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    1、氣動技術(shù)應(yīng)用情況及研究和發(fā)展的重要性

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)。實現(xiàn)自動化的技術(shù)手段，在目前主要有兩個：電氣(電子)控制和流體動力控制。流體動力控制有三類：

    (1) 液壓控制，工作流體主要是礦物油。

    (2) 氣壓控制，工作介質(zhì)主要是壓縮空氣，還有燃氣和蒸氣。

    (3) 射流技術(shù)，工作介質(zhì)有氣體也有液體，該技術(shù)在一些多管道的生產(chǎn)流程中得到應(yīng)用。

    氣壓伺服控制是以氣體為工作介質(zhì)，實現(xiàn)能量傳遞、轉(zhuǎn)換、分配及控制的一門技術(shù)。氣動系統(tǒng)因其節(jié)能、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、高速、高效、工作可靠、壽命長、適應(yīng)溫度范圍廣、工作介質(zhì)具有防燃、防爆、防電磁干擾等一系列的優(yōu)點而得到了迅速的發(fā)展。眾多的報道表明，氣動技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)代傳動和控制的關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展水平和速度直接影響機電產(chǎn)品的數(shù)量和水平，采用氣動技術(shù)的程度已成為衡量一個國家的重要標志。

    據(jù)資料表明，目前氣動控制裝置在自動化中占有很重要的地位，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，現(xiàn)概括如下：

    (1) 絕大多數(shù)具有管道生產(chǎn)流程的各生產(chǎn)部門往往采用氣壓控制。如：石油加工、氣體加工、化工、肥料、有色金屬冶煉和食品工業(yè)等。

    (2) 在輕工業(yè)中，電氣控制和氣動控制裝置大體相等。在我國已廣泛用于紡織機械、造紙和制革等輕工業(yè)中。

    (3) 在交通運輸中，列車的制動閘、貨物的包裝與裝卸、倉庫管理和車輛門窗的開閉等。

    (4) 在航空工業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。因電子裝置在沒有冷卻裝置下很難在300℃～500℃高溫條件下工作，故現(xiàn)代飛機上大量采用氣動裝置。同時，火箭和導(dǎo)彈中也廣泛采用氣動裝置。

    (5) 魚雷的自動裝置大多是氣動的，因為以壓縮空氣作為動力能源，體積小、重量輕，甚至比具有相同能量的電池體積還要小、重量還要輕。

    (6) 在生物工程、醫(yī)療、原子能中也有廣泛的應(yīng)用。

    (7) 在機械工業(yè)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。

    從氣動的特點和應(yīng)用情況可知，研究和發(fā)展氣動技術(shù)具有非常重要的理論價值和實際意義。氣動技術(shù)在美國、法國、日本、德國等主要工業(yè)國家的發(fā)展和研究非常迅速，我國于七十年代初期才開始重視和組織氣動技術(shù)的研究。無論從產(chǎn)品規(guī)格、種類、數(shù)量、銷售量、應(yīng)用范圍，還是從研究水平、研究人員的數(shù)量上來看，我國與世界主要工業(yè)國家相比都十分落后。為發(fā)展我國的氣動行業(yè)，提高我國的氣動技術(shù)水平，縮短與發(fā)達國家的差距，開展和加強氣動技術(shù)的研究是很必要的。

    2、電―氣伺服控制的發(fā)展概況

    氣動伺服控制系統(tǒng)按其采用的電―氣轉(zhuǎn)換元件的不同可分為電―氣比例伺服系統(tǒng)和電―氣開關(guān)伺服系統(tǒng)。電―氣比例伺服系統(tǒng)模擬信號控制的比例閥或伺服閥作電―氣信號轉(zhuǎn)換元件。這類系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)較快，但伺服閥或比例閥造價昂貴，因而系統(tǒng)成本高，而且對工作環(huán)境要求嚴。

    早在1956年，Shearer等人成功地將高壓、高溫氣體作為工作介質(zhì)的氣動伺服機構(gòu)應(yīng)用于航天飛行器及導(dǎo)彈的姿態(tài)和飛行穩(wěn)定控制中。由于空氣壓縮性大、粘度小、剛度低，對于低壓系統(tǒng)很難用古典控制方法和模擬調(diào)節(jié)器實現(xiàn)精密伺服控制，因此，氣動伺服控制長期停留在理論和實驗階段。1979年德國Aachen R.W工業(yè)大學(xué)W.Backe教授研制出的第一個氣動伺服閥大大推進了氣動伺服控制的發(fā)展。此后，德國、日本、美國等工業(yè)發(fā)達國家投入大量資金和人力成功地研制了各種規(guī)格的比例閥和伺服閥，以及高性能的氣缸、氣馬達。隨著高性能的電―氣控制元件和執(zhí)行元件的迅速發(fā)展，氣動伺服控制技術(shù)的研究也取得了一定的成果。我國的周洪博士、陳大軍博士對電―氣比例/伺服系統(tǒng)及其控制策略進行了研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授承擔國家高技術(shù)“863”計劃自動化領(lǐng)域智能機器人主課題中的“電―氣伺服系統(tǒng)及其電―氣伺服器件的開發(fā)研究”，取得了一定的成果。

    電―氣開關(guān)/伺服系統(tǒng)采用數(shù)字信號控制的開關(guān)閥作電―氣信號轉(zhuǎn)換元件。這類系統(tǒng)成本低，對工作環(huán)境要求不高，且易于計算機控制；但獲得寬頻帶、高精度比較困難。開關(guān)/伺服控制最早出現(xiàn)在液壓系統(tǒng)中，Burrows最先將開關(guān)/伺服控制用于氣動伺服機構(gòu)中。八十年代初，T.Eun等人設(shè)計了一種新的氣動開關(guān)伺服機構(gòu)，并詳細研究了該機構(gòu)的穩(wěn)定性和精度。以上的開關(guān)伺服機構(gòu)都是通過簡單的邏輯判斷來反饋氣缸位置，只能實現(xiàn)點到點(PTP)控制，而且精度很低。這期間，G.Belforate等人將機車制動技術(shù)引入氣動機構(gòu)，設(shè)計了一種帶抱閘實現(xiàn)氣缸在目標位置定位。這種氣動開關(guān)伺服機構(gòu)受負載等干擾的影響大，但定位后的剛度大，其定位精度約±0.3mm。

     后來，日本的花房秀郎、原田正一等人用開關(guān)閥、節(jié)流閥的串并聯(lián)實現(xiàn)氣缸的分區(qū)控制，獲得±0.4mm的定位精度。意大利的G.Belforate等人也對這種系統(tǒng)進行了研究，他采用的是無密封裝置氣缸和FESTO公司的開關(guān)閥、單向節(jié)流閥及FPC606微處理器等元件。理論上，這種控制能獲得±0.0314mm定位精度，實際系統(tǒng)受間隙的影響，獲得定位精度約±0.35mm。北京航空航天大學(xué)莫松峰博士用三個開關(guān)閥組成一個新的氣動位置開關(guān)控制系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單、方便、成本低且性能好等優(yōu)點。

    以上的氣動開關(guān)控制系統(tǒng)，盡管采用了位移傳感器，但位移信號只是作為邏輯判斷用，沒有用來調(diào)節(jié)控制信號的大小，其本質(zhì)上仍是開環(huán)控制，或者說是準閉環(huán)控制。因此，這種系統(tǒng)的特點是成本低、控制簡單；但精度進一步提高受到限制。隨著控制指標的提高，氣動開關(guān)控制向脈沖調(diào)制的開關(guān)/伺服控制發(fā)展。脈沖調(diào)制方式有脈寬調(diào)制(PWM)、脈沖編碼調(diào)制(PCM)、脈沖數(shù)調(diào)制(PNM)及脈頻調(diào)制(PFM)等。

    PWM控制原理是用一定周期Ts的脈沖信號驅(qū)動開關(guān)閥(見圖1)，用控制信號控制脈沖寬度DITs(I=1，2，…，n)，即開關(guān)閥的關(guān)閉時間。因此，控制DI的大小宏觀上等價于控制流過閥的介質(zhì)流量。典型的氣動PWM控制回路如圖2所示。

圖1 PWM控制原理

圖2 典型氣動PWM回路

    PWM控制最初是美國的Stephen用在伺服閥組成的電液伺服系統(tǒng)。用PWM控制的伺服系統(tǒng)解決了溫漂和卡緊現(xiàn)象，提高了穩(wěn)定性和抗介質(zhì)污染能力，放寬了制造公差；并易于直接與計算機接口實現(xiàn)數(shù)字控制。與此同時，隨著開關(guān)閥的迅速發(fā)展，Goldstein提出用快速開關(guān)電磁閥代替昂貴的伺服閥。最先將PWM開關(guān)伺服控制引入系統(tǒng)的是日本的則次俊郎，他成功地將PWM電―氣開關(guān)/伺服系統(tǒng)應(yīng)用于機械手中，他獲得的定位精度是±0.06mm。小山紀等人用二個開關(guān)閥實現(xiàn)廣義PWM控制，獲得±0.02mm的高精度。美國的Jing―Yih Lai等人以五自由度機器人的手臂為控制對象進行了PWM氣動控制理論分析和實驗研究。國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉慶和教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組對氣動PWM控制也進行了研究，獲得了±0.09°的氣馬達轉(zhuǎn)角位置精度。吳沛溶教授也對PWM控制氣動系統(tǒng)作過研究，取得了一定的成績。此外，北京理工大學(xué)的楊樹興、姚曉光對PWM控制系統(tǒng)理論和實驗進行過研究。

    脈沖編碼(PCM)控制是把控制信號編為n位二進制信號來控制n個開關(guān)閥的開啟和閉合。這n個開關(guān)閥的有效截面積(為方便敘述，本文所說的開關(guān)閥有效截面積都是指開關(guān)閥與其串聯(lián)的接節(jié)流閥的綜合節(jié)流面積)之間的關(guān)系為S0：S1：S2：…：Sn-1=1：2：4：…：2n-1。N個閥的開關(guān)狀態(tài)組合數(shù)為2n，即可獲得2n級不同的截面積。以圖1～圖3所示的氣動系統(tǒng)來說明PCM控制原理及過程。

圖3 氣動PCM控制原理

    PCM控制方式非常適合計算機直接數(shù)字控制，其控制原理和過程是：在每一個采樣周期內(nèi)，計算機將控制量的設(shè)定值與檢測到的控制量進行比較，按照設(shè)計的控制規(guī)率，經(jīng)判斷、計算，發(fā)出一組二進制編碼控制n個開關(guān)閥，得到不同的綜合開口面積，從而控制氣缸的氣體流量，使氣缸按要求運動。日本的中村最先將PCM控制技術(shù)用于液壓控制。Hirohisa Tanaka對PCM液壓控制系統(tǒng)也進行了研究，提出了用軟件克服因開關(guān)閥的啟閉時間不同造成流量波動。后來，則次俊郎第一個將PCM控制技術(shù)用于氣動系統(tǒng)，并成功用PCM方式控制了英國Pendar公司的三自由度機器人，他獲得的定位精度約±0.25mm。我國對氣動PCM控制的研究是從90年代初開始的，主要的研究人員有哈工大劉慶和教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，山東輕工學(xué)院的寧舒。鄭學(xué)明博士對Fuzzy-PI控制氣動PCM位置系統(tǒng)進行了研究獲得了±0.25mm的定位精度。王宣銀博士首次提出變增益PCM控制，并利用自校正，自學(xué)習(xí)控制算法，獲得了±0.18mm的定位精度。

    3、氣液連動的必要性及發(fā)展概況

    但是，由于氣體的壓縮性大、粘度小、剛度低等因素，導(dǎo)致了氣動運動的不平穩(wěn)性以及氣動定位的不準確性(即定位精度不高)。為了提高其定位精度及運動平穩(wěn)性。又充分發(fā)揮氣動的優(yōu)點，故考慮引入不可壓縮性(在低壓下視之)的油作為介質(zhì)，采用氣液連動控制，提高系統(tǒng)的性能。

    關(guān)于氣液連動，最先應(yīng)用的是氣液阻尼缸，亦稱之為油阻尼缸。它實際上是一種雙作用雙活塞缸，采用一根活塞桿將兩活塞串聯(lián)在一起。活塞的輸出力是汽缸的推力(或拉力)與油缸阻力之差。油缸裝在氣缸的后面被氣缸帶動，其運動速度是靠調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來調(diào)節(jié)的，如圖4所示。

圖4 油阻尼缸圖                    圖5 氣液增壓回路

圖6 一氣液轉(zhuǎn)換器回路                  圖7 兩氣液轉(zhuǎn)換器回路

    此外，還有用到氣液轉(zhuǎn)換器的回路，如圖6所示的單向節(jié)流調(diào)速回路、圖7所示的雙向節(jié)流調(diào)速回路。氣液轉(zhuǎn)換器是將空氣壓轉(zhuǎn)換為油壓(增壓比為1：1)的元件，可作為附件組入氣液回路。使用它可消除一般氣動回路中出現(xiàn)低速運動的爬行和不穩(wěn)定現(xiàn)象，并可和各種氣動元件組合使用。氣液轉(zhuǎn)換器的特點：

    (1) 規(guī)格多，適應(yīng)性強。例如日本達柯公司生產(chǎn)的氣液轉(zhuǎn)換器有48種規(guī)格，輸出壓力油的有效容積為40～27000cm3，常用工作壓力為0.3～0.7MPa，只要調(diào)節(jié)氣動減壓閥，就能獲得相應(yīng)的壓力變化。反應(yīng)速度快，能滿足不同用戶的要求；

    (2) 由于工作油溫穩(wěn)定，空氣不會混入油中，效率高，因而能獲得穩(wěn)定的移動；

    (3) 與液壓相比，不需復(fù)雜、龐大的泵站和冷卻系統(tǒng)等，價格便宜。又因無泵引起的脈動，油溫穩(wěn)定，可用于精密切割，精密穩(wěn)定進給；

    (4) 與液壓阻尼缸比較，氣液轉(zhuǎn)換器和油缸分離，可放在任意位置，操作方便，自由度高。

    另外，還有氣液增壓的輔助回路，如圖5所示。氣液增壓裝置在生產(chǎn)實踐中，特別是在機床的液壓夾具中廣泛使用，已為人們所熟知。在實際工作中有時要應(yīng)用壓力1MPa以上的氣壓，此時一般小型空氣壓縮機已無能力而往往又沒有必要購買一臺高壓空氣的壓縮機。這一問題往往采用氣液增壓裝置得到解決。

    總之，氣壓傳動一般用于快速傳遞，不怕沖擊，速度要求不嚴的場合；液壓傳動一般用于傳動平穩(wěn)，必須控制調(diào)節(jié)的場合。壓縮空氣為氣―液傳動系統(tǒng)的動力源，代替液壓傳動系統(tǒng)動力裝置的油泵推壓油液，推動進給缸進行切削加工，又可同時用于其它氣缸的直接傳動。在中低壓的狀況下，油液視為不可壓縮的，使進給缸能獲得平穩(wěn)的運動。該系統(tǒng)的缺點是油液的過濾和密封要求嚴格，為補償泄漏要設(shè)置一油杯或補油泵。而且，負載變化時，壓力有波動，泵之響應(yīng)性較差，應(yīng)用范圍狹窄，不適用于連續(xù)大量供油的場合或壓力波動要求較嚴的場合。另外，不論油阻尼缸還是利用氣液轉(zhuǎn)換器組合的回路，其進給速度常出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，造成不穩(wěn)定的原因是因為油中混有氣體。一方面原因是因為氣液滲漏引起的，另一方面是由于油缸沒有排氣孔或排氣孔的位置不當，在向油缸加油時，油缸內(nèi)氣體無法排出引起的。由于氣體的可壓縮性以及氣油的渾流干擾，使阻尼缸工作時產(chǎn)生爬行、沖擊、停頓等現(xiàn)象，降低了機床的加工精度。為解決此問題，應(yīng)在設(shè)計、制造氣液缸時，保證密封圈處溝槽的公差及活塞與缸筒內(nèi)壁、活塞桿與缸蓋之間的配合精度，這樣才能改變氣液系統(tǒng)的性能。