气动自动平衡系统在连杆加工中的应用
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摘 要：气动自动平衡系统在高速、精准搬运领域应用广泛。文章通过分析气动自动平衡系统工作原理、气动回路、关键装置等，构建了适用于柴油机连杆搬运的搬运试验系统，并进行了试验验证分析，表明采用气控阀作为负载传感器的气动自动平衡系统可实现50Kg连杆部件的高效搬运。文章所做原理分析及试验系统构建，可为机械加工领域的自动搬运系统工作效率提升提供理论依据及借鉴。
关键词：气压传动;平衡系统;连杆搬运;自动化
中图分类号：TH138.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）09-0115-04
Abstract： Pneumatic automatic balancing system is widely used in the field of high-speed and precision handling. In this paper， by analyzing the working principle， pneumatic circuit and key devices of the pneumatic automatic balancing system， a handling test system suitable for diesel engine connecting rod handling is constructed， and the experimental verification analysis is carried out. The results show that the pneumatic automatic balancing system using air control valve as load sensor can realize the efficient transportation of 50Kg connecting rod parts. The principle analysis and test system construction in this paper can provide theoretical basis and reference for improving the working efficiency of automatic handling system in the field of machining.
Keywords： pneumatic transmission; balance system; connecting rod handling; automation
前言
隨着智能制造时代的来临，制造企业迫切需要提高企业生产效率和改善工人劳动强度，以此来增强企业的核心竞争力。然而在实际机械加工现场，受到场地、空间、动力配线以及工厂5S管理等方面的约束，物料、零部件的人工搬运现象还大量存在，从而导致生产效率较低，劳动强度较大。即便很多企业配备了气动平衡吊系统或电葫芦搬运系统，也存在着搬运不同零部件需反复进行调节的不便性。现代气动技术与电子技术的结合为大规模工业自动化生产、生产系统与装备的实现提供了更多的技术选择与应用平台[1]。气动自动平衡系统可用于生产线上不同质量零部件的搬运，操作人员只需要使用很小的力量就可以实现几十到上百公斤零部件上下左右的灵活搬运，此方式可大大提高生产效率，降低工人劳动强度。此气动自动平衡系统配合磁力、真空、气动手爪等执行元件也可以实现不同形状零部件的灵活搬运。如果搬运位置相对固定，在气动自动平衡系统上增加电动伺服定位装置还可以实现0.01毫米级的精准位置搬运。气动自动平衡系统基本工作原理是应用气动负载传感器配合恒压控制气路来自动平衡负载，借助杠杆、链轮机构以及电动伺服缸来实现精准位置停止和锁定。
本文首先对机械制造领域零部件搬运的多种平衡系统进行介绍，然后对气动平衡系统设计进行理论推导和原理阐述。在此基础上，对气动自动平衡系统的工作原理、自动平衡气路、关键部件及机械结构等进行分析，并将其应用到发动机连杆搬运。最后，对气动自动平衡系统为满足无人搬运、精准搬运等需求进行分析。
1 气动平衡基本原理及常用系统
目前机械制造领域，常用的搬运平衡系统从平衡方式上来分，主要有重物链条式、油缸平衡式和气动平衡式三种[2]。在低成本且不追求高速和重载的情况下多使用链条式平衡方式，在重载或高速情况下多使用油缸或气动平衡方式。三种平衡方式的具体参数如表1所示。由表1可以看出，气动平衡方式在平衡重量上和链条式性能相一致，但在平衡速度方面要优于链条式和油缸平衡式，综合来看，气动平衡式性能更为全面。
为满足自动化、智能化的发展需求，普通的机械搬运系统正朝着轻量化、集成化、高速化的方向发展，而气动平衡系统高速、轻量和集成的优点正好顺应了搬运系统新的发展方向，因此目前气动平衡系统在机械搬运领域得到前所未有的发展和广泛应用[3，4]。
气动平衡系统工作时，负载施加的外力作用会使重物下降，从而气缸活塞杆下降，气缸内压力增大，多余气体从压力平衡阀排出;若使负载上升，所需气体和压力仍需通过压力平衡阀提供。压力平衡阀需满足逆流功能及精密调节功能，因此一般采用减压阀或精密调压阀作为压力平衡阀，图1所示的一般气动平衡系统所选的压力平衡阀也满足此功能。
在满足高速及大负载需求的气动平衡系统中，仅靠压力平衡阀的气量供给及反应速度远不能满足搬运工作要求，一般需要增加增压系统。图2为常用的机床气动平衡系统原理图。
由图2可以看出，机床气动平衡系统中增加了供气气罐、增压泵以及单向阀等元件，也有部分机床采用封闭式立柱机构作为增压系统，这可以满足大负载的高速搬运需求。由于气动单向阀的存在，负载向下运动时的多余气体无法排出，因此还需要考虑气动负载变化率的影响。 以SMC品牌拉杆气缸MBB100-700作为平衡气缸为例，进行负载变化率的影响分析。平衡气缸具体参数为：气缸直径D=100mm，活塞杆直径d=30mm，气缸行程L=700mm。平衡设定时，气缸处于上升端，设定压力Ps为6Kg/cm2，杆侧供气，气罐容积Vg定为40L。气缸容积VL用公式（2）表示，根据气缸参数及设定参数，计算得出VL=5L，气动平衡系统总容积Vz=VL+Vg=45L。
负载变化率控制在10%以下，才能保持气动平衡系统的性能不变。根据公式（4）得出的负载变化率计算结果可知已超出10%的界限，因此应考虑适当增加气罐容积，以此来降低负载变化率。
2 气动自动平衡系统在连杆搬运中的应用
在气动平衡系统广泛应用的前提下，如何提高平衡系统的自动化水平、精确度以及满足不同条件下的多种应用工况，成为行业研究的新热点。目前气动平衡系统自动化改进方面，采用较多的方式是使用电气比例阀用作压力平衡阀，取代常规减压阀及精密调压阀。
图3为常用的SMC品牌电气比例阀。此电气比例阀内置的压力传感器可通过模拟信号或数字信号实时控制压力调节，内置的2个千赫兹级高频阀可不间断控制进排气。采用此类型电气比例阀作为压力平衡阀，可实现气动平衡系统压力自动调节，达到精确平衡。
采用电气比例阀的气动自动平衡系统需要一套电气控制系统配合才能完成气压的自动平衡，但对于已安装就位的固有气动平衡系统进行电气改造则较为麻烦。如柴油机连杆加工车间，不同机床分布早已经形成体系，在現有空间内增加机械、电气配置有诸多不便，因此采用单纯的气-气自动平衡元件则更能适应固有气动平衡系统的自动化改造。
气动自动平衡系统，基本原理可以概况为外力负载的变化通过机械传载导致供气压力变化，而供气压力变化则会导致平衡负载压力的变化，从而达到新的压力平衡。此种平衡方式也可以用SMC的XT477气控阀实现，图4为SMC的XT477气控阀结构简图。
（a）内部结构简图
（b）外部结构简图
采用SMC XT477气控阀的气-气自动平衡原理概括如下：当负载作用于传动板B时会产生向下的作用力，从而会带动传动板A向下压气控阀主轴，而主轴受力向下移动则会推动隔膜和针阀，从而导致输出压力发生变化。当输出侧压力发生变化时会推动隔膜向上运动，从而与负载产生的向下作用力平衡。SMC XT477气控阀的气动自动平衡原理如图5所示。
根据图5的气-气自动平衡工作原理，采用SMC XT477气控阀搭建了直连式柴油机连杆搬运试验系统，搬运试验系统结构简图如图6所示。
图6中的负载传感器采用的是SMC XT477气控阀，以此来实现气压的自动精确平衡。搭建的搬运试验系统运行结果表明，对于重量在50Kg 左右的柴油机连杆搬运能够起到气压自动平衡的效果，可显著提高零部件搬运效率，降低工人劳动强度。
3 气动自动平衡系统的拓展
为满足智慧工厂对常规零部件搬运的高效、精准、无人化需求，气动自动平衡系统的二次改造、精准定位实现以及通讯系统升级都有较大的发展前景和应用需求。
图7为采用电气伺服缸的气动平衡系统，它既可以实现气动自动平衡，又可以实现精准定位。图7中的电气比例阀和气缸活塞通过电气控制系统可以实现负载的自动平衡，而电动伺服机构（丝杠和伺服控制系统）可以实现零部件搬运的精准位置停止和锁定。一般来说研磨滚珠丝杠均可达到0.01mm级的重复定位精度，因此采用电气伺服缸的气动自动平衡系统也可以达到0.01mm级的精准定位。
随着工业自动化程度的提高，无人化搬运需求也越来越迫切。搬运系统作为车间众多设备的一员，需实现和其他设备、远程控制系统的互联，因此传统的单一配线方式已经无法满足发展需求。将搬运系统嵌入车间物联系统，采用标准的总线控制方式，是目前搬运系统的发展方向。图8为车间搬运系统采用总线控制的应用举例。
4 结论
本文对气动平衡系统的工作原理及应用进行了深入分析和应用总结。（1）对一般气动平衡系统和适用于大负载、高速场合的气动平衡系统的气动回路搭建、元件选型进行了性能分析及计算推导。（2）对采用电气比例阀和气控阀的两种气动自控平衡系统的平衡原理、工作性能、应用场合进行了深入分析，并将采用SMC XT477气控阀的气动自动平衡系统应用到柴油机连杆搬运中，通过搭建气动搬运试验系统，验证了采用此种方案，可有效提高搬运效率，降低劳动强度。（3）对搬运系统的高效、精准、无人化需求进行了探索，得出了采用伺服气缸、总线控制系统等，可满足智慧工厂的工作需求，这也为后续气动自动平衡系统的深入二次开发提供了依据。
参考文献：
[1]现代实用气动技术/SMC（中国）有限公司（3版）[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]戴进斌，江妹宝，马钟榕，等.恒压控制在平衡机械手中的运用[J].机电技术，2004（2）：68-72.
[3]巴晓甫，李欢欢，王永宏，等.气动平衡助力机械手反馈控制系统设计[J].液压与气动，2017（12）：90-94.
[4]赵新虎.气动平衡器控制系统设计[J].机械工程与自动化，2017（02）：176-177.
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