氣動(dòng)懸浮非接觸輸送裝置的輸送性能

劉建芳，陳洪霞，劉國(guó)君

(吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

0 引 言

傳統(tǒng)的接觸式運(yùn)輸工具因傳動(dòng)部件由剛性的移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，存在機(jī)械振動(dòng)、摩擦磨損等現(xiàn)象，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技產(chǎn)業(yè)中的精密測(cè)量、精密加工和精密運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)的應(yīng)用需求，因此，不可避免地被日益成熟的非接觸式運(yùn)輸工具所代替。非接觸式運(yùn)輸技術(shù)主要分為:靜電懸浮技術(shù)［1］、電磁懸浮技術(shù)［2］、超聲懸浮技術(shù)［3-4］和氣動(dòng)懸浮技術(shù)［5］4 種。電磁懸浮技術(shù)由于受其工作原理的制約，通常只能用來懸浮導(dǎo)體或電導(dǎo)率較高的半導(dǎo)體物體，對(duì)其他電導(dǎo)率較低的物體則無法進(jìn)行運(yùn)輸。超聲波懸浮技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在材料處理等領(lǐng)域，但是其構(gòu)建的設(shè)備需要較高的成本，維護(hù)也很困難，并且只能對(duì)質(zhì)量較小、體積較小的物體進(jìn)行非接觸輸送［6］。基于氣動(dòng)懸浮方式構(gòu)建的非接觸自動(dòng)輸送系統(tǒng)具有清潔無污染、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用和維護(hù)方便，不發(fā)熱，不生磁，運(yùn)輸阻力小，懸浮力大，對(duì)工件的材質(zhì)無要求等優(yōu)點(diǎn)。利用超聲波懸浮和氣浮設(shè)計(jì)的混合懸浮裝置可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量為532 g 物體的運(yùn)輸，其運(yùn)輸速度為35 mm/s［7］，但是如果再增加懸浮物的質(zhì)量，通過調(diào)節(jié)供氣壓力使其懸浮在行波作用范圍內(nèi)，也不能實(shí)現(xiàn)物體的運(yùn)輸，這是因?yàn)槌暜a(chǎn)生的行波具有一定的驅(qū)動(dòng)能力限制。因此本文選擇氣動(dòng)懸浮來實(shí)現(xiàn)重載物體的非接觸輸送。

本文設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)懸浮式非接觸自動(dòng)輸送裝置，其懸浮機(jī)理是利用靜壓型氣浮作支承;輸送機(jī)理在于，懸浮介質(zhì)為空氣，此時(shí)的摩擦力非常小，較小的作用力即可驅(qū)動(dòng)懸浮物運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為了控制懸浮物的運(yùn)輸方向和運(yùn)輸速度，搭建了基于PLC 的步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的非接觸輸送裝置改善了超聲懸浮和氣浮混合懸浮裝置中行波的驅(qū)動(dòng)能力限制的缺陷，懸浮物的承載力和運(yùn)輸性能均有了很大的提高。

1 氣動(dòng)懸浮及輸送機(jī)理

1.1 氣動(dòng)懸浮的工作原理

靜壓型氣浮支承主要由節(jié)流孔和壓力腔組成，如圖1 所示。由空氣壓縮機(jī)流出的高壓氣體，設(shè)供氣壓力為P0，流經(jīng)節(jié)流孔和壓力腔，作用在懸浮重物的底部，此時(shí)壓力降為Pd，在懸浮重物和氣浮支承之間形成了一層薄薄的高壓氣膜，氣膜產(chǎn)生的壓力克服了懸浮重物自身的重力，實(shí)現(xiàn)了重物的懸浮，此時(shí)，氣體沿徑向方向流向氣浮支承的邊緣時(shí)壓力降為Pa。

圖1 靜壓型氣浮支承的工作原理Fig.1 Working principle of aerostatic bearing

靜壓型氣浮支承利用空氣作為潤(rùn)滑介質(zhì)，即物體被懸浮時(shí)，在懸浮重物和氣浮支承中間形成了一層氣體薄膜，因此可以用納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程來描述物體被懸浮時(shí)氣膜內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)。

如圖2 所示，納維-斯托克斯方程可表述為:

式中:r 為從某一個(gè)節(jié)流孔的軸心算起，沿靜壓型氣浮支承外緣方向的某一半徑，其中，a ＜r ＜b;a為壓力腔的半徑;b 為氣浮支承的半徑(見圖2);u為r 處的氣體速度;p 為r 處的氣體壓力;μ 為氣體黏度。

圖2 氣動(dòng)懸浮物理模型Fig.2 Physical model of aerostatic suspension

設(shè)懸浮間隙，即氣膜厚度為h，此時(shí)的邊界條件為y=0，u=0;y=h，u=0。

對(duì)式(1)進(jìn)行積分并代入上面的邊界條件得:

通過高為h、半徑為r 區(qū)域的氣體質(zhì)量流量為:

式中:ρ 為氣體密度。

把式(2)代入式(3)并求積分得:

以上均為假設(shè)氣膜內(nèi)氣體流動(dòng)為等熵過程，即:

式中:R 為氣體常數(shù);T 為絕對(duì)溫度。

將式(5)代入式(4)并分離變量有:

式中:負(fù)號(hào)表示壓力沿著氣體流動(dòng)方向下降。

由于壓力腔的容積比較小，所以可以近似地認(rèn)為壓力腔的壓力是恒定的。則由r=a，p=pd到r=b，p=pa處的區(qū)域?qū)κ?5)求積分可得:

式中:pd為壓力腔內(nèi)的氣體壓力，pa為氣浮支承邊緣處的氣體壓力。可以看出，氣動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)的承載力與氣體介質(zhì)和氣浮支承尺寸有關(guān)。

1.2 非接觸輸送機(jī)理

懸浮重物實(shí)現(xiàn)非接觸輸送的原理如圖3 所示，供氣氣體在懸浮重物和氣浮支承的間隙內(nèi)形成了一層高壓氣膜，抵消了重物自身的重力。由于潤(rùn)滑介質(zhì)為空氣，此時(shí)的摩擦力非常小，因此，重物被懸浮時(shí)，給重物底部施以很小的氣體剪切力，就可以驅(qū)動(dòng)懸浮重物沿所需的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)噴嘴與垂直方向夾角為θ 時(shí)，設(shè)噴嘴提供的氣體剪切力為F，水平方向的分力Fx提供驅(qū)動(dòng)力。物體被懸浮之后，當(dāng)輸送氣壓增大時(shí)，相應(yīng)的氣體剪切力F 隨之增大，則驅(qū)動(dòng)力Fx亦增大。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，氣體剪切力的分力亦增大。驅(qū)動(dòng)力Fx增大，則懸浮物的運(yùn)輸速度亦增大。

圖3 非接觸輸送機(jī)理示意圖Fig.3 Mechanism sketch map of non-contact transport

2 步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建

2.1 控制元件的選型

(1)步進(jìn)電機(jī):步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移或角位移的機(jī)電元件［8］。電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度取決于輸入脈沖的個(gè)數(shù)，旋轉(zhuǎn)速度與脈沖頻率有關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向取決于定子繞組的通電相序，因此，控制通電相序、輸入脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率，可以精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)選取的是日本東方VEXTA 兩相步進(jìn)電機(jī)C6982-9212，其固有步距角為1.8°，額定電流為3.3 A。

(2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器:步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)不能直接接到直流或交流電源上，必須使用專門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)加以放大，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)按既定的控制信號(hào)工作。本系統(tǒng)中選取的是M542 兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，是基于PI 電流控制算法設(shè)計(jì)的高性價(jià)比細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器，有16 種細(xì)分，16 種電流供選擇。

(3)可編程控制器:可編程邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)是一種通過編程或軟件配置來改變控制方式的控制器。PLC選型的基本原則是在滿足控制功能的前提下，選擇可靠性最強(qiáng)、使用最簡(jiǎn)便并且性價(jià)比最高的機(jī)型。本系統(tǒng)中選用的是臺(tái)達(dá) PLC，型號(hào)為DVP16ES200T，8 路開關(guān)量輸入/輸出，輸出類型為晶體管形式。

2.2 控制系統(tǒng)的搭建及PLC 程序的編寫

圖4 控制系統(tǒng)主要接線端Fig.4 Main terminal of electric control system

控制系統(tǒng)主要接線端如圖4 所示。本控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的固有步距角為1.8°，由于已經(jīng)能滿足本系統(tǒng)的角度需要，沒有進(jìn)行進(jìn)一步的角度細(xì)分設(shè)置。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電流設(shè)定為2.3 A，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)子具有較大的力矩。控制方式為脈沖加方向模式:PUL 脈沖信號(hào)端按照輸入脈沖的個(gè)數(shù)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù);DIR 方向信號(hào)端加電壓與懸空或不加電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反;EN 使能端懸空或?yàn)榈碗娖叫盘?hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器為使能狀態(tài)，信號(hào)為高電平時(shí)，電機(jī)停止工作。點(diǎn)動(dòng)按鈕SB0、SB1、SB2、SB3 分別控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的順時(shí)針點(diǎn)動(dòng)、逆時(shí)針點(diǎn)動(dòng)、開啟和停止，點(diǎn)動(dòng)一下對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1.8°。為了控制步進(jìn)電機(jī)的上述運(yùn)動(dòng)，利用WPLSoft 軟件編寫的PLC 程序如圖5 所示。

圖5 PLC 程序Fig.5 PLC program

3 裝置輸送能力的試驗(yàn)

3.1 裝置的承載力和輸送性能

圖6 氣動(dòng)懸浮式非接觸輸送裝置實(shí)物圖Fig.6 Non-contact transportation structure using aerostatic suspension

如圖6 所示，氣動(dòng)懸浮式非接觸自動(dòng)輸送裝置分為兩部分:機(jī)械結(jié)構(gòu)(即氣動(dòng)懸浮和輸送結(jié)構(gòu))和步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，氣動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)的主要功能部分是靜壓型氣浮支承，非接觸輸送結(jié)構(gòu)的主要功能部件是噴嘴，噴嘴頂端開有直徑為1 mm 的小孔，在步進(jìn)電機(jī)的控制下，噴嘴可以實(shí)現(xiàn)左、右兩個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)旋轉(zhuǎn)角度為θ(－45°≤θ ≤45°，設(shè)向右旋轉(zhuǎn)時(shí)θ 為正)，如圖3 所示。步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括臺(tái)達(dá)PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、24 V 直流電源、空氣開關(guān)和點(diǎn)動(dòng)按鈕等。另外，本系統(tǒng)還包括穩(wěn)壓閥、空氣壓縮機(jī)(圖中未畫出)等。

物體被懸浮是基于靜壓型氣浮支承的工作原理，設(shè)懸浮氣壓為Ps;物體被輸送是因?yàn)槭艿搅怂椒较虻臍怏w剪切力的作用，設(shè)輸送氣壓為Pt。試驗(yàn)中懸浮物體的表面積均為200 mm×100 mm。

當(dāng)只有氣動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)工作時(shí)，物體被穩(wěn)定懸浮所用的最小懸浮氣壓Ps與懸浮物的質(zhì)量M 之間的關(guān)系如圖7 所示。由圖可以看出，隨著懸浮氣壓Ps的增大，懸浮物的重量近似成線性增長(zhǎng)。

圖7 懸浮氣壓和懸浮物質(zhì)量的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of suspension pressure and mass

當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)角度θ 為32.4°，即步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)18 步，如圖8 所示，隨著懸浮物質(zhì)量的增大，運(yùn)輸速度逐漸減小，其中，物體被懸浮時(shí)所用的懸浮氣壓均為最小可用懸浮氣壓，即分別為0.1、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.35、0.4 MPa。

由圖7 和圖8 可以看出:隨著懸浮氣壓的增大，氣浮支承的承載力亦增大。由靜壓型氣浮支承工作原理可知，氣浮支承內(nèi)部的氣體一直處于動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，氣體流動(dòng)會(huì)引起懸浮物體的振動(dòng)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)懸浮氣壓不大于0.3 MPa時(shí)，懸浮物可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的懸浮和輸送，此時(shí)的振動(dòng)影響不明顯，可以忽略掉。但是，當(dāng)懸浮氣壓大于0.3 MPa 時(shí)，懸浮物的振動(dòng)情況加劇［9］，物體穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)受到擾動(dòng)，運(yùn)輸速度值也有所波動(dòng)。在本試驗(yàn)中，為了準(zhǔn)確地測(cè)試裝置的輸送性能，選擇的懸浮氣壓和輸送氣壓不大于0.3 MPa。

3.2 輸送氣壓與運(yùn)輸速度的關(guān)系

圖8 懸浮物質(zhì)量與運(yùn)輸速度的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of mass and transport velocity

當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)角度θ 為18°，選取懸浮物質(zhì)量為1 kg 和1.4 kg，懸浮氣壓分別為0.2 MPa 和0.3 MPa，輸送氣壓為0.2 MPa 進(jìn)行試驗(yàn)，其輸送氣壓與運(yùn)輸速度的關(guān)系如圖9 所示。由圖9 可以看出:當(dāng)輸送氣壓增大時(shí)，運(yùn)輸速度近似成線性增大，這與前面的理論分析是一致的。

圖9 輸送氣壓與運(yùn)輸速度的關(guān)系曲線Fig.9 Relation curve of transport pressure and velocity

3.3 噴嘴旋轉(zhuǎn)角度與運(yùn)輸速度的關(guān)系

當(dāng)輸送氣壓為0.2 MPa 時(shí)，選取質(zhì)量為1 kg和1.4 kg 的懸浮物，懸浮氣壓分別為0.2 MPa 和0.3 MPa 進(jìn)行試驗(yàn)，如圖10 所示。

由圖10 可以看出，當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，運(yùn)輸速度也隨之增大，噴嘴旋轉(zhuǎn)角度為32.4°～37.8°時(shí)速度最大，在此角度范圍內(nèi)，角度越大，氣體剪切力的分力越大;但是，角度增大時(shí)，由于本裝置的結(jié)構(gòu)限制使得氣體的損耗增大，因此在此角度范圍內(nèi)速度基本上不再升高，而是趨于穩(wěn)定。當(dāng)角度繼續(xù)增大時(shí)，速度隨之下降，這是因?yàn)闅怏w的損耗繼續(xù)增大，給懸浮物提供的驅(qū)動(dòng)力降低。因此，可以選擇噴嘴旋轉(zhuǎn)角度為32.4°左右或者更小的速度進(jìn)行懸浮物體的運(yùn)輸。

圖10 噴嘴旋轉(zhuǎn)角度與運(yùn)輸速度的關(guān)系曲線Fig.10 Elation curve of rotation angle and transport velocity

在本裝置中，控制噴嘴左、右兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)懸浮物體左右兩個(gè)方向的運(yùn)輸，選取質(zhì)量為1 kg 的物體，當(dāng)懸浮氣壓和輸送氣壓均為0.2 MPa 時(shí)，噴嘴旋轉(zhuǎn)角度變化時(shí)，運(yùn)輸速度的變化如圖11 所示。由圖11 可以看出，本裝置在左右兩個(gè)方向的運(yùn)輸速度變化是一致的，進(jìn)一步驗(yàn)證了本裝置的實(shí)用性。

圖11 噴嘴雙向旋轉(zhuǎn)角度與運(yùn)輸速度的關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve of bi-rolling rotation angle and velocity

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種新型的氣動(dòng)懸浮式非接觸自動(dòng)輸送裝置，在理論分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化并制作了試驗(yàn)樣機(jī)。同時(shí)，為了有效地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，搭建了步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過理論分析和試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)懸浮式非接觸自動(dòng)輸送裝置的可靠性。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在懸浮氣壓和輸送氣壓均為0.2 MPa 時(shí)，懸浮重物為1 kg，在噴嘴旋轉(zhuǎn)角度為32.4°時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的非接觸自動(dòng)輸送運(yùn)動(dòng)，運(yùn)輸速度為62.5 mm/s。

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