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    1、氣動技術應用情況及研究和發展的重要性

    隨著科學技術的發展，自動控制技術已被廣泛應用于工農業生產和國防建設。實現自動化的技術手段，在目前主要有兩個：電氣(電子)控制和流體動力控制。流體動力控制有三類：

    (1) 液壓控制，工作流體主要是礦物油。

    (2) 氣壓控制，工作介質主要是壓縮空氣，還有燃氣和蒸氣。

    (3) 射流技術，工作介質有氣體也有液體，該技術在一些多管道的生產流程中得到應用。

    氣壓伺服控制是以氣體為工作介質，實現能量傳遞、轉換、分配及控制的一門技術。氣動系統因其節能、無污染、結構簡單、價格低廉、高速、高效、工作可靠、壽命長、適應溫度范圍廣、工作介質具有防燃、防爆、防電磁干擾等一系列的優點而得到了迅速的發展。眾多的報道表明，氣動技術是實現現代傳動和控制的關鍵技術，它的發展水平和速度直接影響機電產品的數量和水平，采用氣動技術的程度已成為衡量一個國家的重要標志。

    據資料表明，目前氣動控制裝置在自動化中占有很重要的地位，已廣泛應用于各行業，現概括如下：

    (1) 絕大多數具有管道生產流程的各生產部門往往采用氣壓控制。如：石油加工、氣體加工、化工、肥料、有色金屬冶煉和食品工業等。

    (2) 在輕工業中，電氣控制和氣動控制裝置大體相等。在我國已廣泛用于紡織機械、造紙和制革等輕工業中。

    (3) 在交通運輸中，列車的制動閘、貨物的包裝與裝卸、倉庫管理和車輛門窗的開閉等。

    (4) 在航空工業中也得到廣泛的應用。因電子裝置在沒有冷卻裝置下很難在300℃～500℃高溫條件下工作，故現代飛機上大量采用氣動裝置。同時，火箭和導彈中也廣泛采用氣動裝置。

    (5) 魚雷的自動裝置大多是氣動的，因為以壓縮空氣作為動力能源，體積小、重量輕，甚至比具有相同能量的電池體積還要小、重量還要輕。

    (6) 在生物工程、醫療、原子能中也有廣泛的應用。

    (7) 在機械工業領域也得到廣泛的應用。

    從氣動的特點和應用情況可知，研究和發展氣動技術具有非常重要的理論價值和實際意義。氣動技術在美國、法國、日本、德國等主要工業國家的發展和研究非常迅速，我國于七十年代初期才開始重視和組織氣動技術的研究。無論從產品規格、種類、數量、銷售量、應用范圍，還是從研究水平、研究人員的數量上來看，我國與世界主要工業國家相比都十分落后。為發展我國的氣動行業，提高我國的氣動技術水平，縮短與發達國家的差距，開展和加強氣動技術的研究是很必要的。

    2、電―氣伺服控制的發展概況

    氣動伺服控制系統按其采用的電―氣轉換元件的不同可分為電―氣比例伺服系統和電―氣開關伺服系統。電―氣比例伺服系統模擬信號控制的比例閥或伺服閥作電―氣信號轉換元件。這類系統控制精度高、響應較快，但伺服閥或比例閥造價昂貴，因而系統成本高，而且對工作環境要求嚴。

    早在1956年，Shearer等人成功地將高壓、高溫氣體作為工作介質的氣動伺服機構應用于航天飛行器及導彈的姿態和飛行穩定控制中。由于空氣壓縮性大、粘度小、剛度低，對于低壓系統很難用古典控制方法和模擬調節器實現精密伺服控制，因此，氣動伺服控制長期停留在理論和實驗階段。1979年德國Aachen R.W工業大學W.Backe教授研制出的第一個氣動伺服閥大大推進了氣動伺服控制的發展。此后，德國、日本、美國等工業發達國家投入大量資金和人力成功地研制了各種規格的比例閥和伺服閥，以及高性能的氣缸、氣馬達。隨著高性能的電―氣控制元件和執行元件的迅速發展，氣動伺服控制技術的研究也取得了一定的成果。我國的周洪博士、陳大軍博士對電―氣比例/伺服系統及其控制策略進行了研究。此外，哈爾濱工業大學許耀銘教授承擔國家高技術“863”計劃自動化領域智能機器人主課題中的“電―氣伺服系統及其電―氣伺服器件的開發研究”，取得了一定的成果。

    電―氣開關/伺服系統采用數字信號控制的開關閥作電―氣信號轉換元件。這類系統成本低，對工作環境要求不高，且易于計算機控制；但獲得寬頻帶、高精度比較困難。開關/伺服控制最早出現在液壓系統中，Burrows最先將開關/伺服控制用于氣動伺服機構中。八十年代初，T.Eun等人設計了一種新的氣動開關伺服機構，并詳細研究了該機構的穩定性和精度。以上的開關伺服機構都是通過簡單的邏輯判斷來反饋氣缸位置，只能實現點到點(PTP)控制，而且精度很低。這期間，G.Belforate等人將機車制動技術引入氣動機構，設計了一種帶抱閘實現氣缸在目標位置定位。這種氣動開關伺服機構受負載等干擾的影響大，但定位后的剛度大，其定位精度約±0.3mm。

     后來，日本的花房秀郎、原田正一等人用開關閥、節流閥的串并聯實現氣缸的分區控制，獲得±0.4mm的定位精度。意大利的G.Belforate等人也對這種系統進行了研究，他采用的是無密封裝置氣缸和FESTO公司的開關閥、單向節流閥及FPC606微處理器等元件。理論上，這種控制能獲得±0.0314mm定位精度，實際系統受間隙的影響，獲得定位精度約±0.35mm。北京航空航天大學莫松峰博士用三個開關閥組成一個新的氣動位置開關控制系統，實驗結果表明，該系統具有實現簡單、方便、成本低且性能好等優點。

    以上的氣動開關控制系統，盡管采用了位移傳感器，但位移信號只是作為邏輯判斷用，沒有用來調節控制信號的大小，其本質上仍是開環控制，或者說是準閉環控制。因此，這種系統的特點是成本低、控制簡單；但精度進一步提高受到限制。隨著控制指標的提高，氣動開關控制向脈沖調制的開關/伺服控制發展。脈沖調制方式有脈寬調制(PWM)、脈沖編碼調制(PCM)、脈沖數調制(PNM)及脈頻調制(PFM)等。

    PWM控制原理是用一定周期Ts的脈沖信號驅動開關閥(見圖1)，用控制信號控制脈沖寬度DITs(I=1，2，…，n)，即開關閥的關閉時間。因此，控制DI的大小宏觀上等價于控制流過閥的介質流量。典型的氣動PWM控制回路如圖2所示。

圖1 PWM控制原理

圖2 典型氣動PWM回路

    PWM控制最初是美國的Stephen用在伺服閥組成的電液伺服系統。用PWM控制的伺服系統解決了溫漂和卡緊現象，提高了穩定性和抗介質污染能力，放寬了制造公差；并易于直接與計算機接口實現數字控制。與此同時，隨著開關閥的迅速發展，Goldstein提出用快速開關電磁閥代替昂貴的伺服閥。最先將PWM開關伺服控制引入系統的是日本的則次俊郎，他成功地將PWM電―氣開關/伺服系統應用于機械手中，他獲得的定位精度是±0.06mm。小山紀等人用二個開關閥實現廣義PWM控制，獲得±0.02mm的高精度。美國的Jing―Yih Lai等人以五自由度機器人的手臂為控制對象進行了PWM氣動控制理論分析和實驗研究。國內，哈爾濱工業大學劉慶和教授領導的課題組對氣動PWM控制也進行了研究，獲得了±0.09°的氣馬達轉角位置精度。吳沛溶教授也對PWM控制氣動系統作過研究，取得了一定的成績。此外，北京理工大學的楊樹興、姚曉光對PWM控制系統理論和實驗進行過研究。

    脈沖編碼(PCM)控制是把控制信號編為n位二進制信號來控制n個開關閥的開啟和閉合。這n個開關閥的有效截面積(為方便敘述，本文所說的開關閥有效截面積都是指開關閥與其串聯的接節流閥的綜合節流面積)之間的關系為S0：S1：S2：…：Sn-1=1：2：4：…：2n-1。N個閥的開關狀態組合數為2n，即可獲得2n級不同的截面積。以圖1～圖3所示的氣動系統來說明PCM控制原理及過程。

圖3 氣動PCM控制原理

    PCM控制方式非常適合計算機直接數字控制，其控制原理和過程是：在每一個采樣周期內，計算機將控制量的設定值與檢測到的控制量進行比較，按照設計的控制規率，經判斷、計算，發出一組二進制編碼控制n個開關閥，得到不同的綜合開口面積，從而控制氣缸的氣體流量，使氣缸按要求運動。日本的中村最先將PCM控制技術用于液壓控制。Hirohisa Tanaka對PCM液壓控制系統也進行了研究，提出了用軟件克服因開關閥的啟閉時間不同造成流量波動。后來，則次俊郎第一個將PCM控制技術用于氣動系統，并成功用PCM方式控制了英國Pendar公司的三自由度機器人，他獲得的定位精度約±0.25mm。我國對氣動PCM控制的研究是從90年代初開始的，主要的研究人員有哈工大劉慶和教授領導的課題組，山東輕工學院的寧舒。鄭學明博士對Fuzzy-PI控制氣動PCM位置系統進行了研究獲得了±0.25mm的定位精度。王宣銀博士首次提出變增益PCM控制，并利用自校正，自學習控制算法，獲得了±0.18mm的定位精度。

    3、氣液連動的必要性及發展概況

    但是，由于氣體的壓縮性大、粘度小、剛度低等因素，導致了氣動運動的不平穩性以及氣動定位的不準確性(即定位精度不高)。為了提高其定位精度及運動平穩性。又充分發揮氣動的優點，故考慮引入不可壓縮性(在低壓下視之)的油作為介質，采用氣液連動控制，提高系統的性能。

    關于氣液連動，最先應用的是氣液阻尼缸，亦稱之為油阻尼缸。它實際上是一種雙作用雙活塞缸，采用一根活塞桿將兩活塞串聯在一起。活塞的輸出力是汽缸的推力(或拉力)與油缸阻力之差。油缸裝在氣缸的后面被氣缸帶動，其運動速度是靠調節節流閥的開度來調節的，如圖4所示。

圖4 油阻尼缸圖                    圖5 氣液增壓回路

圖6 一氣液轉換器回路                  圖7 兩氣液轉換器回路

    此外，還有用到氣液轉換器的回路，如圖6所示的單向節流調速回路、圖7所示的雙向節流調速回路。氣液轉換器是將空氣壓轉換為油壓(增壓比為1：1)的元件，可作為附件組入氣液回路。使用它可消除一般氣動回路中出現低速運動的爬行和不穩定現象，并可和各種氣動元件組合使用。氣液轉換器的特點：

    (1) 規格多，適應性強。例如日本達柯公司生產的氣液轉換器有48種規格，輸出壓力油的有效容積為40～27000cm3，常用工作壓力為0.3～0.7MPa，只要調節氣動減壓閥，就能獲得相應的壓力變化。反應速度快，能滿足不同用戶的要求；

    (2) 由于工作油溫穩定，空氣不會混入油中，效率高，因而能獲得穩定的移動；

    (3) 與液壓相比，不需復雜、龐大的泵站和冷卻系統等，價格便宜。又因無泵引起的脈動，油溫穩定，可用于精密切割，精密穩定進給；

    (4) 與液壓阻尼缸比較，氣液轉換器和油缸分離，可放在任意位置，操作方便，自由度高。

    另外，還有氣液增壓的輔助回路，如圖5所示。氣液增壓裝置在生產實踐中，特別是在機床的液壓夾具中廣泛使用，已為人們所熟知。在實際工作中有時要應用壓力1MPa以上的氣壓，此時一般小型空氣壓縮機已無能力而往往又沒有必要購買一臺高壓空氣的壓縮機。這一問題往往采用氣液增壓裝置得到解決。

    總之，氣壓傳動一般用于快速傳遞，不怕沖擊，速度要求不嚴的場合；液壓傳動一般用于傳動平穩，必須控制調節的場合。壓縮空氣為氣―液傳動系統的動力源，代替液壓傳動系統動力裝置的油泵推壓油液，推動進給缸進行切削加工，又可同時用于其它氣缸的直接傳動。在中低壓的狀況下，油液視為不可壓縮的，使進給缸能獲得平穩的運動。該系統的缺點是油液的過濾和密封要求嚴格，為補償泄漏要設置一油杯或補油泵。而且，負載變化時，壓力有波動，泵之響應性較差，應用范圍狹窄，不適用于連續大量供油的場合或壓力波動要求較嚴的場合。另外，不論油阻尼缸還是利用氣液轉換器組合的回路，其進給速度常出現不穩定現象，造成不穩定的原因是因為油中混有氣體。一方面原因是因為氣液滲漏引起的，另一方面是由于油缸沒有排氣孔或排氣孔的位置不當，在向油缸加油時，油缸內氣體無法排出引起的。由于氣體的可壓縮性以及氣油的渾流干擾，使阻尼缸工作時產生爬行、沖擊、停頓等現象，降低了機床的加工精度。為解決此問題，應在設計、制造氣液缸時，保證密封圈處溝槽的公差及活塞與缸筒內壁、活塞桿與缸蓋之間的配合精度，這樣才能改變氣液系統的性能。