趙堂春， 杜　鈞， 黃敦華

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 北京　100176）

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，氣動(dòng)元件與電子元件的結(jié)合使控制回路的電子化得到迅速發(fā)展。電-氣動(dòng)伺服技術(shù)因具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、功率體積比高及污染小等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

1　電-氣伺服系統(tǒng)原理

在很多工業(yè)應(yīng)用中，由于被控壓力與面積之間存在特有的力學(xué)關(guān)系，加上電-氣伺服閥的電壓給定值和輸出壓力之間存在線性比例關(guān)系，因此只需要一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)就能調(diào)節(jié)出帶有精度要求的輸出變量——壓力。利用電-氣伺服閥實(shí)現(xiàn)恒壓控制的開環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。在此開環(huán)控制系統(tǒng)中的壓力控制閥采用的是力士樂的氣動(dòng)伺服閥，其原理是通過一個(gè)插頭提供24 V的電源，模擬量電壓給定值通過一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器傳動(dòng)到內(nèi)部的控制器上，再經(jīng)過一個(gè)脈寬調(diào)節(jié)過程和V/I轉(zhuǎn)換之后，控制器控制線圈的動(dòng)作。氣壓輸出口的實(shí)際壓力值被轉(zhuǎn)換成電壓并被傳送到內(nèi)部的控制器，然后通過插頭上的D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量輸出。

圖1　開環(huán)控制系統(tǒng)圖

2　恒壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒃谝粋€(gè)氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)之上，通過兩個(gè)單作用氣缸分別對(duì)三種不同尺寸零件采用三種夾緊力（F1=50 N，F(xiàn)2=150 N，F(xiàn)3=250 N）進(jìn)行夾緊和固定，為了不使零件產(chǎn)生變形，需要進(jìn)行恒壓控制實(shí)現(xiàn)夾緊和固定。

2.1　氣動(dòng)控制系統(tǒng)

氣動(dòng)控制系統(tǒng)主要由氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件、電-氣伺服閥、帶模擬量輸出信號(hào)的壓力傳感器、集成有測(cè)量系統(tǒng)和外部帶彈簧的氣缸、不帶彈簧的單作用氣缸組成，氣動(dòng)回路圖如圖2所示。

圖2　氣動(dòng)回路圖

2.2　電-氣伺服閥給定值的計(jì)算

由選定的氣缸參數(shù)得知?dú)飧谆钊闹睆綖?5 mm，可以計(jì)算出作用面積A為4.91cm2，根據(jù)公式F=PA分別算出對(duì)應(yīng)三種夾緊力的壓力，然后根據(jù)伺服閥的壓力/電壓特性曲線得出電-氣伺服閥的電壓給定值，如表1所示。

表1　伺服閥的壓力及電壓給定值表

為了計(jì)算夾緊時(shí)間，還需要計(jì)算系統(tǒng)容積，在計(jì)算過程可忽略伺服閥的容積，只對(duì)兩個(gè)氣缸以及三根氣管的容積進(jìn)行計(jì)算，按照三根氣管長(zhǎng)度均為30 cm，從而計(jì)算得出整個(gè)系統(tǒng)的容積（活塞桿伸出到頭）為0.101 L。根據(jù)伺服閥的壓力-流量特性曲線（如圖3所示）可以得出在不同供氣壓力下的流量S。

圖3　伺服閥壓力-流量特性曲線

根據(jù)波義耳-馬略特定律可以得出系統(tǒng)在初始?jí)毫ο拢僭O(shè)為1bar）的系統(tǒng)初始容積V，然后根據(jù)公式（1）得出氣缸的夾緊時(shí)間T，如表2所示。

表2　氣缸夾緊時(shí)間

2.3　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由表1可知一個(gè)50 N夾緊力相當(dāng)于一個(gè)1.02 bar的超壓，對(duì)應(yīng)給定值電壓為1.7 V，依次將電壓設(shè)定值設(shè)為1.7 V、5.1 V、8.5 V，啟動(dòng)系統(tǒng)跟蹤功能，得出對(duì)壓力/給定值階躍函數(shù)的系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖4所示。由圖4可以看出中間曲線為實(shí)際值近似于給定值，沒有明顯的超調(diào)，滿足伺服控制系統(tǒng)的要求。

圖4　壓力給定值階躍函數(shù)的系統(tǒng)響應(yīng)

3　結(jié)語

該電-氣伺服系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了恒壓控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了壓力的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)在給定值變化的開始和實(shí)際值變化的開始之間大約有20 ms的時(shí)間間隔，這種延遲是由于伺服閥內(nèi)部的控制器造成的，正是這種控制特性決定了控制閥不能被立即完全打開，雖然有延遲，但實(shí)際系統(tǒng)的性能仍然接近于計(jì)算的系統(tǒng)性能。值得注意的是，由于松開零件過程中不需要克服氣體的可壓縮性和氣缸的動(dòng)摩擦，所以松開時(shí)間和夾緊時(shí)間并不相同。