电磁阀中设置了新的节电回路，当线圈通电时间超过3 0 m s 时，在保证铁芯必要 吸力的前提下，线圈的功耗可降低3 0 。电磁铁低功耗的意义不仅仅在于能节 约电能消耗，提高电磁铁的可靠性，另一方面，也为气动技术与微电子技术相结 合创造了必要条件。在自动化生产装置中的气动系统，大都是顺序控制回路，低 功耗的气动元件信号可直接作为可编程控制器的信号分时处理，可将驱动几十个 电磁阀的信号，通过一根导线传送到远距离的集成阀块上。这项技术的应用使得 系统的配置更加简洁和明快。 4 ) 集成化 气缸的另一个发展趋势就是集成化。为了方便用户，缩短用户进行机械设计 的时间，各个公司研制出复合化的气缸组件。n o k 公司的f l 叮系列平台承重式 气缸将导轨、平台、气缸一体化，该平台直接承重达7 8 0 k g ，可直接用作小型压 力机下的移动底盘。 集成化的另一个体现就是阀岛的出现。“阀岛”一词译自德语的“v e n t i l i n s e l ”， 常规的气孔单元，特点就是系统中包含大量的分立元器件，并且这些分立的元器 件是通过大量的管件以及连接件实现的，这样引发的故障率高，同时还给设备的 4 浙江大学硕士论文 管理和维护带来不便。把控制阀的供气之路和排气口等气流通道集成，把传感器 输入电信号的接线集成在一个插座里，形成模块化的、小巧的集成块成为阀岛。 在阀岛上，可编程控制器的输出信号、输入信号均通过一根带有多针插头的 多股电缆与阀岛连接，而由传感器输出的信号则通过电缆连接到阀岛的电信号输 入口上。因此，可编程控制器与气动阀、传感器输入电信号之间的接口简化为只 有一个多针插头和一根多股电缆。采用阀岛后，系统所有的电信号的处理、保护 功能都以在阀岛上实现，这样使得系统的设计、制造和维护过程更加简单【1 2 】。 图1 3 现成总线阀岛川 1 2 课题研究的意义和内容 1 2 1 气缸性能的研究现状 气缸是气动自动化系统中使用最广泛的一种执行元件，它是一种将压缩空气 的能量转化为机械能，实现直线、摆动或回转运动的传动装置。它具有以下几个 特点 1 ) 与液压执行元件相比，气缸具有运动速度快，工作压力低，适用于低输 出力的场合，正常工作的温度范围也比较宽。 2 ) 气缸结构简单、制造成本低、维修方便；便于调节其输出力的大小和速 度。由于制造技术的发展，气缸已向标准化、模块化发展，使得气缸的可靠 性提高了。 3 ) 由于气体的可压缩性使气缸的在速度控制、抗负载影响的等方面的性能 要低于液压的执行元件。当需要精确的控制运动速度时常需要借助气动一液 压联合装置来实现。 气缸的性能一般包括气缸的爬行和摩擦力、气缸的气体泄漏、以及它的一些 力学性能包括输出力、速度以及气缸的响应时间等。下面就对这些性能的研究状 况进行讨论。 由于气动系统的介质空气的可压缩性，使得气动系统的刚性和阻尼都很差， 所以在气动执行元件低速运动的时候非常容易产生爬行现象。气缸在作低速运动 浙江大学硕士论文 或微量位移运动的时候会出现速度不均运一时走时停或时快时慢的现象，人们把 这种现象叫做爬行。由于几乎所有的气缸在低速的时候都会产生爬行，爬行带来 的危害也是很严重的： 1 ) 影响加工精度。在机械零件表面n t ，如研磨设备中，气缸出现爬行则 使工件表面出现螺旋状花纹，严重影响零件表面的精度和粗糙度【1 4 】。 2 ) 影响定位精度。在工作位置要求很高的坐标镗床系统中出现爬行，就很 难实现精确定位；在物流装配系统中，气缸的爬行使整个系统的工作陷入混 乱。 3 ) 易损坏工具。在机械零件加工过程中，会损坏刀具、转头等加工工具， 降低其使用寿命【1 4 】。 4 ) 在卸载装置中活塞杆出现爬行，可造成系统的别劲、倾斜等故障【1 ”。 5 ) 爬行还会使气缸产生很大的噪声，严重影响环境【l ”。 由于气缸的爬行有着严重的影响，为此早已引起了人们的极大注意，特别是 低速运动中，爬行对气缸的运动有着致命的影响。 气缸作为气动系统中最常见的执行机构，广泛应用于自动化生产中。在许多 工业应用场合中，如半导体、瓷器、玻璃等行业，机械零件加工和磨削，常常需 要低速驱动，此时气缸的低速性能显得尤为重要。然而，气缸在低速运动时，常 常会出现爬行现象，严重影响了气缸运动平稳性。因此，在实际应用中希望避免 爬行的产生，保证气缸在正常工作范围内平稳运动。而气缸爬行是一种涉及使用 压力、活塞运动速度、密封圈及润滑脂种类、气缸结构、负载等多种因素的复杂 现象。 爬行产生的原因是与摩擦力特性紧密相关的，气缸动静摩擦力的差异是导致 气缸产生爬行的根本原因。因此要对气缸爬行进行研究必须要对气缸的摩擦力进 行测试。其他的影响气缸爬行的因数还有密封、润滑和供气压力也是和摩擦力密 不可分的。 国内外的很多研究表明，对于气缸其密封件和润滑油的合理选择对于改善气 缸的爬行有着根本的影响。密封装置的结构形状对摩擦力的影响很大，例如0 形 密封圈的摩擦力随着它的预压缩量的增大而急剧增大，也随着停放时间而增加， 而且动静摩擦力的差距很大，这样容易产生爬行。此外，还可以从材料的耐磨性 和加工精度上进行解决。 气缸在不同的供气压力下，作用在密封圈与气缸内壁、活塞杆之间的压力就 会不一样：一方面随着压力的增大，使活塞处的密封圈紧贴气缸内壁，同时也使 作用面积变大，另外在边界润滑状态下，使油膜被挤出，这样会导致密封圈处的 摩擦力增大。另一方面，随着压力的增大，使得气缸、气管和阀组成的系统刚度 增加了，这样有利于阻止爬行的产生。 6 浙江大学硕士论文 国内北京理工大学的张百海通过建立爬行的运动模型，对模型进行无量纲化 处理，使用无量纲化参数来描述爬行，以气缸匀速运动时的速度值、压力值和时 间值作为基准量对其他参数进行无量纲化，建立气缸爬行的判定公式【1 8 2 0 1 ；南京 理工大学的黄俊建立气缸爬行的动力学和摩擦力模型，应用量纲分析法对试验数 据进行处理，推导出气缸的气缸爬行的回归方程，作为气缸爬行判定公式【2 1 彩】； 陕西科技大学的周成武也对气缸的爬行进行过研究【冽。 国外意大利的g b e l f o r t e 教授通过对气缸摩擦力的测试，建立气缸摩擦力的 模型【2 7 1 ，日本的t e r a s h i m ay u k i 教授以及t o k a s h i k ilr 教授等学者对气缸的摩擦 力与速度的关系，通过找到气缸爬行的临界速度，对爬行进行研究与分析【2 ”2 1 。 根据查到的文献，一般对气缸摩擦力的测试往往都会采用下图所示的方法， 这种实验装置，计算机通过d a 给电一气比例伺服阀一定的信号，改变气缸的 运动状态，压力传感器将气缸两腔的压力变化通过a d 传输给计算机，同时通 过位移传感器测试气缸的位移变化，并通过对位移曲线求导得气缸的运动速度； 计算机通过计算得到气缸的摩擦力的大小和方向。 气缸的摩擦力计算公式为： 乃娟4 一m ) 一f m 鲁 ( 1 - 1 ) 若令轴向负载f = 0 ，则当气缸由静止到低速运动时，气缸的速度、加速度 小，近似为零，由此可以测出气缸的静摩擦力、动摩擦力的大小。 但是这种方法存在着各种弊端，两压力传感器装在气缸的出气腔口，由于气 体的流动和可压缩性的影响，不能真正反映出活塞断面处的压力大小，还有就是 测试的速度范围有限，只能测试运动速度大于临界爬行速度情况下的摩擦力，对 于低于爬行速度时的摩擦力的测试就无能为力了。 4 - 一j 图1 4 摩擦力测试装置m 1 1 一电一气比例伺服阀2 一压力传感器3 位移传感器4 一计算机 浙江大学硕士论文 以批量生产为特征的气动行业的密封性，作为一项与产品质量密切相关的技 术指标，近年来日益受到企业的关注。气缸的气体泄漏会导致它在使用中出现失 灵，运行异常，效率降低，寿命缩短甚至会出现环境污染等问题。因此气体泄漏 检测是十分重要的。并且气体泄漏检测水平的高低会直接影响生产效率，操作人 员的劳动强度及产品的质量，随着制造水平和制造工艺要求的提高，对气缸泄漏 的检测也提出了更高的要求【1 7 l 。 到目前为止，检测气缸泄漏的常用方法有浸水法，肥皂泡法，绝对压力法( 压 降法) 和差压法。 机械工业部通用零部件工业局企业标准j b l q 2 0 6 0 1 - - 8 6 ( 气动一气缸实验方 法中规定：气缸在作为成品出厂前要放在水中进行泄漏试验。它的工作示意图 见下图【3 4 l 。 图1 - - 5 气缸泄漏浸水法 1 空气泄漏量2 量杯3 水槽4 被测气缸5 截止阀 工作原理是：交替对气缸的两个进气口通以工作压力( 另一气口排气) ，并用 量杯收集泄漏气泡，以判断气缸是否合格。可以通过下列公式计算出气缸的泄漏 量： 妒孚 式中；q 总泄漏量硎3 n l i n ( 标准状态) ， v 一量筒中空气的体积c m 3 ( 标准状态) ， ，测得量筒内气体体积的时间。 虽然浸水法直观易行，但对被测气缸零件表面有腐蚀作用，会给工件带来生 锈、杂质侵入等不良影响，会影响气缸出厂的质量。浸水法目视检查由于依赖于 人的器官，常有观察的精确度低等不确定的情况出现，很多情况下，气缸是微量泄 漏，究竟泄漏量是多少，却无法精确计算出来1 3 8 1 。这样就需要操作者有较丰富的 操作技能了；并且泄漏气体不能立刻跑出，只有在累积到一定量时才形成一个气 泡冒出水面。这种状况需要一定的时间，检测时应该耐心观察。此外，检测用水 在工件表面流动也会遮挡某些气泡或产生一些气泡，这样就会增加检测困难。其 浙江大学硕士论文 使用也有一定局限性【4 1 1 ，有的产品不允许用此方法进行检测，如带有电子、电器 元件的气缸。 在此基础上，人们发明了肥皂泡流量计法。它的工作示意图如图卜6 。 图1 - 6 肥皂泡流量计法 1 一肥皂泡2 一玻璃量筒3 一橡胶囊4 一肥皂液5 一密封容器6 一被测缸7 一截止阀 如图所示，将被测缸放在密封容器5 中，并给被测气缸6 进气n7 交替通以最 高工作压力，其泄漏量空气由气口经量筒2 排出，同时捏动橡皮囊3 ，待泄漏的空 气带动肥皂泡l 浮起后，测量肥皂泡上升的高度l 和时间t ，由下式可算出被测缸 的泄漏量【3 4 】。 妒半 式中：a q 被测缸的泄漏量； 三肥皂泡上升的高度； a 玻璃量筒的有效截面积； f 肥皂泡上升l 所需的时间。 此法测气缸的泄漏量克服了水对气缸零件的腐蚀作用，要求密封容器密封性 能好，由于依赖于人的器官观测肥皂泡，测量精度不是很高，对大型气缸的测试 所用的密封容器体积笨大。 9 浙江大学硕士论文 图1 - - 7 压降法m l 1 ，6 压力表2 、5 截止阀3 换向阀4 三联件7 被测缸 如图1 7 所示，打开截止阀5 在气缸的右侧通入最高工作压力，此时左端通 大气，待右端气体稳定以后，关闭截止阀5 ，从压力表6 中观察被测缸的压力下降 情况，经过一定的保压时间后( 1 分钟或2 分钟) ，从压力表中读取压力值的变化 情况，压力的变化值就是气缸的内外总泄漏量。打开截止阀2 在气缸的左侧通入 最高工作压力( 右端通大气) ，采用同样的测试方法就可以测得气缸的内泄漏量。 该试验方法简便，对气缸无腐蚀作用，只要截止阀密封性能好，对各种规格 的气缸均可进行测试，且由于采用压降法不需参考件，测量系统也就比较简单， 相应造价也就可以降低。在这种检测方法中要求被测物容积稳定。同时，被测物 或压缩空气的温度变化也会引起压力失稳，从而导致检测误差。用于大批量检测 时，检测时间一般不允许太长，压力传感器难以捕捉到微小的泄漏【柏】。例如，检测 压力i m p a ，考虑到仪表的最佳工作区域与其满度的关系，显然应选用满度为 1 5 m p a 的压力传感器。如果其精度为0 1 级，则检测误差为1 5 m p a x0 1 = 1 5 0 0 p a ，这就是说只有泄漏量积累到较大程度。压力损失p 1 0 4 数量级时才能 被精确测出。然而对于微小的泄漏而言，如此大的压力损失需很长的时间。所以 压降法是一种比较粗略的泄漏检测方法，通过使用高分辨率的压力传感器可以提 高测量精度。 l o 浙江大学硕士论文 图1 - - 8 差压法 闭合手动阀只，工作压力经只，气路l 、，曹、气路2 进入气缸q g 的一个进气 口( 另一进气口排空) ，此时气路1 和2 相通，压力相等，压差变送器z b 的两个测 压口之间的压差p 为零，其输出也为零，双针压力表s l 的指示也为零。启动常 闭延时阀s ，延时阀s 输出气流，经气路3 ，推动兄的阀芯，兄关断气路1 和2 之 间的通路，由于气缸q g 泄漏，气路2 处的压力不断下降，压差变送器z b 的两个测 压口处的压力不等，产生压差p ，z b 的输出不为零，双针压力表的双针移动， 指示压差尸的值。当延时阀s 达到规定时间后( 1 分钟或2 分钟) ，s 关断，气路3 放气，r 的阀芯复位，使得气路1 和2 相通，气路1 和2 处的压力相等，即使气路1 和2 处的压力相等，差压变送器z b 的输出也为零，双针压力表s l 的一个指针复位 为零，另一个指针停留在原处，指示压差p 值【3 ”。 差压法是对被测物和标准气压进行对比测试，这样可以抵消一部分容积效 应。由于检测灵敏度的提高，可有效缩短检测时间，在检测作用时间段内可视为等 温过程，因而忽略温度效应引起的压力变化。一般而言，对一个分辨率为1 l o o o 的传感器，对量程1 m p a 的传感器最大误差是2 k p a ，而对于一个0 0 5 m p a 的传感器而 言即为1 0 0 p a 。由于压差式测量的传感器只需测量系统压力相对于测量压力的改 变值，因而传感器的量程可大大缩小。再者，由于压差法是将系统测量压力作为测 试零点，只是记录压力与系统压力的偏移值，因而诸如零点飘移，温度飘移的影响 只与压差传感器的测量范围有关，而与测试时的测量压力无关【帅l 。可见，压差法测 量精度要高于绝对压力法。 研究气缸的输出力以及它的稳定性可以表示气缸的工作能力，在工业实际中 不同的应用场合需要不同的活塞杆推力的气缸；气缸的速度平稳性影响着气缸的 工作状态，也有可能影响加工的精度；气缸的响应时间对于在实时控制比较高的 工业系统中就显得十分重要了，因此对气缸的这些性能进行测试也显得十分必 要。 目前为止，很少有文章专门对气缸的输出力、速度以及响应时间进行探讨。 浙江大学硕士论文 对这几个气缸性能的测试一般都和其他性能的检测配合。对气缸输出力的测量可 以在气缸活塞杆和负载之间加上拉压力传感器进行测量；对速度的测试可以通过 位移的测试，在由位移的微分可以得到气缸的速度变化。根据资料，目前采用最 多的是下面图示的方法。 图1 - - 9 气缸输出力、位移测试 1 2 2 课题的提出 正如在前面的所讲述的，以往测试气缸摩擦力的试验装置有着自身的缺点： 不能测试低于临界爬行速度以下的摩擦力；而且在气缸运动过程中，气缸的加速 度是不断变换的，在计算气缸的摩擦力时就相当的复杂，因此提出一种简单而有 效的测试方法就显得很有必要。 在上面描述的各种气缸检测方法中，各自都有缺点：浸水法容易损坏气缸的 表面，损坏气缸的质量，并且由肉眼观看量杯的排水体积造成的误差比较大；肥 皂泡法虽然对气缸不会造成损坏，但是对容器的密封性非常高，对于测试大型气 缸需要的密封容器的体积比较大，而且也是用肉眼观看肥皂泡的变化情况，达不 到高精度的要求；压降法的优点是测量装置简单，不需要辅助设备，也不必把气 缸淹没在水中。但要求各开关阀密封性好。且压降法与被测容积大小有关。若规 定容积大小，则需要增加调节气缸行程的装置。差压法虽然简单可靠，避免了前 面几种测试方法的缺点，但是差压法也有本身的缺点：由于气缸的规格不同，额 定泄漏量对应的差压范围比较大，为了保持精度需要多个不同量程的差压传感器 才能满足测量要求，这样就会增加试验的复杂和试验费用。 因此一个能够有效而全面的测试系统对与气缸的选型很有指导意义，本课题 就是在这种背景下提出的。 1 2 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容如下： 1 ) 通过查阅文献，了解气缸的各个性能，从理论上对影响气缸性能的各个 因素进行分析。 2 ) 完成气动系统元件的合理选择，包括被测气缸、传感器、管路接头以及 浙江大学硕士论文 传感器的选型以及有关气动参数的确定 3 ) 在原有试验设备的基础上对试验系统进行优化设计，使得试验系统更加 完善，对试验台的部分零件进行机械设计，并完成安装和调试。 4 ) 用v i s u a lc + + 编写数据采集程序，对拉压力、位移信号进行数据采集、 处理和存盘。 5 ) 对实验数据进行处理、分析，对摩擦力与速度之间的数据进行拟合分析， 得出拟合方程；对气缸的泄漏、位移、输出力进行测试，并进行分析。 浙江大学硕士论文 第2 章气缸性能理论分析 2 1 气缸爬行的理论分析 2 1 1 气缸爬行的描述方法 气缸在作低速运动或微量位移运动的时候会出现速度不均匀一时快时慢或 时走时停的现象，人们把这种现象叫做爬行现象”】。 气缸的爬行运动较为复杂，需要根据不同的爬行类型用不同的爬行曲线来描 述，再根据爬行曲线来确定几项爬行参数。一般情况下爬行的描述可分为3 种类 型： 时走时停的爬行 时快时慢的爬行 偏差描述 对于时走时停的爬行，一般用位移一时间( s t ) 曲线来描述；对于时快时慢 的爬行，一般用速度一时间( v t ) 曲线来描述，但是这两种描述方法未能给定每 个瞬间气缸的实际状态和理想状态的偏差，所以有时用偏差描述的方法更能清晰 地反映气缸的不均匀特性 4 5 1 。 1 时走时停的爬行 对于时走时停的爬行的描述如图2 一l 所示。 对于时走时停的爬行，s r 曲线直观的描述了爬行规律。由此可求得停顿 时间 ，突跳时间如以及突跳位移量s 和爬行频率f c f = l t = 1 t l + 乞) 爬行 量s 影响加工精度，是表征时走时停爬行的主要参数。 2 时快时慢的爬行 对于时快时慢的爬行，速度的不均匀性时造成较大的表面波纹和较高的表面 租糙度的主要因素，严重影响了零件的加工质量。根据图2 2 ，y r 曲线可以 求得最大速度、最小速度。此时用相对速度差昂( 磊= ( p o 一 0 ) 。) 作为爬行 的主要参数。 s 图2 1s - t 曲线 t 1 4 v 厂 i i 一j i l t 通 t 图2 2v t 曲线 浙江大学硕士论文 3 偏差描述 造成气缸爬行的因素很多，实际中的情况也比较复杂。通常s 一丁和v t 曲 线无简单明显的规律性，此时便不能凭几项简单的参数来描述爬行运动，而需要 对爬行曲线的总体作更深入细致的研究，虽然爬行曲线给定每个瞬间运动爬行件 所处的状态，但未能给定每个瞬间气缸爬行状态的偏差程度凼和咖，这种偏差 较之s 一丁和y t 曲线更能清晰的反映气缸爬行运动的不均匀性。要确定这种误 差，得先确定气缸理想的运动曲线。s r 曲线末端和原点的连线作为此段落内 的理想位移一一一r ，而s r 曲线末端位移与时间坐标的比值旷可作为此段 落内的理想速度。这样，便可在s 一，和矿一丁曲线上得出s 一r 及旷一丁曲线， 以此作为与实际运动曲线比较的标准【4 ”。 s t l 图2 3 8 * - 3 曲线图2 4 v t 曲线 上两图中的虚线表示理想的运动曲线，该图较清晰地反映了实际运动状态与 理想运动状态的差距，为确定气缸爬行误差曲线提供了可靠的依据。 图2 5 中的出表示实际位移与理想位移之差一s ，图2 6 中的咖表示 实际速度和理想速度之差v 一矿。爬行误差曲线给出了最大位移误差凼一及最 大速度误差巩，蛳，更清晰地反映出爬行频率特征，因而在一定程度上反映系统 存在的缺陷。它为查找产生爬行的原因、鉴别缸筒和密封圈性能及系统改进效果 提供了重要依据。 d s 0八八 认一 y v t ol r i。 lut 7 图2 5 幽- t 曲线 2 1 2 气缸爬行的机理 对于气缸，其爬行机理可以用以下文字来描述。 图2 6d v - t 曲线 以如图2 7 所示的进气节 浙江大学硕士论文 流调速回路中单杆双作用气缸活塞杆伸出为例分析气缸爬行现象。气源经a 口 向气缸无杆腔充气，无杆腔内压力曰上升，有杆腔内气体经b 口排气，有杆腔 内压力只下降。一开始，由于气缸内活塞等处静摩擦力较大，活塞并不运动。当 无杆腔内压力上升到使得活塞两侧压力差所产生的作用力刚好能克服活塞等处 静摩擦力时，活塞开始移动。一旦活塞起动，静摩擦力变为动摩擦力，而动摩擦 力小于静摩擦力，活塞作加速运动，但由于此时无杆腔体积变化增加较大，而供 气流量不足，致使无杆腔中的气体压力又进一步下降，同时有杆腔中的气体压力 上升，可能使活塞两侧压力差所产生的作用力小于活塞等处摩擦力，此时活塞就 停止前进，直到无杆腔继续进气，活塞重新开始向前运动。这一过程的循环出现 就形成了气缸的爬行。所以只要找到了爬行产生的原因，就可以采取有效的措施 来防止或消除气缸爬行【2 a 。 图2 7 气缸爬行示意图 2 1 3 气缸爬行的动力学模型和摩擦力模型 气缸是气压传动系统的主要元件，它把压缩空气的压力能转化为机械能。气 缸工作的平稳性直接影响到驱动机构能否正常工作。气缸低速运动时，由于气缸 摩擦阻力影响增大，加上气体可压缩性，不能保证活塞做平稳运动，会出现爬行。 爬行现象的实质是当一物体在滑动面上做低速相对运动时，在移动条件下产生的 停止与滑动相交替的现象。气缸的爬行现象将破坏系统运动的均匀性和平衡性， 会降低系统的定位精度。因此，研究爬行现象的运动机理，合理地建立爬行现象的 动力学模型和数学模型，对于分析气缸爬行现象的运动规律及影响因素，以便采 取相应措施消除爬行现象具有重要意义。 从古至今，来自摩擦学界的学者和专家，航天工业的研究员以及现代工业机 械、自动化的工程师都对爬行现象进行了大量的分析工作和实验研究。爬行是一 种非常复杂的物理现象，但是可以将其转化为直线运动传动系统的力学模型。如 图2 - 8 所示。 浙江大学硕士论文 v 图2 8 爬行的动力学模型 驱动体d 以速度矿通过刚度为k 的弹簧推动质量为m 的滑块向右运动。c 为 传动系统中的阻尼系数，当d 移动时，开始一段时间，由于滑块与滑动面间的静摩 擦力兵较大，滑块不会立即运动。弹簧不断压缩，储存能量，当弹簧力和阻尼力的 合力刚好克服静摩擦力疋时，滑块肌开始滑动，滑块一旦滑动，静摩擦力b 迅速