（机械制造及其自动化专业论文）高速气动机构随动缓冲研究.pdf

硕士论文 高速夫 摘要 在一些特殊操作场合，例如高速推进，由高速气缸构成的气动机构与其他传动方式 相比具有不可替代的优点，然而，气缸高速运动势必会在行程末端产生不期望的冲击力， 这不仅会影响机构的使用寿命，严重的会因强烈的碰撞导致推进的易燃易爆负载产生燃 爆而危及人身或设备安全。因此，高速气动机构的缓冲问题具有十分重要的研究意义。 本文为解决高速气缸在驱动负载运动时，要求其活塞在行程中间任意位置停止的缓 冲问题，构建了高速气动机构随动缓冲实验平台，分别通过应用传统控制理论和实验回 归的方法建立了高速气动系统的随动缓冲控制模型，并用实验的方法分别验证了所建立 的两种模型的实际缓冲控制效果。实验结果表明基本实现了预期的研究目标。 论文完成的主要研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 为了满足某些特定气动机构的实际工作需要，针对气动机构的具体实验要求， 通过对比多套实验方案，构建了高速气动机构随动缓冲实验平台，编制了随动缓冲控制 和数据采集程序。 ( 2 ) 针对高速气动机构及其缓冲问题进行了较深入的理论分析，建立了气缸运动数 学模型，提出了气缸活塞运动过程中摩擦力的计算方法，针对本文中特定气动机构活塞 的运动规律，分阶段对活塞运动的动特性进行了分析，并分别用理论建模及实验回归的 方法建立了系统随动缓冲控制方法模型。理论建模方面，用传统控制理论的方法分别求 解出了活塞运动各阶段的传递函数，绘制了系统控制框图：实验回归方面，通过对实验 数据的分析建立了系统控制模型，并通过显著性检验和实验数据预测的方法判定了同归 模型具有较好的关联性。 ( 3 ) 通过实验分别验证了理论方法和回归方法所建模型的正确性。实验中通过设置 不同的负载质量和活塞工作点位置，将没有进行任何缓冲控制时活塞及负载对限位板的 冲击力与分别采用理论控制模型和同归控制模型进行控制后的冲击力进行对比，对比结 果表明，采用传统控制理论和实验回归的方法所建立的两种控制模型来控制本套气动机 构进行随动缓冲实验，都能极大地减小气缸活塞对限位板的冲击力，均达到了较好的缓 冲效果。 关键字：高速气动机构，随动缓冲，数学模型，控制方法模型 硕士论文高速大负载气动机构随动缓冲研究 a b s t r a c t i ns o m es p e c i a l叩e r a t i n go c c a s i o l l s ， f o r e x a m p l e ，h i 曲一s p e e dp r o p u l s i o n ， p n e u i l l a t i c m e c h a 血s mw k c hi sf o n n e db yh i 曲- s p e e da i rc y l i n d e ri sm u c hb e t t e rt 1 1 a no t l l e r “v em o d e s h o w e v e r ，t l l eh i 曲s p e e do fp n e u m a t i cc y l i n d e rc a ng e n e r a t eu n e x p e c t e di m p a c tf o r c ea tt l l e e n do fs t r o k e ，w h i c hm a yi n f l u e n c et l l el i f es p 锄o ft l l em e c h a j l i s m f u n h e m l o r e ，t 1 1 e u n e x p e c t e di m p a c tf o r c em a yt 1 1 r e a t e nt 1 1 es a f i e t ) ro fp e o p l ea i l de q u i p m e n tb e c a u s eo ft l l e v i o l e n tc o l l i s i o nc a u s i n gt h ed e f l a g m t i o no fi n f l 锄m l a b l ea 1 1 de x p l o s i v el o a d t h e r e f o r ei ti so f 擎e a tv a l u et 0d or e s e a r c ho nt h eb 硼f e 曲gp r o b l e mo fl l i 出一s p e e dp n e u m a t i cm e c h a n i s m a h i 曲- s p e e dp n e 啪a t i cm e c h a m s ms e oc u s h i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o mw a u sb u i l ti n t 1 1 i st h e s i st os o l v et i l ep r o b l e mt h a ti t sp i s t o nc 锄s t o pa ta n yp o s i t i o n 锄o n gp i s t o ns 仃o k e t h r o u 曲t 1 1 et r a d i t i o m lc o n 仃o lm e o d ，a i l dt h em e t l l o do ff i t t i n ge x p e r i m e n t a ld a t a ，“旧 d y i m m i cc u s h i o nc o n _ t r o lm o d e lo ft h eh i 曲一s p e e dp n e u m a ：t i cm e c h a i l i s mw e r ee s 诅b l i s h e d ， 粕dt l l ea c t u a le 丘c c t so ft h ec o n t r o lm o d e l sw e r et e s t e db ye x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e m 2 l l r e s u l t ss h o wm a tt l l er e s e a r c ha c l l i e v e dt h ed e s i r e dg o a l t h em a i nw o r k so ft h er e s e 硼i c ha r ea sf 0 u o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt 0t l l es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fe x p e r i m e n t sp n e 哪a t i ci 1 1 s t i m t i o n s ，a l l i g l l s p e e d 锄dh e a v e l o a dp n e u m a t i cm e c h a i l i s ms e r v oc u s h i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o mw a s b u i l tt om e e tt h ep r a c t i c a ln e e do fs o m es p e c i a lp n e u m a t i cm s t i t i n i o i l sb yc o m p a r i n gm a l l y s e t s0 fe x p e r i m e n ts c h e m e s a ne x p e r i m e n t a lc o 蛐o la n dd a ：t aa c q u i s i t i o np r o g r a mw 鹤 c o m p i l e da n dt h es e r v oc u s h i o nc o n t r o lp r o c e d u r e s 忙r ec o m p i l e d ( 2 ) at l l o r o u g ht i l e o r e t i c a la i l a l y s i so nc l l s b j o np r o b l e mo ft h eh i g h - s p e e dp i l e u m a t i c m e c h 撕s mw a sr e s e a r c h e d 锄dt h em o t i o nm a t l l e m a t i c a lm o d e lo fc y l i n d e rw 弱e 鲒a b l i s h e d a i n e m o dw 弱p u tf 0 ，a r dt 0c a l c u l a t i n gt i l e 饿c t i o np r o d u c e dm l r i n gt h ec y l i n d e rp i s t o n m o v e m e n tp r o c e s s a c c o r d i n gt 0t l l er e g u l a rp a t t e mo fm ep i s t o ni i lt b j st 1 1 e s i s ，t l l ed ) ，i l 锄i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a j y z e dt oe a c hs t a g eo ft l l ep i s t o n sm q v e m e n t t w od y n 锄i cc u s h i o n c o n t r o lm o d do f 也ek g h s p e e dp n e u m a t i cm e c h a i l i s mw e r ee s t a b l i s l l e dt l l r o l l g hm e 仃a d i t i o i l a ic o r l 仃o lm e 呵孤dt h em e t h o do ff i t t i n ge x p e r i m e n t a ld a t a t h e o r e t i c a ls i d e ，恤 p h a s e 如i l c t i o i l so fe a c hs t a g eo ft l l ep i s t o n sm o v e m e n t 、v e r eo b t a i n e d 龇l ds y s t e mc o n t r o l d i a 铲a m sw e r ed e s i g i l e d ；a n de x p e r i m e 删s i d e ，n l es y s t e m c o n n 0 lm o d e l 、v a se s t a t ) l i s h e db y f i t t i n ge x p e r i m e n t a l 龇，a l l d 也er e l e v a n c eo ft l l em o d e lw 舔p r o v e d 也r o u 曲也es i g n i j f i c a n t t e s t 锄dp r c d i c t i n gt l l ee x p e m 髓td a t a i l i a b s t r a c t硕士论文 ( 3 ) n l ev a l i d 时o f 廿l em o d e lb u i l tb yt l l et i i e o qm e t l l o d 觚d 恤r e g r e s s i o nm e 恤dw 鹤 v e r i f i e db ye x p e r i m e n t s d i 疏r e n tl o a dm 嬲s e s 觚dp i s t o nw o 凼n gp o i n tp o s i t i o n sw e r e ti n 也ee x p e r i m e n t t h e l l t h ei m p a c t so ft h eb a m ef - r o mt l l ep i s t o nw i t h o u ta n yc l l s k o nc o n t r o l m o d e l ，w i t l lt l l em e o r yc o n t r o lm o d e l 锄d 埘t l lt l l er e g r e s s i o nc o n t f o lm o d e lw e r ec o m p a r e d t h er c s u l t ss h o w 廿l a t 曲i m p a c t so f 也eb a m e 劬mm ep i s t o n 晰t 1 1m em e o r yc o n 仃0 lm o d e l 觚dt l l er e 孵s s i o nc o n t r o lm o d e la r es m a l l e r 锄dt h ep i s t o n 觚d1 0 a dc u s l l i o ne f f e c t sa r eb e t t e r t h ei m p a c tf b r c et 0w o r kp o s i t i o ni sg r e a t l yr e d u c e d k e yw o r d ：h i g l l s p e e dp n e u m a t i cm e c h a l l i s m ，s e r v oc u s h i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， c o n 仃o lm e t l l o dm o d e l 硕士论文 高速气动机构随动缓冲研究 l 绪论 1 1 气动技术发展 气动( p n e u m a t l c ) 是“气动技术”或“气压传动与控制”的简称。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传递或信号传递的工程技术l l j 。 气动技术以介质来源广泛、无污染、安全可靠、低成本，以及防爆、能适应潮湿、高温 等恶劣工作环境等优点，已经广泛应用于各种工业自动化和特殊作业场合。近年来，随 着加工技术的不断提高、材料和密封技术的发展、自动化技术的发展、与电子电气技术 的有效结合，气动技术的应用领域已从机械、冶金等重工业领域扩展到轻工、食品、化 工等工业部门，如汽车轮船制造行业、电子半导体制作行业、木工机械行业、食品医药 行业的包装自动化等等 列。气动技术的应用对于实现生产过程的自动控制、减轻劳动强 度、降低产品生产成本、提高产品质量等都发挥了很大的作用。 此外，随着气动技术应用领域的不断扩大、气动自动化系统集成程度的不断提高， 对气动装置的生产效率的要求也越来越高，无形中促进了气缸运行速度的提高。气缸的 高速化发展对提高装置的生产效率有着重要意义。近年来，s m c 、c k d 、t a i y o 、o r i g a 、 n o r g r e n 、m e c m e n 等公司研制生产的无出杆气缸的最大运动速度均已达到2 m s 以 上，其他类型的高速气缸的最大运动速度甚至达到了3 4 m s 。然而高速气缸的应用还面 临着一些需要解决的技术问题，例如气缸密封所需的材料及形状、气缸的有效驱动方式 以及如何吸收冲击惯量对气缸进行有效缓冲等等，其中如何实现高速气缸有效的缓冲尤 为重要【3 ，4 1 。 在某些特殊的作业场合，要求被推进的质量负载在运动末端具有较大的初速( 譬例 如初速为3 8 眺) ，或者要求进行负载推进的循环操作时间( 作业周期) 很短( 例如2 0 次m i n ) ，高速气动机构对实现这些操作是具有技术优势的。但是，气缸高速运动，活 塞在停止位置( 常见的是气缸行程末端，特殊要求的是在气缸行程的任意中间位置) 的 缓冲问题则是一个很大的技术障碍。如果在活塞的停止位不能实现近零速的缓冲，而是 以大过载发生碰撞，可能使机构推进的易燃易爆负载造成严重事故。因此，实现对高速 运动气缸的有效缓冲控制，既顺应气动系统的实际发展方向，又满足工业实际需求的非 常有研究价值，具有重要的研究意义。基于这种现实，本论文希望通过理论研究与实验 研究相结合的方法，建立起对气缸活塞行程中各位置的缓冲都能进行有效控制的控制模 型，这对于扩大高速气缸的应用领域、提高气动技术的应用价值具有重要的意义。 1 2 气动缓冲研究的意义和发展现状 i 绪论 硕士论文 1 2 1 气动缓冲研究的意义 气缸足气动系统中目前应用范围最广泛的元件之一。随着现代工业自动化的迅猛发 展，对生产效率、产品质量等的要求不断提高，用户对气缸的各项性能也不断提出新的 要求，市场的需求迫使厂家提供能满足各种要求的执行元件。气动元件，尤其是气缸， 将继续向着高速化、精确化、复合化方向发展1 5 j 。 气缸的高速化发展势必带来新的问题，当气缸需要驱动人质量负载进行高速运动 时，在停j i ：位或行程末端易产生很大的冲击和振荡【6 】。过大的冲击力不仅会对气动元件 本身造成损坏，也影响了整个系统的工作寿命，严重时甚至可能造成生产事故的发生， 因此，研究气缸缓冲问题具有重要意义。 1 2 2 气动缓冲研究的发展现状 一般气缸都是满行程运行，其停i i ：位是在其末端，因此可以在缸筒底部结构上设计 缓冲结构，实现行程末端的有效缓冲。无论是针对气缸内部缓冲结构的设计、缓冲材料 的选朋还是气缸外部缓冲机构的装置、缓冲回路的构成，国内外学者都进行了较深入的 研究。纵观研究成果町知，气缸缓冲的主要方式有橡胶垫缓冲、气压缓冲、缓冲器缓冲 和系统缓冲等几种方式f 7j 。 1 2 2 1 橡胶垫缓冲 橡胶垫缓冲是指在气缸两侧缸盖上或者活塞两端安装橡胶垫，图1 1 所示气缸的橡胶 垫即设置在活塞两侧，当活塞运行到行程两端时，靠橡胶垫来吸收活塞的冲击能量，达 到缓冲的目的。南于橡胶取材方便，经济实惠，且具有一定的缓冲减振效果，凶此在工 业牛产中使用较为普遍，在实际t 作情况下，通常缸径小于1 6 m m 的气缸采用橡胶缓冲 垫1 8 ，9 1 。 ： 。 k 盛 呼珊 至稀j p 一 o 、一 一一。t ? ，i 。 l 、2 一橡胶缓冲垫 图1 1 橡胶垫缓冲气缸 1 2 2 2 气压缓冲 气压缓冲是利用活塞在行程终端前封闭的缓冲腔室所形成的气垫作用来吸收动能 2 硕士论文高速气动机构随动缓冲研究 的，其实质是利用空气具有的较强的可压缩性。 气压缓冲气缸的结构原理如图1 2 所示，活塞两端各有一个缓冲柱塞，而气缸两端缸 盖处各有一个缓冲柱塞腔，当气缸活塞向右运动到接近缸盖时，右侧缓冲柱塞右端面接 触右侧柱塞腔的左端面，缓冲密封圈将缸盖上的主排气孔堵住，密封在缸盖与活塞间的 气体只能流经节流阀排出。调节节流阀的阀口大小，气缸右腔内气体继续被活塞压缩， 腔内压力持续增大，形成的气垫对活塞产生反向一个作用力，使得活塞运动速度逐渐减 小，达到缓冲目的【l o 1 1j 。 缓 p 2 磺- p l l ， 彩| l 一节流阀2 一缓冲柱塞腔3 一缓冲柱塞4 一活塞5 一活寒杆 图1 2 气压缓冲 使用气压缓冲能有效地达到缓冲的目的，但其中节流阀阀口大小的调节却非常的困 难。这是因为，要想活塞达到行程末端时刚好停止，那么节流阀阀口的开度也必定为一 固定大小，若阀口开口过大，腔内气体排出速度过快，达不到缓冲的目的，反之若开口 过小，气垫将对活塞产生过大的反向作用力，活塞不仅无法到达行程末端，而且极易出 现振荡甚至反弹现象【12 1 。 1 2 2 3 液压缓冲器缓冲 如果把橡胶垫缓冲和气压缓冲都看作是内缓冲形式，使用液压缓冲器则属于外缓冲 形式。当气缸自身的缓冲能力不足，使用内缓冲不足以达到缓冲效果时，为了避免活塞 杆对缸盖及其他设备的过大冲击，可在外部设置液压缓冲器。液压缓冲器可将9 0 以上 的冲击能通过节流孔吸收，并将之转化为油液的热能散发掉，其缓冲效果和衰减系数都 比传统缓冲器有大幅提高【l3 1 。 图1 3 所示为某型号液压缓冲器内部结构原理图i l4 | ，当活塞杆1 顶端受到冲击向右 运动，右侧腔中的油液受到冲击压力，但内筒上的小孔的节流作用使得油液无法顺畅地 流出，活塞杆受到的大部分冲击动能转变成右侧腔内油液的压力能，腔内油压急剧上升， 高压油液以高速从小孔节流口喷出，将油液压力能转变为热能经缓冲器简体散发至外界 空气中。缓冲器活塞3 运行至行程终端前油液已将活塞杆所受冲击能全部吸收，经小孔 流出的油液流回至活塞左侧腔中，由于两腔体积差而多余的油液被贮油元件2 贮存，缓 l 绪论 硕士论文 冲结束后，缓冲器内的复位弹簧再将左腔及贮油元件中的油液挤回到活塞右侧，活塞_ 卡t 随之复位，为下次的缓冲做好准备。 l 一活塞杆2 一贮油己件3 一活塞4 一复位弹簧 图1 3 某液压缓冲器结构原理图 1 2 2 4 系统缓冲 系统缓冲是指将系统看作+ 个整体，利用控制的方法来实现最侍的缓冲性能。系统 缓冲根据其介质的不同，人体上可以分为气动缓冲回路和气液联动缓冲回路。 ( 1 ) 气动缓冲同路 简单的气动缓冲回路丰要是利用节流阀的节流作用米进行速度控制实现缓冲7 】，分 为进气节流和排气节流，分别如图1 4 中( a ) 图和( b ) 图所示。 ( a ) 进气节流( b ) 排气节流 图l ，4 进气节流和排气节流回路 进气节流和排气节流两种方式中，一般采用排气节流。这是因为若采用进气节流的 方式，由于进气流量较小而排气流量大，进气腔压力上升非常缓慢，一段时间后，当两 腔压力差增加到刚好能克服各种阻力时，活塞会突然运动起来，使得进气腔容积突然增 4 硕士论文 高速气动机构随动缓冲研究 大，进气腔内压力突然下降会导致活塞停止前进。气缸活塞的这种“时走时停的现象 称为气缸的爬行【l5 1 。因此为避免爬行现象的出现，一般不采用进气节流的方式。 近年来，随着对气缸位置控制精度要求的不断提高，简单的气动网路已无法满足系 统的缓冲要求，更多较复杂的系统被应用到了气缸的缓冲研究中，最常用的就是电气 比例伺服控制系统，其原理示意图如图1 5 所示6 1 。 位移传感器 图i 5 电气比例伺服系统原理示意图 在输出功率较小的场合，使用电气比例伺服系统可以方便地实现多个点之间的柔 性定位和无级调速，气缸的运动速度连续可调，与传统的利用节流阀或气缸末端加缓冲 器的方式相比，可以大幅度降低气缸动作时间，达到最佳的速度和缓冲效果。 ( 2 ) 气液联动缓冲回路 气液联动回路常被用在负载变化大、运动过程要求平稳、定位精度要求较高等的场 合，使用气液联动速度控制回路可实现无级调速。 图1 6 所示为使用气液转换器的速度控制回路。该回路中使用了两个节流阀来分别 控制活塞的两个运动方向，通过改变节流阀的阀口开度实现活塞两个方向的无级调速， 该回路的使用要求气液转换器中的油量必须大于缸的容积，同时还必须注意气液之间的 密封。 i 绪论 硕士论文 图1 6 气液转换器速度控制同路 1 3 本课题的提出及面临的问题 1 3 1 本课题的提出 气缸是气动机构中使用最为广泛的一种执行元件，其优点之一就是能够驱动机构进 行高速运动，但是机构运动到位时却常常具有较大的冲击，不仅对机构零部件造成损坏， 也会影响整个系统的可靠性和安全性。 某高速气动机构的系统结构简图如图1 7 中所示，支臂o b 可绕o 点转动，气缸活 塞杆与支臂在b 点处连接，气缸缸筒另一端与一固定点a 铰接，机构中装有高度可调 的限位架【1 7 】。负载进入负载料舱后，气缸活塞杆伸出，驱动支臂o b 高速向下摆动当气 缸推进负载运动到达限位架上时，负载经限位架上固定推进筒送出。由于机构所带负载 为易燃易爆物，因此，要求气缸推动负载达到限位架上时不能产生大的冲击，否则易发 生负载燃爆事故。 从图1 7 中可以看出，限位架高度固定后，对应着气缸及支臂的一个摆动角度，气 缸活塞随着气缸及支臂的摆动伸出一个对应的位移量，例如，图中气缸及支臂摆动角度 为口角时，对应的气缸活塞杆伸出量为s l ，随着气缸驱动支臂继续向下摆动，当摆动 角度增加到9 角时，对应的气缸活塞杆伸出量为s 2 。由此可见，要想实现负载能被推 送至任意高度的限位架上且达到限位架上时不发生强烈碰撞，则要求气缸活塞杆能对应 伸出不同的位移量，即要求气缸活塞能在其行程中间的任意位置处停止且停止时能实现 有效缓冲，不能产生过大的冲击力。 6 硕士论文高速气动机构随动缓冲研究 劲。鳓文 图1 7 某高速气动机构结构简图 1 3 2 本课题面临的问题 从上述章节的论述中可以看出，针对高速气动机构的缓冲所做的研究已经取得了一 定的成果，但针对本课题而言，还面临着以下一些问题： ( 1 ) 以往对高速气缸的缓冲问题所做的研究，大部分针对的都是气缸活塞运行到其 末端时的缓冲，而在某些特殊机构中( 例如图1 7 所示的气动系统) ，气缸活塞的停止位 置并不只在其行程末端，而是在其整个行程中间的任意一个位置处。因此，如何实现气 缸活塞在行程中间的任意位置停止时都能进行有效缓冲，而不对机构产生过大的冲击是 需要研究的新问题。 ( 2 ) 在以往的研究中，针对气动机构所做的理论分析通常都是对活塞运动的全过程 进行分析，而忽略了缓冲过程中活塞的动特性分析，然而事实上，气缸活塞在缓冲过程 中动特性的变化是影响实际缓冲效果的重要因素。因此，有必要对气缸运动的全过程， 尤其是其缓冲过程分阶段进行更全面的理论分析。 ( 3 ) 能否实现高速气动机构的随动缓冲，即气缸活塞在其行程中间的任意位置停止 时都不会对机构其他元件造成过大的冲击，取决于对系统进行控制的方法和模型是否正 确。因此，必须通过选用适当的方法建立起正确的控制模型，并验证所建模型的正确性。 1 4 本课题的研究内容 通过以上分析，本课题针对高速气动机构所做的随动缓冲控制研究主要包括以下几 个方面内容： 7 l 绪论 硕士论文 ( 1 ) 针对特殊气动机构的实际工作需要，在满足实验要求的基础上，从元器件的经 济性、系统安装维护的便利性等方面进行考虑，制定合理的实验方案，选用适当的元器 件构建了系统实验平台，设计了实验控制及数据采集软件，编制随动缓冲控制程序。 ( 2 ) 针对当前高速气缸缓冲理论分析不全面的现状，需要建立一套更全面的高速气 动机构的理论模型，不仅包含气缸活塞运动的特性分析，还应针对高速气缸活塞的运动 规律分阶段的分析其动特性，分别建立各运动阶段的数学模型，为后续控制方法的确定 提供理论依据。 ( 3 ) 气缸活塞的运动过程分为加速运行和减速缓冲两个阶段，针对两个阶段活塞运 动特性的不同，分别采用理论建模和实验回归的方法建立各阶段的控制模型。 ( 4 ) 通过实验的方法分别将理论模型和回归模型控制下的实际缓冲效果与不对系统 进行任何缓冲控制时的效果进行比较，以此来验证所建立的控制模型的正确性及实际缓 冲效果的好坏。 硕士论文 高速气动机构随动缓冲研究 2 高速气动机构随动缓冲实验平台的构建 本章主要针对高速气动机构随动缓冲系统构建了实验所需硬件平台及实验控制和 数据采集软件平台两个部分。在硬件平台的构建过程中，分别设计了三种不同的实验方 案，通过比较分析二三种方案的优劣确定最优方案；软件平台控制程序利用l a b v i e w 软 件及其内部庞大的数据库编制实现。 2 1 实验硬件平台的构建 2 1 1 实验系统硬件平台概述 典型的气动控制系统一般由控制器、气源设备、电气控制元件、气动执行装置、 传感器和接口电路组成，系统的功能是驱动负载按照期望的规律进行运动。气动系统控 制调节装置同一般的控制系统一样，具有测量元件、信号比较元件和放大元件，在整个 系统中，电气元件负责信号的检测、比较和放大处理，处理后的信号传送至控制器，经 过一定的控制算法运算后，系统中的电气机械转化装置再将电信号转换为机械信号， 经过气动放大器放大后将气体动力输送给执行元件，驱动执行元件完成相应动作i l 剐。 2 1 2 实验方案的确定 2 1 2 1 三种实验方案的设计 根据气动控制系统中所用控制元件的不同，针对驱动高速气动机构进行随动缓冲的 实验要求，设计了三种不同的实验气动回路。 ( 1 ) 方案i 图2 1 所示为方案i 气动回路图。 系统中的选用高速开关阀作为主控元件，利用控制器( 计算机) 输出脉冲调制信号， 经放大器放大后去控制开关阀，以驱动气缸运动。高速开关阀是一种数字型电液控制元 件，在直接数字控制电液系统中有着重要地位。气动高速开关阀因成本低、抗污染能力 强、重复精度高、功率质量比大以及切换迅速等优点，近年来在微电子、包装装配等工 业领域中获得了广泛的应用。伴随着数字技术及集成电路的发展，气动高速开关阀在工 业自动化中的应用范围也由传统的简单开环控制系统向伺服控制系统中拓展1 1 9 ，2 0 1 。 9 2 高速夫负载气动机构随动缓冲实验平台的构建 i 位移传感器 奠二：二二二二 _ _ _ _ 。_ 。_ 。- 。- _ _ 。- _ _ - _ - - _ 一 图2 1 方案i 气动回路图 硕士论文 ( 2 ) 方案i i 方案i i 的气动回路图如图2 2 所示。 系统中所选核心控制元件为比例流量阀，该方案是将控制器( 计算机) 输出的电信 号经过d a 转换，按比例控制阀的开口度，将信号转换成机械力或位移，经放大器放大 后再转换成气体的流量去推动执行元件动作。 l o 硕士论文高速气动机构随动缓冲研究 图2 2 方案i i 气动回路图 使用比例流量阀控制属于连续控制，阀口输出流量随输入电信号的变化而成比例的 变化。比例流量阀的使用可实现压力的无级调节，避免使用开关阀时的冲击现象，且与 断续控制系统相比，系统结构大为简化。但比例流量阀的造价较之普通电磁阀仍显昂贵， 且系统受被控对象参数变化及外界的干扰较大【2 5 】。 ( 3 ) 方案i 图2 3 所示为方案i i i 所用气动回路图。 方案中所选主控阀为中位封闭式三位五通电磁换向阀，其工作原理是由微型直动 式电磁铁控制输出气体的压力，推动主阀阀芯移动，实现阀内通道之间的切换。与高速 开关阀和比例流量阀相比，该阀具有体积小、工作可靠、冲击小、寿命长及价格经济等 特点【2 6 】。 2 高速人负载气动机构随动缓冲实验平台的构建 硕士论文 ：! i i i ! ! i i 丑= ：彳一一一一一 图2 3 方案气动回路图 2 1 2 2 实验方案比较确定 表2 1 所示为对三种实验方案进行的比较分析。 表2 1 三种实验方案比较 结合上表所示的比较分析结果可以看出： ( 1 ) 实验方案i 中所用控制方法比较简单，控制精度也较准确，但为了实现系统的 保压功能，在使用高速开关阀的基础上还需另外增加两个手动开关阀，因而增加了所用 元器件的数量及系统的复杂性，此外高速开关阀的成本也较高，有悖于经济性原则； ( 2 ) 实验方案i i 所用的元件最多，对空气流量的控制最准确，但是比例流量阀价格 比较昂贵，不满足低成本的要求，而且使用比例流量阀进行控制时对控制电压等的要求 硕士论文 高速气动机构随动缓冲研究 也较高2 加，不利于控制及操作的简便性； ( 3 ) 实验方案i 使用的元件数量最少而且成本最低，控制精度简单且较准确，能有 效地满足系统的控制要求，此外整个系统的安装维护都较简单方便。 通过上述三种实验方案的优劣比较不难发现，实验方案i i i 在元器件的简易性、成本 的经济性、安装使用的方便性等方面都更佳，因此选择其作为高速气动机构随动缓冲研 究的最终实验方案。 2 1 3 硬件平台元件选型 根据图2 3 所示方案i i i 气动回路图，对系统中主要元器件进行选型。 ( 1 ) 气动执行元件 所选气缸是由日本s m c 公司生产的标准型单活塞杆双作用气缸，型号为 c d m 2 l 4 0 2 5 0 c 7 3 ，其价格适中、成本较低且具有代表性，表2 2 列出其技术参数。 表2 _ 2 所选气缸技术参数 ( 2 ) 传感器 本实验中用到了两个压力传感器和一个位移传感器，分别测量气缸两腔气体压力量 活塞及负载位移。 、 所选用的压力传感器来自美国丹纳赫公司g e m s 系列传感器，其具体型号为 1 2 0 0 s g b 1 0 0 8 a 3 u a ，其相关性能参数列于表2 3 中。 位移传感器选用美国m t s 公司生产的r 系列非接触式传感器。该传感器的工作原 理是利用磁致伸缩技术，通过两个不同磁场相互交叠产生一个应变脉冲信号来准确地测 量位置。如图2 4 所示，其测量元件是一根波导管，内部是有特殊磁致伸缩材料制成的 敏感元件，活动磁环作为位置变化套在波导管上。使用时，传感器的电子室内产生的电 流脉冲在波导管内传输，产生一个网周磁场，当该磁场和活动磁环产生的磁场相交时， 由于磁致伸缩的作用，波导管内产生一个应变机械波脉冲信号，该信号在波导管内的传 输时间与活动磁环到电子室之间的距离成正比，通过测量传输时间就可以高度精确地确 定该距离。该传感器具体性能参数列于表2 3 中。 2 高速人负载气动机构随动缓冲实验平台的构建 硕士论文 本实验中所用气源压力恒为0 5 m p a ，所选气缸行程2 5 0 m m ，分别在压力传感器和 位移传感器的测量范围内，因此所选传感器适用于本实验系统。 ( 3 ) 其他元器件 本实验t 扣所用到的其他兀器件及相关性能分别列于表2 4l i i 。 表2 4 所用元器件列表 实验硬件平台整体实物图如图2 5 所示。为了满足系统承受大负载的实验要求，将 实验用气缸采取竖直安装的方式，负载竖直向下地固定在活塞杆末端，这种安装方式能 有效地保证实验中活塞杆所受到的负载提供的惯性力始终保持恒定，不会受到负载与其 硕士论文高速气动机构随动缓冲研究 他元器件之间摩擦力的影响。此外，为了标示出位于气缸活塞行程中部的负载的停止位 置，在实验台上安装了一块高度可调节的限位板，可以通过调节限位板的高度来满足负 载在活塞行程中部不同停止位置的需要。 图2 5 实验系统实物图 2 2 实验控制及数据采集软件方案设计 2 2 1l a b e w 软件简介 本实验软件平台控制程序利用l a b e w 软件编制实现。l a b v i e w 是l a b 0 咖r y v i r t i 埝l i n s n u m te n g i n r i n gw b r k b e n c h 的英文缩写，是一种使用图形化的符号来创建 程序的编程环境，用图标表示函数，通过连线把函数节点连接起来，连线即表示数据的 流向，包括前面板( 舶n tp a n e l ) 、流程图( b l o c kd ia _ g 舳) 及图标连结器( i c o n c o n n e c 缸) 三部分。内部控制程序可以实现并行处理机制，从而提高了数据处理运算速度。控制程 序采用模块化方式，主要包括：参数设置初始化程序、信号采集显示程序、系统子程序、 控制系统号输出程序；其中系统子程序为焊接控制程序、位置伺服控制程序等。与其他 编程控制软件相比，l a b v l e w 具有直观易懂、编程系统通用以及模块化等特点，为使 用者带来了极大的便利【2 8 。划。 2 2 2 控制软件功能需求及控制流程 实验中控制及数据采集软件设计的目的是实现对电磁阀的控制以及采集相关数据， 主要实现以下功能f 3 l ，3 2 】( 图2 6 ) ： ( 1 ) 实验控制：当硬件条件有改变时，能根据硬件条件的变化对系统相应初始参数 进行设置；根据设置的初始参数，按给定控制模型进行控制参数的计算，确定控制参数 2 高速犬负载气动机构随动缓冲实验平台的构建 硕士论文 大小；根据计算所得的控制参数控制具体实验过程。 ( 2 ) 数据采集及显示：对实验过程中传感器检测到的运动过程参数数据信号进行采 集，并将采集到的实时数据直观地显示出来。 实 验 控 制 模 型 设 定 随动缓冲系统 实验控制ii 数据采集及显示 系 统 初 始 条 件 设 置 控制参数变量确定 实 验 过 程 控 制 运 动 参 数 信 号 采 集 运 动 参 数 图 形 显 一 不 图2 6 控制软件功能需求 根据以上功能需求分析，控制软件平台选择普通p c 机，采用l a b v i e w 语言对各 功能模块进行开发，实验控制流程图如图2 7 所示，初始化阶段主要进行对相关参数的 设置，包括板卡采集通道、数据采集频率等，完成初始化后程序即开始运行，板卡接收 到传感器传送到的数据后进行a d 转换，根据控制模型计算出对应的控制参数的值，再 经d 转换输出相应的控制信号，控制执行装置的下一步动作。重复上述过程直到执行 装置完成预期的动作，程序即运行结束。 1 6 硕士论文高速气动机构随动缓冲研究 厂、 ( 系统初始化) 、l 控制参数变量值计算 l 实验开始l 笋 测气缸活塞运动各参数 一m j 开始缓冲制动 j 活塞停止在设定位置 j r 实验结柬、) 图2 7 控制流程图 随动缓冲实验控制系统前面板如图2 8 ( a ) 所示，主要包括操作控制区、图形显示区 和参数设置区三个区域，在操作控制区主要进行“初始化”、“实验开始”、“实验停止”、 “气缸回程”等操作，图形显示区用来显示图2 8 ( b ) 中图形采集区采集到的实验数据曲 线，参数设置区主要对采集通道、采集频率等系统初始参数进行设置，图2 8 ( b ) 中的控 制方法数学模型编辑区则用于编辑控制高速气动机构随动缓冲的具体数学模型，该模型 的具体建立过程将在本文第4 章进行介绍。 l 嚼 l 口一秽 1 8 3 2 0 3 0 0 捌 罄2 5 0 喊 2 0 0 1 8 0 3 2 0 3 糍 馨2 鼬 拇 2 0 日 l 缓冲蜜验系统平台 厂 i 二 卜粤翻 聪攀凰二= = 秘 麓燧封目 一 ( a ) 前i f i j 板 雪麓嘧豇= = 。二= 面1 _ 幽_ 幽r 刨k 。一 ( b ) 尹，；制w f 1 j 劁 图2 8 实验控制系统前而板 日五一- 箍曩谴递 - 谨0 萤。 嫩螺 s t 钿蛔蜥i 鬟舞顿辜 瑟圃j 雅 厘 m 鹏魏o口 逞静掣 擒曝 婚!譬 5 槐 一 辨 盼 辨敷 孙 一 o 搿 辩 一 曲 豁媲 埔一 o t 菱 | 【 一 i _ l - 毒 _ _ 。 醚 一】j l 翦一 罢 j匡 硕士论文高速气动机构随动缓冲研究 3 高速气动机构随动缓冲控制特性研究 气动系统具有与液压系统不同的特点，其工作介质密度小、可压缩性强等特点导致 气动系统的数学模型远比液压系统复杂。采用简单分析方法很难建立准确性高、精度高 的气动系统数学模型，也就无法针对数学模型作进一步的分析【3 3 】。 气动系统的非线性总结起来主要有下述几个表现 3 4 】： ( 1 ) 时变性：系统参数随时间及工作点位置的变化而变化； ( 2 ) 压敏性：系统特性受气源压力变化影响大； ( 3 ) 刚度低：系统受外力扰动的影响大； 本章针对气动系统的这些特点，通过机理分析的方法，运用如牛顿定理、能量守恒 定律等常用定理，建立了气动系统中的关键环节气缸的运动过程的数学模型，并对 气动缓冲过程中的相关动特性进行了理论分析。 3 1 气缸运动的数学模型 在运用气压传动系统动力学等理论建立气动系统的模型时，有必要进行一些合理的 假设，使得计算更为简便，所做假设如下f 3 5 】： ( 1 ) 气体为理想气体，即满足理想气体状态方程p 蝴乃 ( 2 ) 在动作过程中，气缸内外气体无热交换； ( 3 ) 气源压力恒定，气源温度为环境温度； ( 4 ) 各部分泄露忽略不计； ( 5 ) 气体腔室内的气体热力过程为准静态过程。 3 1 1 气缸活塞运动方程 为方便模型的建立，现将气缸结构简化，如图3 1 所示，气缸两腔的各参数下标分 别以字母a 、b 标记。 ab 图3 1 气缸结构简化图 1 9 3 高速气动机构随动缓冲控制特性研究硕士论文 在动态过程中，忽略由于气体速度变化而引起的气体惯性力的影响，气体作用在活 塞上的力仅为静压力f 3 6 】。根据牛顿第二定律可写出气缸活塞运动方程如下【3 7 】： 帆警= 只4 一只4 小哆 铲b + = 巨扣 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 式中： 瞄。气缸活塞及其驱动部件的质量，k g ； 卜活塞运动位移，m ； 砰一活塞所受摩擦力，n ； 卜活塞所受外力负载，n ： 以、彳厂进气腔、排气腔活塞作用面积，m 2 ； 尸口、p 厂- 进气腔、排气腔气体压力，p a ； 卜粘性摩擦阻尼系数； 厂库仑摩擦力，n ； e 、乃一系统动、静摩擦力，n ； 1 产一活塞运动速度，1 1 1 s 。 3 1 2 气缸两腔质量流量方程 为简化计算，在气动技术中常将气流所经过的由各种气动元件所组成的管道系统抽 象成一个等效的收缩喷嘴或节流小孔，气体在收缩喷嘴或节流小孔中的流动速度远远大 气体其与外界进行热交换的速度，因此气体流过喷嘴时所损失的能量也只是其具有的总 能量中很小的一部分，喷嘴中的流动可视为等熵流动【3 8 ，3 9 1 。 图3 2 所示为气体从大容积的上游腔室i 经过收缩喷嘴或节流小孔向小容积的下游 腔室i i 流动的示意图，分别用腔室i 和腔室i i 代表气缸两腔与外界进行气体交换时的 上、下游腔室。两腔对比可知，腔室i 的截面面积远大于腔室i i ，大截面i 中的气体 流动速度远远小于喷嘴中的气体速度，因此可将腔室i 中的气流速度v d 视为零。 硕士论文 高速气动机构随动缓冲研究 i 上游腔i i f 游腔 图3 2 气缸两腔抽象为节流小孔示意图 气缸的充气过程，气体从外界进入气缸容腔内，此时可将气缸外界视为上游腔室i ， 气缸的进气腔视为下游腔室i i ；排气过程，气体从气缸排气腔排m 到外界大气中，此时 可将气缸排气腔视为上游腔室i ，将气缸外界的空间视为下游腔室i i 。根据文献【3 7 l 可知， 气缸进气腔、排气腔气