氣動實驗臺系統的開發與應用

崔國生+張祿珠+劉向陽+侯慧斯+胡葉升+梁景明

摘 要：針對目前各大高校實驗教學的應用現狀，設計研發了一款便攜式可移動的氣動試驗臺教學系統。該系統主要包括箱體部分、回路工作臺部分、升降平臺部分、氣動元件、氣缸泵、人機界面等部件。氣動實驗臺的箱體主要由兩層構成——上層為回路工作臺，安裝氣動元件；下層為掀蓋結構，安裝氣缸泵。針對現有氣動實驗臺價格較高、不容易攜帶、需要外接動力源等特點進行了改進，自主研發的氣動試驗臺教學系統特點為易攜帶、不需要外接氣源。同時，開發了人機工作界面，學生可以通過觸摸屏控制氣動元件的運動。

關鍵詞：氣壓傳動；氣動實驗臺；氣缸泵；教學模具

中圖分類號：TU831.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.141

市場上的氣動式教學模型功能齊全，但一般為大型的氣動實驗臺，由許多模塊采用不同方式的連接，體積較大、價格較高、不容易攜帶，且需要外接動力源——氣泵。目前教學用的氣動式教學模型的數量較少，尤其是攜帶較為便捷的氣動模型，而學生對理論結合實際的要求越來越高，因此，需要有小型、實用的教學模具。

1 氣動實驗臺的研究現狀及發展趨勢

開放性液壓和氣壓實驗臺的設計以及應用在國外已經十分成熟，其現代技術與實驗臺完美結合，使實驗臺不但功能完善，且操作容易。在我國，各高校開設了開放性實驗臺，比如秦川機械發展股份有限公司生產的模型qcs030氣動實驗臺。國內的一些研究部門對各類實驗臺也有研究，在元器件控制方面，一些高校提出了將面板設計成孔板，用三點定位的方法完成元器件的定位，上海碩博科教設備有限公司將其變為了現實。

有研究機構提出了真空吸盤方案，真空發生器主要由拉瓦爾管、擴壓管和氣體吸入室組成，拉瓦爾管和擴壓器這兩個構件組成了一條特殊的氣流管道，壓縮空氣時使用拉瓦爾管噴嘴實現能量的轉換，從而實現抽氣，而混合氣流經過擴壓器又進行能量轉換，從而實現排氣。空氣壓力供應口高于一定值時，超音速射流從噴嘴射出。由于氣體具有一定的黏度，高速噴射體積的氣體吸入室內使空腔形成低真空，真空吸入室與之相連，便可吸住盤子。其特點主要有以下3個：①二次真空發生器沒有機械運動部件，也無需潤滑。②抗振性好，結構簡單。③工作穩定、使用壽命較長。目前，部分高校對開放性實驗臺的控制部分進行了改進，比如利用Lab Windows/CVI設計的虛擬儀器軟件，將其與實驗臺結合使用，可在不同慣性負載及推力負載下分別利用不同算法完成位置伺服控制，并能繪制相應的實驗曲線，對實驗臺的面板進行模塊化改善等。

2 實驗臺實驗項目開發

該微型氣動實驗臺系統共設計了6個實驗基本回路，分別為氣缸泵性能測試實驗回路、遞序動作回路、安全回路、單級調壓回路、雙作用氣缸換向回路和調速回路。設計過程中主要考慮到了元器件的相互關系位置，盡可能地減少了元器件，使一個元器件可應用在多個回路實驗中。

2.1 氣缸泵性能測試實驗回路

該實驗回路對氣泵中的柱塞泵進行實驗，設計了一種氣缸泵對柱塞泵，進行了原理性的仿真，通過氣缸泵對空氣進行壓縮，并直接傳輸至執行機構。執行機構為一雙桿氣缸，雙桿氣缸支撐了一升降平臺，可在升降平臺上增加不同的負載。負載通過雙桿氣缸改變氣缸泵和工作回路中的壓力，增設不同的負載，升降平臺的升降速度也會改變，通過氣動三聯件和氣體流量計測定氣缸泵的壓力損失和流量損失。

2.2 安全回路

隨著機械的安全越來越受到人們重視，世界各國和各組織都制訂了相關的安全規范。機械安全更是關系到人身安全，做好機械安全工作有益于企業發展。

2.3 遞序動作回路

遞序動作實驗回路設計為行程控制順序動作環。行程控制順序動作回路是在氣缸移動一段規定形成后，由活塞桿前端的行程塊觸碰二位三通行程換向閥的行程滾輪，通過機械機構的作用連通或斷開壓縮氣體，使另一氣缸移動的工作回路。

2.4 單級調壓回路

單級調壓控制回路是通過控制回路的壓力來完成特定功能的回路。當載荷變化較大時，應考慮多級壓力控制回路；在一個工作循環的某一時間內執行元件不動作時，如果不需要氣壓，則卸荷回路工作；當系統氣源提供的壓力較大時，減壓回路工作；當有慣性較大的部件停止，為了避免產生沖擊時，緩沖或制動回路工作；在有升降運動部件的氣壓系統中，平衡回路工作。即使在相同的壓力控制回路中，也需要根據不同的要求仔細考量，才能選出最佳方案。單級壓力控制回路一般是壓力控制回路中最基本的回路，通常用來將空氣壓縮機的輸出壓力控制在調定值以下。

2.5 雙作用氣缸換向回路

能實現方向控制的方法主要為閥控。閥控一般采用方向控制閥分配氣壓系統中的能量，換向回路一般可分為單作用氣缸換向回路、雙作用氣缸換向回路、差動控制換向回路3種典型的換向回路。在氣動系統中，換向回路是必不可少的，并采用二位五通電磁換向閥控制雙作用氣缸的伸縮。

2.6 調速回路

氣動系統常見的速度控制回路有單作用氣缸速度控制回路、雙作用氣缸速度控制回路、緩沖回路、氣液聯動的速度控制回路等。執行器的速度控制原理是控制閥門流量的流動區域面積的大小，以此來完成對元件執行速度的控制。因為該系統使用功率不高，所以，節流調速便是主要的調速方法，一般都采用排氣節流調速。

3 結束語

在本次報告中，分析了現有氣動實驗臺的優缺點，對各元器件進行選型、設計，最終完成了此次微型氣動實驗臺系統設計。收集了相關文獻資料，分析設計了一組并聯組合系統作為壓力氣源，該并聯組合系統即為氣缸泵。分析了氣壓傳動的特點及結構，并對該系統的主要內容進行了分析。在實驗臺實驗項目開發中進行了氣缸泵性能測試回路實驗、遞序動作回路實驗、安全回路、單級調壓回路、雙作用氣缸換向回路和調速回路6個實驗項目。

通過本次的報告，該微型氣動實驗臺系統具有體積小、方便攜帶、功能齊全、易于操作的優點，可應用于《液壓與氣壓傳動》這門課的實驗教學環節，使學生在學習過程中充分結合實際，將理論知識應用到了實際操作中。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕