1氣動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的技術(shù)手段，在目前主要有兩個(gè)：電氣(電子)控制和流體動(dòng)力控制。流體動(dòng)力控制有三類(lèi)：(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?xì)夂驼魵狻?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(shí)現(xiàn)能量傳遞、轉(zhuǎn)換、分配及控制的一門(mén)技術(shù)。氣動(dòng)系統(tǒng)因其節(jié)能、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、高速、高效、工作可靠、壽命長(zhǎng)、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(diǎn)而得到了迅速的發(fā)展。眾多的報(bào)道表明，氣動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)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(jī)電產(chǎn)品的數(shù)量和水平，采用氣動(dòng)技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家的重要標(biāo)志。

　　據(jù)資料表明，目前氣動(dòng)控制裝置在自動(dòng)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(mén)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(dòng)控制裝置大體相等。在我國(guó)已廣泛用于紡織機(jī)械、造紙和制革等輕工業(yè)中。(3)在交通運(yùn)輸中，列車(chē)的制動(dòng)閘、貨物的包裝與裝卸、倉(cāng)庫(kù)管理和車(chē)輛門(mén)窗的開(kāi)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(méi)有冷卻裝置下很難在300℃～500℃高溫條件下工作，故現(xiàn)代飛機(jī)上大量采用氣動(dòng)裝置。同時(shí)，火箭和導(dǎo)彈中也廣泛采用氣動(dòng)裝置。(5)魚(yú)雷的自動(dòng)裝置大多是氣動(dòng)的，因?yàn)橐詨嚎s空氣作為動(dòng)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(jī)械工業(yè)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。

　　從氣動(dòng)的特點(diǎn)和應(yīng)用情況可知，研究和發(fā)展氣動(dòng)技術(shù)具有非常重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。氣動(dòng)技術(shù)在美國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)等主要工業(yè)國(guó)家的發(fā)展和研究非常迅速，我國(guó)于七十年代初期才開(kāi)始重視和組織氣動(dòng)技術(shù)的研究。無(wú)論從產(chǎn)品規(guī)格、種類(lèi)、數(shù)量、銷(xiāo)售量、應(yīng)用范圍，還是從研究水平、研究人員的數(shù)量上來(lái)看，我國(guó)與世界主要工業(yè)國(guó)家相比都十分落后。為發(fā)展我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)，提高我國(guó)的氣動(dòng)技術(shù)水平，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，開(kāi)展和加強(qiáng)氣動(dòng)技術(shù)的研究是很必要的。

　　2電—?dú)馑欧刂频陌l(fā)展概況

　　氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)按其采用的電—?dú)廪D(zhuǎn)換元件的不同可分為電—?dú)獗壤欧到y(tǒng)和電—?dú)忾_(kāi)關(guān)伺服系統(tǒng)。電—?dú)獗壤欧到y(tǒng)模擬信號(hào)控制的比例閥或伺服閥作電—?dú)庑盘?hào)轉(zhuǎn)換元件。這類(lèi)系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)較快，但伺服閥或比例閥造價(jià)昂貴，因而系統(tǒng)成本高，而且對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)。

　　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(dòng)伺服機(jī)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(duì)于低壓系統(tǒng)很難用古典控制方法和模擬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)精密伺服控制，因此，氣動(dòng)伺服控制長(zhǎng)期停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段。1979年德國(guó)Aachen R.W工業(yè)大學(xué)W.Backe'教授研制出的第一個(gè)氣動(dòng)伺服閥大大推進(jìn)了氣動(dòng)伺服控制的發(fā)展。此后，德國(guó)、日本、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(dá)。隨著高性能的電—?dú)饪刂圃蛨?zhí)行元件的迅速發(fā)展，氣動(dòng)伺服控制技術(shù)的研究也取得了一定的成果。我國(guó)的周洪博士、陳大軍博士對(duì)電—?dú)獗壤?伺服系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行了研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授承擔(dān)國(guó)家高技術(shù)“863”計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主課題中的“電—?dú)馑欧到y(tǒng)及其電—?dú)馑欧骷拈_(kāi)發(fā)研究”，取得了一定的成果。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　電—?dú)忾_(kāi)關(guān)/伺服系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)閥作電—?dú)庑盘?hào)轉(zhuǎn)換元件。這類(lèi)系統(tǒng)成本低，對(duì)工作環(huán)境要求不高，且易于計(jì)算機(jī)控制；但獲得寬頻帶、高精度比較困難。開(kāi)關(guān)/伺服控制最早出現(xiàn)在液壓系統(tǒng)中，Burrows最先將開(kāi)關(guān)/伺服控制用于氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中。八十年代初，T.Eun等人設(shè)計(jì)了一種新的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)伺服機(jī)構(gòu)，并詳細(xì)研究了該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和精度。以上的開(kāi)關(guān)伺服機(jī)構(gòu)都是通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯判斷來(lái)反饋氣缸位置，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)(PTP)控制，而且精度很低。這期間，G.Belforate等人將機(jī)車(chē)制動(dòng)技術(shù)引入氣動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種帶抱閘實(shí)現(xiàn)氣缸在目標(biāo)位置定位。這種氣動(dòng)開(kāi)關(guān)伺服機(jī)構(gòu)受負(fù)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(lái)，日本的花房秀郎、原田正一等人用開(kāi)關(guān)閥、節(jié)流閥的串并聯(lián)實(shí)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(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他采用的是無(wú)密封裝置氣缸和FESTO公司的開(kāi)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(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)閥組成一個(gè)新的氣動(dòng)位置開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便、成本低且性能好等優(yōu)點(diǎn)。

　　以上的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，盡管采用了位移傳感器，但位移信號(hào)只是作為邏輯判斷用，沒(méi)有用來(lái)調(diào)節(jié)控制信號(hào)的大小，其本質(zhì)上仍是開(kāi)環(huán)控制，或者說(shuō)是準(zhǔn)閉環(huán)控制。因此，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是成本低、控制簡(jiǎn)單；但精度進(jìn)一步提高受到限制。隨著控制指標(biāo)的提高，氣動(dòng)開(kāi)關(guān)控制向脈沖調(diào)制的開(kāi)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(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)閥(見(jiàn)圖1)，用控制信號(hào)控制脈沖寬度DITs(I=1，2，…，n)，即開(kāi)關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)間。因此，控制DI的大小宏觀上等價(jià)于控制流過(guò)閥的介質(zhì)流量。典型的氣動(dòng)PWM控制回路如圖2所示。

　　PWM控制最初是美國(guó)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(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。與此同時(shí)，隨著開(kāi)關(guān)閥的迅速發(fā)展，Goldstein提出用快速開(kāi)關(guān)電磁閥代替昂貴的伺服閥。最先將PWM開(kāi)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—?dú)忾_(kāi)關(guān)/伺服系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手中，他獲得的定位精度是±0.06mm。小山紀(jì)等人用二個(gè)開(kāi)關(guān)閥實(shí)現(xiàn)廣義PWM控制，獲得±0.02mm的高精度。美國(guó)的Jing—Yih Lai等人以五自由度機(jī)器人的手臂為控制對(duì)象進(jìn)行了PWM氣動(dòng)控制理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)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(duì)氣動(dòng)PWM控制也進(jìn)行了研究，獲得了±0.09°的氣馬達(dá)轉(zhuǎn)角位置精度。吳沛溶教授也對(duì)PWM控制氣動(dòng)系統(tǒng)作過(guò)研究，取得了一定的成績(jī)。此外，北京理工大學(xué)的楊樹(shù)興、姚曉光對(duì)PWM控制系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)研究。

　　脈沖編碼(PCM)控制是把控制信號(hào)編為n位二進(jìn)制信號(hào)來(lái)控制n個(gè)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟和閉合。這n個(gè)開(kāi)關(guān)閥的有效截面積(為方便敘述，本文所說(shuō)的開(kāi)關(guān)閥有效截面積都是指開(kāi)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(gè)閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合數(shù)為2n，即可獲得2n級(jí)不同的截面積。以圖1～圖3所示的氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明PCM控制原理及過(guò)程。

　　PCM控制方式非常適合計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制，其控制原理和過(guò)程是：在每一個(gè)采樣周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)將控制量的設(shè)定值與檢測(cè)到的控制量進(jìn)行比較，按照設(shè)計(jì)的控制規(guī)率，經(jīng)判斷、計(jì)算，發(fā)出一組二進(jìn)制編碼控制n個(gè)開(kāi)關(guān)閥，得到不同的綜合開(kāi)口面積，從而控制氣缸的氣體流量，使氣缸按要求運(yùn)動(dòng)。日本的中村最先將PCM控制技術(shù)用于液壓控制。Hirohisa Tanaka對(duì)PCM液壓控制系統(tǒng)也進(jìn)行了研究，提出了用軟件克服因開(kāi)關(guān)閥的啟閉時(shí)間不同造成流量波動(dòng)。后來(lái)，則次俊郎第一個(gè)將PCM控制技術(shù)用于氣動(dòng)系統(tǒng)，并成功用PCM方式控制了英國(guó)Pendar公司的三自由度機(jī)器人，他獲得的定位精度約±0.25mm。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)PCM控制的研究是從90年代初開(kāi)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(duì)Fuzzy-PI控制氣動(dòng)PCM位置系統(tǒng)進(jìn)行了研究獲得了±0.25mm的定位精度。王宣銀博士首次提出變?cè)鲆鍼CM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。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　3氣液連動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)性以及氣動(dòng)定位的不準(zhǔn)確性(即定位精度不高)。為了提高其定位精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。又充分發(fā)揮氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)控制，提高系統(tǒng)的性能。

　　關(guān)于氣液連動(dòng)，最先應(yīng)用的是氣液阻尼缸，亦稱(chēng)之為油阻尼缸。它實(shí)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(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度是靠調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)的，如圖4所示。

　　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(dòng)回路中出現(xiàn)低速運(yùn)動(dòng)的爬行和不穩(wěn)定現(xiàn)象，并可和各種氣動(dòng)元件組合使用。氣液轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：(1)規(guī)格多，適應(yīng)性強(qiáng)。例如日本達(dá)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(dòng)減壓閥，就能獲得相應(yīng)的壓力變化。反應(yīng)速度快，能滿(mǎn)足不同用戶(hù)的要求；(2)由于工作油溫穩(wěn)定，空氣不會(huì)混入油中，效率高，因而能獲得穩(wěn)定的移動(dòng)；(3)與液壓相比，不需復(fù)雜、龐大的泵站和冷卻系統(tǒng)等，價(jià)格便宜。又因無(wú)泵引起的脈動(dòng)，油溫穩(wěn)定，可用于精密切割，精密穩(wěn)定進(jìn)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(shí)踐中，特別是在機(jī)床的液壓夾具中廣泛使用，已為人們所熟知。在實(shí)際工作中有時(shí)要應(yīng)用壓力1MPa以上的氣壓，此時(shí)一般小型空氣壓縮機(jī)已無(wú)能力而往往又沒(méi)有必要購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)高壓空氣的壓縮機(jī)。這一問(wèn)題往往采用氣液增壓裝置得到解決。

　　總之，氣壓傳動(dòng)一般用于快速傳遞，不怕沖擊，速度要求不嚴(yán)的場(chǎng)合；液壓傳動(dòng)一般用于傳動(dòng)平穩(wěn)，必須控制調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。壓縮空氣為氣—液傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，代替液壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力裝置的油泵推壓油液，推動(dòng)進(jìn)給缸進(jìn)行切削加工，又可同時(shí)用于其它氣缸的直接傳動(dòng)。在中低壓的狀況下，油液視為不可壓縮的，使進(jìn)給缸能獲得平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是油液的過(guò)濾和密封要求嚴(yán)格，為補(bǔ)償泄漏要設(shè)置一油杯或補(bǔ)油泵。而且，負(fù)載變化時(shí)，壓力有波動(dòng)，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(chǎng)合或壓力波動(dòng)要求較嚴(yán)的場(chǎng)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(jìn)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?yàn)橛椭谢煊袣怏w。一方面原因是因?yàn)闅庖簼B漏引起的，另一方面是由于油缸沒(méi)有排氣孔或排氣孔的位置不當(dāng)，在向油缸加油時(shí)，油缸內(nèi)氣體無(wú)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(shí)產(chǎn)生爬行、沖擊、停頓等現(xiàn)象，降低了機(jī)床的加工精度。為解決此問(wèn)題，應(yīng)在設(shè)計(jì)、制造氣液缸時(shí)，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。