一種伺服全閉環控制的氣缸單元設計

黃明 崔強

摘 要： 針對氣缸作為負載輸出元件應用的場合，對產品的機械結構、外觀造型和電氣控制系統進行改進設計。通過改進提高了該機型的整機性能、生產效率，增強了產品的市場競爭力，其方法對其它設備的改進設計具有一定的參考價值。

關鍵詞： 氣缸單元;集成度高;互換性高

0 ?引言

隨著我國檢測行業的發展，在進行結構強度和力學性能試驗的時候，需要對荷載值進行精確控制，并且荷載值經常需要調整。

目前用于實驗室的試驗儀器，普遍存在以下問題：首先，多是采用開環控制，力值不能做到實時可調。或是閉環控制但是荷載單元的集成度不高，造成機構復雜，互換性低等問題。

為了解決上述技術的不足，需要設計一種集成度高、使用方便、互換性高、維修方便的氣缸單元。這樣既解決了氣缸壓力精確控制的問題，又能夠均勻、快速、實時調節氣缸壓力，達到了提高精度，降低設備生產及維修成本的目的。

1 ?設計方案的確定

根據檢測設備工況需要，力值≤1500N、行程500mm、加載頻率小于等于20次/分鐘是常見負載需求。

1.1氣缸選取：常見活塞式空氣壓縮機啟動壓力為0.4MPa、停止壓力為0.7MPa，如果是直接使用該壓力，那么為了滿足1500N的要求氣缸缸徑最小為100mm，那這樣選擇的話氣缸本身很笨重，也打不到節約成本的目的。如果將壓縮機啟動壓力調到0.6 MPa、停止壓力為0.8MPa，那么氣缸缸徑就可以選到60mm，這樣既節約成本又能縮短供貨周期。

1.2調壓元件的選擇：由于負載值從0N到1500N是變化的，并且需要電控閉環比例可調，這就需要選擇電控比例調壓閥作為調壓元件。這里選擇SMC生產的ITV系列比例調壓閥。

1.2.1比例閥流量選擇：根據缸徑、桿徑、氣缸運行頻率選擇合理的閥門流量，是氣缸單元能良好運行的關鍵。

1.2.1.1確定氣缸運行一次需要的用氣量La

La=（SY+SW）*X=（0.28+0.31）*5=2.95L

式中SY是有桿腔有效截面積，Sw是無桿腔有效截面積，X是單次氣缸行程。

1.2.1.2確定氣缸每分鐘用氣量LA

LA= La*20=2.95*20=59L/min

1.2.1.3確定比例調壓閥的流量

查SMC產品手冊可以知道選擇ITV1050的就足夠了。

1.3整體結構的設計

附圖說明

圖1是組裝示意圖

圖2是控制盒內的組裝示意圖

附圖標記說明：

1、航空插頭 2、換向按鈕 3、控制盒 4、氣缸 5、拉壓力傳感器 6、換向閥 7、電氣比例閥

具體實施方式

氣管和電纜連接控制盒（3），上位機通過電氣比例調壓閥（7）調節氣缸（4）的進氣壓力，達到控制氣缸輸出荷載的目的。拉壓力傳感器（5）實時監測荷載的數值，再通過上位機控制電氣比例調壓閥達到閉環控制的目的，換向閥（6）為氣缸提供換向動作，控制和（3）為氣缸單元的電控和氣動元件提供安裝環境，換向按鈕（2）可以提供手動操作的功能。

2 ?優化及升級

對于普通的應用場合，這個氣缸單元可以很好的勝任，但對于一些特殊的場合，這個設計方案還可以進一步進行優化。

比如對力值控制進度更高，跨度更大的應用場合，可以選擇低摩擦氣缸，同時選擇沒有啟動壓力的電磁閥。這樣氣缸在輸出力值的時候最小的力值就會等于氣缸杠桿的摩擦阻力，而由于低摩擦缸的選用，這個力值可以達到10N左右，也就是說整個氣缸單元的負載輸出能力為20—1500N。

如果需要輸出力值的同時杠桿保持不轉，還可以選擇防轉氣缸。

3 ?結束語

本文設計的氣缸單元，已經在我司多種檢測設備上實際應用，力值控制穩定、準確，且氣缸單元的互換性強，可以起到明顯的降低設備成本、提高檢測精度的作用。而對于更多更復雜的應用環境，這個設計也提供了一個良好的基礎平臺，只要對氣動元件做相應的升級或優選就能很好的實現。

參考文獻

[1] 曲彩云.機械設計-技術手冊.北京：機械工業出版社，2004.