基于压电比例阀驱动的精密气缸的研究.pdf

2 0 1 0年 1 月 第3 8卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 I N I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 0 2 基于压电比例阀驱动的精密气缸的研究 董云峰 ，曲兴田 ，董景石 ，赵宏伟 1 ．吉林建筑工程 学院，吉林长春 1 3 0 0 2 0；2 ．吉林大学，吉林长春 1 3 0 0 2 2 摘要利用压电陶瓷的压电效应，研究了压电驱动式电气比例阀的动态性能，设计了气缸准确定位的测控系统，确定 气缸准确定位的测控方法；测试了精密驱动气缸的位移和负载，绘出了气缸的位移 一时间、负载 一时间的特性曲线。 关键词压电效应；压电叠堆；比例阀；精密驱动气缸 中图分类号T P 2 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 0 0 4 3 Re s e a r c h o n Ac c u r a t e Ai r Cy l i n de r Dr i v e n by Pi e z o e l e c t r i c i t y Pr o po r t i o n Va l v e D O N G Y u n f e n g ，Q U X i n g t i a n ，D O N G J i n g s h i ，Z H A O H o n g w e i 1 ． J i l i n I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h a n g e h u n J i l i n 1 3 0 0 2 0 ，C h i n a ； 2 ． J i l i n U n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f e l e c t ric p r o p o r t i o n v a l v e d r i v e n b y p i e z o e l e c t ri c i t y wa s s t u d i e d b a s e d o n t h e p i e z o e l e c t r i c i - t y e ff e c t o f p i e z o e l e c t r i c i t y c h i n a ． T h e t e s t i n g a n d c o n t r o l l i n g s y s t e m o f t h e a i r c y l i n d e r a c c u r a t e l o c ali z a t i o n w a s d e s i g n e d an d t h e me t h - o d o f t e s t i n g a n d c o n t r o l l i n g wa s d i s c u s s e d ．Th e d i s p l a c e me n t a n d l o a d o f t h e a c c u r a t e a i r c y l i n d e r w e r e me a s u r e d．a n d t h e c h a r a c t e r - i s t i c c u r v e s o f d i s p l a c e me n t t i me a n d l o a d t i me o f t h e a i r c y l i n d e r we r e d r a w n ． Ke y wo r d s P i e z o e l e c t r i c i t y e ff e c t ；Mu l t i l a y e r p i e z o e l e c t ri c a c t u a t o r s ；P r o p o rti o n v a l v e ；Ac c u r a t e l y d ri v e n a i r c y l i n d e r 0 引言 气压伺服可以实现能量传递、转换、分配及有效 控制。气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格 低廉、高速、高效、工作可靠、寿命长、适应温度范 围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁干扰等一系 列的优点而得到迅速发展 。 在电气伺服控制系统中，其核心元件是电气比例 阀。电气比例阀的主要作用是用于连接系统的电气一 机械部分，将输入的小功率电信号通过放大转变为控 制阀芯运动的电压或电流信号， 通过阀芯的运动又可 以控制气压执行机构的流量与压力，从而实现对执行 机构的控制。因此，电气比例阀性能的好坏直接影响 到整个系统性能的优劣。常规的电气比例阀无法实现 精密控制，利用压电叠堆作为动力源，研究制作了一 种新的电器比例阀，即压电式电气比例阀，能较好地 解决小流量下执行机构运动的控制问题 ，实现气缸的 精密定位 。 控制系统是利用压缩气体作为动力源，在数据采 集卡和 自行设计的压电驱动式电气比例阀的闭环控制 下，通过光栅尺和力传感器的反馈，实现气压缸的快 速驱动与准确定位，精度可达到 0 ． 0 0 1 m m。 在精密驱动机构 中，驱动器是必备的重要部件 ， 驱动器的性能直接影响到精密驱动机构的性能 。 压 电叠 堆 Mu l t i l a y e r P i e z o e l e c t r i c A c t u a t o r s 是 利用单片压电陶瓷电场作用下的直接伸长变形，再通 过多层叠加使总的变形达到一个较大的数值。 压电叠堆具有承载力大、响应快、位移可重复性 好、体积效率高以及电场控制相对简单等优点。谐振 位移驱动器是利用压 电体在谐振状态下 的位移变形来 形成驱动能力的 。当将施加在压电体上的交变电场的 频率调整到与驱动器固有频率相一致时，压电振子产 生强烈的振动 ，其数值高出原有振动位移的几十倍乃 至上百倍，利用此谐振状态下的位移变形进行位移输 出。 1 气缸精确定位的测控系统构建 气缸精确定位的测控系统如图 1 所示，利用电磁 气动比例阀和压电式电气比例阀分别进行控制，反馈 控制系统是以压力传感器和位移传感器的输入信号与 所期望的位移和压力的值作比较。设计了压力传感器 信号处理 电路、位移传感器信号处理电路、A ／ D转 换电路、信号转换控制器、D ／ A转换电路、电磁 比 例阀控制器、压电比例阀控制器等几部分。并采用了 电磁比例阀和设计的压电比例阀并联的方式，使得活 塞杆在气压缸中能够快速准确的定位，并使得负载能 准确地达到期望值 ，为以后机器人的进一步研究打下 基础 。 收稿日期2 0 0 9- 0 2 0 9 基金项目“ 8 6 3 ”国家高技术研究发展计划项目 2 0 0 2 A A 4 2 3 1 5 0 作者简介董云峰 1 9 6 3 一 ，女，工学硕士 ，教授，主要从事压电精密驱动技术的研究。Em a i l d y n1 3 3 s i n a ． C O rn。 第 1 期 董云峰 等基于压电比例阀驱动的精密气缸的研究 5 动压 气 气 源三 联 体 空 气过 滤器 电磁 比例 阀 图 1 气压传动的精密驱动与控制原理框图 为 了满足压 电比例 阀对 控制精 度的要求 ，以及根 据压 电比例 阀调试时情况多 变的需 要 ，选 择数字 比例 系统作为电气比例阀的控制系统。数字比例系统具有 控制精度高、抗干扰能力强 、稳定性好 、信号易于处 理等优点 。 系统的工作过程为 用户给定控制信号 如电 压值 ，通过采集卡的 D ／ A转换部分，转换为模拟信 号 电压信号 ，采集卡程序将此模拟信号输 出到电 磁 比例 阀的控制端 口中 ，控制 了电磁 比例 阀开 口的大 小 ，从而控制 了活塞杆在气压缸 中相对移 动速度 的大 小 ，此时 ，压电 比例 阀处于关闭状态 ；同时 ，采集 卡 的输入部分采集了记录气缸移动位移的光栅尺的位移 信号，并经 A ／ D转换后时刻与用户输入的期望值进 行比较；当采集到的位移值接近期望值时 ，电磁 比例 阀关闭，压电比例阀开始工作，将输入的电压信号放 大后输出到压电叠堆专用驱动电源 ，继而传递给压电 叠堆驱动器，将压电比例阀阀口迅速打开 ，活塞杆缓 慢移动；当经 A ／ D转换的位移值与用户期望值相等 时，立即采集力传感器上的信号；当经 A ／ D转换后 的压力值与期望值相等时，压电比例阀的阀口又迅速 关 闭。以上一 系列 的过程 实现了活塞杆在气压缸 内的 迅速 、准确 的定位 ，并且使得 负载能准确地达到期望 值 。在该系统 中 ，主控制器选用 工业 控制机 ，通过主 板扩展底板将各种功能卡连接在一起，实现采集信号 处理分析、控制信号输出以及压力反馈信号的调理。 工业级控制机的采用使整个控制系统结构紧凑，可靠 性高。 2压电式气动比例阀的实验研究 2 ． 1 压 电式气动比例阀的样机设计 压电式气动比例阀的样机结构形式如图 2所示。 一 般换向阀的阀芯都是阶梯轴 ，该阶梯轴的外圆表面 与带有沉割槽的腔体表面紧密配合着 ，通过移动该圆 柱体的位置实现阀的换向。而该压电式比例阀的换向 阀样机是通过活塞杆上的锥面与套筒内壁研磨后的紧 密配合，由驱动器 一压电叠堆直接驱动活塞杆打开或 关 闭阀 口来 实现换 向。通过改变压 电叠堆 的驱动 电压 值来控制气体流量的变化，电压值越大 ，阀口开度越 大，流量也越大；反之 ，电压值越小，阀口开度越 小 ，流量也越小 。 图2 压电式气动比例阀的样机结构图 当压电叠堆未通 电时 ，由于上腔 弹簧 的压力大 于 下腔弹簧的压力 ，使阀 口关闭 ；当压 电叠堆通 电伸 长 时，压电叠堆的驱动力克服了上下阀体两弹簧间的压 力差 ，将阀芯打开；当压电叠堆掉电时 ，由于上下阀 体两弹簧间的压力差，阀口关闭。其调整机构是通过 试气 ，确保能使上阀体带锥面的活塞紧密地与套筒内 壁配合 ，不至于在叠堆伸长时，未能把阀口打开；而 锁 紧机 构是当调整完 毕后 ，将 下 阀体 的活塞杆 锁住 ， 当压电叠堆通电伸长时，使得叠堆只能向一个方向伸 长，从而使上阀体的活塞与套筒分离 ，将阀口打开。 2 ． 2气压 实验 台的设计 对 压电式 电气 比例 阀压力 以及流量特性进行测量 必须有气压 实验台 ，该实验台 由气压站和实验控制 台 两大部分组成。气压站的功能是能够稳定地供应恒定 的工作压力 。 实验控制台是整个气压实验台的主体，主要完成 对比例阀各项参数的测试。在实验台的面板上 ，装有 气源三联体、空气过滤器，干燥过滤从空气压缩机带 来的空气 ，调整压力 大小；电磁 比例 阀、压 电比例 阀，并联控制气缸移动的速度和流量；位移传感器、 压力传感器 ，适时检测气缸的位移量和负载值；转换 控制器，将采集的信号与微机输 出的信号进行处理， 起到了桥梁的作用 ；还有一个气缸 ，是控制的主体。 2 ． 3压 电式 电气比例 阀的 实验 研 究 1 流量特性 在 气缸 前端 拴 一重 物 1 k g ，用重 物 与实 验 台 之间的摩擦力作为气压缸的负载 ，通过改变进气口压 力 的大小 ，测 出了压 电式 电气 比例 阀的流量特性 。 由于气体有较大的可压缩性，可 以看出，空载 时，相同电压和进气压力下，气体的流量相对于无负 载时较小。在有负载时，随着负载 和进 口压力 的增 加 ，阀的流量特性曲线的线性度越来越差 ，滞环现象 也越来越明显。另外，死区随着进口压力的增大而减 小 ，随着负载的增大而增大。 6 机床与液压 第 3 8卷 2 压电式电气比例阀的动态特性实验研究 压电比例阀的输入电压在某个频率范围内作正弦 变化时 ，阀的空载流量对输 入电压的复数 比 ，通 常用 幅值比 幅频和相角滞后 相频与频率之间的 关系来表示，即为压电比例阀的频率特性。压电比例 阀的频宽通常以幅值比 幅频为 一3 d B时的频率 与零频率间的区间作为幅频宽，以相角滞后 9 0 。 时的 频率与零频率之间的频率区间作相频宽。频宽是比例 阀的重要动态参数，是反映比例阀响应速度的重要指 标。图3为压电式电气比例阀在进气压力为 0 ． 2 M P a ， 电压在 1～ 1 0 0 H z 的频率范围内做正弦变化时的幅频 特性曲线。可见增益随频率的增加而显著下降。幅值 比为 一3 d B时为 2 0 H z ， 即该 阀 的频 宽为 2 0 H z 。 - 6 在频 率 增 加 的 过 程 中， ． ； 当频率 大于 8 0 0 H z时， 比例 阀没有压力输出， 即增益为零。 l l 0 2 0 100 频 率／ Hz 图 3 压电比例阀的频率响应 3 气缸精密定位的实验研究 该实验系统使用了压电叠堆专用驱动电源，微机 通过并行口向驱动电源发出控制信号，压电叠堆通过 驱动电压的大小实现对阀口开度的控制，从而控制了 进入气缸气体流量的大小，配合电磁比例阀就实现了 对气缸快速而又精确的控制。系统中 ，位移检测元件 为 S G C系列封闭式光栅线位移传感器，可实现移动 量的精确显示 0 ． 0 0 1 m l n 和 自动控制，是高精度的 线位移传感器，与数显表配套组成数显测量系统。该 产品 已形成 系列 ，量程从 5 0 m m～3 0 m。采 用航 天科 技集团公司第七零一研究所生产的 B K - 2 F型压力传 感器，它具有零点、灵敏度调整功能，标准电压、电 流信号输出精度高，性能稳定可靠，结构紧凑 、安装 使用方便 的特点 。 图4给出了实验测得的气缸在不同时间 n倍时 钟周期下的位移量和负载的关系。图4 a 为气缸 小位移、负载与时间的关系，在气缸到达预期位置前 0 ． 5 m m时，曲线斜率 明显变小，原因是在刚开始的 5 ． 8 m m气缸是 由电磁 比例 阀来 控制 的，正 是利 用 了 其流量大的特性来 实现气缸 的快速 移动，剩下 的 0 ． 0 4 m m是 由并联在 电磁 比例 阀上 的压 电 比例 阀来 控 制的，也正是利用了其微流量和响应快实现了气缸的 精确定位。在气缸指定位置后 0 ． 0 1 m m左右安置了一 固定滑块，当活塞杆继续前移碰到该滑块时，从压力 传感器上采集的数值与预期的相比较，达到预期负载 值时候，压电阀立即关闭。 以上曲线是在进气压力为 0 ． 2 MP a下测得的，从 位移曲线上看，由于前面是在电磁比例阀控制下完成 的，所以斜率较大，说明阀的速度很快，流量大，又 由于现在无 负 载 ，所 以压 力值 为零 ；在 后 面的 阶段 中，压电比例阀工作，在其微控与快速响应条件下， 气缸准确到达了给定的位置，当活塞杆前端的力传感 器与挡块相互作用时，就有了负载 ，当测得的负载与 给定的数值相等时 ，所有 的阀均关 闭 ，位移与负载的 值将 不再变化 。 将 指定 位 移设 为 5 0 ． 1 3 5 m m，负载设 为 1 0 ． 0 5 N， 进口压力设为0 ． 4 M P a ，测得的曲线如图4 b 所示。 图 4 b 给 出 了气 缸 大位 移 、大 负 载 压力 与 时 间 的 关系 ，可 以看 出 ，在传 统 电磁 阀工 作过 程 中 ，由于 气缸内壁存在摩擦力和空气的可压缩性 ，使得曲线 的线性度很不好 ，气缸出现了爬行现象。与图4 a 相 比可 以看 出 ，负载越 大对 曲线 的线 性度 影 响就越 大 Z l 稿 斌 昌 曼 渣 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 时 间／ p s a 小 位移 ， 小负 载与 时 间的 关系 U lI J U jU 40 5 0 ’ 时 间／ u s b 大 位移 ，大负 载与 时 间的 关系 图4 气缸位移、负载 一时间关系曲线 4结 论 气缸小 位移 、小 负载压 力时按着 图 4 a 的控制 方式 ，气 缸大位 移 、大 负 载 压 力 时 按 着 图 4 b 控 制方式 进行 ，通 过 自动 控制 回路 系 统 ，气 缸 在其 行 程范围 0～1 0 0 m m内，能做到快速并且准确的 定位 。 参考文献 【 1 】张建成． 高精度气动位置控制技术 [ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 1 4 81 3 ． 【 2 】 E u m T ， C h o Y J ， C h o H S ． S t a b i l i t y a n d P o s i t i o n i n g A c c u r a - c y o f a P n e u ma t i c o n o ff S e r v o m e c h a n i s m[ C] ． P r o c ． o f t h e Ame r i c a n Co nt r o l Co n f e r e n ce， 1 9 82 11 891 1 9 4． 【 3 】 T r e s s l e r J F ， A l k o y S ， D o g a n A ． F u n c t i o n a l c o m p o s i t e s f o r s e n s o r s a c t u a t o r s a n d t r a n d u c e r s [ J ] ． C o m p o s i t e s P a r t A， 1 9 9 9， 3 0 47 748 2． 【 4 】 T r e s s l e r J F ， H o w a r t h T R ． T h i n ， l o w f r e q u e n c y t ， h i s h d i s - p l a c e m e n t a c t u a t o r p a n e l s [ J ] ． Ma t R e s I n n o v a t ， 1 9 9 9 2 2 7 0 2 77．