氣缸低速摩擦特性及其補(bǔ)償控制研究

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1、碩士學(xué)位論文氣缸低速摩擦特性及其補(bǔ)償控制研究RESEARCHONCHARACTERISTICAND COMPENSATIONCONTROLOFFRICTIONOFPNEUMATICCYLINDERATLOWSPEED王佳利2009年6月哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題的來源和背景本課題是實(shí)驗(yàn)室自擬課題。氣動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要手段之一。氣缸作為氣動(dòng)系統(tǒng)中最常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)中[1-3]。在許多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中，如半導(dǎo)體、瓷器、玻璃等行業(yè)，機(jī)械零件加工和磨削，常常需要低速驅(qū)動(dòng)，此時(shí)氣缸的低速性能顯得尤為重要。然而，氣缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣缸摩擦阻力和氣體

2、可壓縮性的影響，常常會(huì)出現(xiàn)時(shí)走時(shí)?；驎r(shí)快時(shí)慢的交替運(yùn)動(dòng)，這種速度不均勻的斷續(xù)現(xiàn)象稱為“爬行現(xiàn)象”[4-6]。爬行是氣壓傳動(dòng)中經(jīng)常出現(xiàn)的一種不正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它嚴(yán)重影響了氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，輕微的爬行使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生不易察覺的振動(dòng)；顯著的爬行使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生大距離的跳動(dòng)[7]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中希望避免爬行的產(chǎn)生，保證氣缸在正常工作范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。由于爬行現(xiàn)象嚴(yán)重影響了氣缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，實(shí)際使用過程中在滿足氣缸低速運(yùn)動(dòng)的前提下，常常將氣缸平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的最小運(yùn)行速度設(shè)定得較高，從而保證氣缸一定不會(huì)出現(xiàn)爬行。但由于低速爬行現(xiàn)象的存在，縮小了氣缸的正常工作范圍。而氣缸爬行是一種涉及使用壓力、活塞運(yùn)動(dòng)速度、密封圈及

3、潤滑脂種類、氣缸結(jié)構(gòu)、負(fù)載等多種因素的復(fù)雜現(xiàn)象[8-9]?？芍斐蓺飧自诘退贂r(shí)產(chǎn)生爬行的因素很多，不同的因素對(duì)氣缸在低速時(shí)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象的影響程度是不一樣的，為了改善氣缸低速時(shí)爬行現(xiàn)象和研究其特性，首先應(yīng)該對(duì)這些主要的影響因素對(duì)爬行現(xiàn)象的影響程度進(jìn)行測(cè)定得出一定的規(guī)律和結(jié)論。雖然得到主要因素對(duì)氣缸爬行的影響規(guī)律，可以通過控制方法或在了解其規(guī)律的基礎(chǔ)上順應(yīng)它。但由于各種影響因素在作用時(shí)都不是單一的而是相互的，故要完全消除氣缸低速運(yùn)動(dòng)過程中的爬行現(xiàn)象是不可能的。目前在氣缸低速爬行研究中，很多研究學(xué)者大都是采用試驗(yàn)嘗試法，亦即首先通過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)出某一具體型號(hào)氣缸低速平穩(wěn)勻速運(yùn)動(dòng)的最低無爬速度，

4、然后通過調(diào)整工作壓力等工況參數(shù)使氣缸的運(yùn)行速度高于最低無爬速度，從而達(dá)到氣缸平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的使用要求。雖然此方法通俗易懂，但僅依據(jù)最低無爬速度是不能保證氣缸在任一工況參數(shù)下都不會(huì)出現(xiàn)爬行的[10]。由此可見，如何正確分析各個(gè)因素對(duì)氣缸低速特性的影響程度，找出正確判 定氣缸是否出現(xiàn)爬行的方法，采取有效措施避免爬行現(xiàn)象仍是氣缸低速運(yùn)動(dòng)研究1哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文和應(yīng)用中的一個(gè)難點(diǎn)，因此，需要通過對(duì)各影響因素的分析，找出一種判定方法，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)事先只需通過氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件就能預(yù)測(cè)氣缸是否出現(xiàn)爬行。在各個(gè)影響爬行產(chǎn)生的因素中，氣缸低速時(shí)的摩擦力特性是最主要的，氣缸動(dòng)靜摩擦力的差異是導(dǎo)致

5、氣缸產(chǎn)生爬行的根本原因。摩擦力是氣動(dòng)比例控制器件內(nèi)部的主要干擾量，特別是庫侖摩擦力對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的影響較大，只要有較小的摩擦力存在就會(huì)使輸出產(chǎn)生明顯的滯環(huán)和死區(qū)，給位置和速度的精確控制帶來很大的困難[11-13]。如前所述，在如今很多行業(yè)都需要?dú)飧椎牡退衮?qū)動(dòng)，此時(shí)氣缸的低速特性就顯得尤為重要。我們不僅要通過判定公式事先判定出氣缸的無爬工作范圍，還要通過實(shí)驗(yàn)研究氣缸在整個(gè)低速運(yùn)行階段時(shí)的摩擦特性，研究不同工況條件下摩擦力-速度之間關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合得出氣缸運(yùn)行過程中摩擦力-速度的摩擦力模型。為了更好地研究摩擦力與各主要影響因素之間的關(guān)系，就需要通過研究找出一個(gè)氣缸摩擦力公式，此公式能包含氣缸缸

6、徑、使用壓力、質(zhì)量負(fù)載、運(yùn)動(dòng)速度、外力負(fù)載等工況條件，通過對(duì)各影響因素的因次分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)擬合即可達(dá)到要求。分析和研究氣缸低速摩擦特性的目的就是為了方便在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，通過一定的控制方法對(duì)氣缸低速時(shí)的摩擦特性進(jìn)行補(bǔ)償，有效地降低氣缸的最小無爬速度，改善氣缸低速時(shí)的特性和提高氣動(dòng)系統(tǒng)位置和速度控制精度。綜上可知本課題的目的是通過對(duì)氣缸低速時(shí)各因素對(duì)爬行現(xiàn)象的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，獲得氣缸低速時(shí)的爬行特征判據(jù)并通過實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用因次分析的方法擬合摩擦力模型公式最終通過一定的控制算法對(duì)氣缸低速時(shí)的摩擦特性進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到改善氣缸低速摩擦和爬行特性的目的，提高氣動(dòng)系統(tǒng)位置定位和速度控制精度。1

7、.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀任何一個(gè)物體的表面都是粗糙的。即使在表面上看起來很光滑，在微觀上觀察仍是凹凸不平的，這種表面凹凸不平的特性稱為突起或毛刺。摩擦就是在正壓力作用下，相互接觸的兩物體受切向外力的影響而發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，或有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在接觸表面上產(chǎn)生抵抗滑動(dòng)的阻力的一種自然現(xiàn)象[14]。如圖1.1所示。在圖1-1中，兩物體表面接觸實(shí)際上僅僅是極少數(shù)的幾個(gè)尖峰相接觸，這些接觸點(diǎn)之和稱為實(shí)際接觸面積，由于實(shí)際接觸面積很小，使得單位面積上