气动系统的螺旋式超声运动控制机构及其应用研究

发布时间：2019-09-16 18:53

【摘要】：以压缩空气为工作介质的气动技术在工业生产等领域得到了广泛应用，但是由于气体介质的可压缩性大以及非线性严重，导致气动系统的定位精度较低以及低速运动时易爬行等问题，限制了气动技术的发展。针对这一问题，本文提出了一种采用新型工作原理的螺旋式超声解锁与速度控制机构（文中命名为超声运动控制机构），将其应用到气动控制系统中，目的在于改善气动系统的定位精度与速度控制能力。通过对超声振动的减摩效应与超声驱动作用的机理分析，得出超声运动控制机构提出的理论与实验基础。超声运动控制机构主要由超声振子与螺纹输出轴组成，在超声振动的减摩效应与超声驱动的共同作用下，控制超声振子同螺纹输出轴间摩擦系数，提供二者间相对运动趋势，实现螺旋式传动副的自锁与解锁状态转换以及速度控制的功能。通过定义螺纹距径比、摩擦系数剩余率以及判定系数的概念，分析了螺纹参数与摩擦系数对超声运动控制机构的自锁与解锁状态的影响规律。分析结果表明，当判定系数大于1时，超声运动控制机构处于解锁状态；选择大的螺纹距径比，减小摩擦系数剩余率，有利于机构的解锁设计。通过建立该机构的电压-速度控制特性的数学模型，得出其具有承载能力大、输出速度线性可控的特点。考虑转动惯量与剪切变形的影响，对自由约束弯曲振动梁的共振频率计算公式进行了修正，扩展了频率计算公式的适用范围。采用有限元仿真与实验测试的方法，验证了理论分析结果的正确性。以修正公式为理论基础，建立了用于描述弯曲振动梁的固有振动特性的谐振曲线的数学模型，为开展弯曲振动模态超声振子的振动特性研究提供了理论基础。通过对压电片贴片式弯曲振动模态超声振子的布片激振方式进行分析，研究了压电元件的布片位置与布片长度对超声振子输出性能的影响规律。得出压电片的布片位置位于超声振子振动的中心波腹处，布片长度不宜超过两个振动节点间距离为合理的布片方式。采用有限元分析的方法，验证了理论分析结果的正确性，为开展柱状弯曲振动模态超声振子的设计提供了理论指导。实现了两种不同结构与激振模式的超声运动控制机构原型样机的研制。一种为行波单波长超声运动控制机构，超声振子采用黄铜材料的中空方柱型结构，自重24g，尺寸为长×宽×内径为20mm×8mm×M4mm；另一种为行波三波长超声运动控制机构，超声振子采用外表面加工有十二棱面的中空柱状多面体结构，材料为45号钢，自重206g，尺寸为长×宽×内径为36mm×46mm×Tr38mm。通过定义转折负载、稳态速度以及载重比的概念，开展了超声运动控制机构在质量负载下的实验研究。两台样机均可实现螺旋式传动机构的自锁与解锁状态转换功能。通过调节激励电压，可实现对机构输出速度的线性控制。单波长超声运动控制机构的激振频率为49.30kHz，激励电压有效值7V时，载重比为30：1以上；三波长超声运动控制机构的激振频率为42.90kHz，激励电压有效值14V时，可获得80：1以上的载重比能力。将三波长超声运动控制机构应用于气动控制系统中，实现了一套带有超声运动控制机构的新型气动控制系统，测试了该系统的定位与速度控制特性。测试结果表明，通过控制超声运动控制机构，可以完成对气动系统的位置定位与速度控制。与传统气动系统中采用机械锁紧的定位方式相比，带有超声运动控制机构的新型气动控制系统可以获得更高的定位精度；系统的输出速度与超声运动控制机构的激励电压呈线性变化，与系统回路的气体流量无关，提高了气动控制系统的抗干扰能力，特别适用于具有低速运动控制需求的场合。
【图文】：

锁紧机构,锁紧,气缸,结构示意图

位置控制作为气动控制技术中的一个重要组成部分，，在工业自动化生产中应用十分广泛。目前气动控制系统中的位置控制主要有以下几种实现方式：利用机械锁紧机构的锁紧气缸的定位控制方式[12]；利用电-气转换与控制元件如开关阀[13]或伺服阀[14, 15]同现代控制理论与智能控制算法相结合的位置伺服控制方式；采用气-液联动的位置控制方式[16]；利用磁流变技术的位置控制方式[17, 18]；利用精密微小位移输出的驱动器与气动位置伺服控制技术相结合的宏-微复合定位的位置控制方式等[19-21]。1.2.1 机械锁紧定位的控制方式锁紧气缸主要通过采用机械锁紧结构的方式实现对气动执行元件的锁紧与定位，它主要由锁紧机构和气缸组件两部分组成[22]。锁紧气缸在工作过程中，主要处于两种工作状态，分别为锁紧机构的自由状态与锁紧状态；同时根据锁紧方式的不同可分为弹簧制动式、气压制动式以及弹簧+气压制动式等。图 1-1 所示为锁紧气缸的锁紧机构的结构示意图[23]。

示意图,关位置,伺服控制系统,示意图

制动瓦 1 从外部抱紧活塞杆，使得气缸处于锁紧状态。电-气位置伺服的控制方式-气位置伺服控制作为目前气动技术中实现位置控制的一种重利用高速开关阀、电-气比例阀或电-气伺服阀等电-气转换与控控制算法来实现对执行机构的定位。按照电-气转换与控制-气位置伺服控制系统可分为电-气开关位置伺服控制系统与电-控制系统两类[24, 25]。-气开关位置伺服控制系统中主要采用电磁式高速开关阀作为电元件。由于电磁式高速开关阀具有开关速度快、结构简单等优速开关阀式电-气位置伺服系统可以获得较高的频响，同时具、结构简单以及成本低等优点[26]。但是由于电磁式高速开关通或关断的工作状态，因此必然存在一定的开关死区，造成电服控制系统在平衡点附近容易产生极限环振荡现象，影响了位度[27]。图 1-2 所示为电-气开关位置伺服控制系统的组成示意图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH138.5;TB559

【参考文献】