气动伺服定位系统的理论研究和应用.pdf

第 5 期 总第 1 5 6 期 2 0 0 9年 1 0月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG ＆ AUT0MAT1 0N No． 5 Oc t ． 文章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 5 0 1 3 6 - 0 3 气动伺服定位系统的理论研究和应用 张 萌 ，雷维新 中国地质大学 机 电学院，湖北 武汉4 3 0 0 7 4 摘要 介绍以智 能控制器 S P C 一2 0 0 为核心的两轴气 动伺服定位系统的组成和功能 ， 并 通过实例说明其在包装 工业输送 和分拣材料中的应用 。 关键词 气动伺服定位 ；s P c一2 0 0 ；控制 系统 ；比例 阀 中图分类号T M9 2 1 ． 5 4 1 文献标识码 A 0 引言 气动伺服系统是由电气信号处理部分和气动功率 输 出部分 所组成 的闭环控 制系统 。与 液压伺服 系统相 比，气动伺服控制系统具有体积小、重量轻、抗环境 污染等特点。在食品加工、制药、包装工业中，气动 系统可非常方便地实现多点定位和调速，能够快速准 确地搬运物体 ，生产效率高，因此气动伺服系统特别 是气动伺服定位系统得到越来越广泛的应用 。 1 气 动伺服定 位 系统 一 个气动伺服定位系统主要由气动伺服阀、气动 执行元件、位移传感器、控制器等 4部分组成口 ] 。 图 1 为气 动伺服 定位 系统 组成原 理 图 ，它 由气 动 伺服阀、驱动装置无杆气缸、位移传感器和伺服定位 控制器 4部分组成 。图 1为单轴伺服定位系统，在实 际应用中，多为双轴或三轴定位系统。本文所采用的 为双 轴气动伺 服定位 系统 ，该 系统 的执行元 件 由 2个 无杆气缸和 1个气爪组成 ，2个无杆气缸分别 由 2个 三位 五通 比例 阀控 制 ，以实 现 X 轴 和 y轴 的运动 ， 气 爪 由二位五通 阀控制 开合动作 ， 系统结构 见 图 2 。 该系 统 可 实 现 任 意 点 的 定 位 和 调 速 ，定 位 精 度 可 达 0 ． 2 mm 。 1 ． 1 气动伺服 阀 气动 比例／ 伺服阀是气动伺服定位系统的关键部 件 ，其功能是控制器输出的信号按 比例地控制气流的 压力、流量和方向等，同时具有压力补偿性能，使其 输 出压力 、流量等不 受负载 变化 的影 响 ] 。 本系统 中采用的是 F E S T O公 司的 MP YE型三 位五通比例流量方向阀，该阀具有结构简单、价格低 廉 、工作可靠等优点，采用电反馈方式和动铁式双向 电磁铁，而且由于特殊设计，其动态特性远高于一般 的动圈式伺服阀，具有优 良的动态和静态性能 ，完全 能够满足伺服定位系统的性能要求。 MP Y E阀的控制电压与输 出流量特性 曲线见图 3 L 3 ] 。当控制电压小于5 V时，输出流量随电压的升高 而减小 ；当控制电压大于5 V时，阀换 向， 输出流量随 电压 的升高而增 大 。 位移传感器 图 1 气 动 伺 服 定位 系统 组 成 原 理 图 1 ． 2 伺服定 位控制 器 S P C一2 0 0 图 4为 闭环控制 系统 原理框 图 。其设 定位 置是在 闭环控制系统 的初始 ， 当前滑块的位置是实际位置， 由 偏差控制计算器计算设定位置与实际位置的差值；操 作变 量根据差 值 由控 制器控 制元 件计算 得到 ；控制器 将产生的控制信号输出给气动伺服阀，伺服阀根据控 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 3 ；修 回日期 2 0 0 9 0 6 2 1 作者简介 张葫 1 9 6 7 ～ ． 男 ， 四川会理人 ， 副教授 ， 博士 ， 从 事液压传动、 机械虚拟设计等方面的教学研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9 年第5 期 ． 张萌，等气动伺服定位系统的理论研究和应用 1 3 7 制信号调整阀开 口面积， 驱动气缸得到此时的压力值 。 气动伺服定位系统的定位精度、动态特性主要取 决 于控制器的算法 和控制参数 ，因此控制器 S P C一 水 咖{ 1 O O 2 0 0是气动伺服定位系统 的核心部分 。伺服定位控制 器 S P C一2 0 0是位置控制器 闭环 和伺 服定位控制器 开环 的结合 。 图 2双轴气动伺服定位系统结构图 ＼ ．／ ＼ ／ ．7 ／ 匹 盈 匹 ’ O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 U f 图 3控制电压 U 与输出流 量 Q特性 曲线图 图 4闭环控制系统框 图 位移传感器、比例方向控制阀与驱动器一起组成 了闭环控制系统。通过 s P CAI F伺服定位控制连接 器将测量值从位移传感器传送至 S P c一2 0 0的闭环控 制器中，将控制信号从闭环控制器传送至 比例方向控 制 阀 。 S P C一2 0 0具 有负 载大 、 动力强 、 多样 性 、 模块 化 、 灵活性等特点，能储存多个设定值来实现多点定位控 制 ，比较设定值与实际位置， 并驱动阀进行位置控制 ， 使用 Wi n P I S A 编程，输入输 出简单。 1 ． 3 气缸 该 气 动伺 服定位 系统 中采用 导 向的无 杆气 缸 ，内 置循环球轴承和位移传感器。 位移传感器为非接触式 ， 因而不易磨损 ， 其最大运动速度可达3 m／ s ， 因此采用 这种气缸可以充分地利用气动伺服定位系统高速的优 点，缩短节拍时间，提高设备的工作效率。 1 ． 4 位 移传 感 器 气缸的活塞位置通过位移传感器转换为电信号。 该 系统使 用 的位 移 传感 器 为 ML OP OT一4 5 0 一 T L F， 它含有导电塑料电位计 ， 具有绝对测量、 高分辨 率等特点，且运行速度快 ，使用寿命长。其最大行程 为4 5 0 mm，连接电缆 ，输 出信号为0 V～1 O V。 2实 例应 用 在食品加工包装线 的某一工位上 ，分布着 4 个平 行排列的包装盒和 1个原料盒 ，利用气爪从原料盒取 出原料 ，按顺序分别放入 4 个包装盒中。要完成这一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9年第 5 期 工艺过程 ，即可采用上述的气动伺服定位系统 。 该 气 动伺 服 定 位 系统 采 用 Wi n P I S A 软 件 编程 ， wi n P I S A 通过运 动测试 对系统 进行初 始化标 定 ， 采用 NC指令 G代 码 进行 程序 编写 。 用 Wi n P I S A生成运动控制程序 的步骤如下① 创建一个新的项 目；②硬件配置 气动伺服轴 ；③配 置气动伺服轴 ，添加气动伺服轴，配置轴参数 、应用 参数、控制参数 ；④进行运动测试 ；⑤系统标定；⑥ 编写程序；⑦下载项 目；⑧保存项 目；⑨运行项 目。 在步骤③中，需对伺服定位 系统的有关参数进行 配置 ，配置项 目及元件 见表 1 。 表 1 气动伺 服系统组成元件 名称 型号 数量 伺服控制器 S P C一2 0 0 l 轴 D P G--2 5 1 0 0 7 5 0 l 无杆气缸 y轴 D P G I 一2 5 2 2 5 1 位移传感器 轴 ML OP OT一4 5 O TL F l { 比例阀 MY P E 一5 一l ／ 8 一L F一0 1 0 B 2 整个程序包括主程序和子程序 2部分 。主程序控 制气爪在 轴和 y轴方向的运动和定位 ， 2个子程序 分别控制气爪的闭合和张开。通过主程序对子程序的 调用 ，实现 气爪按顺 序分拣 和取 放原料 的功能 ，以下 给出了编写 的部分程序 。 主程序 部分 N0 0 0 LR0 8 N0 0 3 G0 1 X A F X1 0 N0 0 4 G0 1 YA F Y1 0 N0 0 5 G0 4 2 0 0 N0 0 4 SQ1 ． 0 N0 0 5 RQ】 ． 1 N0 0 6 L1 N0 0 7G0 1 X B F X5 N0 0 8 L2 N0 l 7 AR 一 l N0 1 8 TR O O3 N0 1 9 M 3 0 子程 序控制 气爪 张合完成 取物操 作 子程序 I l C L OS E G RI P P E R N0 0 1 G0 4 l O 0 N0 0 2RQ1 ． 0 N0 0 3S Q1 ． 1 N0 0 6 M 0 2 子程序 L2 OP EN GR I P P ER N0 0 1 GO 4 1 oo N0 0 2RQ1 ． 1 N0 0 3S Q1 ． 0 N0 0 8M 0 2 经 过现 场调试 运行 ， 、 y轴运动 平稳 ， 能够按 照 设定的速度运动，气爪定位精确，张合灵活，完成了 原料分拣包装的动作，达到了预期的 目的。 3结论 此 系统 中 ，用 户只需 要设定 最基本 的元件尺 寸和 运行数据 如气缸行程和缸径、 负载重量等 ，S P C一 2 0 0可 自动完成 系统 的配置参 数 的优 化 ， 其 速度快 ， 定 位精度高。气动伺服定位系统应用领域很广，不仅在 食品、医药、包装等行业 已得到应用，在其他一些行 业也具有应用前景 ，例如在电子行业的手机、半导体 产品以及阴极射线管的生产中，以及在汽车行业的冲 压、 喷漆等生产过程中。 该系统也可以进行功能扩展， 例如结合图像采集模块 ，可发展成为带视觉识别定位 功能 的气动 机器人 。 参考文献 [ 1 ] 周洪． 气动技术 的新发展 [ J ] ． 液压气 动与密封 ， 1 9 9 9 5 2 1 2 ． [ 2 ] 陆鑫 盛． 气动 伺服 定位 控制 系统 [ J ] ． 液压 气动与 密封 ， 1 9 9 9 5 4 5 4 7 ． [ 3 ] 周洪． 气动伺服定位技术及其应用[ J ] ． 液压气动与密封 ， 1 9 9 9 1 1 8 2 1 ． The o r e t i c a l S t u dy a n d Ap pl i c a t i o n o f Pne uma t i c S e r v o Po s i t i o ni n g S y s t e m ZHANG M e ng， LEI W e i x i n ,Co l l e g e o {Me c h a n i c a l＆El e c t r o ni c En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s it y o f Ge o s c i e n c e s．W u h a n 4 3 0 0 7 4．Ch i n a Ab s t r a c t Pe o pl e pa y mu c h a t t e n t i on t O pn e uma t i c s e r vo p os i t i o ni ng s ys t e m． Pne uma t i c s e r v o p os i t i on i n g s ys t e m r e a l i z e s hi g h pr e c i s i on l o c a t i on a t hi gh s p e e d． Comp a r e d wi t h hy dr a ul i c s e r vo s y s t e m ， pne u ma t i c s e r vo p os i t i on i n g s y s t e m ha s l e s s p o l t ut i o n， mor e s a f e t y a n d l o we r c o s t ，i t c a n b e u s e d i n f o o d a n d p h a r ma c e u t i c a l p r o d u c t i o n ．Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e c o mp o s i t i o n a n d f u n c t i o n o f t he t wo ax i s pn e uma t i c s e r v o p os i t i on i n g s y s t e m b a s e d on t he i nt e l l i ge nt c on t r ol l e r SPC一 2 00 ． The e x a mpl e s s ho w t h e a ppl i c a t i on of t h e s y s t e m i n t r a ns p or t i ng a nd s e pa r a t i ng ma t e r i a l i n pa c k i n g i nd us t r y． Ke y wor d s ne u ma t i c s e r v o po s i t i o ni ng s ys t em ；SPC一 20 0； c o nt r o l s ys t e m ；pr o po r t i on a l v al ve 0 l X F C X 1 0 2 L G L 9 0 1 0 l l O O O N N N 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m