張 鵬，劉建功

(中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024)

氣動技術(shù)作為當(dāng)今工業(yè)設(shè)備的一種主流動力源，是以壓縮空氣作為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號傳遞的工程技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪傳動技術(shù)，氣動技術(shù)在布局簡潔以及操控準(zhǔn)確方面帶來了機(jī)械傳動不可比擬的優(yōu)勢，以空氣為介質(zhì)，比液壓介質(zhì)取材更為便捷，如若能設(shè)計回氣通道則基本不會造成環(huán)境污染。也因為在易燃、易爆、多塵、輻射、強(qiáng)磁、振動、沖擊等惡劣的工作環(huán)境中適應(yīng)性強(qiáng)，氣壓傳動的工作環(huán)境安全可靠，在各行各業(yè)的專用裝備得到了更加廣泛的應(yīng)用。但是在當(dāng)前市場需求尤其是一些精密行業(yè)的設(shè)備中，普通的氣動技術(shù)已經(jīng)無法滿足像邦定生產(chǎn)線在LCD搬運(yùn)、定位、夾緊、壓接等工序中的精度要求，這樣更高精度的氣動技術(shù)就顯得尤為重要，電氣比例閥的出現(xiàn)也就應(yīng)運(yùn)而生。

1 機(jī)構(gòu)原理

電氣比例閥是一種通過持續(xù)性、無級調(diào)節(jié)性去改變閥體中電磁信號強(qiáng)弱從而精確控制輸出壓力的調(diào)節(jié)電磁閥，一般的電氣比例閥主要包括電子控制器、進(jìn)氣控制電磁閥、排氣控制電磁閥、壓力傳感器、排氣閥芯以及主閥幾個主要元器件構(gòu)成。根據(jù)程序控制或遠(yuǎn)程控制設(shè)定的壓力對比實際輸出的壓力值去改變電子控制器采集的信息進(jìn)行自動補(bǔ)償，控制閥口開關(guān)方向、開口量來實現(xiàn)一系列持續(xù)可控的動作完成調(diào)節(jié)。

我們以邦定機(jī)為例系統(tǒng)地分析電氣比例閥所能展現(xiàn)的特性，邦定機(jī)是一種用于將TCP或FPC（柔性電路板）與ITO玻璃之間建立穩(wěn)定的機(jī)械和電氣連接的生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)工藝是通過與ACF膠粘合，并在一定的溫度、壓力和時間下熱壓而實現(xiàn)液晶玻璃與柔性線路板機(jī)械連接和電氣導(dǎo)通的一種加工方式。為了達(dá)到邦定機(jī)壓力輸出連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)控，并且得到精準(zhǔn)的壓力控制精度。我們選用ITV0030先導(dǎo)式壓力型電氣比例閥進(jìn)行分析。電氣比例閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣比例閥結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，當(dāng)電子控制器增大電流，進(jìn)氣控制閥處于開啟狀態(tài)，對應(yīng)的排氣控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則氣體從SUP進(jìn)氣口通入閥體進(jìn)入先導(dǎo)控制區(qū)，推動膜片向下運(yùn)動，帶動主閥開啟，排氣閥芯關(guān)閉，此時電磁閥內(nèi)氣壓增大產(chǎn)生輸出氣壓。此時輸出的氣壓通過聯(lián)通在輸出OUT口的壓力傳感器產(chǎn)生壓力信號反饋至電子控制器。在這里與目標(biāo)設(shè)定值進(jìn)行快速校準(zhǔn)修正，當(dāng)電磁比例閥輸入的信號大于閥體內(nèi)的氣壓時，氣壓持續(xù)向上升；如若小于閥體內(nèi)氣壓時進(jìn)氣控制閥處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣控制閥換向處于開啟狀態(tài)，進(jìn)入到先導(dǎo)控制區(qū)的氣壓減小使膜片上升，連動主閥關(guān)閉，排氣閥芯開啟，EXH排氣口開始排氣，OUT輸出口始終與壓力傳感器進(jìn)行信號傳遞，從而得到輸出壓力與輸入信號成比例的變換完成運(yùn)行周期。

2 控制部分

邦定機(jī)壓力控制系統(tǒng)由電氣比例閥、壓頭輸出氣缸、橫河模擬量模塊以及觸摸屏組成。壓力部件的電路控制以及氣路輸出如圖2所示。工作原理：從觸摸屏上設(shè)置壓頭輸出氣缸的工作壓力，通過PLC運(yùn)算并轉(zhuǎn)變?yōu)槟M輸出模塊所需要的量化數(shù)字，經(jīng)由模擬輸出模塊輸出相應(yīng)的電壓值至電氣比例閥，電氣比例閥通過輸出氣壓經(jīng)過閥體中的壓力傳感器檢測后達(dá)到設(shè)置壓力數(shù)值，即完成一個完整的調(diào)壓工作流程。

圖2 邦定機(jī)壓力控制原理圖

3 技術(shù)指標(biāo)

在整個壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，壓力的精度不僅取決于電氣比例閥調(diào)節(jié)的精度，所選擇氣缸活塞桿的摩擦阻力特性對其影響也很重要。標(biāo)準(zhǔn)氣缸缸體在運(yùn)動過程中摩擦阻力會隨著工作環(huán)境、運(yùn)動速度等因素而變化，對實現(xiàn)平穩(wěn)壓力控制造成的難度較大。所以實驗過程中我們選擇低速、恒摩擦阻力的氣缸，壓頭輸出氣缸選用缸徑20 mm，活塞桿直徑8 mm的氣缸驅(qū)動，氣體壓力的作用面積為628 mm2。

系統(tǒng)所需求的壓力控制范圍為10～200 N時，壓力控制系統(tǒng)可滿足的最大氣壓為：

并且氣壓的精準(zhǔn)控制可以滿足參數(shù)以及精度的需求，故選用控制精度較高的先導(dǎo)式壓力型電氣比例閥，同時必須滿足不小于系統(tǒng)控制的最大氣壓0.32 MPa，選用型號為ITV0030-2BS的電氣比例閥，設(shè)定壓力范圍0.001～0.5 MPa，最高供給壓力為1.0 MPa，輸入信號電壓0～10 V，內(nèi)部裝有壓力檢測傳感器輸出信號為1～5 V。對應(yīng)選用松下模擬量輸出模塊FP2-DA4，選擇輸出電壓-10～+10 V。

4 閉環(huán)特性仿真測試

結(jié)合邦定機(jī)壓力控制系統(tǒng)，通過輸出氣缸進(jìn)行壓力反饋，采用ITV0030-2BS電氣比例閥對設(shè)定壓力和反饋壓力的偏差信號進(jìn)行修正。設(shè)定氣源輸入壓力為0.5 MPa。壓力設(shè)定值的不同在閉環(huán)特性中與相應(yīng)的響應(yīng)時間進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 不同設(shè)定值的閉環(huán)響應(yīng)

通過邦定機(jī)壓力控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)終端氣缸輸出壓力都可以快速平穩(wěn)的達(dá)到不同的設(shè)定壓力值，穩(wěn)態(tài)誤差較小，同時證明了電氣比例閥對邦定機(jī)壓力輸出的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。

保持其他參數(shù)不變，設(shè)定終端氣缸輸出壓力為0.2 MPa，分別接入總氣源壓力為0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa檢測氣源壓力對電氣比例閥修正穩(wěn)態(tài)性的影響，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)氣源總壓力在0.5MPa上下有明顯的響應(yīng)滯后，但是當(dāng)大于0.5 MPa后響應(yīng)時間幾乎沒有變化，且可以發(fā)現(xiàn)氣源壓力的高低偏差對終端氣缸出口壓力的穩(wěn)態(tài)值基本沒有影響，也證明了電氣比例閥修正速度以及時效的可靠性。

圖4 不同氣源壓力對閥體的修正速度影響

5 結(jié) 論

本文介紹了先導(dǎo)式電氣比例閥整體結(jié)構(gòu)和工作原理，并結(jié)合邦定機(jī)壓力控制系統(tǒng)通過分析對輸出終端氣缸缸徑以及工作面積進(jìn)行匹配，選取了不小于系統(tǒng)控制最大壓力0.32 MPa型號為ITV0030-2BS的電氣比例閥進(jìn)行特性分析。在建立以邦定機(jī)為基礎(chǔ)的壓力控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，基于實驗數(shù)據(jù)得出，通過電氣比例閥的介入，可以讓邦定機(jī)的壓力控制系統(tǒng)得到更為穩(wěn)定更加時效的終端壓力，在保證精度的同時增加其穩(wěn)定性。

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[2] 郭向東.基于貼片式彎振模態(tài)超聲電機(jī)驅(qū)動電氣比例閥的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

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