無摩擦氣缸及高精度氣動負(fù)載系統(tǒng)研究.pdf

1、氣缸是氣動系統(tǒng)中最常用的執(zhí)行元件，在生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到了最為廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)氣缸在氣動伺服控制場合下面臨著新的挑戰(zhàn)，氣體介質(zhì)的可壓縮性使得對氣缸的精確控制更加困難，摩擦力的存在使得氣缸在低速運行時性能下降。由于氣體介質(zhì)不具備自潤滑特性，摩擦力給氣動控制系統(tǒng)帶來了很大的麻煩。為了提高伺服控制效果，研究人員除了在控制策略、控制元件等方面展開研究外，還不得不對摩擦力展開細(xì)致深入的研究。摩擦力除了給氣動伺服控制增加困難外，還給氣缸本身帶來了一些問題

2、，比如發(fā)熱、噪聲、振動、粉塵、影響壽命等，給氣動系統(tǒng)帶來安全隱患。因此，除了致力于研究影響摩擦力的因素、建立更準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型之外，有效降低氣缸的摩擦力無疑會帶來更為直接的好處。如何減小氣缸的摩擦力，開發(fā)出新型低摩擦氣缸乃至無摩擦氣缸已經(jīng)成為氣缸發(fā)展的一個新方向。
　　本文提出了一種基于靜壓氣體軸承的氣浮式無摩擦氣缸，采用靜壓氣體軸承的原理設(shè)計氣缸的活塞，在活塞兩側(cè)的端蓋上對稱布置了單向閥，使得軸承內(nèi)腔始終與氣缸高壓腔一側(cè)連通，解決

3、了氣浮軸承的供氣問題。同時，這種帶有單向閥的軸承結(jié)構(gòu)還能在氣缸換向過程中起到保壓的作用，使氣浮軸承工作更穩(wěn)定。在建立了氣浮軸承數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Matlab的氣膜壓力分布的數(shù)值求解方法，利用此方法研究了軸承的氣浮特性，并結(jié)合電容測微原理對軸承的耗氣量模型進(jìn)行了研究，以Matlab/Simulink仿真和試驗相結(jié)合的方法對氣缸換向特性進(jìn)行了研究。設(shè)計了一套以氣浮式無摩擦氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度氣動負(fù)載系統(tǒng)，采用帶有穩(wěn)態(tài)輸出預(yù)測

4、的模糊PID控制器實現(xiàn)了對系統(tǒng)的高精度恒壓控制，穩(wěn)態(tài)壓力波動小于50Pa，活塞運動達(dá)到1000mm/s時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)壓力波動小于150Pa，達(dá)到較高的精度。建立以高精度氣動負(fù)載系統(tǒng)為基礎(chǔ)的常規(guī)氣缸負(fù)載性能測試系統(tǒng)，解決了當(dāng)前國標(biāo)難以具體實施的問題。文章最后利用高精度氣動負(fù)載系統(tǒng)對常規(guī)氣缸的摩擦力測試方法做了一些新的探索，利用本文提出的方法能夠方便快速的測試出氣缸勻速運動時的摩擦力。
　　本文共有七章，現(xiàn)將各章節(jié)的主要內(nèi)容概括如下:<

5、br>　　第一章，詳細(xì)介紹了無摩擦氣缸的研究現(xiàn)狀、氣體潤滑相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展以及相關(guān)氣動技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，指出基于靜壓氣體軸承技術(shù)的無摩擦氣缸仍是未來無摩擦氣缸的發(fā)展方向，簡述了氣動伺服控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀。最后概括了本課題的研究意義、研究難點以及主要研究內(nèi)容。
　　第二章，詳細(xì)介紹了氣浮式無摩擦氣缸的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)難點。分析了氣浮軸承的工作特性，提出了一種浮動連接機(jī)構(gòu)用于解決活塞與活塞桿存在徑向偏差或角度偏差而可能引起的卡

6、死問題。建立氣浮軸承氣膜壓力分布的數(shù)學(xué)模型，并對求解該模型的不同方法進(jìn)行了分析，指出傳統(tǒng)基于一維流簡化的計算法不夠準(zhǔn)確以及基于Fluent的有限元仿真方法不適合于研究多結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承氣浮特性的影響。
　　第三章，提出了一種基于Matlab的有限元數(shù)值求解方法，詳細(xì)介紹了該方法所需的公式推導(dǎo)、氣膜邊界及邊界條件的初始化、循環(huán)更新邊界條件的流程、節(jié)流孔出口壓力的迭代求解過程、軸承耗氣量及承載力的計算方法等過程。得到氣膜壓力分布數(shù)據(jù)，并

7、研究了均壓腔及均壓帶對軸承徑向承載力和耗氣量的影響，指出了均壓腔對提高氣浮軸承的性能具有重要作用;并利用Fluent對氣浮軸承進(jìn)行了仿真，分析了氣體在節(jié)流孔及均壓腔中的流動特性，證實了均壓腔內(nèi)部壓力相等這一假設(shè)的有效性。
　　第四章，提出了利用電容測微原理對活塞泄漏模型進(jìn)行研究的新方法。活塞外圓周面與氣缸筒內(nèi)壁構(gòu)成了偏心圓柱電容器，將微小位置的變化轉(zhuǎn)化為電容器電容的變化可以把對位置的測量轉(zhuǎn)化為對電容的測量，利用電容值來衡量活塞的偏

8、心率避免了對運動中的活塞偏心進(jìn)行直接測量。利用該方法了建立基于離線數(shù)據(jù)的活塞耗氣量模型，并提出了判斷軸承是否正常工作的指標(biāo)。研究了無摩擦氣缸的換向特性，仿真和實驗都表明，這種帶有單向閥的活塞結(jié)構(gòu)在氣缸換向過程中具有保壓的作用;指出了換向時間是影響換向過程中活塞內(nèi)腔壓力的主要因素，活塞處于氣缸中位時是氣缸的最佳換向時機(jī)。
　　第五章，以氣浮無摩擦氣缸為基礎(chǔ)設(shè)計了氣浮式高精度氣動負(fù)載系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制系統(tǒng)的軟/

9、硬件結(jié)構(gòu)。利用可變?nèi)莘e的壓力動態(tài)模型、氣浮式無摩擦氣缸的泄漏模型以及比例方向閥的流量模型建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計帶了穩(wěn)態(tài)輸出預(yù)測的模糊PID控制算法，并通過實驗對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性展開了研究。實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)壓力波動小于50Pa，在氣缸活塞以1000mm/s的速度快速往復(fù)運動過程中仍能保證150Pa以內(nèi)的壓力波動，活塞停止運動后系統(tǒng)能夠快速的回復(fù)到較高的控制精度。
　　第六章，以高精度氣動負(fù)載系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建了符合標(biāo)準(zhǔn)要求

10、的常規(guī)氣缸負(fù)載性能測試平臺，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對氣缸負(fù)載性能和測試流程的規(guī)定對氣缸的負(fù)載性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)指定的基于出口節(jié)流調(diào)速的氣缸負(fù)載性能測試系統(tǒng)不能有效的控制被測氣缸的速度，測試過程中有較大的沖擊，不能準(zhǔn)確的反映氣缸在負(fù)載下真實的運動狀態(tài)，并提出了采用進(jìn)口節(jié)流調(diào)速的方式控制被測氣缸的運動速度的改進(jìn)方案。根據(jù)測試過程中被測氣缸的運動速度和兩腔壓力變化曲線分析了在軸向負(fù)載作用氣缸的運動特性，并研究了不同負(fù)載對氣缸運動穩(wěn)定性的影響，結(jié)