新型車輪優化機的氣動和液壓復合控制研究

張磊，楊晨，張符，張藝群，桑蒙

（1.長春設備工藝研究所，長春 130012；2.延邊大學，延吉 133002；3.山東非金屬材料研究所，濟南 250031）

目前國產優化機的功能和結構都比較簡單，成本比較低，雖然有些局部結構構思巧妙，但存在生產效率不高，長期使用可靠性差，優化后產品一致性不夠等問題，不能滿足節拍快、時間工作長的生產線要求。研制的新型車輪優化機如圖1所示，性價比較高，可以替代進口同類設備。而且使用不需長期培訓，自動化程度高，操作簡單，降低了工人的勞動強度，可以替換舊式國產優化機。預計在國內龐大的汽車市場環境下，新型車輪優化機的生產將會取得更大的經濟效益和社會效益。在新型車輪優化機的設計制造過程中，突破了快速進給精確加載關鍵技術，本文設計了液壓控制輔助氣控控制的共同控制技術，該設計可以兼顧液壓和氣動的優越性，采用兩個雙作用氣缸驅動橫梁a和橫梁b相向移動向輪胎加載力，如圖2所示，通過控制氣動回路中精密減壓閥，并加上液壓回路中速度的切換，實現對車輪的快速進給和精確力值加載控制。

圖1 車輪優化機

氣動技術以其裝置結構簡單、安裝維護方便、工作介質綠色環保、輸出力及速度可調性好的優點，成為許多設備控制方式的首選。由于空氣的壓縮性和膨脹性都遠大于液體和固體，氣體體積會隨著壓力和溫度的變化而發生變化，氣體通過閥口流量的非線性和氣缸存在摩擦力等原因，在新型車輪優化機設備上只是采用雙作用氣缸驅動橫梁a和橫梁b相向同步移動夾持車輪，實現對車輪的優化力值的加載，會使氣動運動的精確定位控制較為困難［1］。而液壓傳動是以液體作為工作介質，利用液體的壓力能來傳遞動力，具有傳動平穩、出力大和較好的保壓性等優點［2］，因此，采用氣動控制為主，液壓控制為輔的共同控制技術實現對車輪的快速進給精確加載。

圖2 氣缸、油缸與雙橫梁連接示意圖

1 車輪優化機工作流程

為保證生產線的優化功能和節拍要求，根據多年開發、制造自動化生產設備與生產線的經驗和技術積累，參考國內外先進技術，采用若干項新技術。確定了生產工藝，其流程如圖3所示。

圖3 車輪優化機工作流程圖

2 HBMU2B/20KN力傳感器原理

力傳感器是一種將力信號轉變為電信號輸出的電子元件。車輪優化機的橫梁a和橫梁b相向移動向輪胎加載力，加載力大小為4KN，力的大小通過力傳感器測定，力傳感器的型號為HBMU2B/20KN，如圖4所示，U2B系列傳感器適用于拉壓方向的力，可以進行靜態或動態測量，并保持高精度，其線性誤差為0.2%/0.1%。

圖4 力傳感器結構示意圖

3 氣動控制回路工作原理

圖5為雙作用氣缸驅動橫梁a和橫梁b運動的氣動原理圖，原理圖是根據工作要求設計的，兩個氣缸做反復的直線運動，其工作過程可分為：橫梁a和橫梁b相對運動、優化（保壓）和橫梁a和橫梁b相向運動三個階段。橫梁a和橫梁b相對運動過程：按下夾緊關閉按鈕后，電磁閥a通電右移，氣體到電磁閥a的左位，再經過比例減壓閥和精密減壓閥到氣缸的前腔，兩個氣缸帶動橫梁a和橫梁b開始同步相對運動，橫梁a和橫梁b帶動4個加載優化輪相對運動，當加載優化輪接觸輪胎時，開始對輪胎進行優化力的加載，通過力傳感器檢測力值，當加載的優化力達到設定值時，橫梁a和橫梁b停止運動，進行優化（保壓過程），優化完畢后，開始進行工作過程的第三個階段：電磁閥b通電右移，氣體經過閥b的左位到氣缸的后腔，兩個氣缸帶動橫梁a和橫梁b相向同步運動，橫梁a和橫梁b帶動4個加載優化輪相向同步運動，回到初始位置。在這一過程中，主要控制橫梁a和橫梁b相對運動過程（優化力加載過程），若氣壓過大，容易在加載優化力過程中產生較大的優化力，當優化力超過一定數值后，會使輪胎爆胎，因此在電磁閥a和氣缸之間加比例減壓閥和精密減壓閥控制氣壓，此外使用精密減壓閥還能夠更精確地控制加載的優化力。

圖5 橫梁a和橫梁b運動的氣動原理圖

4 輔助氣動控制的液壓回路設計

4.1 輔助氣動控制回路的液壓控制回路工作原理

從液壓原理圖6中可以看出，換向閥a是一個常通閥，在不給電的狀態下，始終處于通的狀態。在液壓系統工作前，通過手動泵向回路中加油到10BAR。其工作過程可分為：橫梁a和橫梁b相對運動、優化（保壓）和橫梁a和橫梁b相向運動三個階段。橫梁a和橫梁b相對運動過程：控制電信號，兩個氣缸帶動橫梁a和橫梁b開始相對同步運動，橫梁b帶動油缸的活塞桿由前向后運動，回路中的液壓流入到前腔，后腔中的液壓油通過換向閥流入到前腔中；當加載優化輪接觸輪胎時，開始對輪胎進行優化力的加載，通過力傳感器檢測力值，當加載的優化力達到設定值時，雙橫梁停止運動，在運動開始前，換向閥a、換向閥b和換向閥c都通電，三個換向閥左移，處在閥的右位上，處于通的狀態；在橫梁a和橫梁b開始運動直到停止過程中，換向閥a、換向閥b和換向閥c逐一關閉，到運動停止時，三個換向閥全部關閉。在氣動和液壓的共同作用下，保證了橫梁a和橫梁b相對快速運動和準確停止。橫梁a和橫梁b相向運動過程：控制電信號，兩個氣缸帶動橫梁a和橫梁b開始相向同步運動，橫梁b帶動油缸的活塞桿由后向前運動，回路中的液壓流入到后腔，前腔中的液壓油通過換向閥流入到后腔中，橫梁a和橫梁b回到初始位置。在運動開始前，換向閥a、換向閥b和換向閥c都通電，三個換向閥左移，處在閥的右位上，處于通的狀態；在橫梁a和橫梁b開始運動直到停止過程中，換向閥a、換向閥b和換向閥c逐一關閉，到運動停止時，三個換向閥全部關閉。在氣動控制回路和液壓控制回路的共同作用過程中，氣缸輸出的執行力作為液壓控制系統中油缸運動的原動力，帶動油缸做反復的直線運動，若液壓控制回路與氣動控制回路的狀態不一致時，液壓控制系統將對氣缸的運動形成阻力，不能保證了橫梁a和橫梁b相對快速運動和精確加載。在此回路中，多余的液壓油通過壓力閥流到回油盒中。

圖6 助氣控回路的液壓原理圖

4.2 蓄能器的數學模型

根據設計要求，油缸做簡單的直線運動，在設計液壓回路時，使用了蓄能器，蓄能器作為輔助的或者應急的動力源；可以向系統中補充供油，補充系統的泄漏，穩定系統的工作壓力。蓄能器預先先充入干氮達到生產廠新規定的初始壓力值，當液體壓力高于預充氣壓力時，液體流入蓄能器的液體側，使氣體壓縮，液體被貯存起來，如果回路中的壓力下降，貯存的液體流回回路，回路所得到液體體積由最大工作壓力與最小工作壓力差控制［3］。由于蓄能器的工作過程比較復雜，所以將其視為多變過程建模，其中氣體的狀態方程為：

式中，ps1-gas為蓄能器的預充壓力；Vs1-gas為預充壓力下蓄能器內氣體的體積。

由氣容的定義，蓄能器氣體部分的氣容為：

蓄能器中，總的容量應是其中氣體和液體二部分之和，有：

車輪優化機設備液壓系統蓄能器的壓力為2BAR，當系統液體壓力增大時，蓄能器可以將液壓能貯存起來，當系統壓力下降時，蓄能器可以將貯存的液壓能釋放回液壓回路［5，6］。

5 結語

采用氣動控制回路為主，液壓控制回路為輔的復合控制技術，兩個雙作用氣缸驅動橫梁a和橫梁b相向移動加載優化輪，力傳感器測量力值。根據力值的反饋，通過控制氣動回路中精密減壓閥，并加上液壓回路中速度的切換，實現對車輪的精確力值加載控制。液壓回路的切換，根據不同型號車輪和檢測位移值的反饋確定。加載過程即實現了快速進給，又保證了加載的精確穩定。