ZXL400自动上料机的气路设计

潘强强，魏 静，程永胜

(太原风华信息装备股份有限公司，山西 太原 030024)

在皮带式的生产流水线中，流水线的前端和末端需要上料和下料。在由手动流水线向自动、半自动线转变的过程中，人工上料常常不能满足线上机器的取料精度和速度的需求，造成定位报警。托盘式自动上料机是针对托盘式物料存储、搬运方式而研发的设备，该机上料位置的准确，可在整个自动线不停机的状态下装卸料盘，可满足一般自动和半自动流水线的需求。

1 机械结构和初步气路设计

料盘叠放入上料举升平台后，点击开始工作，上料机将料盘中物料逐个取出放置在上料皮带上。

料盘取空后，放入空料盘堆叠中，直到空料盘仓满后通知上料员取走空料盘并添加新料。

1.1 机械结构及动作分析

如图1所示，装料盘吸爪要在3个工作位置停止，从上到下依次为：料爪抬起位置（气缸原点）（1）；移动工作载台位置（2）；料盘叠放处取料盘位置（3）。卸料盘吸爪对应上料盘吸爪，同样有3个位置，在图中为（4、5、6）。

图1 装卸料盘工作原理

在x 向可移动机械臂上并列安装两个取料机械爪，分别是爪1 气缸和爪2 由气缸驱动上下进行拾放片动作。见图2所示。

图2 x、y 运动机构与机械手的布置

1.2 工作流程

（1）由上料盘z 向举升电机驱动最上层料盘到固定位置时，取料气缸活塞下行，当缓冲吸嘴全部接触到料盘后，气缸下行到达机械限位位置。此时装料盘吸爪负压电磁阀打开，吸附料盘后向上移动到活塞上顶点。停止后，y 向移动载台向接料盘位移动。到接料位时，装料吸爪气缸下行，料盘在y 向移动载台上时停止，此时位置2 磁开关被点亮，PLC 控制装料盘吸爪释放负压，而后上行回定点位置，完成料盘从举升台到y 向载台的搬运。

（2）由y 向移动载台和x 向移动机械手的动作合成x、y 运动将来料从料盘中搬运到上料皮带上，料盘卸空。

（3）料盘内物料取空后y 向移动载台移动到卸料盘位置，卸料盘气缸下行在移动工作载台位置停止（位置5）磁开关点亮。负压打开，吸取料盘向上至顶点位置。载台移动到上料盘位置，下料盘z 向举升电机驱动顶层料盘至固定位置。卸料盘吸爪气缸下行至下位置极限，位置6 磁开关点亮，PLC 关闭负压电磁阀，料盘与吸爪分离，卸料盘吸爪气缸回顶点。y 向移动载台回卸料盘位置。此时完成一次料盘循环。

1.3 初步设计

根据工作流程的要求，运用四路电磁阀控制气缸动作，四路电磁阀控制负压施放，气路动作框架如图3所示。

2 细节改进设计

2.1 调压回路

由于料盘多为单层聚苯乙烯PS 加工而成，所以在装(卸)料盘吸爪接触料盘时，料盘不能受到过大压力。基于机械结构空间的限制，在气缸中停位置2、5 没有机械固定限位，只能依靠料盘来使气缸停止因此必须调节气缸压力才能确保料盘不被压坏。另一个要求是运行时两气缸的同步控制。气缸的运动一般可分为3 部分：

（1）活塞从静止开始加速；

（2）活塞在气压与摩擦力达到平衡时匀速运动；

（3）活塞减速到停止。

其中状态（2）在某些工作条件下变短或消失，气缸活塞直接从加速状态变换到减速（或急减速）状态。

以气缸活塞上行时分析，如图4所示若要求气缸平稳运行，则必须使状态（2）占总运行长度和运行时间的总比提高。

常用的调节方式见图5所示。

图3 初步设计方案

图4 气缸上行时的气流回路

图5 一般调压回路设计

根据活塞运行时内部的气压变化来分析其运动位置与加速度的关系。在图6 中，从两位五通阀转换时刻t0开始，连接A 腔节流阀与五通阀的管路内气体迅速排空，A 腔节流阀开始放气，压力缓慢下降；同时0.5 MPa的压缩空气从气源经过电磁阀换位到B 腔进气口后单向阀导通向B 腔迅速充气，气压迅猛上升；当到达t1时刻时：

(式中：R2活塞为气缸活塞半径，r为缸杆半径，f静为活塞上行最大静摩擦力，G为缸杆及下悬挂部件总重量。)

图6 活塞两侧气压压力与时间关系

气缸开始加速上行，此时PB继续上升,直到达到气源压力0.5 MPa。当到达t2时刻时：

式中：m为活塞下悬挂总质量，a为活塞运动加速度。

此时气缸匀速上行，由理想气体状态方程：

可知,当T（缸内气体温度）恒定时A 腔内气体物质的量n 正比于PAVA。

通过调节节流阀来调节气缸上行速度恒定相当于对PAVA=nRT 两边求导:

由：VA=πr2lA

式中：lA为A 腔当前长度

假设活塞移动时内部气体温度未发生明显变化则令：

则活塞速度：dlA/dt=C/PAdn/dt，受节流阀流速控制。

这是t2～t3的压力平衡，气流速度及活塞速度的关系，从这里再返回到t1～t2来讨论PA从初始到稳定值的过程。

在t1～t2过程中若PA初减小则A 腔内气体的压缩比变大。还是由：

导出，当到达t2时PA应等于：

由于A 腔初始压力较低，所以假设从t0～t2内放走的空气的量很少，此处忽略气体物质的量的变化；气体温度变化假定由气缸壁和活塞完全吸收，气体温度变化忽略不计，则：

式中PA初为研究的因变量，其它量为常量和假定不变量。

分析：当lA初t2小于气缸缓冲行程时，匀速段消失，气缸行程末端造成冲击，当缓冲能够吸收的能量小于其运动部件机械动能时，活塞与缸体之间发生机械碰撞，造成严重的冲击，甚至可能导致机械结构和气缸发生损坏。

所以若要减小冲击则lA初t2必须变长，即lA初-lAt2（加速距离）减短，则动能降低。由于尾段3的缓冲减速距离固定，表明lA初t2越长则匀速运动的时间越长，根据上述推导公式，lA初t2正比于PA初，表明PA初对于气缸的启动及平稳运行有非常大的影响。

经过试验验证：在调节PA初的值较大时，气缸向上运动时的速度可调，且两气缸的可调节到同步。当PA初变小时，机构利用节流阀调速的调速能力变差,当其过小时便无法调节气缸的上行速度，更是无法将两个气缸向上运动做到同步。按照这样的方式连接气路，在气缸上行时会造成料盘大幅度的抖动将料盘内的物料跌落甚至直接破坏。

在将PA初调节到气源压力0.5 MPa 时t1～t2时间缩短，t1～t2时间段内运动距离变短，气缸匀速运动段变长，节流阀对活塞的调速性变好。

为了同时满足减小活塞下压力的要求，本文提出这样的调节方法：差压调节，结构如图7所示。

图7 调压气路实验

调节结构中使用上下腔的压力差来调节气缸杆的出力，在满足向下压力调节的同时还满足了上行时两气缸的速度调节和同步运动的目的。

在匀速上行时，单个活塞时受力：

根据d(PAVA)/dt=RT dn/dt，当节流阀两侧的压差恒定时，dn/dt 恒定，则同时dlA/dt 是恒定的，上行的速度可调。

下行时对料盘压力的计算：

满足了上行时有效调速和两气缸同步的要求再来计算下压力，此设备中：

气缸直径D=20 mm，气缸杆直径d=8 mm,活塞下悬吊质量m0=1.44 kg。下行时的摩擦力f 约为5 N，气缸上腔气压PA=0.5 MPa，下腔气压PB：0～0.5 MPa 间调节。

此调节范围下，可满足料盘对压力调节的需求。因为本机所需压力较小，所以直接增大下腔的气压到机器内部的总管路压力0.5 MPa，便可以省略在此处的调压阀。此时下压力为34 N，活塞能够顺利下行，而且力也小于料盘能承受的最大压力，简化后如图8所示。

图8 改造后的料盘上下驱动气路

由于改变气路后在电磁阀动作时原来气缸的下腔压缩空气又返回到了总气路中，所以消耗的压缩空气减少，只相当气缸以活塞杆粗的气缸的缸径工作，所以同时减少了气源消耗。

在汇流板上安装的其它两路电磁阀的共轨EB压力也发生改变，使玻璃片吸爪驱动气缸在下行时的压力过大也得到改善。

2.2 吸盘真空破坏

在吸盘真空吸着一段时间后，玻璃片可能会与吸嘴发生粘连，靠自重无法分离。此时仅仅关闭负压并不能够使玻璃和吸嘴完全脱离开。

进口设备中的破坏真空的普遍处理方法是，另外加一路阀控制压缩空气来破坏真空如图9所示。

图9 以往设备负压破坏方法

经过观察分析发现，大多数设备拾放玻璃片的动作都由气缸通过上下运动来完成这个动作。因为在拾取物料时，料爪负压开启，在分离物料与吸爪时，气缸又必须在下位。

在气缸下位置和负压关闭两个条件的重叠处，利用气缸上腔的气压来破坏吸嘴的真空，将玻璃片与吸嘴彻底分离所以得到如图10所示的气路。

图10 节省电磁阀的气路破坏方法

图中负压口的吹气满足充分必要是：

吹气开起=负压关闭&气缸下位

当两条件同时满足时吹气打开。这很好地满足了实际的分离要求，对比图9的方案，不仅节省了一路电磁阀，而且不需要编程上的改动，这对于老机型中玻璃片与吸爪分离问题的处理也非常实用，在不对原机程序改动的情况下：一个三通、一个接头就可解决问题。

细化后的设计见图11。

图11 细化后的气路设计

3 结束语

在充分了解和分析了此上料机各部分机械结构和动作顺序后，结合实际经验，设计了新机型的气路结构。

同时，对于气缸活塞运动过程的推导可广泛的应用到带有气缸的运动回路控制中，对实际生产的调速和控制有很大的改观。负压分离的可靠性也得到验证。

自2012年8 月运行至今该机气路运行可靠，很好地满足工艺需求。