新型碼垛裝置升降油路節(jié)能特性分析

孫亞茹，華子森，李科

(1.山東化工職業(yè)學院，山東 濰坊 262737;2.山東大學機器人研究中心，山東 濟南 250014)

引言

碼垛機械作為通用設備，在工業(yè)自動化的進程中起著中流砥柱的作用[1-2]。特別是對于大型機械式碼垛機，以其前期投入小、單次碼垛貨物量大及維護簡單等等優(yōu)勢，一直以來市場占有率居高不下。近些年，機器人技術日益成熟，并漸漸融入于碼垛流水線當中[3]，所占市場份額也隨著機器人成本的降低而逐漸提高，但對于噸位級別較大貨物的碼垛，還是以液壓機械式碼垛設備為主。

1 典型升降控制液壓回路

1.1 碼垛設備升降工序簡析。圖1所示為機械式碼垛設備移垛部分的布位。從圖中可以看出，工位1中，經(jīng)過聚類或整型的貨物由碼垛頭夾起，而后由升降油缸提升至預定工位。行至工位2時，油缸活塞桿回縮，夾頭下降，貨物被轉(zhuǎn)移至工位2的輸送鏈上。工作工程中，油缸活塞重復進行伸出、保位及回縮動作[4]。

1.2 碼垛設備典型升降油路對比。碼垛機夾頭自重較大，運行過程中勢必產(chǎn)生較大慣量。同時考慮到多工位的需求，因此多數(shù)設備對于碼垛機的升降都采用位置亦或速度控制[5]。再者，由于控制精度相對要求較低，因此電液比例閥成為了油路控制元件的首選。圖2減少了三種典型的碼垛機升降液壓油路。

圖1 碼垛設備布位圖

圖2 典型液壓油路對比

圖2中A采用傳統(tǒng)的三位四通電液比例控制閥，外負載通過控制有桿腔及無桿腔的壓差來平衡，因此碼垛機的升降過程油源都需要供能；B中無桿腔采用兩位三通電液比例閥，有桿腔直接接油箱(PT≈0)。當液壓缸伸出時油源接通無桿腔，通過比例控制閥芯的開口度，來到達較精確的位置或是速度控制。當液壓缸回縮時，利用夾頭自重壓縮活塞桿產(chǎn)生高壓油，并通過調(diào)節(jié)A到T口的閥芯開口度進行位置或是速度的比例控制。該油路在活塞桿回縮的過程中油源無需提供能量，具有較好的節(jié)能作用；C所示油路采用了組合控制方法，每個腔室都采用兩個兩位兩通比例閥控制，通過選擇不同的受控閥來模擬A和B油路的作動效果。因此，次油路兼具A和B的優(yōu)點。

2 新型升降控制油路的模擬與分析

2.1 油路搭建原理簡析。圖3所示為基于AMESim的新型升降控制油路及控制邏輯模型。模型中，1部分代表蓄能控制油路及控制邏輯，2代表液壓缸回縮控制油路及控制邏輯，3代表液壓缸伸長控制油路及控制時序。該新型液壓升降控制油路充分綜合了第2.1節(jié)中各個典型油路的特點，并且在保證油缸的位置控制精度的同時，節(jié)能效果更為突出。油路在油缸的伸出階段采用油源供油，并通過兩位兩通比例閥進行控制。油缸回縮階段，油源轉(zhuǎn)化為液壓缸的無桿腔，此時控制元件仍然為兩位兩通比例閥。

由于負重及空載情況下液壓缸無桿腔的供油壓力不同，因此采用了蓄能器來儲存由于壓差所產(chǎn)生的高壓油，并在運行過程中階段性釋放此部分能量供于設備運作。進一步減輕了油源的能量供應，起到了更好的節(jié)能作用。

圖3 新型升降控制油路

圖4 仿真結(jié)果

2.2 仿真與分析

2.2.1 仿真參數(shù)設置。在AMESim軟件中共建立三組模型，第一組模型如圖3所示，第二組模型即模型一除去蓄能控制油路，第三組為圖1所示A油路。

其中，模型一(圖3)中比例閥1和2的額定流量分別為18 Lmin 和 25 Lmin，頻率均為40 Hz。油缸活塞和活塞桿直徑分50mm和30mm。其余參數(shù)設定詳見圖3。

2.2.1 仿真結(jié)果及分析。圖4中展示了三種方案的活塞位移及系統(tǒng)輸入能量的對比曲線。從仿真結(jié)果中可以看出，對于相同的輸入，三種油路方案都能保持較好的位置精度。其中方案1開始階段活塞位移出現(xiàn)滯后的原因在于蓄能控制油路的蓄能器初始充氣壓力降低，系統(tǒng)首先給蓄能器供油。

從系統(tǒng)輸入能量對比曲線可以看出，在蓄能器充油完成后，對比方案2和方案3，在活塞伸出階段方案1所提出的新型升降控制油路需求的能量輸入最少。由此可見，本文所提出的碼垛機新型升降控制油路節(jié)能效果良好。