氣動自動平衡系統在連桿加工中的應用

張維鵬 董全成 劉魁 籍平

摘? 要：氣動自動平衡系統在高速、精準搬運領域應用廣泛。文章通過分析氣動自動平衡系統工作原理、氣動回路、關鍵裝置等，構建了適用于柴油機連桿搬運的搬運試驗系統，并進行了試驗驗證分析，表明采用氣控閥作為負載傳感器的氣動自動平衡系統可實現50Kg連桿部件的高效搬運。文章所做原理分析及試驗系統構建，可為機械加工領域的自動搬運系統工作效率提升提供理論依據及借鑒。

關鍵詞：氣壓傳動;平衡系統;連桿搬運;自動化

中圖分類號：TH138.9? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

隨著智能制造時代的來臨，制造企業迫切需要提高企業生產效率和改善工人勞動強度，以此來增強企業的核心競爭力。然而在實際機械加工現場，受到場地、空間、動力配線以及工廠5S管理等方面的約束，物料、零部件的人工搬運現象還大量存在，從而導致生產效率較低，勞動強度較大。即便很多企業配備了氣動平衡吊系統或電葫蘆搬運系統，也存在著搬運不同零部件需反復進行調節的不便性。現代氣動技術與電子技術的結合為大規模工業自動化生產、生產系統與裝備的實現提供了更多的技術選擇與應用平臺[1]。氣動自動平衡系統可用于生產線上不同質量零部件的搬運，操作人員只需要使用很小的力量就可以實現幾十到上百公斤零部件上下左右的靈活搬運，此方式可大大提高生產效率，降低工人勞動強度。此氣動自動平衡系統配合磁力、真空、氣動手爪等執行元件也可以實現不同形狀零部件的靈活搬運。如果搬運位置相對固定，在氣動自動平衡系統上增加電動伺服定位裝置還可以實現0.01毫米級的精準位置搬運。氣動自動平衡系統基本工作原理是應用氣動負載傳感器配合恒壓控制氣路來自動平衡負載，借助杠桿、鏈輪機構以及電動伺服缸來實現精準位置停止和鎖定。

本文首先對機械制造領域零部件搬運的多種平衡系統進行介紹，然后對氣動平衡系統設計進行理論推導和原理闡述。在此基礎上，對氣動自動平衡系統的工作原理、自動平衡氣路、關鍵部件及機械結構等進行分析，并將其應用到發動機連桿搬運。最后，對氣動自動平衡系統為滿足無人搬運、精準搬運等需求進行分析。

1 氣動平衡基本原理及常用系統

目前機械制造領域，常用的搬運平衡系統從平衡方式上來分，主要有重物鏈條式、油缸平衡式和氣動平衡式三種[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平衡方式。三種平衡方式的具體參數如表1所示。由表1可以看出，氣動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于鏈條式和油缸平衡式，綜合來看，氣動平衡式性能更為全面。

為滿足自動化、智能化的發展需求，普通的機械搬運系統正朝著輕量化、集成化、高速化的方向發展，而氣動平衡系統高速、輕量和集成的優點正好順應了搬運系統新的發展方向，因此目前氣動平衡系統在機械搬運領域得到前所未有的發展和廣泛應用[3，4]。

氣動平衡系統工作時，負載施加的外力作用會使重物下降，從而氣缸活塞桿下降，氣缸內壓力增大，多余氣體從壓力平衡閥排出;若使負載上升，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節功能，因此一般采用減壓閥或精密調壓閥作為壓力平衡閥，圖1所示的一般氣動平衡系統所選的壓力平衡閥也滿足此功能。

在滿足高速及大負載需求的氣動平衡系統中，僅靠壓力平衡閥的氣量供給及反應速度遠不能滿足搬運工作要求，一般需要增加增壓系統。圖2為常用的機床氣動平衡系統原理圖。

由圖2可以看出，機床氣動平衡系統中增加了供氣氣罐、增壓泵以及單向閥等元件，也有部分機床采用封閉式立柱機構作為增壓系統，這可以滿足大負載的高速搬運需求。由于氣動單向閥的存在，負載向下運動時的多余氣體無法排出，因此還需要考慮氣動負載變化率的影響。

以SMC品牌拉桿氣缸MBB100-700作為平衡氣缸為例，進行負載變化率的影響分析。平衡氣缸具體參數為：氣缸直徑D=100mm，活塞桿直徑d=30mm，氣缸行程L=700mm。平衡設定時，氣缸處于上升端，設定壓力Ps為6Kg/cm2，桿側供氣，氣罐容積Vg定為40L。氣缸容積VL用公式（2）表示，根據氣缸參數及設定參數，計算得出VL=5L，氣動平衡系統總容積Vz=VL+Vg=45L。

負載變化率控制在10%以下，才能保持氣動平衡系統的性能不變。根據公式（4）得出的負載變化率計算結果可知已超出10%的界限，因此應考慮適當增加氣罐容積，以此來降低負載變化率。

2 氣動自動平衡系統在連桿搬運中的應用

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

圖3為常用的SMC品牌電氣比例閥。此電氣比例閥內置的壓力傳感器可通過模擬信號或數字信號實時控制壓力調節，內置的2個千赫茲級高頻閥可不間斷控制進排氣。采用此類型電氣比例閥作為壓力平衡閥，可實現氣動平衡系統壓力自動調節，達到精確平衡。

采用電氣比例閥的氣動自動平衡系統需要一套電氣控制系統配合才能完成氣壓的自動平衡，但對于已安裝就位的固有氣動平衡系統進行電氣改造則較為麻煩。如柴油機連桿加工車間，不同機床分布早已經形成體系，在現有空間內增加機械、電氣配置有諸多不便，因此采用單純的氣-氣自動平衡元件則更能適應固有氣動平衡系統的自動化改造。

氣動自動平衡系統，基本原理可以概況為外力負載的變化通過機械傳載導致供氣壓力變化，而供氣壓力變化則會導致平衡負載壓力的變化，從而達到新的壓力平衡。此種平衡方式也可以用SMC的XT477氣控閥實現，圖4為SMC的XT477氣控閥結構簡圖。

（a）內部結構簡圖

（b）外部結構簡圖

采用SMC XT477氣控閥的氣-氣自動平衡原理概括如下：當負載作用于傳動板B時會產生向下的作用力，從而會帶動傳動板A向下壓氣控閥主軸，而主軸受力向下移動則會推動隔膜和針閥，從而導致輸出壓力發生變化。當輸出側壓力發生變化時會推動隔膜向上運動，從而與負載產生的向下作用力平衡。SMC XT477氣控閥的氣動自動平衡原理如圖5所示。

根據圖5的氣-氣自動平衡工作原理，采用SMC XT477氣控閥搭建了直連式柴油機連桿搬運試驗系統，搬運試驗系統結構簡圖如圖6所示。

圖6中的負載傳感器采用的是SMC XT477氣控閥，以此來實現氣壓的自動精確平衡。搭建的搬運試驗系統運行結果表明，對于重量在50Kg 左右的柴油機連桿搬運能夠起到氣壓自動平衡的效果，可顯著提高零部件搬運效率，降低工人勞動強度。

3 氣動自動平衡系統的拓展

為滿足智慧工廠對常規零部件搬運的高效、精準、無人化需求，氣動自動平衡系統的二次改造、精準定位實現以及通訊系統升級都有較大的發展前景和應用需求。

圖7為采用電氣伺服缸的氣動平衡系統，它既可以實現氣動自動平衡，又可以實現精準定位。圖7中的電氣比例閥和氣缸活塞通過電氣控制系統可以實現負載的自動平衡，而電動伺服機構（絲杠和伺服控制系統）可以實現零部件搬運的精準位置停止和鎖定。一般來說研磨滾珠絲杠均可達到0.01mm級的重復定位精度，因此采用電氣伺服缸的氣動自動平衡系統也可以達到0.01mm級的精準定位。

隨著工業自動化程度的提高，無人化搬運需求也越來越迫切。搬運系統作為車間眾多設備的一員，需實現和其他設備、遠程控制系統的互聯，因此傳統的單一配線方式已經無法滿足發展需求。將搬運系統嵌入車間物聯系統，采用標準的總線控制方式，是目前搬運系統的發展方向。圖8為車間搬運系統采用總線控制的應用舉例。

4 結論

本文對氣動平衡系統的工作原理及應用進行了深入分析和應用總結。（1）對一般氣動平衡系統和適用于大負載、高速場合的氣動平衡系統的氣動回路搭建、元件選型進行了性能分析及計算推導。（2）對采用電氣比例閥和氣控閥的兩種氣動自控平衡系統的平衡原理、工作性能、應用場合進行了深入分析，并將采用SMC XT477氣控閥的氣動自動平衡系統應用到柴油機連桿搬運中，通過搭建氣動搬運試驗系統，驗證了采用此種方案，可有效提高搬運效率，降低勞動強度。（3）對搬運系統的高效、精準、無人化需求進行了探索，得出了采用伺服氣缸、總線控制系統等，可滿足智慧工廠的工作需求，這也為后續氣動自動平衡系統的深入二次開發提供了依據。

參考文獻：

[1]現代實用氣動技術/SMC（中國）有限公司（3版）[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]戴進斌，江妹寶，馬鐘榕，等.恒壓控制在平衡機械手中的運用[J].機電技術，2004（2）：68-72.

[3]巴曉甫，李歡歡，王永宏，等.氣動平衡助力機械手反饋控制系統設計[J].液壓與氣動，2017（12）：90-94.

[4]趙新虎.氣動平衡器控制系統設計[J].機械工程與自動化，2017（02）：176-177.