CN EN

精密系统控制的气缸尺寸考虑

发布日期:2019.01.14浏览次数:

尽管精心设计和实施了复杂的控制电子设备,但流体动力系统的性能可能因系统组件的不正确尺寸或物理位置而降低。常见的设计监督是使用尺寸过小的气缸。为了提高执行器速度,设计人员可以指定小缸径,基于对于给定量的油流量,较小的气缸将产生更高的速度的假设。但是,这种假设仅适用于非常轻的负载。

对于移动中等到重质量的气缸,加速度,速度和减速度受可用力的限制,而不是油流量。由于气缸孔决定了致动器可产生的力,如果气缸直径太小,致动器可能无法达到所需的速度或应用所需的循环时间。

简化公式的诱惑

设计,市场和时间限制的压力使得使用简化的一阶近似来控制系统设计很有诱惑力。这种方法可以为简单的机器获得可接受的结果。随着控制系统变得越来越复杂,并且越来越重视效率和经济性,对这些设计近似的依赖往往导致过于保守的设计。这种方法的成本可以用更大,更昂贵的气缸,阀门和泵来测量。因此,供应商或分销商可能会因额外费用而失去对竞争对手的出价。

甲式如V = Q / 是一个起点。但是,该公式仅在质量为零时才为真。由于大多数现实世界的系统需要将一些类型的质量,该公式只应在另一种形式中,用于Q = V ' ,使用速度和面积计算系统流动时。

力量使它走了

以下经验法则公式考虑了产生加速所需的力,伺服阀需要压力控制(伺服阀的额定值通常为70 bar,约等于1,000 psi)。

A = L /P - 1,000psi

这里: 

A =面积(in.2

L =峰值负载(lb

P =系统压力(psi

该公式假设峰值负载发生在峰值速度。如果系统是垂直的,峰值载荷必须包括加速或减速载荷所需的力,摩擦力和载荷重量。应使用最小系统压力。该公式应适用于伸展和收缩方向,但它忽略了将油推出气缸返回侧所需的反向力。因此,应将最终估计的大小视为最小值

对于高性能运动,系统的固有频率通常应至少比运动曲线的加速频率高三到四倍。由于气缸的固有频率是面积的函数,因此可以使用以下公式进行必要气缸面积的第二次检查,以计算固有频率:


 

这里:

ωn是气缸和负载的固有频率(Hz

β是油的体积模量(lb / in.2

A是活塞的平均面积(in.2

V是阀门和活塞之间的总油量(in.3

M是负载的质量(lb

我们可以重新安排这个公式,修改包括垂直重量,以确定所需的固有频率应该是什么区域。例如,如果运动曲线的加速频率为5 Hz,则系统的固有频率应接近1520 Hz范围。该公式将为该运动频率产生所需的圆柱面积。

甲 =ƒ'42  2 '  '中号 /  

这里:

A =平均汽缸面积(in.2

ƒ=运动加速度的频率(Hz

l =长度(in。)

M =负载质量(磅)

g =重力加速度(32英尺/2

油的SS =体积弹性模量(非压缩性常数)(〜200000/英寸2

该公式倾向于通过做出一些乐观的假设来低估正确的气缸直径。最重要的是阀门正好位于气缸上。如果不是这种情况,则应增加气缸长度。软管的直径不像气缸那么大,但软管比气缸更大。阀门和气缸之间的软管或额外管道通过向系统添加额外的油量使这些计算复杂化。必须考虑此额外卷,否则系统将无法按预期执行。

增加气缸的直径会增加系统的固有频率(刚度),从而允许控制系统管理更快的加速和减速。这可以在适当调整时提高系统性能。然而,更大的汽缸需要更大的阀门和更多的油。过大的气缸会增加成本,并且由于大型阀门往往较慢,在某些时候增加阀门尺寸将不再增加系统响应。因此,必须找到谨慎的妥协。

通过计算Jack L. JohnsonVCCM公式,可以获得考虑到不同系统变量的性能的准确估计。该公式可以在Johnson的以下参考书中找到:电动液压伺服和比例系统的设计者手册用于液压运动控制的基本电子设备

JohnsonDelta计算机系统公司的Peter Nachtwey都公布了对VCCM方程的改进,该方程计算了额外的油量。这种分析需要数学系统模拟,但在构建系统之前能够准确预测性能; 它为设计决策提供了额外的信心。

取得平衡

如前所述,如果系统的固有频率大约是最大加速度所需频率的三到四倍,则可以实现最佳控制。大多数具有比例和积分(PI)控制以及速度和加速度前馈的现代控制系统都可以在可接受的公差范围内控制系统。前馈预测所需的控制输出,而不是等待所请求的和实际的控制信号之间的误差。但是,使用运动控制器(如Delta计算机系统的RMC系列),设计人员可以指定产生更接近系统固有频率的加速度的组件。这种能力部分来自RMC的算法,它超越了PID增益,速度和加速度前馈。

通过先进的运动控制,只要系统没有显示出明显的粘滑特性,我们就可以实现小的跟随误差,系统固有频率与加速频率之比约为22.5。因此,这提供了处理实际设计约束的自由,同时仍然实现了出色的机器性能。

优化气缸尺寸并使用复杂的运动控制系统可以降低总系统成本。这是因为具有适合当前任务的正确尺寸的气缸,阀门和泵。另外一个好处是具有较低运营成本的机器。在许多情况下,合适尺寸设备的成本节省可以抵消高性能运动控制器的价格,该控制器还提供简单的设置,编程,调整和诊断。最初的少量设计工作可以在以后产生大量红利。


官方公众号
客服

售前客服

工作日:8:00 - 17:00

回到顶部