齊秀麗，劉亮，鞠彬

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590)

我國工廠使用較多的起重工具是電動(dòng)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(yè)時(shí)間短、精確定位的需求。而在汽車零部件裝配生產(chǎn)過程中，平衡系統(tǒng)應(yīng)用廣泛并且氣動(dòng)吊裝設(shè)備是傳統(tǒng)工具的升級換代產(chǎn)品，是利用氣動(dòng)平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。國內(nèi)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(fù)載定位，無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的平衡。作者設(shè)計(jì)了自適應(yīng)吊裝設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)，具有可滿足系統(tǒng)彈性浮動(dòng)、失壓保護(hù)、安全平穩(wěn)可靠、沖擊性低、速度可調(diào)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 平衡回路原理設(shè)計(jì)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(shè)定此閥先導(dǎo)力等于輸出力。

(1)重物提升操作步驟:長按上升按鍵，到達(dá)預(yù)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(jīng)過減壓閥2 降壓穩(wěn)壓、換向閥3 閉合、梭閥6 信號選擇、快排閥10 信號選擇，到達(dá)減壓閥14 控制端，控制端處于有壓狀態(tài)，輸出力根據(jù)先導(dǎo)力作出響應(yīng);隨后主路氣源1 依次經(jīng)過大流量減壓閥14、單向閥15 到達(dá)氣容16，氣容對壓縮空氣進(jìn)行穩(wěn)壓，出氣口分兩路，一路經(jīng)調(diào)速閥17、18 到達(dá)氣缸19，負(fù)載提升，另一路經(jīng)單向閥13 進(jìn)行保壓;當(dāng)負(fù)載上升到預(yù)定位置時(shí)，將換向閥3 斷開，減壓閥14 由于控制端泄壓而導(dǎo)致先導(dǎo)力恢復(fù)為初值。雖然此時(shí)氣缸內(nèi)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(fù)載仍然可靠地停止在預(yù)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(dá)預(yù)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(jīng)過相應(yīng)的閥最終到達(dá)單向閥15 控制端，隨后閥門打開。由于此時(shí)減壓閥14 先導(dǎo)力為初值，氣缸內(nèi)的氣體最終經(jīng)減壓閥14 溢流排出。當(dāng)負(fù)載下降到預(yù)定位置時(shí)，將換向閥4 斷開，進(jìn)而換向閥15 由于控制端泄壓而關(guān)閉，最終負(fù)載停留在預(yù)定位置。

圖3 重物下降氣路流程圖

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

彈性浮動(dòng)氣路流程如圖4 所示。在控制回路中，氣源1 經(jīng)過減壓閥2 降壓穩(wěn)壓到達(dá)換向閥5;換向閥5 閉合后，輸出口分兩路:一路到達(dá)換向閥7 的控制端，并且設(shè)定換向閥7 先導(dǎo)力略低于換向閥9 先導(dǎo)力，因此換向閥7 先動(dòng)作，保壓氣體經(jīng)換向閥7、梭閥6、快排閥10 到達(dá)減壓閥14 控制端，主路先進(jìn)行加壓，但此時(shí)單向閥15 并沒有立即打開，保證了負(fù)載不會(huì)由于全程平衡切換而短暫下落;與此同時(shí)，另一路到達(dá)換向閥9 的控制端，壓縮空氣依次經(jīng)換向閥9 閉合、梭閥8 信號選擇、快排閥11 信號選擇到達(dá)單向閥15 控制端，閥門打開，主路處于動(dòng)態(tài)平衡，負(fù)載處于彈性浮動(dòng)狀態(tài)，用手微調(diào)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確定位。斷開全程平衡開關(guān)后，控制回路失壓，單向閥15 處于關(guān)閉，減壓閥14 先導(dǎo)力恢復(fù)初值，負(fù)載可靠地停在預(yù)定位置。

圖4 重物彈性浮動(dòng)氣路流程圖

2 平衡回路創(chuàng)新之處及需解決的關(guān)鍵問題

(1)智能采壓并考慮壓力補(bǔ)償。當(dāng)負(fù)載重力不同時(shí)，保壓模塊會(huì)自動(dòng)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(jìn)行壓力補(bǔ)償;主氣路通過氣容穩(wěn)壓，減少負(fù)載振動(dòng)，另外不同按鍵操作切換時(shí)，氣容可以對整個(gè)回路起到一定的緩沖作用。

(2)彈性浮動(dòng)。當(dāng)重物被吊起處于靜止時(shí)，這時(shí)只需一個(gè)很小的外力就能實(shí)現(xiàn)輕松升降。當(dāng)操作者向上抬吊具時(shí)，氣缸內(nèi)壓力低于設(shè)定壓力，于是大流量減壓閥快速供氣，結(jié)果氣缸內(nèi)壓力恢復(fù)到設(shè)定壓力;反之，操作者向下拉吊具時(shí)，多余氣體通過大流量減壓閥溢流功能進(jìn)行排氣，直到氣缸內(nèi)壓力恢復(fù)到設(shè)定壓力。另外，負(fù)載處于全程無重力化狀態(tài)時(shí)，減壓閥14 一直處于動(dòng)態(tài)平衡中，隨時(shí)對氣缸內(nèi)的壓力變化作出響應(yīng)。

(3)斷氣保護(hù)及可靠定位。二位二通換向閥可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)斷氣保護(hù)和負(fù)載位置控制的功能。但由于換向閥密封性，負(fù)載很難長時(shí)間停在預(yù)定位置。文中采用反向無泄漏的氣控單向閥，可以較長時(shí)間控制重物位置。另外，與換向閥恰恰相反的是，負(fù)載越大，單向閥反向截止?fàn)顟B(tài)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(jī)能實(shí)現(xiàn)，回路需要多個(gè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速排氣。

(5)速度可調(diào)，成本低?？紤]到工作環(huán)境不同，采用調(diào)速閥控制負(fù)載速度;負(fù)載停止在預(yù)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(gè)大流量減壓閥完成設(shè)計(jì)需求，降低了成本。

(6)操作簡單。普通平衡回路需要多個(gè)不同的按鍵實(shí)現(xiàn)空載和負(fù)載平衡的切換，文中平衡回路僅有3 個(gè)按鍵，就能滿足不同重物升降及無重力化狀態(tài)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(jié)論

分析并指出現(xiàn)有氣控平衡回路存在的問題，給出了具有彈性浮動(dòng)、操作簡單、安全性高、成本低、吊裝速度可調(diào)等特點(diǎn)的純氣控平衡回路。此平衡回路對我國自適應(yīng)吊裝設(shè)備出現(xiàn)的吊裝精度低、安全性低、沖擊性高等問題具有一定參考價(jià)值。運(yùn)用此平衡回路的自適應(yīng)吊裝設(shè)備可以使負(fù)載處于無重力化狀態(tài)，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中的物料移載、高頻率搬運(yùn)、精確定位、部件裝配等場合。在汽車生產(chǎn)線、機(jī)械制造及家用電器生產(chǎn)線中，自適應(yīng)氣動(dòng)吊裝設(shè)備在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保障安全作業(yè)、提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

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