自适应气动吊装设备控制回路设计

齐秀丽，刘亮，鞠彬

(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590)

我国工厂使用较多的起重工具是电动葫芦、手拉葫芦，但它们尤其在一些易燃易爆场合并不能满足频繁吊装、作业时间短、精确定位的需求。而在汽车零部件装配生产过程中，平衡系统应用广泛并且气动吊装设备是传统工具的升级换代产品，是利用气动平衡技术实现的。国内对气控平衡回路研究极少，一般直接借助于液压平衡回路或者利用气体柔性来完成负载定位，无法实现严格意义上的平衡。作者设计了自适应吊装设备气动系统，具有可满足系统弹性浮动、失压保护、安全平稳可靠、冲击性低、速度可调、成本低等优点。

1 平衡回路原理设计及操作说明

气控平衡回路如图1 所示。

此气控平衡回路的核心元件是正偏差大流量减压阀14，并且设定此阀先导力等于输出力。

(1)重物提升操作步骤:长按上升按键，到达预定位置，松手即可。

在重物上升过程中，气路流程如图2 所示。在控制回路中，气源1 依次经过减压阀2 降压稳压、换向阀3 闭合、梭阀6 信号选择、快排阀10 信号选择，到达减压阀14 控制端，控制端处于有压状态，输出力根据先导力作出响应;随后主路气源1 依次经过大流量减压阀14、单向阀15 到达气容16，气容对压缩空气进行稳压，出气口分两路，一路经调速阀17、18 到达气缸19，负载提升，另一路经单向阀13 进行保压;当负载上升到预定位置时，将换向阀3 断开，减压阀14 由于控制端泄压而导致先导力恢复为初值。虽然此时气缸内压力肯定大于减压阀14 的输出压力，但由于单向阀15 反向截止的作用，负载仍然可靠地停止在预定位置。

图1 气控平衡回路原理图

图2 重物上升气路流程图

(2)重物下降操作步骤:长按下降按键，到达预定位置，松手即可。

在重物下降过程中，气路流程如图3 所示。下降与上升控制回路相似，气源1 经过相应的阀最终到达单向阀15 控制端，随后阀门打开。由于此时减压阀14 先导力为初值，气缸内的气体最终经减压阀14 溢流排出。当负载下降到预定位置时，将换向阀4 断开，进而换向阀15 由于控制端泄压而关闭，最终负载停留在预定位置。

图3 重物下降气路流程图

(3)弹性浮动操作步骤:首先闭合全程平衡开关，然后用手上下拖动吊具，到达理想位置断开开关即可。

弹性浮动气路流程如图4 所示。在控制回路中，气源1 经过减压阀2 降压稳压到达换向阀5;换向阀5 闭合后，输出口分两路:一路到达换向阀7 的控制端，并且设定换向阀7 先导力略低于换向阀9 先导力，因此换向阀7 先动作，保压气体经换向阀7、梭阀6、快排阀10 到达减压阀14 控制端，主路先进行加压，但此时单向阀15 并没有立即打开，保证了负载不会由于全程平衡切换而短暂下落;与此同时，另一路到达换向阀9 的控制端，压缩空气依次经换向阀9 闭合、梭阀8 信号选择、快排阀11 信号选择到达单向阀15 控制端，阀门打开，主路处于动态平衡，负载处于弹性浮动状态，用手微调负载实现精确定位。断开全程平衡开关后，控制回路失压，单向阀15 处于关闭，减压阀14 先导力恢复初值，负载可靠地停在预定位置。

图4 重物弹性浮动气路流程图

2 平衡回路创新之处及需解决的关键问题

(1)智能采压并考虑压力补偿。当负载重力不同时，保压模块会自动检测提升重物所需的平衡力。考虑到阀有压降、沿程压力损失，采用正偏差大流量减压阀对保压模块进行压力补偿;主气路通过气容稳压，减少负载振动，另外不同按键操作切换时，气容可以对整个回路起到一定的缓冲作用。

(2)弹性浮动。当重物被吊起处于静止时，这时只需一个很小的外力就能实现轻松升降。当操作者向上抬吊具时，气缸内压力低于设定压力，于是大流量减压阀快速供气，结果气缸内压力恢复到设定压力;反之，操作者向下拉吊具时，多余气体通过大流量减压阀溢流功能进行排气，直到气缸内压力恢复到设定压力。另外，负载处于全程无重力化状态时，减压阀14 一直处于动态平衡中，随时对气缸内的压力变化作出响应。

(3)断气保护及可靠定位。二位二通换向阀可以实现系统断气保护和负载位置控制的功能。但由于换向阀密封性，负载很难长时间停在预定位置。文中采用反向无泄漏的气控单向阀，可以较长时间控制重物位置。另外，与换向阀恰恰相反的是，负载越大，单向阀反向截止状态越好。

(4)残压释放快速可靠。残压释放一般利用换向阀中位机能实现，回路需要多个换向阀，操作麻烦。文中主回路采用大流量减压阀溢流口释放，并附加消声器，减少噪声;控制回路采用快速排气阀实现自动快速排气。

(5)速度可调，成本低。考虑到工作环境不同，采用调速阀控制负载速度;负载停止在预定位置后，大流量减压阀停止工作，有效利用压缩空气;文中主回路仅采用了一个大流量减压阀完成设计需求，降低了成本。

(6)操作简单。普通平衡回路需要多个不同的按键实现空载和负载平衡的切换，文中平衡回路仅有3 个按键，就能满足不同重物升降及无重力化状态的需求，降低了工人操作难度，很大程度上降低误操作概率。

3 结论

分析并指出现有气控平衡回路存在的问题，给出了具有弹性浮动、操作简单、安全性高、成本低、吊装速度可调等特点的纯气控平衡回路。此平衡回路对我国自适应吊装设备出现的吊装精度低、安全性低、冲击性高等问题具有一定参考价值。运用此平衡回路的自适应吊装设备可以使负载处于无重力化状态，可广泛应用于现代工业中的物料移载、高频率搬运、精确定位、部件装配等场合。在汽车生产线、机械制造及家用电器生产线中，自适应气动吊装设备在减轻劳动强度、保障安全作业、提高生产效率等方面发挥着越来越重要的作用。

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