氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)在連桿加工中的應(yīng)用

張維鵬 董全成 劉魁 籍平

摘? 要：氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)在高速、精準(zhǔn)搬運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。文章通過分析氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)工作原理、氣動(dòng)回路、關(guān)鍵裝置等，構(gòu)建了適用于柴油機(jī)連桿搬運(yùn)的搬運(yùn)試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析，表明采用氣控閥作為負(fù)載傳感器的氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)50Kg連桿部件的高效搬運(yùn)。文章所做原理分析及試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建，可為機(jī)械加工領(lǐng)域的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)工作效率提升提供理論依據(jù)及借鑒。

關(guān)鍵詞：氣壓傳動(dòng);平衡系統(tǒng);連桿搬運(yùn);自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TH138.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0115-04

Abstract： Pneumatic automatic balancing system is widely used in the field of high-speed and precision handling. In this paper， by analyzing the working principle， pneumatic circuit and key devices of the pneumatic automatic balancing system， a handling test system suitable for diesel engine connecting rod handling is constructed， and the experimental verification analysis is carried out. The results show that the pneumatic automatic balancing system using air control valve as load sensor can realize the efficient transportation of 50Kg connecting rod parts. The principle analysis and test system construction in this paper can provide theoretical basis and reference for improving the working efficiency of automatic handling system in the field of machining.

Keywords： pneumatic transmission; balance system; connecting rod handling; automation

前言

隨著智能制造時(shí)代的來臨，制造企業(yè)迫切需要提高企業(yè)生產(chǎn)效率和改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度，以此來增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。然而在實(shí)際機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng)，受到場(chǎng)地、空間、動(dòng)力配線以及工廠5S管理等方面的約束，物料、零部件的人工搬運(yùn)現(xiàn)象還大量存在，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。即便很多企業(yè)配備了氣動(dòng)平衡吊系統(tǒng)或電葫蘆搬運(yùn)系統(tǒng)，也存在著搬運(yùn)不同零部件需反復(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的不便性?，F(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合為大規(guī)模工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、生產(chǎn)系統(tǒng)與裝備的實(shí)現(xiàn)提供了更多的技術(shù)選擇與應(yīng)用平臺(tái)[1]。氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)可用于生產(chǎn)線上不同質(zhì)量零部件的搬運(yùn)，操作人員只需要使用很小的力量就可以實(shí)現(xiàn)幾十到上百公斤零部件上下左右的靈活搬運(yùn)，此方式可大大提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。此氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)配合磁力、真空、氣動(dòng)手爪等執(zhí)行元件也可以實(shí)現(xiàn)不同形狀零部件的靈活搬運(yùn)。如果搬運(yùn)位置相對(duì)固定，在氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)上增加電動(dòng)伺服定位裝置還可以實(shí)現(xiàn)0.01毫米級(jí)的精準(zhǔn)位置搬運(yùn)。氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)基本工作原理是應(yīng)用氣動(dòng)負(fù)載傳感器配合恒壓控制氣路來自動(dòng)平衡負(fù)載，借助杠桿、鏈輪機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)伺服缸來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置停止和鎖定。

本文首先對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域零部件搬運(yùn)的多種平衡系統(tǒng)進(jìn)行介紹，然后對(duì)氣動(dòng)平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論推導(dǎo)和原理闡述。在此基礎(chǔ)上，對(duì)氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的工作原理、自動(dòng)平衡氣路、關(guān)鍵部件及機(jī)械結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，并將其應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)連桿搬運(yùn)。最后，對(duì)氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)為滿足無人搬運(yùn)、精準(zhǔn)搬運(yùn)等需求進(jìn)行分析。

1 氣動(dòng)平衡基本原理及常用系統(tǒng)

目前機(jī)械制造領(lǐng)域，常用的搬運(yùn)平衡系統(tǒng)從平衡方式上來分，主要有重物鏈條式、油缸平衡式和氣動(dòng)平衡式三種[2]。在低成本且不追求高速和重載的情況下多使用鏈條式平衡方式，在重載或高速情況下多使用油缸或氣動(dòng)平衡方式。三種平衡方式的具體參數(shù)如表1所示。由表1可以看出，氣動(dòng)平衡方式在平衡重量上和鏈條式性能相一致，但在平衡速度方面要優(yōu)于鏈條式和油缸平衡式，綜合來看，氣動(dòng)平衡式性能更為全面。

為滿足自動(dòng)化、智能化的發(fā)展需求，普通的機(jī)械搬運(yùn)系統(tǒng)正朝著輕量化、集成化、高速化的方向發(fā)展，而氣動(dòng)平衡系統(tǒng)高速、輕量和集成的優(yōu)點(diǎn)正好順應(yīng)了搬運(yùn)系統(tǒng)新的發(fā)展方向，因此目前氣動(dòng)平衡系統(tǒng)在機(jī)械搬運(yùn)領(lǐng)域得到前所未有的發(fā)展和廣泛應(yīng)用[3，4]。

氣動(dòng)平衡系統(tǒng)工作時(shí)，負(fù)載施加的外力作用會(huì)使重物下降，從而氣缸活塞桿下降，氣缸內(nèi)壓力增大，多余氣體從壓力平衡閥排出;若使負(fù)載上升，所需氣體和壓力仍需通過壓力平衡閥提供。壓力平衡閥需滿足逆流功能及精密調(diào)節(jié)功能，因此一般采用減壓閥或精密調(diào)壓閥作為壓力平衡閥，圖1所示的一般氣動(dòng)平衡系統(tǒng)所選的壓力平衡閥也滿足此功能。

在滿足高速及大負(fù)載需求的氣動(dòng)平衡系統(tǒng)中，僅靠壓力平衡閥的氣量供給及反應(yīng)速度遠(yuǎn)不能滿足搬運(yùn)工作要求，一般需要增加增壓系統(tǒng)。圖2為常用的機(jī)床氣動(dòng)平衡系統(tǒng)原理圖。

由圖2可以看出，機(jī)床氣動(dòng)平衡系統(tǒng)中增加了供氣氣罐、增壓泵以及單向閥等元件，也有部分機(jī)床采用封閉式立柱機(jī)構(gòu)作為增壓系統(tǒng)，這可以滿足大負(fù)載的高速搬運(yùn)需求。由于氣動(dòng)單向閥的存在，負(fù)載向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的多余氣體無法排出，因此還需要考慮氣動(dòng)負(fù)載變化率的影響。

以SMC品牌拉桿氣缸MBB100-700作為平衡氣缸為例，進(jìn)行負(fù)載變化率的影響分析。平衡氣缸具體參數(shù)為：氣缸直徑D=100mm，活塞桿直徑d=30mm，氣缸行程L=700mm。平衡設(shè)定時(shí)，氣缸處于上升端，設(shè)定壓力Ps為6Kg/cm2，桿側(cè)供氣，氣罐容積Vg定為40L。氣缸容積VL用公式（2）表示，根據(jù)氣缸參數(shù)及設(shè)定參數(shù)，計(jì)算得出VL=5L，氣動(dòng)平衡系統(tǒng)總?cè)莘eVz=VL+Vg=45L。

負(fù)載變化率控制在10%以下，才能保持氣動(dòng)平衡系統(tǒng)的性能不變。根據(jù)公式（4）得出的負(fù)載變化率計(jì)算結(jié)果可知已超出10%的界限，因此應(yīng)考慮適當(dāng)增加氣罐容積，以此來降低負(fù)載變化率。

2 氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)在連桿搬運(yùn)中的應(yīng)用

在氣動(dòng)平衡系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的前提下，如何提高平衡系統(tǒng)的自動(dòng)化水平、精確度以及滿足不同條件下的多種應(yīng)用工況，成為行業(yè)研究的新熱點(diǎn)。目前氣動(dòng)平衡系統(tǒng)自動(dòng)化改進(jìn)方面，采用較多的方式是使用電氣比例閥用作壓力平衡閥，取代常規(guī)減壓閥及精密調(diào)壓閥。

圖3為常用的SMC品牌電氣比例閥。此電氣比例閥內(nèi)置的壓力傳感器可通過模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)控制壓力調(diào)節(jié)，內(nèi)置的2個(gè)千赫茲級(jí)高頻閥可不間斷控制進(jìn)排氣。采用此類型電氣比例閥作為壓力平衡閥，可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)平衡系統(tǒng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到精確平衡。

采用電氣比例閥的氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)需要一套電氣控制系統(tǒng)配合才能完成氣壓的自動(dòng)平衡，但對(duì)于已安裝就位的固有氣動(dòng)平衡系統(tǒng)進(jìn)行電氣改造則較為麻煩。如柴油機(jī)連桿加工車間，不同機(jī)床分布早已經(jīng)形成體系，在現(xiàn)有空間內(nèi)增加機(jī)械、電氣配置有諸多不便，因此采用單純的氣-氣自動(dòng)平衡元件則更能適應(yīng)固有氣動(dòng)平衡系統(tǒng)的自動(dòng)化改造。

氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)，基本原理可以概況為外力負(fù)載的變化通過機(jī)械傳載導(dǎo)致供氣壓力變化，而供氣壓力變化則會(huì)導(dǎo)致平衡負(fù)載壓力的變化，從而達(dá)到新的壓力平衡。此種平衡方式也可以用SMC的XT477氣控閥實(shí)現(xiàn)，圖4為SMC的XT477氣控閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（b）外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采用SMC XT477氣控閥的氣-氣自動(dòng)平衡原理概括如下：當(dāng)負(fù)載作用于傳動(dòng)板B時(shí)會(huì)產(chǎn)生向下的作用力，從而會(huì)帶動(dòng)傳動(dòng)板A向下壓氣控閥主軸，而主軸受力向下移動(dòng)則會(huì)推動(dòng)隔膜和針閥，從而導(dǎo)致輸出壓力發(fā)生變化。當(dāng)輸出側(cè)壓力發(fā)生變化時(shí)會(huì)推動(dòng)隔膜向上運(yùn)動(dòng)，從而與負(fù)載產(chǎn)生的向下作用力平衡。SMC XT477氣控閥的氣動(dòng)自動(dòng)平衡原理如圖5所示。

根據(jù)圖5的氣-氣自動(dòng)平衡工作原理，采用SMC XT477氣控閥搭建了直連式柴油機(jī)連桿搬運(yùn)試驗(yàn)系統(tǒng)，搬運(yùn)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6中的負(fù)載傳感器采用的是SMC XT477氣控閥，以此來實(shí)現(xiàn)氣壓的自動(dòng)精確平衡。搭建的搬運(yùn)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，對(duì)于重量在50Kg 左右的柴油機(jī)連桿搬運(yùn)能夠起到氣壓自動(dòng)平衡的效果，可顯著提高零部件搬運(yùn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的拓展

為滿足智慧工廠對(duì)常規(guī)零部件搬運(yùn)的高效、精準(zhǔn)、無人化需求，氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的二次改造、精準(zhǔn)定位實(shí)現(xiàn)以及通訊系統(tǒng)升級(jí)都有較大的發(fā)展前景和應(yīng)用需求。

圖7為采用電氣伺服缸的氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，它既可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)自動(dòng)平衡，又可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。圖7中的電氣比例閥和氣缸活塞通過電氣控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)平衡，而電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)（絲杠和伺服控制系統(tǒng)）可以實(shí)現(xiàn)零部件搬運(yùn)的精準(zhǔn)位置停止和鎖定。一般來說研磨滾珠絲杠均可達(dá)到0.01mm級(jí)的重復(fù)定位精度，因此采用電氣伺服缸的氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)也可以達(dá)到0.01mm級(jí)的精準(zhǔn)定位。

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，無人化搬運(yùn)需求也越來越迫切。搬運(yùn)系統(tǒng)作為車間眾多設(shè)備的一員，需實(shí)現(xiàn)和其他設(shè)備、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的互聯(lián)，因此傳統(tǒng)的單一配線方式已經(jīng)無法滿足發(fā)展需求。將搬運(yùn)系統(tǒng)嵌入車間物聯(lián)系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的總線控制方式，是目前搬運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展方向。圖8為車間搬運(yùn)系統(tǒng)采用總線控制的應(yīng)用舉例。

4 結(jié)論

本文對(duì)氣動(dòng)平衡系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行了深入分析和應(yīng)用總結(jié)。（1）對(duì)一般氣動(dòng)平衡系統(tǒng)和適用于大負(fù)載、高速場(chǎng)合的氣動(dòng)平衡系統(tǒng)的氣動(dòng)回路搭建、元件選型進(jìn)行了性能分析及計(jì)算推導(dǎo)。（2）對(duì)采用電氣比例閥和氣控閥的兩種氣動(dòng)自控平衡系統(tǒng)的平衡原理、工作性能、應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了深入分析，并將采用SMC XT477氣控閥的氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)應(yīng)用到柴油機(jī)連桿搬運(yùn)中，通過搭建氣動(dòng)搬運(yùn)試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了采用此種方案，可有效提高搬運(yùn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。（3）對(duì)搬運(yùn)系統(tǒng)的高效、精準(zhǔn)、無人化需求進(jìn)行了探索，得出了采用伺服氣缸、總線控制系統(tǒng)等，可滿足智慧工廠的工作需求，這也為后續(xù)氣動(dòng)自動(dòng)平衡系統(tǒng)的深入二次開發(fā)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)/SMC（中國(guó)）有限公司（3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]戴進(jìn)斌，江妹寶，馬鐘榕，等.恒壓控制在平衡機(jī)械手中的運(yùn)用[J].機(jī)電技術(shù)，2004（2）：68-72.

[3]巴曉甫，李歡歡，王永宏，等.氣動(dòng)平衡助力機(jī)械手反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2017（12）：90-94.

[4]趙新虎.氣動(dòng)平衡器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（02）：176-177.