本發(fā)明涉及氣動(dòng)懸浮，具體為一種氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)、氣壓控制方法以及電磁力控制方法。

背景技術(shù)：

1、在機(jī)械、航天領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展和技術(shù)研究中，在對太空設(shè)備進(jìn)行地面試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行零重力的環(huán)境模擬，需要一種氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)提供恒定的懸掛拉力與試件自身的重力抵消。氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)一般由氣浮式氣缸、穩(wěn)壓儲氣罐、壓力控制系統(tǒng)、電磁力裝置等組成，由氣浮式氣缸提供非接觸式的無摩擦懸掛，由穩(wěn)壓儲氣罐對氣浮式氣缸提供穩(wěn)壓進(jìn)氣，再由壓力控制系統(tǒng)對穩(wěn)壓儲氣罐進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

2、在氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)的使用中，維持氣浮式氣缸和穩(wěn)壓儲氣罐的其他壓力恒定，可以為試件提供恒定的懸掛拉力，從而實(shí)現(xiàn)模擬零重力的懸浮。壓力控制系統(tǒng)通過反復(fù)的進(jìn)氣和排氣，抵消氣浮式氣缸上下移動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化，在壓力高于設(shè)定值時(shí)將氣體排入大氣，在壓力低于設(shè)定值時(shí)引入高壓進(jìn)氣。在單次懸掛測試中，氣浮式氣缸的設(shè)定氣壓值為衡量，設(shè)定氣壓等于懸掛試件與隨動(dòng)部件的總拉力除以氣浮式氣缸的活塞有效面積。在單次測試中，由于試件自身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生低頻振動(dòng)，隨動(dòng)部件加速/減速會產(chǎn)生慣量，影響對試件的實(shí)際拉力作用。電磁力裝置通過控制電路電流，對隨動(dòng)部件進(jìn)行加速/減速的慣量進(jìn)行力的補(bǔ)償，確保傳導(dǎo)到試件本身的力保持恒定，排除隨動(dòng)部件的慣量影響。但是，事實(shí)上，該系統(tǒng)依然存在一系列問題：首先懸掛裝置的軸在跟隨被測件運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)也存在加速度，其質(zhì)量又無法忽略，那么整體將會有慣性力存在，為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低慣性力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，必須對慣性力加以平衡；其次對于氣浮式氣缸的活塞，在移動(dòng)時(shí)仍有碰到氣缸缸壁的可能性，不能真正實(shí)現(xiàn)無摩擦；且由于制作工藝精度的問題，實(shí)際上設(shè)備會存在漏氣的現(xiàn)象，導(dǎo)致裝置氣壓不足，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。因此，為了解決上述問題并且實(shí)現(xiàn)在非接觸即無摩擦的情況下對氣缸活塞運(yùn)動(dòng)的限位功能，設(shè)計(jì)了一種電磁力限位和補(bǔ)償裝置。

3、例如在專利“超低頻模態(tài)試驗(yàn)懸浮系統(tǒng)”(專利號：201010191331.x)設(shè)計(jì)了一種用于懸掛模態(tài)測試的設(shè)備，使用了氣動(dòng)懸掛技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模態(tài)測試所需的重力平衡。在該專利的設(shè)計(jì)中，主要使用了氣浮式氣缸進(jìn)行無摩擦的懸掛，通過控制穩(wěn)定與氣浮式氣缸連接的儲氣罐氣壓懸掛拉力恒定，并通過主動(dòng)電磁控制系統(tǒng)對慣性力進(jìn)行補(bǔ)償，最終各個(gè)子系統(tǒng)的產(chǎn)生的合力為試件在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下提供穩(wěn)定的懸掛拉力。對于氣動(dòng)懸掛的無摩擦需求，該裝置利用氣浮式氣缸的原理，使氣缸活塞與氣缸壁之間不產(chǎn)生接觸式摩擦。該系統(tǒng)利用氣壓控制mpu根據(jù)高精度氣壓傳感器采集的氣壓及設(shè)定氣壓參數(shù)，控制數(shù)字比例閥，穩(wěn)定儲氣罐的氣壓。氣浮式氣缸及儲氣罐的氣壓控制，始終采用恒定的壓力作為控制目標(biāo)，設(shè)定目標(biāo)壓力等于目標(biāo)懸掛拉力與氣浮式氣缸活塞面積相除的商。主動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)用于模擬電磁彈簧，對氣壓進(jìn)行補(bǔ)償并對隨動(dòng)部件慣量進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)激光位移傳感器的二次微分計(jì)算加速度，補(bǔ)償?shù)膽T性力等于加速度乘以隨動(dòng)部件質(zhì)量。這種方法主要存在兩個(gè)問題：1、僅適用于小載荷的懸掛情況。因?yàn)樵谛≥d荷的低頻短位移懸掛時(shí)，隨動(dòng)部件可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在加速/減速時(shí)隨動(dòng)慣量也較低，電磁鐵所需提供的慣性力補(bǔ)償不大。但是當(dāng)進(jìn)行大載荷懸掛時(shí)，為補(bǔ)償更大的慣性力，需要使用更大規(guī)格的電磁鐵，造成電磁力裝置尺寸大、控制難度較大的問題。2、使用電磁力對隨動(dòng)部件的慣性力進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，電磁力對加速度進(jìn)行正反饋，由于電磁力的快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在控制中往往會出現(xiàn)不可控的振蕩，使得試件在電磁力的作用下振動(dòng)發(fā)散，使隨動(dòng)部件和懸浮系統(tǒng)產(chǎn)生碰撞，對被測件及裝置產(chǎn)生極大的危害。

4、在專利“超低頻模態(tài)試驗(yàn)重力平衡系統(tǒng)”(專利號：201210593849.5)中，在氣缸行程的末端使用機(jī)械限位，對試件超出行程的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位，防止懸掛物超出氣缸運(yùn)動(dòng)行程，使得試件不會超過氣浮式氣缸的行程范圍。在小載荷懸掛時(shí)，每次試件運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量較小，對限位裝置的力較小，可以解決限位的問題。但是當(dāng)進(jìn)行大載荷懸掛的情況，試件質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)量很大，使用機(jī)械式碰撞限位產(chǎn)生的碰撞力太大，不僅會減少限位裝置和氣缸的使用壽命，還可能會造成試件的損壞。在大載荷的情況下，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種新的非接觸式限位方法。

5、在專利“基于雙電磁力的無擾氣浮磁動(dòng)懸吊裝置”(專利號：201010172864.3)設(shè)計(jì)了一種利用兩塊電磁鐵共同作用的電磁懸吊裝置，用于低頻模態(tài)測試。這種雙電磁力裝置有效消除了垂直運(yùn)動(dòng)的彎矩影響，解決了電磁力造成運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)的現(xiàn)象，同時(shí)滿足了無摩擦的需求。該專利設(shè)計(jì)的裝置，包括了電磁鐵的組合應(yīng)用方式，但未涉及對雙電磁鐵結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)中的應(yīng)用方式和控制方法。

6、電磁鐵通過線圈的電流進(jìn)行力的控制，對電磁鐵的控制希望電磁力和電流呈線性關(guān)系。受到電子元器件啟動(dòng)電壓的影響，在電流在零位附近，電流與電壓通常呈現(xiàn)出非線性的曲線。而電磁鐵的控制經(jīng)常需要在零位附近進(jìn)行控制，會出現(xiàn)控制不穩(wěn)，電磁力會產(chǎn)生較大的不可控振蕩，造成電磁鐵拉力控制難度增加，控制精度降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)、氣壓控制方法以及電磁力控制方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)，包括：

4、氣缸拓展容器；

5、氣浮式氣缸，所述氣浮式氣缸設(shè)置于氣缸拓展容器內(nèi)，氣浮式氣缸的高壓腔與氣缸拓展容器的內(nèi)腔連通，氣浮式氣缸的活塞軸上下兩端自氣缸拓展容器伸出，活塞軸的下端用以懸掛試件；

6、氣壓控制裝置，所述氣壓控制裝置用以對氣缸擴(kuò)展容器及氣浮式氣缸的高壓腔進(jìn)行壓力檢測和控制；以及

7、電磁力裝置，所述電磁力裝置包括左右兩個(gè)非接觸式直線電磁鐵組件和上下滑動(dòng)配合于兩個(gè)非接觸式直線電磁鐵組件之間的力傳導(dǎo)橋，所述力傳導(dǎo)橋與氣浮式氣缸的活塞軸的上端連接，非接觸式直線電磁鐵組件通電產(chǎn)生作用于力傳導(dǎo)橋的電磁力，從而對氣浮式氣缸進(jìn)行拉力補(bǔ)償。

8、進(jìn)一步地，所述非接觸式直線電磁鐵組件包括兩個(gè)相對設(shè)置的磁鐵模塊、位于兩個(gè)磁鐵模塊之間的磁感主軸以及上下滑動(dòng)套設(shè)于磁感主軸上的電磁線圈，所述電磁線圈與磁鐵模塊以及磁感主軸之間不接觸，所述力傳導(dǎo)橋連接于兩個(gè)非接觸式直線電磁鐵組件的電磁線圈之間。

9、進(jìn)一步地，所述電磁力裝置還包括支架組件，所述非接觸式直線電磁鐵組件設(shè)置于支架組件上。

10、進(jìn)一步地，所述支架組件包括左右兩個(gè)側(cè)支架，所述側(cè)支架包括兩個(gè)相對設(shè)置的立柱，所述磁感主軸位于兩個(gè)立柱之間，兩個(gè)立柱的相對側(cè)壁上開設(shè)凹槽，所述磁鐵模塊設(shè)置于凹槽中。

11、進(jìn)一步地，所述磁鐵模塊包括若干上下連接的磁鐵塊。

12、進(jìn)一步地，所述氣壓控制裝置包括氣壓控制閥、第一高精度氣壓傳感器、第二高精度氣壓傳感器和位移傳感器，所述氣壓控制閥用以控制氣缸拓展容器的內(nèi)腔氣壓，所述第一高精度氣壓傳感器用以檢測氣浮式氣缸的高壓腔氣壓，所述第二高精度氣壓傳感器用以檢測氣缸拓展容器的內(nèi)腔氣壓，所述位移傳感器用以檢測力傳導(dǎo)橋的位移。

13、進(jìn)一步地，所述氣壓控制閥、第二高精度氣壓傳感器設(shè)置于氣缸拓展容器上，所述第一高精度氣壓傳感器設(shè)置于氣浮式氣缸的活塞上。

14、本發(fā)明還提供一種如上所述的氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)的氣壓控制方法，包括：

15、根據(jù)位移傳感器的波形圖以及第一高精度氣壓傳感器與第二高精度氣壓傳感器的相位差，對當(dāng)前氣壓控制閥的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，氣壓控制閥通過進(jìn)出氣將氣浮式氣缸的氣壓控制為目標(biāo)氣壓p(t)，目標(biāo)氣壓p(t)計(jì)算公式為：

16、

17、

18、其中，f1是懸掛拉力的設(shè)定值，f2是隨動(dòng)部件重力，隨動(dòng)部件包括懸掛繩、活塞軸、活塞、力傳導(dǎo)橋、電磁線圈，f3是傳導(dǎo)周期后可以預(yù)測得到的隨動(dòng)慣量，以氣浮式氣缸氣壓波動(dòng)傳導(dǎo)到氣缸拓展容器側(cè)面所用時(shí)間為一個(gè)傳導(dǎo)周期，f(t)是懸掛拉力的實(shí)際值，t是時(shí)間，是第一高精度氣壓傳感器與第二高精度氣壓傳感器處氣壓波動(dòng)的相位差，f電max是電磁力裝置所能提供的最大電磁力，k是氣缸活塞面積的修正系數(shù)，f實(shí)際是實(shí)際使用過程中由測量得到的氣缸實(shí)際載荷，f理論是仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中測量得到的氣缸理論載荷，s0是氣缸活塞的實(shí)際面積。

19、本發(fā)明還提供一種如上所述的氣動(dòng)懸浮系統(tǒng)的電磁力控制方法，包括：

20、檢測氣浮式氣缸的活塞所在位置；

21、a，若氣浮式氣缸的活塞處于行程的上極限位置與下極限位置之間，則通過電磁力裝置產(chǎn)生電磁力為氣浮式氣缸提供拉力補(bǔ)償，電磁力按下式計(jì)算：

22、f電＝(p目標(biāo)-p實(shí)際)ks0+0.5f電max

23、式中，f電表示電磁力，p目標(biāo)表示氣浮式氣缸的高壓腔理論氣壓，p實(shí)際表示氣浮式氣缸的高壓腔實(shí)際氣壓，s0表示活塞實(shí)際面積，k表示氣缸活塞面積的修正系數(shù)，f電max是電磁力裝置所能提供的最大電磁力；

24、b，若氣浮式氣缸的活塞處于行程的下極限位置，則將電磁力f電快速變?yōu)橹敝粱钊俣确聪蚝?，活塞開始向上移動(dòng)，此時(shí)將f電變化為直至活塞移動(dòng)至下極限位置與上極限位置之間；fm表示使活塞向上的及時(shí)最大電磁力，fm滿足式中l(wèi)為氣缸活塞的總行程；m1為試件的質(zhì)量，m2為隨動(dòng)部件的質(zhì)量；v是活塞進(jìn)入上極限位置或下極限位置時(shí)的速度；

25、c，若氣浮式氣缸的活塞處于行程的上極限位置，則將電磁力f電快速變?yōu)橹敝粱钊俣确聪?，活塞開始向下移動(dòng)，此時(shí)將f電變化為直至活塞移動(dòng)至上極限位置與下極限位置之間，－fm表示使活塞向下的及時(shí)最大電磁力。

26、進(jìn)一步地，所述活塞的行程的下極限位置為行程的q％以內(nèi)，活塞的行程的上極限位置為行程的w％以上，q的范圍為5-15，w的范圍為85-95。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

28、1)通過氣壓對慣性力進(jìn)行補(bǔ)償，不由電磁力裝置單獨(dú)補(bǔ)償慣性力，這種方式可以解決電磁力進(jìn)行慣量補(bǔ)償時(shí)，電磁力進(jìn)行快速響應(yīng)的正反饋造成系統(tǒng)振蕩，也可以解決大載荷情況下電磁力慣量補(bǔ)償不足的情況，利用氣壓控制進(jìn)行慣性力補(bǔ)償，可以利用氣體作為緩沖，減少懸掛的額外振蕩，保持系統(tǒng)穩(wěn)定；

29、2)利用電磁力裝置進(jìn)行非接觸式運(yùn)動(dòng)限位，這種方式解決了懸掛到達(dá)頂部/底部時(shí)，對碰撞時(shí)限位裝置的損壞，也避免了試件的急加速/急減速，非接觸式電磁限位增加了緩沖距離，利用行程的前10％和后10％進(jìn)行緩沖，可以對試件意外快速沖擊提供保護(hù)，并且，電磁力裝置起到一個(gè)非線性彈簧的作用，僅在前后10％的行程進(jìn)行限位緩沖，在中間階段不發(fā)揮調(diào)整作用，不會影響正常試驗(yàn)的結(jié)論；

30、3)在氣浮式活塞安裝一個(gè)高精度的第二高精度氣壓傳感器，通過直接測量活塞處的氣壓，可以直接計(jì)算得到當(dāng)前氣缸的實(shí)際懸掛拉力，不存在測量延遲的問題，相比測量氣缸擴(kuò)展容器的內(nèi)壁氣壓，這種方式測量的氣壓與氣缸氣壓之間，不存在氣壓梯度和氣壓流動(dòng)延遲，測量結(jié)論更可靠；

31、4)在氣浮式活塞和氣缸擴(kuò)展容器的內(nèi)壁處各安裝一個(gè)高精度的氣壓傳感器。通過對兩個(gè)傳感器在預(yù)懸掛試驗(yàn)時(shí)的氣壓曲線，可以分析出氣壓控制閥控制氣壓改變傳導(dǎo)到氣缸活塞處氣壓的延遲時(shí)間和氣壓波動(dòng)波形，再通過延遲時(shí)間和氣壓波動(dòng)波形對氣壓控制進(jìn)行修正，提前預(yù)測活塞處的需求氣壓并進(jìn)行控制。