自適應氣動吊裝設備控制回路設計

齊秀麗，劉亮，鞠彬

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590)

我國工廠使用較多的起重工具是電動葫蘆、手拉葫蘆，但它們尤其在一些易燃易爆場合并不能滿足頻繁吊裝、作業時間短、精確定位的需求。而在汽車零部件裝配生產過程中，平衡系統應用廣泛并且氣動吊裝設備是傳統工具的升級換代產品，是利用氣動平衡技術實現的。國內對氣控平衡回路研究極少，一般直接借助于液壓平衡回路或者利用氣體柔性來完成負載定位，無法實現嚴格意義上的平衡。作者設計了自適應吊裝設備氣動系統，具有可滿足系統彈性浮動、失壓保護、安全平穩可靠、沖擊性低、速度可調、成本低等優點。

1 平衡回路原理設計及操作說明

氣控平衡回路如圖1 所示。

此氣控平衡回路的核心元件是正偏差大流量減壓閥14，并且設定此閥先導力等于輸出力。

(1)重物提升操作步驟:長按上升按鍵，到達預定位置，松手即可。

在重物上升過程中，氣路流程如圖2 所示。在控制回路中，氣源1 依次經過減壓閥2 降壓穩壓、換向閥3 閉合、梭閥6 信號選擇、快排閥10 信號選擇，到達減壓閥14 控制端，控制端處于有壓狀態，輸出力根據先導力作出響應;隨后主路氣源1 依次經過大流量減壓閥14、單向閥15 到達氣容16，氣容對壓縮空氣進行穩壓，出氣口分兩路，一路經調速閥17、18 到達氣缸19，負載提升，另一路經單向閥13 進行保壓;當負載上升到預定位置時，將換向閥3 斷開，減壓閥14 由于控制端泄壓而導致先導力恢復為初值。雖然此時氣缸內壓力肯定大于減壓閥14 的輸出壓力，但由于單向閥15 反向截止的作用，負載仍然可靠地停止在預定位置。

圖1 氣控平衡回路原理圖

圖2 重物上升氣路流程圖

(2)重物下降操作步驟:長按下降按鍵，到達預定位置，松手即可。

在重物下降過程中，氣路流程如圖3 所示。下降與上升控制回路相似，氣源1 經過相應的閥最終到達單向閥15 控制端，隨后閥門打開。由于此時減壓閥14 先導力為初值，氣缸內的氣體最終經減壓閥14 溢流排出。當負載下降到預定位置時，將換向閥4 斷開，進而換向閥15 由于控制端泄壓而關閉，最終負載停留在預定位置。

圖3 重物下降氣路流程圖

(3)彈性浮動操作步驟:首先閉合全程平衡開關，然后用手上下拖動吊具，到達理想位置斷開開關即可。

彈性浮動氣路流程如圖4 所示。在控制回路中，氣源1 經過減壓閥2 降壓穩壓到達換向閥5;換向閥5 閉合后，輸出口分兩路:一路到達換向閥7 的控制端，并且設定換向閥7 先導力略低于換向閥9 先導力，因此換向閥7 先動作，保壓氣體經換向閥7、梭閥6、快排閥10 到達減壓閥14 控制端，主路先進行加壓，但此時單向閥15 并沒有立即打開，保證了負載不會由于全程平衡切換而短暫下落;與此同時，另一路到達換向閥9 的控制端，壓縮空氣依次經換向閥9 閉合、梭閥8 信號選擇、快排閥11 信號選擇到達單向閥15 控制端，閥門打開，主路處于動態平衡，負載處于彈性浮動狀態，用手微調負載實現精確定位。斷開全程平衡開關后，控制回路失壓，單向閥15 處于關閉，減壓閥14 先導力恢復初值，負載可靠地停在預定位置。

圖4 重物彈性浮動氣路流程圖

2 平衡回路創新之處及需解決的關鍵問題

(1)智能采壓并考慮壓力補償。當負載重力不同時，保壓模塊會自動檢測提升重物所需的平衡力?？紤]到閥有壓降、沿程壓力損失，采用正偏差大流量減壓閥對保壓模塊進行壓力補償;主氣路通過氣容穩壓，減少負載振動，另外不同按鍵操作切換時，氣容可以對整個回路起到一定的緩沖作用。

(2)彈性浮動。當重物被吊起處于靜止時，這時只需一個很小的外力就能實現輕松升降。當操作者向上抬吊具時，氣缸內壓力低于設定壓力，于是大流量減壓閥快速供氣，結果氣缸內壓力恢復到設定壓力;反之，操作者向下拉吊具時，多余氣體通過大流量減壓閥溢流功能進行排氣，直到氣缸內壓力恢復到設定壓力。另外，負載處于全程無重力化狀態時，減壓閥14 一直處于動態平衡中，隨時對氣缸內的壓力變化作出響應。

(3)斷氣保護及可靠定位。二位二通換向閥可以實現系統斷氣保護和負載位置控制的功能。但由于換向閥密封性，負載很難長時間停在預定位置。文中采用反向無泄漏的氣控單向閥，可以較長時間控制重物位置。另外，與換向閥恰恰相反的是，負載越大，單向閥反向截止狀態越好。

(4)殘壓釋放快速可靠。殘壓釋放一般利用換向閥中位機能實現，回路需要多個換向閥，操作麻煩。文中主回路采用大流量減壓閥溢流口釋放，并附加消聲器，減少噪聲;控制回路采用快速排氣閥實現自動快速排氣。

(5)速度可調，成本低?？紤]到工作環境不同，采用調速閥控制負載速度;負載停止在預定位置后，大流量減壓閥停止工作，有效利用壓縮空氣;文中主回路僅采用了一個大流量減壓閥完成設計需求，降低了成本。

(6)操作簡單。普通平衡回路需要多個不同的按鍵實現空載和負載平衡的切換，文中平衡回路僅有3 個按鍵，就能滿足不同重物升降及無重力化狀態的需求，降低了工人操作難度，很大程度上降低誤操作概率。

3 結論

分析并指出現有氣控平衡回路存在的問題，給出了具有彈性浮動、操作簡單、安全性高、成本低、吊裝速度可調等特點的純氣控平衡回路。此平衡回路對我國自適應吊裝設備出現的吊裝精度低、安全性低、沖擊性高等問題具有一定參考價值。運用此平衡回路的自適應吊裝設備可以使負載處于無重力化狀態，可廣泛應用于現代工業中的物料移載、高頻率搬運、精確定位、部件裝配等場合。在汽車生產線、機械制造及家用電器生產線中，自適應氣動吊裝設備在減輕勞動強度、保障安全作業、提高生產效率等方面發揮著越來越重要的作用。

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