（机械电子工程专业论文）采用磁流变流体制动装置的气动位置控制系统的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 气动位置控制系统是实现自动化的重要手段之一，它以成本低廉、工作 效率高、无污染等一系列优点，已在机械、化工、医药等领域得到越来越广 泛的应用。目前，在气动位置控制系统中，通常采用机械式气动制动闸和气 动伺服阀来实现位置控制。机械式气动制动闸只能用于开关控制，不能用于 程序化的速度控制和复杂的减速控制；而基于伺服阀的气动伺服控制系统对 压缩空气的质量非常敏感，而且难以调节。本文的研究目的在于利用简单的 开关式气压传动系统，通过施加磁流变流体( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简 称为m r f ) 制动装置，实现精度高、响应快的气动位置控制系统。 磁流变流体是一种在表面活性剂作用下软磁性材料颗粒在载液中形成的 悬浮液，在磁场的作用下能够在瞬间( m s 级) 从自由流动的牛顿流体转变 成具有一定可控屈服强度的宾汉( b i n g h a m ) 塑性固体，而且转变过程是可 逆的。磁流变流体是一种新型的智能材料，利用磁流变流体的流变特性，可 制作各种实时控制的阻尼器、减震器和制动器。 本文利用磁流变流体的流变特性，设计了磁流变流体制动装置。它能够 克服机械式气动制动闸和伺服阀的缺点：复杂性，可压缩性和对空气质量敏 感等。气缸与磁流变流体制动装置同轴放置，制动装置利用液体的流变性对 气缸施加较大的制动力。制动装置的制动力和运动通过位移传感器反馈的信 号进行控制，从而实现对气缸的位置控制。 在磁流变流体的流变机理和工作模式的基础上，对几种磁流变流体制动 装置的结构进行比较，选择了出力大的压力驱动模式及结构简单的直动式磁 流变流体制动装置用于气动位置控制系统中，并给出了该位置控制系统的结 构和控制原理。 根据磁流变流体制动装置的工作模式，提出了磁流变流体制动装置的制 动力模型，为制动力计算提供理论依据。给出了气动位置控制系统的工作原 理、逻辑控制模型和系统的数学模型。 采用有限元法( f e a ) 对磁流变流体制动装置的磁场进行分析，根据磁 流变流体制动力模型，对制动力特性进行了仿真计算，并给出了气动位置控 制系统的位置精度与运动速度之间的平衡关系。 对磁流变流体气动位置控制系统进行试验研究，包括中点定位测试，力 特性试验和动态响应特性试验。试验结果表明磁流变流体制动装置能够提供 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 可变的制动力，提高气动位置控制系统的定位精度和响应速度。 关键词气动位置控制；磁流变流体；流变特性；制动装置 ，坠查鎏三些奎兰三兰塑圭兰堡篁圣 a b s t r a c t p n e u m a t i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mi so n eo ft h ea p p r o a c h e sr e a l i z i n g a u t o m a t i z a t i o n b e c a u s eo fl o wc o s t ，h i g he f n c i e n c y ，n op o l l u t i o n ，i th a s b e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d so f m e c h a n i s m ，c h e m i s t r ya n dm e d i c i n e a t p r e s e n t ，i np n e u m a t i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h e r ea r et w o m e t h o d st o r e a l i z e p o s i t i o nc o n t r 0 1 t h e y a r em e c h a n i c a lb r a k ea n ds c r v ov a l v e m e t h o d s m e c h a n i c a lb r a k ec a n n o tb eu s e di np r o g r a mc o n t r o lo fs p e e d a n dc o m p l e xc o n t r o lo fd e c e l e r a t i o n b u to n l yi no n o f fc o n t r 0 1 b e c a u s e o ft h ec o m p l e x i t yo fc o n t r o la n dt h es e n s i t i v i t yt oa i rq u a l i t y ，t h ep o s i t i o n c o n t r o lu s i n gs e r v ov a l v ei sd i f f i c u l tt ob er e g u l a t e d t h i sp a p e ri st o r e a l i z e h i g ha c c u r a c y a n d r a p i dr e s p o n s ep n e u m a t i cp o s i t i o n c o n t r o l s y s t e mu s i n gs i m p l e0 1 1 - o f fp n e u m a t i cs y s t e m 谢t hm a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i d ( m r f ) b r a k e m r fi sas u s p e n s i o nw i t hn o n c o l l o i d a l ，m a g n e t i c a l l y p o l a r i z a b l e p a r t i c l e ss u s p e n d i n gi nt h en o n - m a g n e t i cm e d i u m i tc a nb ec h a n g e d f r o m n e w t o nf l u i dt o b i n g h a mf l u i dw i t h i n af e wm i l l i s e c o n d sw h e ni ti s e x p o s e dt o am a g n e t i cf i e l da n dc a nb er e v e r s e di ft h em a g n e t i cf i e l di s r e m o v e d t h ec h a n g i n gs p e e di ss e v e r a lm i l l i s e c o n d s b e i n gan e w t y p eo f s m a r tm a t e r i a l ，m r fi sa p p l i e dt om a k ea l lk i n d so f c o m p u t e rc o n t r o l l a b l e d a m p e r s ，s h o c ka b s o r b e r sa n d b r a k e s u s i n gt h er h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fm r f ，t h em r fb r a k ei s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mu s i n gm r f b r a k ew i l ln o tm e e tt h e p r o b l e m so fc o m p l e x i t ya n ds e n s i t i v i t yt oa i rq u a l i t yo f s e r v ov a l v ea n d m e c h a n i c a lb r a k e c o n t r 0 1 b e i n gc o n n e c t e dw i t ht h er o do fp n e u m a t i c c y l i n d e r ，t h eb r a k eu s i n gm r fc a ne x e r tab r a k ef o r c et ot h ec y l i n d e r u s i n gr h e o l o g i c a lp r o p e r t yo f t h ef l u i d a st h eb r a k ef o r c ea n dm o v e m e n t o ft h eb r a k ec a nb ec o n t r o l l e db yt h es i g n a lf e db a c kf r o mt h ep o s i t i o n s e n s o r ，p o s i t i o nc o n t r o lo f t h ep n e u m a t i cc y l i n d e rc a nb er e a l i z e d w o r k i n gm o d e so fm r f a n dd i f f e r e n ts t r u c t u r e so fm r fb r a k e sa r e c o m p a r e d as i m p l el i n e a rm r fb r a k ew i t hh i g h f o r c ep r e s s u r ed r i v i n g i i i - ；：堕玺堡三些尘茎三耋要占耋堡丝兰 m o d ei ss e l e c t e d t h es t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fp o s i t i o nc o n t r o l s y s t e mi sd e s c r i b e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm r fb r a k ei ss t u d i e d t h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，l o g i c c o n t r o lm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp n e u m a t i c p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n g m r fb r a k ea r ei n t r o d u c e d t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di nt h ew o r k i n gc l e a r a n c eo ft h e b r a k ei sa n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m e t h o d a c c o r d i n g t ob r a k ef o r c em o d e lo fm r f ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r a k ef o r c ea r e s i m u l a t e da n dt h eb a l a n c e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np o s i t i o na c c u r a c y a n d v e l o c i t yi sg i v e n t h ee x p e r i m e n to ft h ep n e u m a t i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e d o u t ，i n c l u d i n gb r a k i n gi nt h em i d d l eo fc y l i n d e r ，c h a r a c t e r i s t i c so fb r a k e f o r c ea n dr e s p o n s et i m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u k ss h o wt h a tm r f b r a k ei s a b l et op r o d u c eh i g hc o n t r o l l a b l eb r a k ef o r c ea n di n c r e a s ea c c u r a c ya n d r e s p o n s es p e e do fp n e u m a t i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s p n e u m a t i cp o s i t i o nc o n t r o l ；m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ；r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ：b r a k e i v 哈尔演丁业大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 气动位置控制系统是流体传动及控制技术的重要分支，已成为当今实现自 动化的重要手段之一。它以其成本低廉、工作效率高、无污染、节约能源、使 用和维护方便、对环境要求不高等一系列优点，己在机械、化工、医药、食 品、生物、运输等领域得到了越来越广泛的应用。 磁流变流体( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i u i d ，简称为m r f ) 是一种在表面活性 剂作用下软磁性材料颗粒在载液中形成的悬浮液。在磁场的作用下能够在瞬间 ( m s 时间数量级) 从自由流动的牛顿流体转变成具有一定可控屈服强度的 b i n 曲a m 流体，而且转变过程是可逆的。它是一种新型的智能材料。在以信息 技术、新能源、生物工程和新材料为主要标志的信息时代，以实现多功能和集 成化为目标的智能材料及器件是当今高技术材料研究的重要方向之一，且在许 多重要工程和尖端技术领域有着巨大的应用前景，因而近年来磁流变流体的特 性及应用研究备受重视。 本文利用磁流变流体的流变特性，设计了采用磁流变流体制动装置的气动 位置控制系统。由于工作介质具有较大的可压缩性，因而气动位置控制系统刚 性差、抗负载能力低。目前，在气动位置控制系统中，可通过使用机械式气动 制动闸和气动伺服阀或比例阀来实现位置控制。机械式气动制动闸只能用于开 关控制，不能用于程序化的速度控制和复杂的减速控制；而基于伺服阀的气动 伺服控制系统对压缩空气的质量非常敏感，而且难以调节【2 | 3 。本文所设计的 采用磁流变流体制动装置的气动位置控制系统，利用磁流变流体的流变特性对 气缸活塞施加一个可控的制动力，并通过位移传感器实现闭环控制，从而得到 准确而且刚度较大的位置控制。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 磁流变流体的发展与应用 磁流交流体的研究始于1 9 世纪4 0 年代j a c o br a b i n o w 4 】的工作，与 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 w i n s l o w f 副对电流变流体( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简称e r f ) 的研究工作几 乎同时开始【6 j 。4 0 年代至8 0 年代，磁流变技术和电流变技术的发展基本处于 停滞状态。8 0 年代以来，由于智能材料结构技术和微机技术的发展，推动了作 为机敏执行器的流变流体的发展。首先是电流变技术获得迅猛发展，后来由于 电流变技术在应用中遇到难以克服的困难以及磁流变技术相对于电流变技术的 优越性，人们开始把注意力转向磁流变技术。 磁流变流体由弥散质颗粒、载液、表面活性剂组成，它具有流变效应的最 根本原因在于弥散质颗粒的磁化性能。在载液中添加表面活性剂可以改善磁流 变流体的沉降性。目前磁流变流体的最大屈服应力达到1 0 0 k p a ( 比电流变流体 高两个数量级) ，响应时间短，温度稳定性好( - 4 0 c 1 5 0 ) ，耗能小，因而 可满足各种应用的需要1 7 j 。 基于磁流变流体的装置包括阻尼器、制动器、离合器、抛光装置、液压 阎、密封装置、复合构件等 9 1 。 磁流变流体阻尼器可广泛用于各种振动控制系统，具有阻尼力大、电功率 消耗低等特点 1o 】。l o r d 公司开发的汽车座椅悬架阻尼器，该阻尼器直径为 4 1 c m ，活塞行程为2 9 c m ， 阻尼器使用的磁流变流体为7 0 m l ，在阻尼通道 中发生流变效应的磁流变流体为0 3 m l 。采用该阻尼器使卡车座位振幅减少了 2 5 5 0 ，大大减少了司机在崎岖山路上驾车的危险。l o r d 公司还设计一种 内径为2 0 3 c m 的阻尼器，可产生2 1 0 5 n 的阻尼力，用于减轻建筑结构地震 响应【1 1 , 1 2 o 哈尔滨工业大学欧进萍和关新春分析了这种阻尼器的力学模型，设 计了磁流变阻尼器，并进行了性能研究【l3 1 。 磁流变抛光是一种磁场辅助的流体动力抛光技术，其加工对象主要是玻 璃、陶瓷和塑料等非磁性材料i l ”。磁流变抛光不仅能纠正光学元件的形状误 差、微观不平度，而且加工中不产生表面和次表面损伤。磁流变抛光已用于极 高精度光学表面的抛光，可将光学材料表面的微观不平度减少到o ，0 0 1 “m 以 下。 密封装置是通过磁场控制密封间隙中的磁流变流体的粘度而达到密封作 用。在密封件内部由于只有导磁铁与流体的接触密封，因此它具有以下优点： 严密的密封性、不可测量的泄露率、寿命长、可靠性高、基本无污染、高速性 能好、低摩擦、良好的修复性和无方向性密封。磁流变流体主要用于水、油等 液体密封，在往复运动轴、旋转轴、动压式机构、真空机构以及化工用搅拌器 中作密封材料。 可控的复合构件或结构是把磁流变流体作为一种结构元件封闭在相对的夹 层中，以形成机械系统的一部分，改变磁场强度就可以改变磁流变流体的剪 切、压缩和拉伸弹性模量，从而对复合构件或结构的刚度和阻尼加以控制 1 1 5 , 1 6 。 1 2 2 气动位置控制系统研究现状 目前，气动位置控制系统一般采用机械式气动闸和气动伺服阀或比例阀来 实现位置控制i l7 , l s j 。 机械式气动闸的结构如图1 1 所示，它由制动活塞、制动臂、制动弹簧、 压轮、制动瓦座等组成1 1 ”。气缸的活塞杆在制动瓦内穿过，制动臂形成杠杆扩 力机构，以增大夹紧力。当占口作为呼吸口时，为弹簧制动式；当b 。口作为 加压口时，则为弹簧+ 气压制动式；如去掉制动弹簧，则为气压制动式。对于 弹簧+ 气压制动式，当彳口加压，口口排气时，制动瓦处于自由状态，活塞杆 可自由运动，如图a ) 所示；当b 口加压，a 口排气时，制动瓦在气压力及弹 簧力的作用下，从外部抱紧活塞杆，起制动作用，如图b ) 所示。 d 自由状态b ) 锁紧状态 a ) f r e es t a t eb ) l o c k e ds t a t e 1 制动瓦2 - 制动瓦座3 - 转轴4 _ 带0 动臂5 - 压轮6 - 锥形制动活塞7 - 制动弹簧 1 一b r a k es c o t c h2 - b r a k es c o t c hs e a t3 - s h a f t4 - b r a k ea r m5 - o s c i l l a t i n gs h e a v e 6 - c o n eb r a k ep i s t o n7 - b r a k es p r i n g 图1 - 1 机械式气动闸 f i g 1 - 1m e c h a n i c a lb r a k e 机械式气动制动闸可解决空气的压缩性问题，但它只能用于开关式控制， 不能用于程序化的速度控制或复杂的减速控制，而且系统的调节性对压力变化 和制动板的磨损非常敏感 2 0 】。 气动伺服阀控制系统采用调节出入气缸的空气的体积和速度来达到位置与 速度的控制。典型的气动伺服阀需要2 5 m 的空气过滤器和很低的水蒸气和 油雾，污染问题将严重影响对于有严格公差要求的伺服气动系统的性能【2 j 。 在众多的研究中，除f e s t o 公司开发的气动伺服阀控制系统外【z ”，尚无稳 定可靠的高性能气动位置控制系统。许多研究者在研究气动伺服阀控制系统在 一定工况下的性能上取得了较好的结果，但是系统的性能不具有鲁棒性。 g b e l f o r t e 睇驯研究在空载情况下正向运动取得了0 1 r m n 的定位精度；当增加质 量负载和力负载时，系统的定位精度下降到o 8 m m 。y u iy a m a d a 2 3 】等采用多 速率神经网的方法，重复3 0 次试验，取1 4 秒后的稳态精度，达到0 1 m m 。 这个定位精度很高，但时间太长，系统的实用性不够。杨庆俊【2 4 】提出了基于反 馈线性化的气动伺服系统非线性日。控制，系统的重复精度小于o 0 5 m m 。此 外，困扰气动伺服阎控制系统的低刚度问题很少有文献给出结果。 气动伺服阀控制系统的关键技术困难是状态反馈控制参数的优化调定十分 复杂，难以被一般的用户掌握。由于缺乏具有工程可靠度的参数优化算法，目 前一般在市场上能得到的气动伺服定位系统其控制参数往往是生产厂家调定 的。同时为了得到满意的控制结果，往往对气缸进行特殊设计，使摩擦特性得 到优化。它的局限性：( 1 ) 大幅度增加气动伺服定位系统的成本，缩短寿命，而 且气缸的最大运动速度受到限制：( 2 ) 用户选择气缸的机械结构受到限制，因为 并不是每种机械结构的特种气缸都能在市场上找到；( 3 ) 由于用户得到的是一套 无法自行重新调整的系统，因此当一些重要使用参数改变时( 如负载质量) ， 必须请厂家对控制参数重新调整，既费时又费钱【2 ”。 无杆气缸通过调速带和滑轮与旋转式磁流交流体制动装置相连的结构图如 图1 2 所示，调速带传送可变的制动力到气缸的活塞上。该磁流变流体制动装 置是由t 0 1 o m a t i c 公司制造 2 6 1 ，长度超过5 m ，速度可达2 5 m s 。通过旋转编 码器的闭环控制，该装置能够完成复杂的运动轨迹，定位精度可达 o 2 5 m m l 2 ”。磁流变流体制动装置克服了齿轮传动系统、带传动系统和气动伺 服系统的局限。 t u r n - a c t 公司制造的直动式磁流变流体制动装置如图1 3 所示f 2 8 1 。磁流变 流体制动装置与气缸同轴连接，右端是个标准气缸，左端是磁流变流体制动 装置。给磁流变流体阀的线圈通入电流形成磁场，磁流变流体在磁场的作用下 发生流变，在阀的两端形成一个压降，它控制着制动装置中磁流变流体的流动 状态，这样就控制了气缸的运动。位移传感器与气缸集成在一起，以产生位移 信号。因为存在巨大的静压力，这个制动装置可提供较大的制动力( 5 0 0 n 1 0 0 0 n ) 。 图1 - 2 无杆气缸与磁流变流体制动装置相连 f i g1 - 2r o d l e s sp n e u m a t i ce n g a g i n ga l lm r fr o t a r yb r a k e 轮 图1 - 3 直动式磁流变流体制动装置 f i g 1 3l i n e a rm r f b r a k e 同济大学的苏永清等给出了气动伺服阀控制系统采用磁流变流体制动装置 的实验原理图，如图1 4 所示【2 9 】。伺服阀采用f e s t o 公司的m p y e 5 1 1 8 h f ， 磁流变流体制动器采用单出杆结构，在外部磁场下的磁流变流体发生流变效 应，影响着工作腔中磁流变流体的流动速度，进而达到控制气缸活塞位置的目 的。 由于磁流变流体制动装置采用单出杆结构，则需要考虑体积补偿问题；由 于伺服阀价格较高，系统的成本也就提高，一般的应用场合难以接受。 同时他们给出了该系统简化的数学模型为二阶系统模型，并给出了相应的 仿真曲线和试验曲线。试验证明磁流变流体制动装置改善了气动伺服阀控制系 堕尘鋈三些銮茎三耋堡：兰竺羹圣 统的动态特性。 m r f p 图1 4 采用磁流变流体制动装置的气动位置伺服控制系统 f i g 1 - 4p n e u m a t i c $ e r v oc o n t r o ls y s t e mu s i n g m r fb r a k e 1 _ 3 本文研究内容 本文的研究目的在于利用简单的开关式气压传动系统，通过施加磁流变流 体制动装置，实现精度高、响应快的气动位置控制系统。 本课题研究的主要内容包括： 1 ) 结构及工作原理研究。对磁流变流体的流变机理、工作模式，磁流变 流体制动装置的结构和工作原理及采用磁流变流体制动装置的气动位 置控制系统的结构进行研究，对几种磁流变流体制动装置的结构进行 比较和选择； 2 ) 数学模型研究。对磁流变流体制动装胃的制动力模型和气动位置控制 系统的数学模型进行研究； 3 ) 仿真研究。用经验法、解析法和数值法分别进行磁场分析，对磁流变 流体制动装置的特性进行分析，包括制动力特性和结构参数对制动力 的影响；并对气动位置控制系统的特性进行分析； 4 ) 试验研究。对所设计的磁流变流体制动装置和气动位置控制系统进行 试验研究，包括磁场测试、制动力特性和动态响应特性。 第2 章结构及工作原理 磁流变流体是- 4 中新型的智能材料，利用磁流变流体的流变特性，可制作 各种制动装置。本章给出了几种磁流变流体制动装置的结构，并介绍了采用磁 流变流体制动装置的气动位景控制系统。 2 1 磁流变流体的流变机理及工作模式 磁流变流体在磁场的作用下能够在瞬间( m s 级) 从自由流动的牛顿流体转 变成具有一定可控屈服强度的宾汉( b i n g h a m ) 塑性固体，而且转变过程是可 逆的。当没有外加磁场时，磁流变流体与牛顿流体相似i 当有外加磁场时，它 的表观粘度和屈服应力会随外界磁场的变化而变化。当外加磁场超过临界值 时，磁流变流体会在几毫秒内从液体变为固体；外加磁场消失后，又迅速恢复 为原来的流体状态。 2 1 1 磁流变流体的流变机理 在磁流变流体的流变机理研究方面，美国加卅立大学的朱耘等用三个临 界场强来描述磁流变流体相变的三个阶段口o l ，是迄今为止最为系统的理论。白 俄罗斯传热传质研究所的s h u l m a n 和k o r d o n s l c y 3 1 1 根据能量损耗的观点对磁流 变效应做了较好的解释。 霖藏 丝罂 a ) 零磁场b ) 非零磁场 a ) w i t h o u tm a g n e t i cf i e l db ) w i t hm a g n e t i cf i e l d 图2 1 磁流变流体的流变机理 f i g 2 - 1r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f m r f 磁流变流体的流变机理如图2 1 所示，当无磁场作用时，粒子悬浮在母液 中，在空间随机分布：施加磁场作用后，粒子表面出现极化现象，形成偶极 堕查鎏三些尘兰三耋堡尘茎堡鎏耋 子。偶极子在作用场中克服热运动作用而沿磁场方向结成链状结构。一条极化 链中各相邻粒子问的吸引力随外加磁场强度增强而增加，当磁场增至临界值 时，偶极子相互作用超过热运动，则粒子热运动受缚，此时磁流变流体呈现固 体特性p 2 , 3 3 。这一固一液两相转变过程是可逆的，能够通过改变磁场而平稳、 快速的完成。 在磁场的作用下，磁流交流体的性质接近于宾汉( b i n g h a m ) 模型，基本 结构模型为m j ： f = f 。( 曰) + 刁尹( 2 - 1 ) 式中r 剪应力( k p a ) ； r 。( b ) 剪切屈服应力，与磁感应强度有关( k p a ) 露液体的粘度( p a s ) ； 户剪应变率( s 1 ) 。 2 1 2 磁流变流体装鼍的工作模式 磁流变流体装置的工作模式有压力驱动模式、剪切模式、挤压模式以及这 三种基本模式的任何组台，如图2 2 所示【35 | 。在压力驱动模式下，磁流变流体 在压力差作用下产生流动，而流动阻力通过磁场强度来控制；在剪切模式下， 磁极之间有相对运动( 移动或转动) ，这种运动使磁流变流体处于剪切状态， 通过改变磁场可连续改变切应力的特性；在挤压模式下，磁极在与磁场几乎平 行的方向上移动，磁流变流体处于交替伸缩状态，并发生剪切，虽然位移量较 小( 几毫米以下) ，但产生的阻力很大。 藕豁韶攀 a ) 压力驱动模式b ) 剪切模式c ) 挤压模式 a ) p r e s s u r ed r i v i n gm o d eb ) s h e a rm o d ec ) s q u e e z em o d e 图2 - 2 磁流变流体装置的工作模式 f i g 2 - 2w o r k i n g m o d e so f m l d e v i c e 制动装置电可以采用压力驱动与剪切模式混合的模式，例如图2 3 所示的 类似液压缸式的结构，活塞与缸体内壁之间存在环形间隙。按结构可分为单出 晗尔滨工业大学工学硕士学位论文 杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构，分别如图2 3a ) 和b ) 所示p ”。活塞的移动 弓i 起磁流变流体通过环形间隙而流动，线淘可绕在活塞上或缸体外侧。采用单 出杆活塞缸结构，一方面需要考虑体积补偿：另一方面活塞杆在缸内处于悬臂 状态，稳定性差。因丽需设计良好的活塞杆支撑结构，并有限制外在作用方向 的措施。采用双出杆活塞缸结构，一方面省去活塞秆体积补偿器：另一方面活 塞通过活塞杆支撑在缸体两端，活塞的稳定性很好，可用于制造火的制动力的 制动装置。本文采用双出杆活塞缸结构，磁流变流体在压力驱动和剪切的混合 模式下工作。 2了4 a ) 单出杆b ) 双出杆 a ) s i n g l er o db ) d o u b l e r o d s l 一缸律2 一缝隙3 活塞4 _ 磁流变流体 1 - c y l i n d e r 2 - w o r k i n gc l e a r a n c e3 - p i s t o n 4 一m r f 图2 - 3 混合模式的铡动装置 f i g2 3b r a k ei nm i x e dm o d e 2 2 磁流变流体制动装置的结构 2 2 1 磁流变流体泡沫制动装置 图2 4 内置式磁流变流体制动装置 f i g2 - 4m r f o a mi n t e s r a t e di n t oc y l i n d e r 图2 - 4 给出_ r 内置式磁流变流体制动装置的结构【3 ”。该结构的磁流变流体 制动装置安装于气缸内部，可减少整个装置的尺寸。作用于无杆气缸的内受式 磁流变流体制动装置如图2 5 所示。它是依靠移动活塞产生的磁力吸附气缸上 瓜的滑块来带动负载，通过使用内置的磁流变流体制动装置，可实现位置控 制。图2 - 6 给出了外置式磁流变流体制动装置的外形和结构。外簧式结构的特 点是磁流变流体制动装置与气缸并联，平行安装在气缸的两侧。制动装置中还 安装有轴承作为支撑，以保持平衡。 l 、一j 五阡抱棘 6 1 动器 图2 - 5 作用于无杆气缸的内置式磁流变流体制动装置 f i g 2 - 5m r f o a ms l i d e r so ns i d eo f r o d l e s sc y l i n d e r 圈2 - 6 外置式磁流变流体制动装置 f i g2 - 6m r f o a m b r a k eo ne i t h e rs i d eo f c y l i n d e r 上述三种磁流变流体制动装置都使用了磁流变流体泡沫技术。这个技术利 晗尔滨工业人学工学硕士学位论文 用毛细现象，使用可吸收的装簧来约束磁流变流体，可使它保持在有效的剪切 长度内，这样就可以使用尽景少的磁流变流体。这个系统用于轻型丁业体积和 重量受到限制的场合，但这种结构的制动装置输出力小。 2 2 ，2 转动式磁流变流体制动装置 下面两罔给出了两种转动式的磁流变流体制动装置。其中，图2 7 是转动 式磁流变流体制动装冕与直动式气缸相互作用的结构；图2 - 8 是转动式磁流变 流体制动装置与气动马达相互作用的结构【。 扳 图2 7 转动式磁流变流体制动装置与直动式气缸相互作用 f i g2 - 7r o t a r ym r f b r a k ew i t hl i n e a r p n e u m a t i cc y l i n d e r 图2 - 8 转动式磁流变流体制动装置与气动马达相互作用 f i g2 - 8r o t a r ym r f b r a k ew i t hp n o t m a a t i cm o t o r t 述结构牛，气缸的直线运动和转动式制动装置的相互作用是通过齿轮和 齿条、导向螺杆装舞、缆线和滑轮等来实现的。转动式磁流变流体制动装置比 采用磁流变流体泡沫技术的制动装置输出力要大些。在制动装置内部，磁流变 流体工作在环形的工作间隙中，通过传感器的反馈信号来控制制动装置的动 作，因而可实现稳定、可靠的位置控制。 2 2 3 磁流变流体直动式制动装置 图2 - 9 给出了两种磁流变流体直动式制动装置的结构【3 9 1 。由于液体的静压 传递原理，这种结构具有很大的输出力，一般是5 0 0 n 1 0 0 0 n ，比前两种结构 输出力大很多。磁流交流体制动装置与气缸串联式联结，两级共用一个活塞 杆。在制动装置级，活塞由电磁铁铁芯构成，上面缠绕线圈，在活塞铁芯与缸 壁之间形成闭合磁回路。当活塞移动时，磁流变流体从活塞与缸筒之间的环形 间隙流过。在磁场作用下，磁流变流体发生流变，产生较大的力，从而对气缸 活塞的运动施加一个较大的制动力。利用这一流变特性，当线圈中通以足够的 电流时，磁流变流体将产生足够的制动力；当线圈不通电时，工作间隙中磁流 变流体又恢复为原来的流动状态。 厂气缸 厂燃 图2 - 9 磁流变流体直动式制动装置 f i g 2 - 9p n e u m a t i ca c t u a t o rw i t hl i n e a r v i r fb r a e 本课题采用这种磁流变流体直动式气动制动装置，因为该种装置结构简 单，输出力大。 2 3 气动位置控制系统结构 磁流变流体制动装置作用在气动执行机构上的原理如图2 1 0 所示2 1 。其中 气动执行元件可以是直动式或转动式。通常，从控制角度来说，由于磁流交流 体制动装置的作用，该气动位置控制系统的控制算法就变得相对简单。 采用磁流变流体制动装置的气动位置控制系统结构如图2 - 1 1 所示，该系统 由带磁流变流体制动装置的气缸、电磁阀、位置传感器和控制器等组成。 在气动位置控制系统中，被送到控制器6 中的命令是目标位置信号。控制 器6 中的目标位置信号与传感器2 返回的气缸的实际位置信号相比较，产生的 误差信号就很容易实现位置反馈控制。同样，如果被送到控制器中的信号为速 度信号，则很容易实现速度反馈控制。 广耥 图2 1 0 磁流变流体制动装置作用在气动执行机构上的原理图 f i g 2 - 1 0p n e u m a t i c a c t u a t o rw i t hm r fb r a k e 乙 汗 召 _ 一 r f 叫，爿 下 z “ 1 _ 6l 一 j 1 带磁流变流体制动装置的气缸2 位置传感器3 电磁阀 1 - p n e u m a t i cc y l i n d e rw i t hm r fb r a k e2 - p o s i t i o ns e n s o r3 - s o l e n o i dv a l v e 4 电磁阀信号发生器5 m r f 制动装置信号发生器6 控制器 4 p o w e ra m p l i f i e rf o rv a j v e5 - p o w e ra m p l i f i e rf o rm r fb r a k e6 - c o n t r o l l e r 图2 1 l 采用磁流变流体制动装置的气动位置控制系统原理图 f i g 2 11p n e u m a t i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n gm r f b r a k e 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章对磁流变流体的流变机理、工作模式进行了介绍，给出了几种磁流变 流体制动装置的结构，说明了各自的工作原理，对它们的结构进行了比较分 析，从而选择了出力较大的压力驱动模式及结构简单的磁流变流体直动式制动 装置。同时，给出了采用磁流变流体制动装置的气动位置控制系统的结构，对 其控制原理进行了说明。 第3 章数学模型 磁流变流体制动装置具有设计结构简单、工作构件无磨损、噪音低、费用 低等优点。本章将给出磁流变流体制动装置的制动力计算模型，同时给出气动 位簧控制系统模型。 3 1 磁流变流体制动装置制动力模型 本文所设计的制动装置为混合模式下的制动装置，即压力驱动模式和剪切 模式的结合。采用圆柱形极板的形式，类似于液压缸，活塞与缸体内壁阃存在 环形间隙。活塞的移动引起磁流变流体的流动与剪切，但由于流动引起的阻尼 力比剪切引起的阻尼力大很多，所以可只按压力驱动模式计算。压力驱动模式 工作原理如图3 - 1 所示，由于活塞两侧存在压力差而产生液体流动。 图3 - 1 压力驱动模式原理图 f i g 3 - 1p r e s s u r ed r i v i n gm o d e 该压力差分为与磁场无关的粘性分量必和由磁场引起的屈服应力分量 p ，其大小近似为【柏 1 】： a p = 嵋+ 够= 等+ 竽 ( 3 - ，) 式中厶p 压差( p a ) 。 磁流变流体的零场粘度( p a s ) ； q 体积流速 q = 彳。u ( t ) ，4 。为活塞的有效面积( m 2 ) ， “( f ) 为活塞与缸体间的相对流速( 耐s ) ； 三间隙总宽度( m ) ； h 间隙间距( m ) ； d 缸体内径( m ) 。 即磁流变流体制动装置的制动力可表示为： f = 蝎a p - t - 皿4 = 可1 2 q o 万a p l a p u ( f ) + 孚a r s g n 【删( 3 - 2 ) 式( 3 2 ) 中第一项为与速度有关的粘滞阻尼力，第二项为随磁场而变化的库 仑力，第二项与第一项的比是制动装置的可调倍数。 3 2 气动位置控制系统模型 采用磁流变流体制动装置的气动位置控制系统具有控制简单、工作柔和、 可进行无级调速、易于与计算机结合形成智能化控制等优点。 3 2 1 位盏系统逻辑控制模型 位 信 气动阀命令 动装置控制命令 图3 - 2 磁流变流体气动位置系统逻辑控制模型 f i g 3 - 2l o g i c m o d e lo f m r - p n e u m a t i c p o s i t i o ns y s t e m 气动逻辑控制系统是最简单的气压传动系统，由一般的电磁换向阎控制气 缸的换向动作【2 】。在给定的屁，质量肌和位置精度血的基础上，通过点对点 的速度控制，输入质量m 和理想的速度( 或精度) ，控制器就可以算出a x ( 或 速度v ) ，根据公式( 3 6 ) ( r 。是设定的) ，控制算法的基本结构如图3 - 2 所示。 气动逻辑是基于位置误差信号的简单布尔逻辑，控制阀的状态。 3 2 2 气动系统数学模型 在对该气动系统进行机理分析前，首先做以下假设【4 2 】 堕堡鎏王些奎兰i 耋竺圭兰篁篁圣 ： 1 ) 气体为理想气体，满足理想气体状态方程； 2 1 同一容腔内温度场和压力场是均匀的； 3 ) 忽略气缸的热传导，即气体流过阀口的流动状态是等熵的绝热过程； 4 1 忽略气体动能： 5 ) 忽略气体泄漏。 a 1 质量流量连续性方程 根据质量守恒定律，假定工作介质为连续的，贮藏到某控制体中去的质量 的贮藏率应等于流入的质量流量减去流出的质量流量，即有： m 一= 警= 了d ( p v ) = p 警+ 矿鲁( 3 - 3 ) 根据气体状态方程有： p = 面p ( 3 - 4 ) 式中p 气体密度( k g m ) ； p _ 压力( p a ) ； 丁气体温度( k ) ； r 气体常数r = 2 8 7 1 3 ( j & g k ) 。 则有： 丝( p 坐+ 矿- - a p p r vd 出t ，) ( 3 - 5 ) d tr td td t “ r 出7 按照前面假定，过程中的温度，与开始时的温度乃之间应满足等熵条件： ，：瓦( 马t p o ( 3 6 ) 式中 一绝热系数k = l ，4 对时间求导数： d tk 一1t a p f 1 d t f pd t v ” 代入式( 3 5 ) 中有： 警= 击( p 型+ va p ) ( 3 - 8 d tkd t ) 所r r “ 等号右边的第一项为控制体体积变化所需的质量流量，第二项为控制体被 压缩所需的质量流量，它描述了因压力变化所引起的流体流动。 蟛2 毒哌成峋p 9 ) 一m ；。瓦丢( p ；一印a 琢) 譬叱? 劬( 3 - 1 0 ) 屹= a 。y 朋：堡( 3 - 1 1 ) v 朋2 = o o 咙。毒砜以( 3 - 1 2 ) 一脚；