藥柱內(nèi)窺鏡裝置氣缸及氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

范晉偉 劉益嘉 陳 玲 伊?xí)札?/p>

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與應(yīng)用電子工程學(xué)院，北京 100024)

為了完成對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的檢測(cè)，要求檢測(cè)機(jī)構(gòu)能夠直線(xiàn)進(jìn)給達(dá)到4 m 以上。目前廣泛使用的是單級(jí)氣缸，但是由于單級(jí)氣缸的有效行程與其長(zhǎng)度成正比，故這種氣缸不適合長(zhǎng)行程控制的場(chǎng)合［1］。而多級(jí)氣缸可以縮小氣缸的體積，同時(shí)能夠提供較長(zhǎng)的控制行程。設(shè)計(jì)了一種順序動(dòng)作的多級(jí)氣缸，該多級(jí)氣缸能夠逐級(jí)地伸出或縮回，并能根據(jù)控制要求停止在任何位置，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易。多級(jí)氣缸、靜音氣泵儲(chǔ)氣罐如圖1、圖2 所示。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 多級(jí)氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于設(shè)備進(jìn)給距離達(dá)到4 m，而設(shè)備自身長(zhǎng)度只限定在1～1.2 m，則選用伸縮比達(dá)到3 倍的3 級(jí)氣缸。

該3 級(jí)氣缸由氣缸體、活塞和閥門(mén)等組成。設(shè)計(jì)的3 級(jí)氣缸如圖3 所示。

氣缸蓋7 上鉆有孔，用于進(jìn)氣或排氣，一級(jí)氣缸體3 通過(guò)螺釘與氣缸蓋7 連接在一起，一級(jí)氣缸體3 的一端設(shè)有臺(tái)階，以控制一級(jí)活塞8 的行程，一級(jí)氣缸體3 靠近臺(tái)階的地方開(kāi)有槽，以便組成氣路;一級(jí)活塞8上的一側(cè)開(kāi)有通孔，孔內(nèi)裝有帶桿的單向閥6，沿徑向開(kāi)有孔，在活塞軸線(xiàn)方向開(kāi)有通孔，通孔內(nèi)裝有單向閥9，徑向孔與軸向孔在軸線(xiàn)處交會(huì)，一級(jí)活塞8 上的孔與二級(jí)氣缸體2 上的孔相連;二級(jí)氣缸體2 的一端設(shè)有臺(tái)階以控制二級(jí)活塞4 的行程，靠近臺(tái)階的地方開(kāi)有槽，在臺(tái)階處沿徑向鉆孔，并沿氣缸體壁鉆有孔，該孔與一級(jí)活塞8 上的孔相連;二級(jí)活塞4 上的一側(cè)開(kāi)有通孔，孔內(nèi)裝有帶桿的單向閥5，并沿徑向開(kāi)有孔，在活塞軸線(xiàn)方向開(kāi)有通孔，通孔內(nèi)裝有單向閥10，徑向孔與軸向孔在軸線(xiàn)處交會(huì)。二級(jí)活塞4 上開(kāi)有孔與三級(jí)氣缸體1 上的孔相連;三級(jí)氣缸體1 的一端設(shè)有臺(tái)階，以控制三級(jí)活塞11 的行程，三級(jí)氣缸體1 靠近臺(tái)階的地方開(kāi)有槽，以便組成氣路，三級(jí)氣缸體1 的一端在臺(tái)階處沿徑向鉆孔，并沿氣缸體壁鉆有孔，該孔與二級(jí)活塞4 上的孔相連。

圖3 中的帶桿單向閥5 和6 的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 中閥球4 一側(cè)通過(guò)彈簧5 與蓋板6 相連，另一側(cè)與單向閥閥桿2 相連，單向閥閥桿2 與活塞1 的孔壁處安裝有密封圈3。

圖3 中的單向閥9 和10 的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。閥球4 一側(cè)通過(guò)彈簧3 與蓋板2 相連。通過(guò)該單向閥的氣體只能單向流通。

1.2 多級(jí)氣缸的伸縮過(guò)程

如圖3，當(dāng)需要?dú)飧咨斐鰰r(shí)，壓縮空氣從孔I 處進(jìn)入腔室H，由于單向閥9 只能從右側(cè)向左側(cè)接通，所以此時(shí)H 腔室的壓縮空氣將推動(dòng)一級(jí)活塞8 向右運(yùn)動(dòng)，腔室E 與腔室E'是同一腔，腔室E 的氣體通過(guò)孔N 流出，此時(shí)第一級(jí)氣缸(缸體2)開(kāi)始伸出。當(dāng)一級(jí)活塞8 向右運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，H 腔室的壓縮空氣將經(jīng)過(guò)槽L、徑向孔J 流入G 腔室，由于帶桿單向閥6 的氣體只能從左向右接通，D 腔室的氣體將經(jīng)過(guò)孔C、帶桿單向閥6 流入E 腔室，并從E 腔室經(jīng)孔N 流出，此時(shí)二級(jí)活塞4 向右運(yùn)動(dòng)，第二級(jí)氣缸(缸體1)開(kāi)始伸出。同理第三級(jí)氣缸(活塞桿12)伸出。當(dāng)三級(jí)活塞11 向右運(yùn)行到極限位置時(shí)，活塞桿12 停止運(yùn)行。伸出的3級(jí)氣缸如圖6 所示。

當(dāng)氣缸需要回收時(shí)，各零件動(dòng)作步驟與上述伸出過(guò)程基本相反。即，當(dāng)壓縮空氣從孔N 處進(jìn)入腔室E'，此時(shí)由于帶桿單向閥6 的閥球在主彈簧的作用下被關(guān)閉，壓縮空氣不能從右向左通過(guò)，因此壓縮空氣只能推動(dòng)一級(jí)活塞8 向左運(yùn)動(dòng)，一級(jí)氣缸回收，當(dāng)活塞8運(yùn)動(dòng)至左端極限位置時(shí)，帶桿單向閥6 的閥桿頂在氣缸蓋7 上，從而其閥球克服彈簧力而打開(kāi)單向閥6，因而壓縮空氣由帶桿單向閥6 從右向左通過(guò)，經(jīng)孔C 進(jìn)入D 腔室，推動(dòng)二級(jí)活塞4 向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)G 腔室中的空氣推開(kāi)單向閥9 經(jīng)腔室H、孔I 流出，因而二級(jí)氣缸回收，當(dāng)二級(jí)活塞運(yùn)動(dòng)至左端極限位置時(shí)，帶桿單向閥5 打開(kāi)，壓縮空氣經(jīng)孔A 進(jìn)入腔室B，推動(dòng)三級(jí)活塞11 向左運(yùn)動(dòng)，而腔室F 中的氣體經(jīng)單向閥9、10 及孔I流出，因而三級(jí)氣缸回收。

1.3 多級(jí)氣缸的檢測(cè)

氣缸的檢測(cè)對(duì)硬件部分的要求是安裝尺寸、密封性和氣缸剛度［2］。這里主要討論氣缸的剛度，即撓曲變形。本文設(shè)計(jì)的多級(jí)氣缸前端安裝有防爆電動(dòng)機(jī)、攝像頭、激光測(cè)距儀反射板等裝置，這些裝置和多級(jí)氣缸本身產(chǎn)生的重力會(huì)使得多級(jí)氣缸產(chǎn)生撓度，并且進(jìn)給深度達(dá)到4 m，而且前端的攝像頭對(duì)于位置要求較高，故對(duì)多級(jí)氣缸的剛度進(jìn)行檢驗(yàn)。使用ANSYS 軟件對(duì)多級(jí)氣缸進(jìn)行有限元分析［3］。

假設(shè)E 表示多級(jí)氣缸的彈性模量，J 表示多級(jí)氣缸對(duì)中性軸的慣性矩，W 表示施加的載荷，L 表示多級(jí)氣缸長(zhǎng)度值，Δ 表示撓度，kΔ表示多級(jí)氣缸的剛度。

選擇多級(jí)氣缸的一級(jí)氣缸體整體作為固定端，當(dāng)多級(jí)氣缸的第三級(jí)完全伸出時(shí)，是氣缸整體撓度最大的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生最大的應(yīng)力。由于氣缸前端的設(shè)備總重為3 kg，選擇在第三級(jí)氣缸活塞桿的最前端施加向下的重力載荷。并在伸出的三級(jí)氣缸上施加均布載荷來(lái)表示氣缸的重力。則得到的應(yīng)力圖如圖7 所示，應(yīng)變圖如圖8 所示。

用過(guò)對(duì)于應(yīng)力圖和應(yīng)變圖的分析可知，多級(jí)氣缸在實(shí)際的載荷下，通過(guò)疊加法，得到產(chǎn)生的最大應(yīng)變8.97 mm，得到最大應(yīng)力為2.3 GPa。此多級(jí)氣缸允許的最大應(yīng)變值為10 mm。最大應(yīng)力3.0 GPa。則本文設(shè)計(jì)的多級(jí)氣缸在剛度檢驗(yàn)中是合格的。

2 氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣路系統(tǒng)的原理圖如圖9 所示，空氣壓縮機(jī)1 將空氣壓縮并儲(chǔ)存在氣罐中，當(dāng)多級(jí)氣缸需要高壓空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，高壓空氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥2 進(jìn)入到三位五通電磁換向閥3中，電磁換向閥3 的兩個(gè)出氣孔分別經(jīng)過(guò)調(diào)速閥4 和快速排氣閥5連接在多級(jí)氣缸6 的兩個(gè)進(jìn)出氣口處，系統(tǒng)采用出口節(jié)流調(diào)速回路，該方式通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸的排氣量來(lái)控制氣缸速度。在排氣節(jié)流時(shí)，排氣腔可以建立與負(fù)載相應(yīng)的背壓，在負(fù)載保持不變的條件下，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，調(diào)節(jié)調(diào)速閥4 的開(kāi)度即可調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度。

由于多級(jí)氣缸需要的進(jìn)氣量大，工作氣壓高，所以需選用大功率高壓氣泵。經(jīng)過(guò)綜合考量，最終選定硅萊GA81X，1200 W 氣泵，流量為200 L/min，儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)量選用60 L。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用以工控機(jī)為基礎(chǔ)，在工控機(jī)主板的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISA)擴(kuò)展插槽插上帶有雙端口存儲(chǔ)器(RAM)的可編程運(yùn)動(dòng)控制卡(PMAC)，構(gòu)成以工控機(jī)為上位機(jī)，以PMAC 為下位機(jī)的雙處理器控制系統(tǒng)［4］。其中三位五通電磁換向閥連接在PMAC 上，則工控機(jī)通過(guò)PMAC 控制電磁換向閥的進(jìn)氣排氣量來(lái)控制多級(jí)氣缸的位移。在氣缸的旁邊安裝激光測(cè)距儀，對(duì)多級(jí)氣缸進(jìn)行位置反饋，激光測(cè)距儀的位移數(shù)據(jù)通過(guò)串口RS232 反饋到工控機(jī)，與事先設(shè)定的位移進(jìn)行對(duì)比，如超出誤差范圍，則繼續(xù)控制電磁換向閥使多級(jí)氣缸進(jìn)行伸縮?？刂葡到y(tǒng)圖如圖10 所示。

基于Vsiual C++6.0 開(kāi)發(fā)了精確控制多級(jí)氣缸位移的控制軟件，并能夠?qū)崟r(shí)顯示激光測(cè)距儀的數(shù)據(jù)，監(jiān)控多級(jí)氣缸。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種進(jìn)給深度達(dá)到4 m 具有高伸縮比的多級(jí)氣缸及整套氣路系統(tǒng)，并通過(guò)PMAC 卡與工控機(jī)組成為的雙處理器系統(tǒng)對(duì)激光測(cè)距儀反饋的位置信息的處理，完成對(duì)多級(jí)氣缸位置的精確控制。由于本套設(shè)備對(duì)多級(jí)氣缸的剛度要求較高，又對(duì)多級(jí)氣缸進(jìn)行了剛度分析。本文設(shè)計(jì)的氣缸已經(jīng)成功地應(yīng)用在了藥柱內(nèi)窺鏡檢測(cè)裝置上，并取得了良好的效果。

［1］范晉偉，譚福濤.基于數(shù)字圖像處理的藥柱內(nèi)壁裂紋提取與特征測(cè)量［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014(31):524-525.

［2］周明團(tuán)，許淑惠.智能多級(jí)氣缸的研制與實(shí)驗(yàn)［J］.煤礦機(jī)械，2009(30):83-85.

［3］崔偉清，董良太，趙振紅.基于A(yíng)NSYS 的液壓支架立柱的有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2014(35):112-113.

［4］白海清.基于PMAC 的數(shù)控試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.西安:西安理工大學(xué)，2007.