مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی، ساخت و مدلسازی دینامیک جامع شیر سروو نیوماتیک پیزوالکتریک مبتنی بر مکانیزم‌های منعطف

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
چکیده
در این مقاله، به طراحی، ساخت و مدل‌سازی دینامیکی شیر سرونیوماتیک پیزوالکتریک مبتنی بر مکانیزم منعطف پرداخته‌شده است. استفاده از عملگرهای پیزوالکتریک در این شیرها، به‌دلیل پاسخ دینامیکی سریع و دقت بالا، منجر به بهبود قابل توجه سرعت کنترل فشار توسط این شیرها می‌گردد. به همین منظور، ابتدا ساختار شیر سرونیوماتیک و عملکرد اجزای آن مورد بررسی قرار‌گرفته ‌است. جهت افزایش میزان گشودگی دریچه شیر طراحی شده، یک مکانیزم منعطف لوزی‌شکل برای تقویت دامنه جابجایی عملگر پیزوالکتریک طراحی‌گردیده است. در ادامه، به ارائه مدل دینامیک جامع سامانه پرداخته‌شده است. پس از شناسایی و صحه گذاری دینامیک پیشنهادی، نتایج کنترل فشار هوا به ازای ورودی‌های مرجع ثابت و متغیر با زمان ارائه‌گردیده است. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که مدل دینامیکی پیشنهادی برای شیر ساخته ‌شده دارای حداکثر خطای 25 درصد می‌باشد. همچنین نتایج تحلیل فرکانسی نشان می‌دهد که شیر موردنظر دارای پهنای باند دینامیکی 90 هرتز و فرکانس طبیعی 56 هرتز است، که نشان‌دهنده قابلیت استفاده در فرکانس‌های بالا می‌باشد. همچنین نتایج کنترل فشار زمان پاسخ پله‌ای حدود 21 میلی‌ثانیه در فشار 2 بار را نشان می‌دهد، که بیانگر توانایی آن در پاسخگویی به تغییرات سریع فشار است. علاوه بر این، قابلیت دنبالکردن فشارهای ورودی با فرکانس‌ها و دامنه‌های مختلف نیز مورد بررسی قرار‌گرفت.

موضوعات


عنوان مقاله English

Design, Manufacturing, and Comprehensive Dynamic Modeling of a Piezoelectric Pneumatic Servo Valve Based on Compliant Mechanisms

نویسندگان English

Amir Hossein Moradi
Hamed Ghafarirad
Seyed Mehdi Rezaei
Mohammad Zareinejad
Pouya Firuzy Rad
Amirkabir University of Technology
چکیده English

This article focuses on the design, manufacturing, and dynamic modeling of a piezoelectric pneumatic servo valve based on a compliant mechanism. The use of piezoelectric actuators in these valves, due to their fast dynamic response and high precision, significantly improves the speed of pressure control. To this end, the structure of the pneumatic servo valve and the function of its components were initially investigated. To enhance the valve's orifice opening, a rhombus type compliant mechanism was designed to amplify the displacement range of the piezoelectric actuator. Subsequently, a comprehensive dynamic model of the system was presented. After identification and validating the proposed dynamics, the results of air pressure control for both steady and time-varying reference inputs were provided. Experimental results indicate that the proposed dynamic model for the manufactured valve has a maximum error of 25%. Additionally, frequency analysis results show that the valve has a dynamic bandwidth of 90 Hz and a natural frequency of 56 Hz, highlighting its applicability for high-frequency operations. The results of pressure control demonstrate a step response time of approximately 21 milliseconds at a pressure of 2 bar, indicating its capability to respond to rapid pressure changes. Furthermore, the ability to track input pressures with varying frequencies and amplitudes was also evaluated

کلیدواژه‌ها English

Piezoelectric Servo Valve
Compliant Mechanism
Pressure Control
Coupled Dynamic Modeling
1 Linjama, M. Digital fluid power: State of the art. in The Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power. At: Tampere, Finland, May 2011.
.2 Bruno, N., et al., Development of a piezoelectric high speed on/off valve and its application to pneumatic closed-loop position control system. Journal of Mechanical Science and Technology, 2019. 33: p. 2747-2759.
.3 Sun, G., et al., Innovative pressure control with ANFIS-enhanced mode switching for high-speed pneumatic systems. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2025 147(3): p. 1-8.
.4 Ahn, K. and S. Yokota, Intelligent switching control of pneumatic actuator using on/off solenoid valves. Mechatronics, 2005. 15(6): p. 683-702.
.5 Choi, S. and J. Yoo, Pressure control of a pneumatic valve system using a piezoceramic flapper. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2004. 218(1): p. 83-91.
.6 Ouyang, X., et al., Simulation of the piezoelectric high-speed on/off valve. Chinese Science Bulletin, 2008. (53(17): p. 2706-2711.
.7 Kunt, C. and R. Singh, A linear time varying model for on-off valve controlled pneumatic actuators. 1990.
.8 Yamada, H., et al., Development of a high-speed on/off digital valve for hydraulic control systems using a multilayered PZT actuator. International Journal of Fluid Power, 2000. 1(2): p. 5-10.
.9 Han, C., S.-B. Choi, and Y.-M. Han, A piezoelectric actuator-based direct-drive valve for fast motion control at high operating temperatures. Applied Sciences, 2018. 8(10): p. 1806.
.10 Ling, M., et al., Design and modeling of an improved bridge-type compliant mechanism with its application for hydraulic piezo-valves. Sensors and Actuators A: Physical, 2021. 324: p. 112687.
.11 Ling, M., et al., Dynamic design of a novel high-speed piezoelectric flow control valve based on compliant mechanism. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2022. 27(6): p. 4942-4950.
.12 Gui, S., et al., Fluid-dynamic analysis and multi-objective design optimization of piezoelectric servo valves. Flow Measurement and Instrumentation, 2022. 85: p. 102157.
.13 Ling, M. and X. Zhang, Coupled dynamic modeling of piezo-actuated compliant mechanisms subjected to external loads. Mechanism and Machine Theory, 2021. 160: p. 104283.
.14 Bußmann, A.B., et al., Piezoelectric titanium based microfluidic pump and valves for implantable medical applications. Sensors and Actuators A: Physical, 2021. 323: p. 112649.
.15 Baviskar, D.D., et al., Development and testing of XY stage compliant mechanism. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM), 2024. 18(7): p. 5197-5210.
.16 Pipan, M. and N. Herakovič, Volume flow characterization of PWM-controlled fast-switching pneumatic valves. Strojniški vestnik-Journal of Mechanical Engineering, 2016. 62(9): p. 543-550.
.17 Åström, K.J. and R. Murray, Feedback systems: an introduction for scientists and engineers. 2021: Princeton university press.