氣缸的摩擦機理與研究分析

蘇威　蔣文書

摘? 要：氣缸因為清潔、結構簡單、廉價等優點而越來越受到廣泛的應用，更因為其集成化的優勢而在機器人等方面有幾乎不可替代的作用。但是氣缸也有本身不能夠精確控制的弱點，主要是氣缸在低速運行的情況下會產生爬行現象。而如何消除這一現象成為當前研究氣動技術的一個重要方向。該課題主要以一個普通的氣缸低速爬行現象模型為研究對象，以實現氣缸可以低速平穩運行為研究目標，利用理論分析和AMESim仿真模擬相結合的方法，從建立精確的控制框圖入手，深入研究通過顫振疊加來消除氣缸低速爬行現象的方法。

關鍵詞：顫振信號? 控制框圖? 低速爬行現象? 仿真模擬? 氣缸

中圖分類號：TH138 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）04（c）-0051-02

1? 氣缸摩擦模型的研究

如圖1所示，氣壓源通過A向無桿腔充氣，壓力上升;而有桿腔通過B排氣，壓力下降。當兩側壓力差可以克服活塞與活塞桿的最大靜摩擦力時，活塞開始移動。我們都知道最大靜摩擦力小于動摩擦力，所以活塞開始運動的時候是做加速運動。隨著無桿腔容積變化較大時，而氣壓源的供氣又跟不上，此時無桿腔內壓力減小，有桿腔內壓力升高。當兩側壓力差所產生的作用力等于動摩擦時，氣缸停止加速。但是由于慣性，氣缸仍會向前運動，由于兩側的壓力差所產生的作用力小于動摩擦力，氣缸做減速運動，直到速度為零，氣缸停止，等到無桿腔內壓力上升，氣缸才會繼續運動。一直保持重復著上面的運動。這個過程稱為氣缸的爬行現象。

2? 爬行現象的解決方法

該文采用消除爬行現象的主要方法是疊加一個正弦的顫振信號，如圖2所示。

顫振補償是將高頻信號引入系統當中從而改善系統動態性能的一種方法。在氣動系統中加入高頻顫振信號使得整個氣動系統都在高頻低幅的抖動中，系統的這種狀態能夠平滑低速下的不連續力，從而提高系統的動態性能。顫振信號補償策略是根據系統的相關特性進行的一種補償措施。在克服摩擦力影響中，顫振信號存在兩種加入方法，主要對為了減小摩擦系數的加法進行敘述，對另一種方法不做敘述。

如圖3所示，Uc=U（t）+Uk（t），U（t）是PID的一個輸出，Uk（t）是所疊加的顫振信號，而Uc則是輸出信號與輸入信號的一個匯總。U（t）信號可以使得氣缸以一個低速的運動方式進行運動，所以U（t）是一個低斜率的斜坡信號，斜率根據系統的具體情況來定。Uk（t）是一個等幅等頻的正弦信號，具體數學式需調試確定，它是用來消除氣缸的低速爬行現象的。

3? AMESim仿真及結果

圖4是通過AMESim軟件建立的仿真模型圖，1為氣動庫;2為斜坡信號，斜率代表氣缸速度;3為比較點;4為PID控制器，其中比例為2000，積分為0，微分為200;5為正弦信號，幅值700，頻率9.4Hz，相位0;6為控制開關，當接口2為0，開關閉合;7為氣缸，動摩擦為100，靜摩擦為110，行程為0.2m;8為負載，總移動質量為100kg;9為位移傳感器;10為速度傳感器;11為三位四通電磁比例換向閥;12為氣壓源，為6bar。

由圖5、圖6仿真結果顯示氣缸的爬行現象可以通過顫振信號的疊加來消除，以此證明通過顫振信號可以有效地消除氣缸的爬行現象。

4? 結論

該文正是針對氣缸的摩擦機理與進行研究分析，來設計一個基于正弦信號的顫振補償的氣動控制系統。筆者主要完成了以下工作。

（1）詳細了解了氣缸的發展趨勢和現狀以及氣缸的摩擦特性模型。

（2）詳細了解了爬行現象的成因，并基于此建立了模型。了解了顫振補償的理論依據，并建立了顫振補償的控制方框圖。使用AMESim軟件建立了氣動模型，并進行了仿真補償，證明其可行性。

參考文獻

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