崔國(guó)生+張祿珠+劉向陽(yáng)+侯慧斯+胡葉升+梁景明

摘 要：針對(duì)目前各大高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款便攜式可移動(dòng)的氣動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括箱體部分、回路工作臺(tái)部分、升降平臺(tái)部分、氣動(dòng)元件、氣缸泵、人機(jī)界面等部件。氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的箱體主要由兩層構(gòu)成——上層為回路工作臺(tái)，安裝氣動(dòng)元件；下層為掀蓋結(jié)構(gòu)，安裝氣缸泵。針對(duì)現(xiàn)有氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)價(jià)格較高、不容易攜帶、需要外接動(dòng)力源等特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，自主研發(fā)的氣動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)為易攜帶、不需要外接氣源。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了人機(jī)工作界面，學(xué)生可以通過(guò)觸摸屏控制氣動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：氣壓傳動(dòng)；氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)；氣缸泵；教學(xué)模具

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.141

市場(chǎng)上的氣動(dòng)式教學(xué)模型功能齊全，但一般為大型的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由許多模塊采用不同方式的連接，體積較大、價(jià)格較高、不容易攜帶，且需要外接動(dòng)力源——?dú)獗?。目前教學(xué)用的氣動(dòng)式教學(xué)模型的數(shù)量較少，尤其是攜帶較為便捷的氣動(dòng)模型，而學(xué)生對(duì)理論結(jié)合實(shí)際的要求越來(lái)越高，因此，需要有小型、實(shí)用的教學(xué)模具。

1 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

開(kāi)放性液壓和氣壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，其現(xiàn)代技術(shù)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)完美結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)不但功能完善，且操作容易。在我國(guó)，各高校開(kāi)設(shè)了開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，比如秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的模型qcs030氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。國(guó)內(nèi)的一些研究部門(mén)對(duì)各類(lèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)也有研究，在元器件控制方面，一些高校提出了將面板設(shè)計(jì)成孔板，用三點(diǎn)定位的方法完成元器件的定位，上海碩博科教設(shè)備有限公司將其變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。

有研究機(jī)構(gòu)提出了真空吸盤(pán)方案，真空發(fā)生器主要由拉瓦爾管、擴(kuò)壓管和氣體吸入室組成，拉瓦爾管和擴(kuò)壓器這兩個(gè)構(gòu)件組成了一條特殊的氣流管道，壓縮空氣時(shí)使用拉瓦爾管?chē)娮鞂?shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)抽氣，而混合氣流經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器又進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)排氣?？諝鈮毫?yīng)口高于一定值時(shí)，超音速射流從噴嘴射出。由于氣體具有一定的黏度，高速?lài)娚潴w積的氣體吸入室內(nèi)使空腔形成低真空，真空吸入室與之相連，便可吸住盤(pán)子。其特點(diǎn)主要有以下3個(gè)：①二次真空發(fā)生器沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，也無(wú)需潤(rùn)滑。②抗振性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。③工作穩(wěn)定、使用壽命較長(zhǎng)。目前，部分高校對(duì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制部分進(jìn)行了改進(jìn)，比如利用Lab Windows/CVI設(shè)計(jì)的虛擬儀器軟件，將其與實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)合使用，可在不同慣性負(fù)載及推力負(fù)載下分別利用不同算法完成位置伺服控制，并能繪制相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的面板進(jìn)行模塊化改善等。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

該微型氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)基本回路，分別為氣缸泵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)回路、遞序動(dòng)作回路、安全回路、單級(jí)調(diào)壓回路、雙作用氣缸換向回路和調(diào)速回路。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮到了元器件的相互關(guān)系位置，盡可能地減少了元器件，使一個(gè)元器件可應(yīng)用在多個(gè)回路實(shí)驗(yàn)中。

2.1 氣缸泵性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)回路

該實(shí)驗(yàn)回路對(duì)氣泵中的柱塞泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種氣缸泵對(duì)柱塞泵，進(jìn)行了原理性的仿真，通過(guò)氣缸泵對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，并直接傳輸至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一雙桿氣缸，雙桿氣缸支撐了一升降平臺(tái)，可在升降平臺(tái)上增加不同的負(fù)載。負(fù)載通過(guò)雙桿氣缸改變氣缸泵和工作回路中的壓力，增設(shè)不同的負(fù)載，升降平臺(tái)的升降速度也會(huì)改變，通過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)件和氣體流量計(jì)測(cè)定氣缸泵的壓力損失和流量損失。

2.2 安全回路

隨著機(jī)械的安全越來(lái)越受到人們重視，世界各國(guó)和各組織都制訂了相關(guān)的安全規(guī)范。機(jī)械安全更是關(guān)系到人身安全，做好機(jī)械安全工作有益于企業(yè)發(fā)展。

2.3 遞序動(dòng)作回路

遞序動(dòng)作實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)為行程控制順序動(dòng)作環(huán)。行程控制順序動(dòng)作回路是在氣缸移動(dòng)一段規(guī)定形成后，由活塞桿前端的行程塊觸碰二位三通行程換向閥的行程滾輪，通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用連通或斷開(kāi)壓縮氣體，使另一氣缸移動(dòng)的工作回路。

2.4 單級(jí)調(diào)壓回路

單級(jí)調(diào)壓控制回路是通過(guò)控制回路的壓力來(lái)完成特定功能的回路。當(dāng)載荷變化較大時(shí)，應(yīng)考慮多級(jí)壓力控制回路；在一個(gè)工作循環(huán)的某一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行元件不動(dòng)作時(shí)，如果不需要?dú)鈮海瑒t卸荷回路工作；當(dāng)系統(tǒng)氣源提供的壓力較大時(shí)，減壓回路工作；當(dāng)有慣性較大的部件停止，為了避免產(chǎn)生沖擊時(shí)，緩沖或制動(dòng)回路工作；在有升降運(yùn)動(dòng)部件的氣壓系統(tǒng)中，平衡回路工作。即使在相同的壓力控制回路中，也需要根據(jù)不同的要求仔細(xì)考量，才能選出最佳方案。單級(jí)壓力控制回路一般是壓力控制回路中最基本的回路，通常用來(lái)將空氣壓縮機(jī)的輸出壓力控制在調(diào)定值以下。

2.5 雙作用氣缸換向回路

能實(shí)現(xiàn)方向控制的方法主要為閥控。閥控一般采用方向控制閥分配氣壓系統(tǒng)中的能量，換向回路一般可分為單作用氣缸換向回路、雙作用氣缸換向回路、差動(dòng)控制換向回路3種典型的換向回路。在氣動(dòng)系統(tǒng)中，換向回路是必不可少的，并采用二位五通電磁換向閥控制雙作用氣缸的伸縮。

2.6 調(diào)速回路

氣動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)的速度控制回路有單作用氣缸速度控制回路、雙作用氣缸速度控制回路、緩沖回路、氣液聯(lián)動(dòng)的速度控制回路等。執(zhí)行器的速度控制原理是控制閥門(mén)流量的流動(dòng)區(qū)域面積的大小，以此來(lái)完成對(duì)元件執(zhí)行速度的控制。因?yàn)樵撓到y(tǒng)使用功率不高，所以，節(jié)流調(diào)速便是主要的調(diào)速方法，一般都采用排氣節(jié)流調(diào)速。

3 結(jié)束語(yǔ)

在本次報(bào)告中，分析了現(xiàn)有氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)各元器件進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)，最終完成了此次微型氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。收集了相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析設(shè)計(jì)了一組并聯(lián)組合系統(tǒng)作為壓力氣源，該并聯(lián)組合系統(tǒng)即為氣缸泵。分析了氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)，并對(duì)該系統(tǒng)的主要內(nèi)容進(jìn)行了分析。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中進(jìn)行了氣缸泵性能測(cè)試回路實(shí)驗(yàn)、遞序動(dòng)作回路實(shí)驗(yàn)、安全回路、單級(jí)調(diào)壓回路、雙作用氣缸換向回路和調(diào)速回路6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

通過(guò)本次的報(bào)告，該微型氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶、功能齊全、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于《液壓與氣壓傳動(dòng)》這門(mén)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中充分結(jié)合實(shí)際，將理論知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)際操作中。

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〔編輯：張思楠〕