本研究為發展長行程無桿式氣壓伺服系統暨運動控制,由氣壓動力單元提供高壓壓縮氣體,輸入至氣壓比例伺服閥,驅動長行程無桿式氣壓缸,藉由氣壓缸內兩腔室壓力差而作動。藉由位置感測器,即時量測氣壓缸閥塊位置,作為迴授訊號,進行氣壓缸致動器即時位置及軌跡追蹤控制之用。在控制器設計上,本研究採用以函數近似法為基礎之適應性滑動模式控制器,克服氣壓系統不確定性時變等非線性的問題。因此,本研究首先建立氣壓系統數學模型,並利用數值分析軟體MATLAB進行氣壓系統模型之軟體建模,接著進行氣壓系統控制器的設計,進而實現長行程無桿式氣壓伺服系統原型,包含:長行程無桿式氣壓缸、氣壓比例伺服閥、位置感測器、PC-Based控制系統與資料擷取系統等,最後完成整體長行程無桿式氣壓伺服系統建立,並設計運動軌跡路徑,進行即時軌跡追蹤控制。
隨著高科技產業的興盛,應用於半導體、製造業及生醫等相關產業,對於精密定位與快速驅動之設備需求愈受重視,發展高精度與高響應之製程設備與醫療設備,將是目前產業及民生需求迫切需要的。氣壓致動器為一能量轉換器,利用壓縮空氣所具有的壓力能,推動活塞轉換成動能,作為各類型系統驅動之用。相較於液壓和馬達驅動,氣壓有結構簡單、乾淨、質輕、成本低、易獲取、高安全性、易於維護與響應快等優點,可廣泛應用於自動化系統、半導體、光電製程設備與醫療器材設備等各種產業;然而,氣壓系統因自身缺點,如:高可壓縮性、剛性差、洩漏、高非線性、伺服閥中立無感應區及零點漂移現象,造成氣壓系統的精度、穩定性及控制上較難突破。傳統氣壓系統多被應用於點對點的順序控制上,隨著精密科技的快速進步,傳統開迴路的控制系統已漸漸無法滿足科技上的需要。近年來,工業4.0的興起,感測器整合於系統設備,並加入閉迴路控制,將可大幅提升氣壓系統的性能與應用[1-2]。
氣壓系統為利用空氣作媒介進行氣體壓縮產生運動,氣壓伺服系統之參數會因溫度、壓力、摩擦力、洩漏、外界干擾或工作點等因素變化而成為非線性時變系統,產生數學模型之不確定性,導致氣壓伺服定位及軌跡追蹤控制不易實現,本研究將發展與實現長行程無桿式氣壓伺服系統於運動軌跡追蹤控制。本研究首先分析與建立無桿式氣壓系統數學模型,並利用數值分析軟體MATLAB進行長行程無桿式氣壓伺服系統模擬,接著進行控制器的設計,最後進行實驗機台設計與建立,實現長行程無桿式氣壓伺服系統於複雜軌跡即時追蹤控制。
無桿式氣壓系統數學模型。……(更多內容,請見機械新刊雜誌)