气动技术是以压缩空气为介质进行控制和传动的一门专业工程技术,具有安全防爆、无污染、易维护等优点。传统的气动技术教学实验台存在实验内容单一、数据记录困难、难以达到低压力高精度控制等问题。利用虚拟仪器并结合检测、气动比例控制等技术构建可视化的基于微流体芯片的气动比例压力阀实验教学平台。该实验教学平台以LabVIEW作为软件开发平台,开发了气动比例压力阀、位移、流量以及压力传感器、控制器、高性能数据采集卡等气动实验系统,可实现气动元件的性能测试、位置控制、回路测试等实验教学。整个实验平台同时具备数据采集、处理、存储以及实验报告生成等功能,操作便捷、界面直观、功能齐全。

对采用硅流体芯片的气动位置控制系统进行了建模、实验及仿真研究。在采用增量式PID控制的条件下,通过实验得到了系统对阶跃信号、三角波信号及正弦波信号的输出特性曲线,并分析了气源压力变化对控制系统输入输出特性影响较大的原因。当气源压力为0.7 MPa时,系统阶跃响应控制精度最高,进入稳态后误差小于0.077 mm。当气源压力为0.2 MPa时,系统对2 Hz的正弦信号可以较好的跟随。利用AMESim软件对系统进行了仿真研究,仿真结果表明,增加芯片个数可以减小阶跃响应的上升及下降时间,对滞回特性也有一定的改善。

为研究硅流体芯片的特性,通过多物理场仿真得到了芯片输入电压与中间层杠杆机构输出位移之间的近似传递函数,结合AMESim软件进行了气路仿真研究。将气路仿真结果与实验结果进行对比,验证了仿真的有效性。利用气路仿真模型分析了静态增益和时间常数对双芯片结构阶跃响应及滞回特性的影响。使用多物理场仿真模型着重探讨了几何参数对V型电热微致动器的影响。仿真结果表明:致动器输出位移的大小主要与筋的倾角、跨长、对数有关,几何参数的改变对静态增益影响明显,时间常数主要与跨长有关。