一种伺服全闭环控制的气缸单元设计

黄明 崔强

摘 要： 针对气缸作为负载输出元件应用的场合，对产品的机械结构、外观造型和电气控制系统进行改进设计。通过改进提高了该机型的整机性能、生产效率，增强了产品的市场竞争力，其方法对其它设备的改进设计具有一定的参考价值。

关键词： 气缸单元;集成度高;互换性高

0  引言

随着我国检测行业的发展，在进行结构强度和力学性能试验的时候，需要对荷载值进行精确控制，并且荷载值经常需要调整。

目前用于实验室的试验仪器，普遍存在以下问题：首先，多是采用开环控制，力值不能做到实时可调。或是闭环控制但是荷载单元的集成度不高，造成机构复杂，互换性低等问题。

为了解决上述技术的不足，需要设计一种集成度高、使用方便、互换性高、维修方便的气缸单元。这样既解决了气缸压力精确控制的问题，又能够均匀、快速、实时调节气缸压力，达到了提高精度，降低设备生产及维修成本的目的。

1  设计方案的确定

根据检测设备工况需要，力值≤1500N、行程500mm、加载频率小于等于20次/分钟是常见负载需求。

1.1气缸选取：常见活塞式空气压缩机启动压力为0.4MPa、停止压力为0.7MPa，如果是直接使用该压力，那么为了满足1500N的要求气缸缸径最小为100mm，那这样选择的话气缸本身很笨重，也打不到节约成本的目的。如果将压缩机启动压力调到0.6 MPa、停止压力为0.8MPa，那么气缸缸径就可以选到60mm，这样既节约成本又能缩短供货周期。

1.2调压元件的选择：由于负载值从0N到1500N是变化的，并且需要电控闭环比例可调，这就需要选择电控比例调压阀作为调压元件。这里选择SMC生产的ITV系列比例调压阀。

1.2.1比例阀流量选择：根据缸径、杆径、气缸运行频率选择合理的阀门流量，是气缸单元能良好运行的关键。

1.2.1.1确定气缸运行一次需要的用气量La

La=（SY+SW）*X=（0.28+0.31）*5=2.95L

式中SY是有杆腔有效截面积，Sw是无杆腔有效截面积，X是单次气缸行程。

1.2.1.2确定气缸每分钟用气量LA

LA= La*20=2.95*20=59L/min

1.2.1.3确定比例调压阀的流量

查SMC產品手册可以知道选择ITV1050的就足够了。

1.3整体结构的设计

附图说明

图1是组装示意图

图2是控制盒内的组装示意图

附图标记说明：

1、航空插头 2、换向按钮 3、控制盒 4、气缸 5、拉压力传感器 6、换向阀 7、电气比例阀

具体实施方式

气管和电缆连接控制盒（3），上位机通过电气比例调压阀（7）调节气缸（4）的进气压力，达到控制气缸输出荷载的目的。拉压力传感器（5）实时监测荷载的数值，再通过上位机控制电气比例调压阀达到闭环控制的目的，换向阀（6）为气缸提供换向动作，控制和（3）为气缸单元的电控和气动元件提供安装环境，换向按钮（2）可以提供手动操作的功能。

2  优化及升级

对于普通的应用场合，这个气缸单元可以很好的胜任，但对于一些特殊的场合，这个设计方案还可以进一步进行优化。

比如对力值控制进度更高，跨度更大的应用场合，可以选择低摩擦气缸，同时选择没有启动压力的电磁阀。这样气缸在输出力值的时候最小的力值就会等于气缸杠杆的摩擦阻力，而由于低摩擦缸的选用，这个力值可以达到10N左右，也就是说整个气缸单元的负载输出能力为20—1500N。

如果需要输出力值的同时杠杆保持不转，还可以选择防转气缸。

3  结束语

本文设计的气缸单元，已经在我司多种检测设备上实际应用，力值控制稳定、准确，且气缸单元的互换性强，可以起到明显的降低设备成本、提高检测精度的作用。而对于更多更复杂的应用环境，这个设计也提供了一个良好的基础平台，只要对气动元件做相应的升级或优选就能很好的实现。

参考文献

[1] 曲彩云.机械设计-技术手册.北京：机械工业出版社，2004.