气缸低速摩擦特性及其补偿控制研究

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1、硕士学位论文气缸低速摩擦特性及其补偿控制研究RESEARCHONCHARACTERISTICAND COMPENSATIONCONTROLOFFRICTIONOFPNEUMATICCYLINDERATLOWSPEED王佳利2009年6月哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题的来源和背景本课题是实验室自拟课题。气动技术是实现自动化的重要手段之一。气缸作为气动系统中最常见的执行机构，广泛应用于自动化生产中[1-3]。在许多工业应用场合中，如半导体、瓷器、玻璃等行业，机械零件加工和磨削，常常需要低速驱动，

2、此时气缸的低速性能显得尤为重要。然而，气缸在低速运动时，由于气缸摩擦阻力和气体可压缩性的影响，常常会出现时走时停或时快时慢的交替运动，这种速度不均匀的断续现象称为“爬行现象”[4-6]。爬行是气压传动中经常出现的一种不正常运动状态。它严重影响了气缸运动平稳性，轻微的爬行使运动件产生不易察觉的振动；显著的爬行使运动件产生大距离的跳动[7]。因此，在实际应用中希望避免爬行的产生，保证气缸在正常工作范围内平稳运动。由于爬行现象严重影响了气缸运动的平稳性，实际使用过程中在满足气缸低速运动的前提下，常常将气缸平稳运动的最

3、小运行速度设定得较高，从而保证气缸一定不会出现爬行。但由于低速爬行现象的存在，缩小了气缸的正常工作范围。而气缸爬行是一种涉及使用压力、活塞运动速度、密封圈及润滑脂种类、气缸结构、负载等多种因素的复杂现象[8-9]。可知造成气缸在低速时产生爬行的因素很多，不同的因素对气缸在低速时产生爬行现象的影响程度是不一样的，为了改善气缸低速时爬行现象和研究其特性，首先应该对这些主要的影响因素对爬行现象的影响程度进行测定得出一定的规律和结论。虽然得到主要因素对气缸爬行的影响规律，可以通过控制方法或在了解其规律的基础上顺应它。但

4、由于各种影响因素在作用时都不是单一的而是相互的，故要完全消除气缸低速运动过程中的爬行现象是不可能的。目前在气缸低速爬行研究中，很多研究学者大都是采用试验尝试法，亦即首先通过大量的实验测出某一具体型号气缸低速平稳匀速运动的最低无爬速度，然后通过调整工作压力等工况参数使气缸的运行速度高于最低无爬速度，从而达到气缸平稳运动的使用要求。虽然此方法通俗易懂，但仅依据最低无爬速度是不能保证气缸在任一工况参数下都不会出现爬行的[10]。由此可见，如何正确分析各个因素对气缸低速特性的影响程度，找出正确判 定气缸是否出现爬行的方

5、法，采取有效措施避免爬行现象仍是气缸低速运动研究1哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和应用中的一个难点，因此，需要通过对各影响因素的分析，找出一种判定方法，在设计系统时事先只需通过气缸结构参数和工况条件就能预测气缸是否出现爬行。在各个影响爬行产生的因素中，气缸低速时的摩擦力特性是最主要的，气缸动静摩擦力的差异是导致气缸产生爬行的根本原因。摩擦力是气动比例控制器件内部的主要干扰量，特别是库仑摩擦力对气动系统的影响较大，只要有较小的摩擦力存在就会使输出产生明显的滞环和死区，给位置和速度的精确控制带来很大的困难[11-1

6、3]。如前所述，在如今很多行业都需要气缸的低速驱动，此时气缸的低速特性就显得尤为重要。我们不仅要通过判定公式事先判定出气缸的无爬工作范围，还要通过实验研究气缸在整个低速运行阶段时的摩擦特性，研究不同工况条件下摩擦力-速度之间关系，通过数据拟合得出气缸运行过程中摩擦力-速度的摩擦力模型。为了更好地研究摩擦力与各主要影响因素之间的关系，就需要通过研究找出一个气缸摩擦力公式，此公式能包含气缸缸径、使用压力、质量负载、运动速度、外力负载等工况条件，通过对各影响因素的因次分析、实验研究和数据拟合即可达到要求。分析和研究气

7、缸低速摩擦特性的目的就是为了方便在实际系统应用时，通过一定的控制方法对气缸低速时的摩擦特性进行补偿，有效地降低气缸的最小无爬速度，改善气缸低速时的特性和提高气动系统位置和速度控制精度。综上可知本课题的目的是通过对气缸低速时各因素对爬行现象的仿真和实验研究，获得气缸低速时的爬行特征判据并通过实验研究和应用因次分析的方法拟合摩擦力模型公式最终通过一定的控制算法对气缸低速时的摩擦特性进行补偿，以达到改善气缸低速摩擦和爬行特性的目的，提高气动系统位置定位和速度控制精度。1.1国内外研究现状任何一个物体的表面都是粗糙的。

8、即使在表面上看起来很光滑，在微观上观察仍是凹凸不平的，这种表面凹凸不平的特性称为突起或毛刺。摩擦就是在正压力作用下，相互接触的两物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生抵抗滑动的阻力的一种自然现象[14]。如图1.1所示。在图1-1中，两物体表面接触实际上仅仅是极少数的几个尖峰相接触，这些接触点之和称为实际接触面积，由于实际接触面积很小，使得单位面积上