药柱内窥镜装置气缸及气路系统的设计*

范晋伟 刘益嘉 陈 玲 伊晓龙

(北京工业大学机械与应用电子工程学院，北京 100024)

为了完成对固体发动机药柱的检测，要求检测机构能够直线进给达到4 m 以上。目前广泛使用的是单级气缸，但是由于单级气缸的有效行程与其长度成正比，故这种气缸不适合长行程控制的场合［1］。而多级气缸可以缩小气缸的体积，同时能够提供较长的控制行程。设计了一种顺序动作的多级气缸，该多级气缸能够逐级地伸出或缩回，并能根据控制要求停止在任何位置，且结构简单、制造容易。多级气缸、静音气泵储气罐如图1、图2 所示。

1 硬件结构

1.1 多级气缸结构设计

由于设备进给距离达到4 m，而设备自身长度只限定在1～1.2 m，则选用伸缩比达到3 倍的3 级气缸。

该3 级气缸由气缸体、活塞和阀门等组成。设计的3 级气缸如图3 所示。

气缸盖7 上钻有孔，用于进气或排气，一级气缸体3 通过螺钉与气缸盖7 连接在一起，一级气缸体3 的一端设有台阶，以控制一级活塞8 的行程，一级气缸体3 靠近台阶的地方开有槽，以便组成气路;一级活塞8上的一侧开有通孔，孔内装有带杆的单向阀6，沿径向开有孔，在活塞轴线方向开有通孔，通孔内装有单向阀9，径向孔与轴向孔在轴线处交会，一级活塞8 上的孔与二级气缸体2 上的孔相连;二级气缸体2 的一端设有台阶以控制二级活塞4 的行程，靠近台阶的地方开有槽，在台阶处沿径向钻孔，并沿气缸体壁钻有孔，该孔与一级活塞8 上的孔相连;二级活塞4 上的一侧开有通孔，孔内装有带杆的单向阀5，并沿径向开有孔，在活塞轴线方向开有通孔，通孔内装有单向阀10，径向孔与轴向孔在轴线处交会。二级活塞4 上开有孔与三级气缸体1 上的孔相连;三级气缸体1 的一端设有台阶，以控制三级活塞11 的行程，三级气缸体1 靠近台阶的地方开有槽，以便组成气路，三级气缸体1 的一端在台阶处沿径向钻孔，并沿气缸体壁钻有孔，该孔与二级活塞4 上的孔相连。

图3 中的带杆单向阀5 和6 的结构如图4 所示。

图4 中阀球4 一侧通过弹簧5 与盖板6 相连，另一侧与单向阀阀杆2 相连，单向阀阀杆2 与活塞1 的孔壁处安装有密封圈3。

图3 中的单向阀9 和10 的结构如图5 所示。阀球4 一侧通过弹簧3 与盖板2 相连。通过该单向阀的气体只能单向流通。

1.2 多级气缸的伸缩过程

如图3，当需要气缸伸出时，压缩空气从孔I 处进入腔室H，由于单向阀9 只能从右侧向左侧接通，所以此时H 腔室的压缩空气将推动一级活塞8 向右运动，腔室E 与腔室E'是同一腔，腔室E 的气体通过孔N 流出，此时第一级气缸(缸体2)开始伸出。当一级活塞8 向右运动到极限位置时，H 腔室的压缩空气将经过槽L、径向孔J 流入G 腔室，由于带杆单向阀6 的气体只能从左向右接通，D 腔室的气体将经过孔C、带杆单向阀6 流入E 腔室，并从E 腔室经孔N 流出，此时二级活塞4 向右运动，第二级气缸(缸体1)开始伸出。同理第三级气缸(活塞杆12)伸出。当三级活塞11 向右运行到极限位置时，活塞杆12 停止运行。伸出的3级气缸如图6 所示。

当气缸需要回收时，各零件动作步骤与上述伸出过程基本相反。即，当压缩空气从孔N 处进入腔室E'，此时由于带杆单向阀6 的阀球在主弹簧的作用下被关闭，压缩空气不能从右向左通过，因此压缩空气只能推动一级活塞8 向左运动，一级气缸回收，当活塞8运动至左端极限位置时，带杆单向阀6 的阀杆顶在气缸盖7 上，从而其阀球克服弹簧力而打开单向阀6，因而压缩空气由带杆单向阀6 从右向左通过，经孔C 进入D 腔室，推动二级活塞4 向左运动，此时G 腔室中的空气推开单向阀9 经腔室H、孔I 流出，因而二级气缸回收，当二级活塞运动至左端极限位置时，带杆单向阀5 打开，压缩空气经孔A 进入腔室B，推动三级活塞11 向左运动，而腔室F 中的气体经单向阀9、10 及孔I流出，因而三级气缸回收。

1.3 多级气缸的检测

气缸的检测对硬件部分的要求是安装尺寸、密封性和气缸刚度［2］。这里主要讨论气缸的刚度，即挠曲变形。本文设计的多级气缸前端安装有防爆电动机、摄像头、激光测距仪反射板等装置，这些装置和多级气缸本身产生的重力会使得多级气缸产生挠度，并且进给深度达到4 m，而且前端的摄像头对于位置要求较高，故对多级气缸的刚度进行检验。使用ANSYS 软件对多级气缸进行有限元分析［3］。

假设E 表示多级气缸的弹性模量，J 表示多级气缸对中性轴的惯性矩，W 表示施加的载荷，L 表示多级气缸长度值，Δ 表示挠度，kΔ表示多级气缸的刚度。

选择多级气缸的一级气缸体整体作为固定端，当多级气缸的第三级完全伸出时，是气缸整体挠度最大的时候，也会产生最大的应力。由于气缸前端的设备总重为3 kg，选择在第三级气缸活塞杆的最前端施加向下的重力载荷。并在伸出的三级气缸上施加均布载荷来表示气缸的重力。则得到的应力图如图7 所示，应变图如图8 所示。

用过对于应力图和应变图的分析可知，多级气缸在实际的载荷下，通过叠加法，得到产生的最大应变8.97 mm，得到最大应力为2.3 GPa。此多级气缸允许的最大应变值为10 mm。最大应力3.0 GPa。则本文设计的多级气缸在刚度检验中是合格的。

2 气路系统的设计

气路系统的原理图如图9 所示，空气压缩机1 将空气压缩并储存在气罐中，当多级气缸需要高压空气进行驱动时，高压空气经过调压阀2 进入到三位五通电磁换向阀3中，电磁换向阀3 的两个出气孔分别经过调速阀4 和快速排气阀5连接在多级气缸6 的两个进出气口处，系统采用出口节流调速回路，该方式通过调节气缸的排气量来控制气缸速度。在排气节流时，排气腔可以建立与负载相应的背压，在负载保持不变的条件下，运动比较平稳，调节调速阀4 的开度即可调节气缸的运动速度。

由于多级气缸需要的进气量大，工作气压高，所以需选用大功率高压气泵。经过综合考量，最终选定硅莱GA81X，1200 W 气泵，流量为200 L/min，储气罐储量选用60 L。

3 控制系统

控制系统采用以工控机为基础，在工控机主板的工业标准结构(ISA)扩展插槽插上带有双端口存储器(RAM)的可编程运动控制卡(PMAC)，构成以工控机为上位机，以PMAC 为下位机的双处理器控制系统［4］。其中三位五通电磁换向阀连接在PMAC 上，则工控机通过PMAC 控制电磁换向阀的进气排气量来控制多级气缸的位移。在气缸的旁边安装激光测距仪，对多级气缸进行位置反馈，激光测距仪的位移数据通过串口RS232 反馈到工控机，与事先设定的位移进行对比，如超出误差范围，则继续控制电磁换向阀使多级气缸进行伸缩。控制系统图如图10 所示。

基于Vsiual C++6.0 开发了精确控制多级气缸位移的控制软件，并能够实时显示激光测距仪的数据，监控多级气缸。

4 结语

设计了一种进给深度达到4 m 具有高伸缩比的多级气缸及整套气路系统，并通过PMAC 卡与工控机组成为的双处理器系统对激光测距仪反馈的位置信息的处理，完成对多级气缸位置的精确控制。由于本套设备对多级气缸的刚度要求较高，又对多级气缸进行了刚度分析。本文设计的气缸已经成功地应用在了药柱内窥镜检测装置上，并取得了良好的效果。

［1］范晋伟，谭福涛.基于数字图像处理的药柱内壁裂纹提取与特征测量［J］.计算机应用研究，2014(31):524-525.

［2］周明团，许淑惠.智能多级气缸的研制与实验［J］.煤矿机械，2009(30):83-85.

［3］崔伟清，董良太，赵振红.基于ANSYS 的液压支架立柱的有限元分析［J］.煤矿机械，2014(35):112-113.

［4］白海清.基于PMAC 的数控试验台机械系统设计［D］.西安:西安理工大学，2007.