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驗室自擬課題。氣動技術(shù)是實現(xiàn)自動化的重要手段之一。氣缸作為氣動系統(tǒng)中最常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)中[1-3]。在許多工業(yè)應(yīng)用場合中，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，

2、此時氣缸的低速性能顯得尤為重要。然而，氣缸在低速運(yùn)動時，由于氣缸摩擦阻力和氣體可壓縮性的影響，常常會出現(xiàn)時走時?；驎r快時慢的交替運(yùn)動，這種速度不均勻的斷續(xù)現(xiàn)象稱為“爬行現(xiàn)象”[4-6]。爬行是氣壓傳動中經(jīng)常出現(xiàn)的一種不正常運(yùn)動狀態(tài)。它嚴(yán)重影響了氣缸運(yùn)動平穩(wěn)性，輕微的爬行使運(yùn)動件產(chǎn)生不易察覺的振動；顯著的爬行使運(yùn)動件產(chǎn)生大距離的跳動[7]。因此，在實際應(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。由于爬行現(xiàn)象嚴(yán)重影響了氣缸運(yùn)動的平穩(wěn)性，實際使用過程中在滿足氣缸低速運(yùn)動的前提下，常常將氣缸平穩(wěn)運(yùn)動的最

3、小運(yùn)行速度設(shè)定得較高，從而保證氣缸一定不會出現(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)動速度、密封圈及潤滑脂種類、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產(chǎn)生爬行的因素很多，不同的因素對氣缸在低速時產(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爬行現(xiàn)象和研究其特性，首先應(yīng)該對這些主要的影響因素對爬行現(xiàn)象的影響程度進(jìn)行測定得出一定的規(guī)律和結(jié)論。雖然得到主要因素對氣缸爬行的影響規(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

4、由于各種影響因素在作用時都不是單一的而是相互的，故要完全消除氣缸低速運(yùn)動過程中的爬行現(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)者大都是采用試驗嘗試法，亦即首先通過大量的實驗測出某一具體型號氣缸低速平穩(wěn)勻速運(yùn)動的最低無爬速度，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)下都不會出現(xiàn)爬行的[10]。由此可見，如何正確分析各個因素對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

5、法，采取有效措施避免爬行現(xiàn)象仍是氣缸低速運(yùn)動研究1哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文和應(yīng)用中的一個難點，因此，需要通過對各影響因素的分析，找出一種判定方法，在設(shè)計系統(tǒng)時事先只需通過氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件就能預(yù)測氣缸是否出現(xiàn)爬行。在各個影響爬行產(chǎn)生的因素中，氣缸低速時的摩擦力特性是最主要的，氣缸動靜摩擦力的差異是導(dǎo)致氣缸產(chǎn)生爬行的根本原因。摩擦力是氣動比例控制器件內(nèi)部的主要干擾量，特別是庫侖摩擦力對氣動系統(tǒng)的影響較大，只要有較小的摩擦力存在就會使輸出產(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[11-1

6、3]。如前所述，在如今很多行業(yè)都需要?dú)飧椎牡退衮?qū)動，此時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，還要通過實驗研究氣缸在整個低速運(yùn)行階段時的摩擦特性，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氣缸摩擦力公式，此公式能包含氣缸缸徑、使用壓力、質(zhì)量負(fù)載、運(yùn)動速度、外力負(fù)載等工況條件，通過對各影響因素的因次分析、實驗研究和數(shù)據(jù)擬合即可達(dá)到要求。分析和研究氣

7、缸低速摩擦特性的目的就是為了方便在實際系統(tǒng)應(yīng)用時，通過一定的控制方法對氣缸低速時的摩擦特性進(jìn)行補(bǔ)償，有效地降低氣缸的最小無爬速度，改善氣缸低速時的特性和提高氣動系統(tǒng)位置和速度控制精度。綜上可知本課題的目的是通過對氣缸低速時各因素對爬行現(xiàn)象的仿真和實驗研究，獲得氣缸低速時的爬行特征判據(jù)并通過實驗研究和應(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氣缸低速時的摩擦特性進(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，提高氣動系統(tǒng)位置定位和速度控制精度。1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀任何一個物體的表面都是粗糙的。

8、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)生相對滑動，或有相對滑動的趨勢時，在接觸表面上產(chǎn)生抵抗滑動的阻力的一種自然現(xiàn)象[14]。如圖1.1所示。在圖1-1中，兩物體表面接觸實際上僅僅是極少數(shù)的幾個尖峰相接觸，這些接觸點之和稱為實際接觸面積，由于實際接觸面積很小，使得單位面積上