【摘要】：以壓縮空氣為工作介質的氣動技術在工業(yè)生產(chǎn)等領域得到了廣泛應用，但是由于氣體介質的可壓縮性大以及非線性嚴重，導致氣動系統(tǒng)的定位精度較低以及低速運動時易爬行等問題，限制了氣動技術的發(fā)展。針對這一問題，本文提出了一種采用新型工作原理的螺旋式超聲解鎖與速度控制機構（文中命名為超聲運動控制機構），將其應用到氣動控制系統(tǒng)中，目的在于改善氣動系統(tǒng)的定位精度與速度控制能力。 通過對超聲振動的減摩效應與超聲驅動作用的機理分析，得出超聲運動控制機構提出的理論與實驗基礎。超聲運動控制機構主要由超聲振子與螺紋輸出軸組成，在超聲振動的減摩效應與超聲驅動的共同作用下，控制超聲振子同螺紋輸出軸間摩擦系數(shù)，提供二者間相對運動趨勢，實現(xiàn)螺旋式傳動副的自鎖與解鎖狀態(tài)轉換以及速度控制的功能。 通過定義螺紋距徑比、摩擦系數(shù)剩余率以及判定系數(shù)的概念，分析了螺紋參數(shù)與摩擦系數(shù)對超聲運動控制機構的自鎖與解鎖狀態(tài)的影響規(guī)律。分析結果表明，當判定系數(shù)大于1時，超聲運動控制機構處于解鎖狀態(tài)；選擇大的螺紋距徑比，減小摩擦系數(shù)剩余率，有利于機構的解鎖設計。通過建立該機構的電壓-速度控制特性的數(shù)學模型，得出其具有承載能力大、輸出速度線性可控的特點。 考慮轉動慣量與剪切變形的影響，對自由約束彎曲振動梁的共振頻率計算公式進行了修正，擴展了頻率計算公式的適用范圍。采用有限元仿真與實驗測試的方法，驗證了理論分析結果的正確性。以修正公式為理論基礎，建立了用于描述彎曲振動梁的固有振動特性的諧振曲線的數(shù)學模型，為開展彎曲振動模態(tài)超聲振子的振動特性研究提供了理論基礎。 通過對壓電片貼片式彎曲振動模態(tài)超聲振子的布片激振方式進行分析，研究了壓電元件的布片位置與布片長度對超聲振子輸出性能的影響規(guī)律。得出壓電片的布片位置位于超聲振子振動的中心波腹處，布片長度不宜超過兩個振動節(jié)點間距離為合理的布片方式。采用有限元分析的方法，驗證了理論分析結果的正確性，為開展柱狀彎曲振動模態(tài)超聲振子的設計提供了理論指導。 實現(xiàn)了兩種不同結構與激振模式的超聲運動控制機構原型樣機的研制。一種為行波單波長超聲運動控制機構，超聲振子采用黃銅材料的中空方柱型結構，自重24g，尺寸為長×寬×內徑為20mm×8mm×M4mm；另一種為行波三波長超聲運動控制機構，超聲振子采用外表面加工有十二棱面的中空柱狀多面體結構，材料為45號鋼，自重206g，尺寸為長×寬×內徑為36mm×46mm×Tr38mm。 通過定義轉折負載、穩(wěn)態(tài)速度以及載重比的概念，開展了超聲運動控制機構在質量負載下的實驗研究。兩臺樣機均可實現(xiàn)螺旋式傳動機構的自鎖與解鎖狀態(tài)轉換功能。通過調節(jié)激勵電壓，可實現(xiàn)對機構輸出速度的線性控制。單波長超聲運動控制機構的激振頻率為49.30kHz，激勵電壓有效值7V時，載重比為30：1以上；三波長超聲運動控制機構的激振頻率為42.90kHz，激勵電壓有效值14V時，可獲得80：1以上的載重比能力。 將三波長超聲運動控制機構應用于氣動控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了一套帶有超聲運動控制機構的新型氣動控制系統(tǒng)，測試了該系統(tǒng)的定位與速度控制特性。測試結果表明，通過控制超聲運動控制機構，可以完成對氣動系統(tǒng)的位置定位與速度控制。與傳統(tǒng)氣動系統(tǒng)中采用機械鎖緊的定位方式相比，帶有超聲運動控制機構的新型氣動控制系統(tǒng)可以獲得更高的定位精度；系統(tǒng)的輸出速度與超聲運動控制機構的激勵電壓呈線性變化，與系統(tǒng)回路的氣體流量無關，提高了氣動控制系統(tǒng)的抗干擾能力，特別適用于具有低速運動控制需求的場合。
【圖文】：

位置控制作為氣動控制技術中的一個重要組成部分，，在工業(yè)自動化生產(chǎn)中應用十分廣泛。目前氣動控制系統(tǒng)中的位置控制主要有以下幾種實現(xiàn)方式：利用機械鎖緊機構的鎖緊氣缸的定位控制方式[12]；利用電-氣轉換與控制元件如開關閥[13]或伺服閥[14, 15]同現(xiàn)代控制理論與智能控制算法相結合的位置伺服控制方式；采用氣-液聯(lián)動的位置控制方式[16]；利用磁流變技術的位置控制方式[17, 18]；利用精密微小位移輸出的驅動器與氣動位置伺服控制技術相結合的宏-微復合定位的位置控制方式等[19-21]。1.2.1 機械鎖緊定位的控制方式鎖緊氣缸主要通過采用機械鎖緊結構的方式實現(xiàn)對氣動執(zhí)行元件的鎖緊與定位，它主要由鎖緊機構和氣缸組件兩部分組成[22]。鎖緊氣缸在工作過程中，主要處于兩種工作狀態(tài)，分別為鎖緊機構的自由狀態(tài)與鎖緊狀態(tài)；同時根據(jù)鎖緊方式的不同可分為彈簧制動式、氣壓制動式以及彈簧+氣壓制動式等。圖 1-1 所示為鎖緊氣缸的鎖緊機構的結構示意圖[23]。

制動瓦 1 從外部抱緊活塞桿，使得氣缸處于鎖緊狀態(tài)。電-氣位置伺服的控制方式-氣位置伺服控制作為目前氣動技術中實現(xiàn)位置控制的一種重利用高速開關閥、電-氣比例閥或電-氣伺服閥等電-氣轉換與控控制算法來實現(xiàn)對執(zhí)行機構的定位。按照電-氣轉換與控制-氣位置伺服控制系統(tǒng)可分為電-氣開關位置伺服控制系統(tǒng)與電-控制系統(tǒng)兩類[24, 25]。-氣開關位置伺服控制系統(tǒng)中主要采用電磁式高速開關閥作為電元件。由于電磁式高速開關閥具有開關速度快、結構簡單等優(yōu)速開關閥式電-氣位置伺服系統(tǒng)可以獲得較高的頻響，同時具、結構簡單以及成本低等優(yōu)點[26]。但是由于電磁式高速開關通或關斷的工作狀態(tài)，因此必然存在一定的開關死區(qū)，造成電服控制系統(tǒng)在平衡點附近容易產(chǎn)生極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，影響了位度[27]。圖 1-2 所示為電-氣開關位置伺服控制系統(tǒng)的組成示意圖
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH138.5;TB559

【參考文獻】

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本文編號：2536370