電-氣伺服閥實現(xiàn)恒壓控制的分析與實驗

趙堂春， 杜　鈞， 黃敦華

（北京電子科技職業(yè)學院機電工程學院， 北京　100176）

引言

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，氣動元件與電子元件的結合使控制回路的電子化得到迅速發(fā)展。電-氣動伺服技術因具有價格低廉、結構簡單、響應速度快、功率體積比高及污染小等優(yōu)點，在自動化生產(chǎn)領域的應用越來越廣泛。

1　電-氣伺服系統(tǒng)原理

在很多工業(yè)應用中，由于被控壓力與面積之間存在特有的力學關系，加上電-氣伺服閥的電壓給定值和輸出壓力之間存在線性比例關系，因此只需要一個開環(huán)控制系統(tǒng)就能調節(jié)出帶有精度要求的輸出變量——壓力。利用電-氣伺服閥實現(xiàn)恒壓控制的開環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。在此開環(huán)控制系統(tǒng)中的壓力控制閥采用的是力士樂的氣動伺服閥，其原理是通過一個插頭提供24 V的電源，模擬量電壓給定值通過一個A/D轉換器傳動到內部的控制器上，再經(jīng)過一個脈寬調節(jié)過程和V/I轉換之后，控制器控制線圈的動作。氣壓輸出口的實際壓力值被轉換成電壓并被傳送到內部的控制器，然后通過插頭上的D/A轉換器進行模擬量輸出。

圖1　開環(huán)控制系統(tǒng)圖

2　恒壓實驗系統(tǒng)的建立與實現(xiàn)

實驗模型建立在一個氣動夾緊系統(tǒng)之上，通過兩個單作用氣缸分別對三種不同尺寸零件采用三種夾緊力（F1=50 N，F(xiàn)2=150 N，F(xiàn)3=250 N）進行夾緊和固定，為了不使零件產(chǎn)生變形，需要進行恒壓控制實現(xiàn)夾緊和固定。

2.1　氣動控制系統(tǒng)

氣動控制系統(tǒng)主要由氣源、氣動三聯(lián)件、電-氣伺服閥、帶模擬量輸出信號的壓力傳感器、集成有測量系統(tǒng)和外部帶彈簧的氣缸、不帶彈簧的單作用氣缸組成，氣動回路圖如圖2所示。

圖2　氣動回路圖

2.2　電-氣伺服閥給定值的計算

由選定的氣缸參數(shù)得知氣缸活塞的直徑為25 mm，可以計算出作用面積A為4.91cm2，根據(jù)公式F=PA分別算出對應三種夾緊力的壓力，然后根據(jù)伺服閥的壓力/電壓特性曲線得出電-氣伺服閥的電壓給定值，如表1所示。

表1　伺服閥的壓力及電壓給定值表

為了計算夾緊時間，還需要計算系統(tǒng)容積，在計算過程可忽略伺服閥的容積，只對兩個氣缸以及三根氣管的容積進行計算，按照三根氣管長度均為30 cm，從而計算得出整個系統(tǒng)的容積（活塞桿伸出到頭）為0.101 L。根據(jù)伺服閥的壓力-流量特性曲線（如圖3所示）可以得出在不同供氣壓力下的流量S。

圖3　伺服閥壓力-流量特性曲線

根據(jù)波義耳-馬略特定律可以得出系統(tǒng)在初始壓力下（假設為1bar）的系統(tǒng)初始容積V，然后根據(jù)公式（1）得出氣缸的夾緊時間T，如表2所示。

表2　氣缸夾緊時間

2.3　系統(tǒng)的實現(xiàn)

由表1可知一個50 N夾緊力相當于一個1.02 bar的超壓，對應給定值電壓為1.7 V，依次將電壓設定值設為1.7 V、5.1 V、8.5 V，啟動系統(tǒng)跟蹤功能，得出對壓力/給定值階躍函數(shù)的系統(tǒng)響應圖如圖4所示。由圖4可以看出中間曲線為實際值近似于給定值，沒有明顯的超調，滿足伺服控制系統(tǒng)的要求。

圖4　壓力給定值階躍函數(shù)的系統(tǒng)響應

3　結語

該電-氣伺服系統(tǒng)成功實現(xiàn)了恒壓控制，同時也實現(xiàn)了壓力的可重復性和穩(wěn)定性。在實際操作中發(fā)現(xiàn)在給定值變化的開始和實際值變化的開始之間大約有20 ms的時間間隔，這種延遲是由于伺服閥內部的控制器造成的，正是這種控制特性決定了控制閥不能被立即完全打開，雖然有延遲，但實際系統(tǒng)的性能仍然接近于計算的系統(tǒng)性能。值得注意的是，由于松開零件過程中不需要克服氣體的可壓縮性和氣缸的動摩擦，所以松開時間和夾緊時間并不相同。