新型气液增力缸比例/伺服系统的建模研究

　　1 前言

　　气动技术因其一系列的优点, 在工业生产中被广泛应用, 但气动伺服系统由于其气体本身的可压缩性、低粘性, 决定了系统固有频率低、阻尼比小、非线性严重, 导致精确定位困难, 定位刚度低, 频响低,大大限制了气动技术的更广泛的应用。液压传动的优点是功率密度比大, 静、动态特性好, 但其泄漏、振动、发热是其本身缺陷。气、液联合传动是克服气压传动缺点、扩大其使用范围的好办法, 它仍以压缩空气做动力, 将气压传动和液压传动结合在一起, 吸收了液压传动速度- 负载特性好、抗前冲、在任意位置定位准确等优点, 在流体传动领域大有发展前途。本文设计了一种新型气液增力缸, 分析了其结构和工作原理, 并建立了比例阀控气液增力伺服系统的数学模型。

　　2 气液增力缸及气液增力系统简介

　　该气液增力缸主要由工作活塞、预压活塞、增力活塞、工作缸筒、增力缸筒及其有关辅件组成, 如图1所示。

　　通过合理的设计可使气液增力缸中气液很好地隔离, 将增压部分、工作部分和储油部分集成为一体, 工作时可以施出几十吨至上百吨的力, 利用气动资源达到液压传动的效果。气液增力缸是由纯空气驱动来完成快进、工作、快回行程的, 其工作原理如图2所示, 可分为三个行程段:

　　(1) 快进行程: 当气液增力缸开始工作时, 压缩空气进入快进缸的a腔, 工作活塞1在压缩空气的作用下,驱动工作活塞杆快速而小力地接触工件。

　　(2) 力行程: 在总行程范围内的任一位置, 工作活塞杆接触工件后, 由于工作活塞受到接触反力的作用, a腔气压升高, 当其气压升高到某一给定值时, 气液增力缸上的控制阀打开, 压缩空气便进入d腔, 推动增力活塞前进, 将储油腔和工作油腔隔离封闭, 工作油腔压力升高从而使工作活塞1产生增力。

　　(3) 返回行程:力行程结束后, 快进缸的b腔进气,a腔和d 腔排气, 工作活塞和增力活塞回程,为下一个工作循环做准备。气液增力伺服系统如图3所示, 主要由气液增力缸、比例换向阀、位移传感器、控制计算机和A/D、D/A 转换装置等组成。

　　3 系统的数学模型

　　在本系统中, 气液增力缸中的液压和气动部分是相对独立的, 液压部分主要起传递压力的作用, 其基本特点和气缸相似, 因此可根据典型的气动伺服系统的建模思想来推导比例阀控气液增力伺服系统的数学模型。为简化计算作如下假设:

　　1) 工作介质空气为理想气体, 各参数满足理想气体状态方程P=ρRT(其中P为压力,T为温度,R为气体常数,ρ为气体密度);