气动伺服系统的应用与发展

张　健

摘要:本文通过对气动伺服系统发展的介绍,主要针对典型的气动伺服测试系统做了进一步的分析,并详细介绍了气动伺服控制对位置实现精确控制的方法。

关键词:气动伺服系统 发展 应用

中图分类号:TP21文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0134-01

1气动伺服控制的概念

随着科学技术的发展,自动控制技术已被广泛应用于工农业生产和国防建设。实现自动化的技术手段,在目前主要有两个:电气(电子)控制和流体动力控制。流体动力控制有三类:一是液压控制,工作流体主要是矿物油。二是气压控制,工作介质主要是压缩空气,还有燃气和蒸气。三是射流技术,工作介质有气体也有液体,该技术在一些多管道的生产流程中得到应用。

气压伺服控制是以气体为工作介质,实现能量传递、转换、分配及控制的一门技术。气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格低廉、高速、高效、工作可靠、寿命长、适应温度范围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁干扰等一系列的优点而得到了迅速的发展。众多的报道表明,气动技术是实现现代传动和控制的关键技术,它的发展水平和速度直接影响机电产品的数量和水平,采用气动技术的程度已成为衡量一个国家的重要标志。

2气动技术的应用情况及研究的必要性

据资料表明,目前气动控制装置在自动化中占有很重要的地位,已广泛应用于各行业,现概括如下:

①绝大多数具有管道生产流程的各生产部门往往采用气压控制。如:石油加工、气体加工、化工、肥料、有色金属冶炼和食品工业等。

②在轻工业中,电气控制和气动控制装置大体相等。在我国已广泛用于纺织机械、造纸和制革等轻工业中。

③在交通运输中,列车的制动闸、货物的包装与装卸、仓库管理和车辆门窗的开闭等。

④在航空工业中也得到广泛的应用。因电子装置在没有冷却装置下很难在300℃～500℃高温条件下工作,故现代飞机上大量采用气动装置。同时,火箭和导弹中也广泛采用气动装置。

⑤鱼雷的自动装置大多是气动的,因为以压缩空气作为动力能源,体积小、重量轻,甚至比具有相同能量的电池体积还要小、重量还要轻。

⑥在生物工程、医疗、原子能中也有广泛的应用。

⑦在机械工业领域也得到广泛的应用。

从气动的特点和应用情况可知,研究和发展气动技术具有非常重要的理论价值和实际意义。气动技术在美国、法国、日本、德国等主要工业国家的发展和研究非常迅速,我国于七十年代初期才开始重视和组织气动技术的研究。无论从产品规格、种类、数量、销售量、应用范围,还是从研究水平、研究人员的数量上来看,我国与世界主要工业国家相比都十分落后。为发展我国的气动行业,提高我国的气动技术水平,缩短与发达国家的差距,开展和加强气动技术的研究是很必要的。

3气动控制的发展

气动伺服控制系统按其采用的电—气转换元件的不同可分为电—气比例伺服系统和电—气开关伺服系统。电—气比例伺服系统模拟信号控制的比例阀或伺服阀作电—气信号转换元件。这类系统控制精度高、响应较快,但伺服阀或比例阀造价昂贵,因而系统成本高,而且对工作环境要求严。

伺服气动系统的引进意味着气体力学新的应用,这些学科在不久前,严格保留了电子伺服驱动优化的机制。一个值得关注的应用是在木材厂的机器上控制压力辊(见下图1),该系统由美国俄勒冈州波特兰市的Pacific Fluid Systems公司制造。

当它们通过木材厂的电锯时,控制器定位压力辊,压力辊携带原木、毛方木或按规格裁切的木料。控制压力辊意味着基于以前定义的外型,紧紧地携带原木,并不能损坏它们。

当它们通过木材厂的电锯时,传感器——控制器——执行机构相结合定位压力辊,压力辊携带原木、毛方木或按规格裁切的木料。压力辊的控制是按照以前定义的轮廓,紧紧地携带原木,并不能损坏它们。编程前,圆木的位置和力对压力辊应用非常关键,在更高带宽,比例控制模式下运行,从而使圆木运动到它能减速到最终位置的地方。然后,控制器移动到被控停止位置,并切换力到模式从而承受压力。

Pacific 公司的工程部经理Tom Wells说:“编程前要求的圆木的位置和力对这个应用非常关键,它允许我们在更高带宽,比例控制模式下运行,从而使圆木切换到力模式从而承受适当的压力。这极大地降低了设置时间。”

气动在这种应用的另一个好处是固有的兼容。在表面连续改变的地方,适应偏离比其他技术更快、更有弹性。新伺服气动系统相对于旧的‘开关阀运动更平滑、更精确,这些电子式控制,比例伺服阀在配置气动系统的应用中提供更好的选择,不太可能直接影响运动的精度。

另一个逐渐增长的创新是使能液压能力运动控制。这些控制器使用位置和压力反馈完成闭环控制。这种双反馈控制能力允许控制器补偿经典气动细微差别,例如,空气热胀冷缩和阀的非线性化。一个主动阻尼方法比以前电-气动解决方案提供更稳定的高性能。控制器现在能同时处理一到八个轴。Delta的系统包括允许图形调节的控制器中的调节向导(见图2)。

软件里的调节向导使优化伺服气动运动更容易,包括主动阻尼算法的自动调节的优点。气动在不要求电子执行机构的精度的地方性价比非常高。

4结束语

随着高性能的电—气控制元件和执行元件的迅速发展,气动伺服控制技术的研究也取得了一定的成果。我国的周洪博士、陈大军博士对电—气比例/伺服系统及其控制策略进行了研究。此外,哈尔滨工业大学许耀铭教授承担国家高技术“863”计划自动化领域智能机器人主课题中的“电—气伺服系统及其电—气伺服器件的开发研究”,取得了一定的成果。

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