CN104847733A - 一种具有摩擦力估计功能的气缸 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种驱动装置，尤其涉及一种具有摩擦力估计功能的气缸，属于机电一体化领域。该气缸和传统气缸不同之处在于，改进了活塞和活塞杆结构，此外，该气缸内置电气回路，包含单片机，AD等电子元件，可将位移传感器，压力传感器输出的模拟信号转为数字信号并输出。单片机内置速度、压力-摩擦力对照算法，可根据当前活塞运动速度和腔内压力算出当前所受摩擦力，并作为数字量输出，使摩擦力补偿成为可能。该气缸设计方案实现了各传感器模块与缸体结构的一体化，大大减小了气缸在伺服系统中的安装使用难度。此外，该气缸也具有摩擦力检测功能，实现了气动伺服系统中摩擦力的在线补偿。

Description

一种具有摩擦力估计功能的气缸
技术领域
本发明涉及一种驱动装置，尤其涉及一种具有摩擦力估计功能的气缸，属于机电一体化领域。
背景技术
工业中常用气缸实现对物料的拉动和抵紧。然而普通气缸往往本身不具有位移传感器，压力传感器等组件，故使用普通气缸搭建伺服控制系统必须另外加装传感器并且需要设计气缸与传感器的连接件，造成了机械结构的复杂，容易影响原有机械结构的稳定性并增加维护系统的成本。
普通气缸采用的位移传感器多为LVDT或是光栅尺(或类似脉冲计数器)。LVDT频率响应高，但输出信号易受杂波影响且线性度不高。光栅尺等脉冲计数器输出信号不易受杂波影响，但频率响应难以达到较高要求。此外，普通气缸均不具有摩擦力估计功能，需要预先进行摩擦力测量实验或是在控制过程中对摩擦力进行在线估计，两种方法都需在控制过程中加入摩擦力估计算法，大大提升了控制算法的复杂度，难以实现实时控制的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种具有摩擦力估计功能的气缸。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种具有摩擦力估计功能的气缸，包括：后端盖、磁致伸缩位移传感器、缸筒、活塞杆整体、前端盖、压力传感器。
活塞杆整体包括：磁环、非导磁垫片、紧固螺母、活塞、活塞杆；连接关系：先将磁环以及配套的非导磁垫片装入紧固螺母，采用非导磁螺钉进行固定；将带有磁环的紧固螺母穿过活塞，穿出的一头与活塞杆进行连接，紧固螺母穿出的一头具有外螺纹，与紧固螺母连接的活塞杆具有内螺纹；紧固螺母内部沿轴向方向开设有通孔，活塞杆沿轴向方向开有用于为位移传感器测杆提供安装空间的中心安装孔。
后端盖中心部位开有螺纹孔，螺纹孔为磁致伸缩位移传感器安装及拆卸孔；
后端盖还开有用于放置传感器的凹槽，凹槽位置应远离气缸气口位置，所述的凹槽结构用于使压力传感器嵌入后端盖内，从而使压力传感器与缸体实现一体化，避免了多余部位的突出。
后端盖靠近磁致伸缩位移传感器的一端安装有电气盒；电气盒内置电气回路，包括单片机，AD电子元件；电气回路用于将各传感器输出的模拟量转为数字量；单片机内置用于将活塞杆所受摩擦力作为数字量输出的压力、速度(经滤波处理)-摩擦力对照算法；所述的对照算法具有用户根据实际情况修改的功能，使估计所得摩擦力更接近于实际情况，但修改前需对气缸进行摩擦力测试实验。
压力传感器需选用具有外螺纹的直管式传感器，并且应具有外六角结构。安装时可使用外六角扳手，将压力传感器旋紧后，传感器体便嵌入后端盖的凹槽内。
前端盖还开有用于放置传感器的凹槽，凹槽位置应远离气缸气口位置，所述的凹槽结构用于使压力传感器嵌入后端盖内，从而使压力传感器与缸体实现一体化，避免了多余部位的突出。
活塞杆整体放置于缸筒内，通过后端盖、前端盖固定；磁致伸缩位移传感器的测杆穿过后端盖后进入活塞杆整体；
工作过程：当气缸处于工作状态时，磁致伸缩位移传感器、压力传感器输出的模拟信号传入电气盒中的电气回路，经电气回路中的AD转为数字信号并输出。输出的数字信号包含气缸两腔的压力、活塞的位移、速度(经滤波处理)以及根据单片机内置算法得到的摩擦力。用户可根据输出的数字信号，搭建所需的伺服控制系统，实现对气缸的高精度控制。此外，为使算出的摩擦力更接近于实际情况，用户可以对单片机内置摩擦力对照算法进行修改，但修改前需对气缸进行摩擦力测试实验。例如可以使用测量气缸启动压力的方法测量最大静摩擦力，可以使用状态方程的方法建立摩擦力观测器，测量气缸运动过程中所受的动摩擦力。之后，用户便可根据自己的实验结果，修改内置的摩擦力对照算法。
有益效果
1、本发明的一种具有摩擦力估计功能的气缸，在传统气缸的基础之上，加装了位移传感器与压力传感器，使气缸结构与各传感器模块一体化，减小了气缸的安装使用难度，也节省了气缸安装空间。
2、本发明的一种具有摩擦力估计功能的气缸，利用位移传感器与压力传感器获得的位移与压力数据，并通过电气回路中单片机的内置算法，可以获得摩擦力的估计值。用户可以利用摩擦力估计值对摩擦力进行补偿，实现气缸的高精度控制。
3、本发明的一种具有摩擦力估计功能的气缸，采用高精度，低干扰，高频频率响应的磁致伸缩位移传感器，改善了传统LVDT传感器易受干扰，光栅尺等脉冲计数器频率响应低的缺点。
4、本发明的一种具有摩擦力估计功能的气缸，通过电气回路，将各传感器输出的模拟信号转为数字信号，提高了输出信号的抗干扰能力，也降低了用户的使用难度。
附图说明
图1为本发明具有位移传感器测杆安装孔的活塞及活塞杆的立体分解示意图；
图2为本发明具有位移传感器安装拆卸孔，以及压力传感器安装凹槽的后端盖立体示意图；
图3为本发明整体立体分解示意图，包括位移传感器，压力传感器，不包括电气盒；
图4为本发明整体示意图；
图5为单片机内置的初始摩擦力模型；
图6为摩擦力观测器原理示意图。
其中，1—磁环、2—非导磁垫片、3—紧固螺母、4—活塞、5—活塞杆、6—后端盖、7—磁致伸缩位移传感器、8—缸筒、9—活塞杆整体、10—前端盖、11—压力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
一种具有摩擦力估计功能的气缸，包括：后端盖6、磁致伸缩位移传感器7、缸筒8、活塞杆整体9、前端盖10、压力传感器11，如图3所示。
活塞杆整体9，如图1所示包括：磁环1、非导磁垫片2、紧固螺母3、活塞4、活塞杆5；连接关系：先将磁环1以及配套的非导磁垫片2装入紧固螺母3，采用非导磁螺钉进行固定；将带有磁环1的紧固螺母3穿过活塞4，穿出的一头与活塞杆5进行连接，紧固螺母3穿出的一头具有外螺纹，与紧固螺母3连接的活塞杆5具有内螺纹；紧固螺母3内部沿轴向方向开设有通孔，活塞杆5沿轴向方向开有用于为位移传感器测杆提供安装空间的中心安装孔。
后端盖6中心部位开有螺纹孔，螺纹孔为磁致伸缩位移传感器7安装及拆卸孔，如图2所示；
后端盖6还开有用于放置传感器11的凹槽，凹槽位置应远离气缸气口位置，所述的凹槽结构用于使压力传感器11嵌入后端盖内，从而使压力传感器与缸体实现一体化，避免了多余部位的突出。
后端盖6靠近磁致伸缩位移传感器7的一端安装有电气盒，如图4所示；电气盒内置电气回路，包括单片机，AD电子元件；电气回路用于将各传感器输出的模拟量转为数字量；单片机内置用于将活塞杆所受摩擦力作为数字量输出的压力、速度(经滤波处理)-摩擦力对照算法；所述的对照算法具有用户根据实际情况修改的功能，使估计所得摩擦力更接近于实际情况，但修改前需对气缸进行摩擦力测试实验。
压力传感器11需选用具有外螺纹的直管式传感器，并且应具有外六角结构。安装时可使用外六角扳手，将压力传感器旋紧后，传感器体便嵌入后端盖6的凹槽内。
前端盖10还开有用于放置传感器11的凹槽，凹槽位置应远离气缸气口位置，所述的凹槽结构用于使压力传感器11嵌入后端盖内，从而使压力传感器与缸体实现一体化，避免了多余部位的突出。
活塞杆整体9放置于缸筒8内，通过后端盖6、前端盖10固定；磁致伸缩位移传感器7的测杆穿过后端盖6后进入活塞杆整体9；
工作过程：当气缸处于工作状态时，磁致伸缩位移传感器7、压力传感器11输出的模拟信号传入电气盒中的电气回路，经电气回路中的AD转为数字信号并输出。输出的数字信号包含气缸两腔的压力、活塞的位移、速度(经滤波处理)以及根据单片机内置算法得到的摩擦力。用户可根据输出的数字信号，搭建所需的伺服控制系统，实现对气缸的高精度控制。此外，为使算出的摩擦力更接近于实际情况，用户可以对单片机内置摩擦力对照算法进行修改，但修改前需对气缸进行摩擦力测试实验。例如可以使用测量气缸启动压力的方法测量最大静摩擦力，可以使用状态方程的方法建立摩擦力观测器，测量气缸运动过程中所受的动摩擦力。之后，用户便可根据自己的实验结果，修改内置的摩擦力对照算法。
所述单片机内置摩擦力算法，具体实现方式为，单片机内部储存一二维数组，数组上下标为气缸腔内压力及活塞运动速度(经滤波处理)，数组元素为所受摩擦力。使用时单片机根据传入的当前腔内内压力和活塞运动速度(经滤波处理)，使用查表法得到估计摩擦力，并将其输出。单片机内使用的摩擦力模型为LuGre摩擦力模型，如图5所示，用户也可根据自己的需要修改模型，修改方式为修改二维数组的对应元素。
用户在修改模型前需进行摩擦力测试实验，现针对一种实验方案给出具体实施方法，用户也可采用其他测试方法。最大静摩擦力测试方法：当气缸运动速度(经滤波处理)为零时，所受到的最大静摩擦力可采用测量气缸启动压力的方法获得，具体方法为缓慢增大气缸腔内压力直到活塞运动，记录此时使活塞运动的压力，该压力乘以活塞有效截面积即是最大静摩擦力估计值。动摩擦力测试方法：气缸在运动过程中，可采用建立摩擦力观测器的方法，对摩擦力进行观测。可由气缸运动方程(1)建立状态方程，进而建立观测器方程。
气缸运动方程： ( p 1 A 1 - p 2 A 2 ) - F f = M dv dt - - - ( 1 )
p1 p2为气缸两腔压力，Ff为摩擦力，v为气缸运动速度(经滤波处理)。
状态方程： v · F · f 0 - 1 M 0 0 v F f A 1 M 0 [ p 1 - A 2 A 1 p 2 ] - - - ( 2 )
由上述状态方程可建立降维观测器，用以观测摩擦力，图6为观测器原理示意图。

Claims (4)

1.一种具有摩擦力估计功能的气缸，其特征在于：包括：后端盖(6)、磁致伸缩位移传感器(7)、缸筒(8)、活塞杆整体(9)、前端盖(10)、压力传感器(11)；
活塞杆整体(9)包括：磁环(1)、非导磁垫片(2)、紧固螺母(3)、活塞(4)、活塞杆(5)；连接关系：先将磁环(1)以及配套的非导磁垫片(2)装入紧固螺母(3)，采用非导磁螺钉进行固定；将带有磁环(1)的紧固螺母(3)穿过活塞(4)，穿出的一头与活塞杆(5)进行连接，紧固螺母(3)穿出的一头具有外螺纹，与紧固螺母(3)连接的活塞杆(5)具有内螺纹；紧固螺母(3)内部沿轴向方向开设有通孔，活塞杆(5)沿轴向方向开有用于为位移传感器测杆提供安装空间中心安装孔；
后端盖(6)中心部位开有螺纹孔，螺纹孔为磁致伸缩位移传感器(7)安装及拆卸孔；
后端盖(6)还开有用于放置传感器(11)的凹槽，凹槽位置应远离气缸气口位置，所述的凹槽结构用于使压力传感器(11)嵌入后端盖内，从而使压力传感器与缸体实现一体化，避免了多余部位的突出；
后端盖(6)靠近磁致伸缩位移传感器(7)的一端安装有电气盒；电气盒内置电气回路，包括单片机，AD电子元件；电气回路用于将各传感器输出的模拟量转为数字量；单片机内置用于将活塞杆所受摩擦力作为数字量输出的压力、速度(经滤波处理)-摩擦力对照算法；所述的对照算法具有用户根据实际情况修改的功能，使估计所得摩擦力更接近于实际情况，但修改前需对气缸进行摩擦力测试实验；
压力传感器(11)需选用具有外螺纹的直管式传感器，并且应具有外六角结构；传感器体便嵌入后端盖(6)的凹槽内；
前端盖(10)还开有用于放置传感器(11)的凹槽，凹槽位置应远离气缸气口位置，所述的凹槽结构用于使压力传感器(11)嵌入后端盖内，从而使压力传感器与缸体实现一体化，避免了多余部位的突出；
活塞杆整体(9)放置于缸筒(8)内，通过后端盖(6)、前端盖(10)固定；磁致伸缩位移传感器(7)的测杆穿过后端盖(6)后进入活塞杆整体(9)。
2.如权利要求1所述的一种具有摩擦力估计功能的气缸，其特征在于：所述对照算法，具体实现方式为：单片机内部储存一二维数组，数组上下标为气缸腔内压力及活塞运动经滤波处理的速度，数组元素为所受摩擦力；使用时单片机根据传入的当前腔内内压力和活塞运动经滤波处理的速度，使用查表法得到估计摩擦力，并将其输出。
3.如权利要求1所述的一种具有摩擦力估计功能的气缸，其特征在于：所述单片机内初始使用的摩擦力模型为LuGre摩擦力模型，能够根据摩擦力测试实验结果更改为其他模型。所述摩擦力测试实验，最大静摩擦力测试方法：当气缸运动经滤波处理的速度为零时，所受到的最大静摩擦力采用测量气缸启动压力的方法获得，具体方法为缓慢增大气缸腔内压力直到活塞运动，记录此时使活塞运动的压力，该压力乘以活塞有效截面积即是最大静摩擦力估计值；动摩擦力测试方法：气缸在运动过程中，采用建立摩擦力观测器的方法，对摩擦力进行观测；由气缸运动方程(1)建立状态方程，进而建立观测器方程；
气缸运动方程： ( p 1 A 1 - p 2 A 2 ) - F f = M dv dt - - - ( 1 )
p1p2为气缸两腔压力，Ff为摩擦力，v为气缸运动速度(经滤波处理)；
状态方程： v . F . f = 0 - 1 M 0 0 v F f + A 1 M 0 [ p 1 - A 2 A 1 p 2 ] - - - ( 2 )
由上述状态方程建立降维观测器，用以观测摩擦力。
4.如权利要求1所述的一种具有摩擦力估计功能的气缸，其特征在于：所述工作过程为：当气缸处于工作状态时，磁致伸缩位移传感器(7)、压力传感器(11)输出的模拟信号传入电气盒中的电气回路，经电气回路中的AD转为数字信号并输出；输出的数字信号包含气缸两腔的压力、活塞的位移、经滤波处理的速度以及根据单片机内置算法得到的摩擦力；用户根据输出的数字信号，搭建所需的伺服控制系统，实现对气缸的高精度控制；此外，对照算法具有用户根据实际情况修改的功能，使估计所得摩擦力更接近于实际情况，但修改前需对气缸进行摩擦力测试实验；之后，用户便根据自己的实验结果，修改内置的摩擦力对照算法。
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