氣動實驗臺系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

崔國生+張祿珠+劉向陽+侯慧斯+胡葉升+梁景明

摘 要：針對目前各大高校實驗教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計研發(fā)了一款便攜式可移動的氣動試驗臺教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括箱體部分、回路工作臺部分、升降平臺部分、氣動元件、氣缸泵、人機界面等部件。氣動實驗臺的箱體主要由兩層構(gòu)成——上層為回路工作臺，安裝氣動元件；下層為掀蓋結(jié)構(gòu)，安裝氣缸泵。針對現(xiàn)有氣動實驗臺價格較高、不容易攜帶、需要外接動力源等特點進行了改進，自主研發(fā)的氣動試驗臺教學(xué)系統(tǒng)特點為易攜帶、不需要外接氣源。同時，開發(fā)了人機工作界面，學(xué)生可以通過觸摸屏控制氣動元件的運動。

關(guān)鍵詞：氣壓傳動；氣動實驗臺；氣缸泵；教學(xué)模具

中圖分類號：TU831.3 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.141

市場上的氣動式教學(xué)模型功能齊全，但一般為大型的氣動實驗臺，由許多模塊采用不同方式的連接，體積較大、價格較高、不容易攜帶，且需要外接動力源——氣泵。目前教學(xué)用的氣動式教學(xué)模型的數(shù)量較少，尤其是攜帶較為便捷的氣動模型，而學(xué)生對理論結(jié)合實際的要求越來越高，因此，需要有小型、實用的教學(xué)模具。

1 氣動實驗臺的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

開放性液壓和氣壓實驗臺的設(shè)計以及應(yīng)用在國外已經(jīng)十分成熟，其現(xiàn)代技術(shù)與實驗臺完美結(jié)合，使實驗臺不但功能完善，且操作容易。在我國，各高校開設(shè)了開放性實驗臺，比如秦川機械發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的模型qcs030氣動實驗臺。國內(nèi)的一些研究部門對各類實驗臺也有研究，在元器件控制方面，一些高校提出了將面板設(shè)計成孔板，用三點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。

有研究機構(gòu)提出了真空吸盤方案，真空發(fā)生器主要由拉瓦爾管、擴壓管和氣體吸入室組成，拉瓦爾管和擴壓器這兩個構(gòu)件組成了一條特殊的氣流管道，壓縮空氣時使用拉瓦爾管噴嘴實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)抽氣，而混合氣流經(jīng)過擴壓器又進行能量轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)排氣?？諝鈮毫?yīng)口高于一定值時，超音速射流從噴嘴射出。由于氣體具有一定的黏度，高速噴射體積的氣體吸入室內(nèi)使空腔形成低真空，真空吸入室與之相連，便可吸住盤子。其特點主要有以下3個：①二次真空發(fā)生器沒有機械運動部件，也無需潤滑。②抗振性好，結(jié)構(gòu)簡單。③工作穩(wěn)定、使用壽命較長。目前，部分高校對開放性實驗臺的控制部分進行了改進，比如利用Lab Windows/CVI設(shè)計的虛擬儀器軟件，將其與實驗臺結(jié)合使用，可在不同慣性負載及推力負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)的實驗曲線，對實驗臺的面板進行模塊化改善等。

2 實驗臺實驗項目開發(fā)

該微型氣動實驗臺系統(tǒng)共設(shè)計了6個實驗基本回路，分別為氣缸泵性能測試實驗回路、遞序動作回路、安全回路、單級調(diào)壓回路、雙作用氣缸換向回路和調(diào)速回路。設(shè)計過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，使一個元器件可應(yīng)用在多個回路實驗中。

2.1 氣缸泵性能測試實驗回路

該實驗回路對氣泵中的柱塞泵進行實驗，設(shè)計了一種氣缸泵對柱塞泵，進行了原理性的仿真，通過氣缸泵對空氣進行壓縮，并直接傳輸至執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)為一雙桿氣缸，雙桿氣缸支撐了一升降平臺，可在升降平臺上增加不同的負載。負載通過雙桿氣缸改變氣缸泵和工作回路中的壓力，增設(shè)不同的負載，升降平臺的升降速度也會改變，通過氣動三聯(lián)件和氣體流量計測定氣缸泵的壓力損失和流量損失。

2.2 安全回路

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

2.3 遞序動作回路

遞序動作實驗回路設(shè)計為行程控制順序動作環(huán)。行程控制順序動作回路是在氣缸移動一段規(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，通過機械機構(gòu)的作用連通或斷開壓縮氣體，使另一氣缸移動的工作回路。

2.4 單級調(diào)壓回路

單級調(diào)壓控制回路是通過控制回路的壓力來完成特定功能的回路。當(dāng)載荷變化較大時，應(yīng)考慮多級壓力控制回路；在一個工作循環(huán)的某一時間內(nèi)執(zhí)行元件不動作時，如果不需要氣壓，則卸荷回路工作；當(dāng)系統(tǒng)氣源提供的壓力較大時，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，緩沖或制動回路工作；在有升降運動部件的氣壓系統(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)不同的要求仔細考量，才能選出最佳方案。單級壓力控制回路一般是壓力控制回路中最基本的回路，通常用來將空氣壓縮機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、差動控制換向回路3種典型的換向回路。在氣動系統(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

氣動系統(tǒng)常見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)動的速度控制回路等。執(zhí)行器的速度控制原理是控制閥門流量的流動區(qū)域面積的大小，以此來完成對元件執(zhí)行速度的控制。因為該系統(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

在本次報告中，分析了現(xiàn)有氣動實驗臺的優(yōu)缺點，對各元器件進行選型、設(shè)計，最終完成了此次微型氣動實驗臺系統(tǒng)設(shè)計。收集了相關(guān)文獻資料，分析設(shè)計了一組并聯(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。分析了氣壓傳動的特點及結(jié)構(gòu)，并對該系統(tǒng)的主要內(nèi)容進行了分析。在實驗臺實驗項目開發(fā)中進行了氣缸泵性能測試回路實驗、遞序動作回路實驗、安全回路、單級調(diào)壓回路、雙作用氣缸換向回路和調(diào)速回路6個實驗項目。

通過本次的報告，該微型氣動實驗臺系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶、功能齊全、易于操作的優(yōu)點，可應(yīng)用于《液壓與氣壓傳動》這門課的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中充分結(jié)合實際，將理論知識應(yīng)用到了實際操作中。

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〔編輯：張思楠〕