气动系统设计

第七章气动系统设计§7-1设计概述生产实践中，各种自动生产线，大多是按程序工作的。所谓程序控制：就是根据生产过程中的位移、压力、时间、温度、液位等物理量的变化，使被控制的执行元件，按预先规定的顺序协调动作的一种自动控制方式。程序控制分类：根据控制方式的不同，程序控制可分为三种：时间程序控制、行程程序控制、混合程序控制。而基于行程程序控制思想所设计的气动回路，称为程序控制回路。一、行程程序控制二、程序控制回路设计方法的分类〔一〕试凑法是选用气动根本回路、常用回路试凑在一起组成控制回路，然后分析能否满足要求的方法。〔二〕逻辑设计法1.逻辑运算法：根据控制要求，采用逻辑代数进行计算和简化。但计算过程复杂。2.图解法：利用逻辑代数把复杂的计算采用图解的方法表示出来，如信号—动作线图法，扩大卡诺图法。3.计算机辅助逻辑综合法：在变量多的条件下，须采用计算机简化逻辑函数，设计气控行程程序逻辑回路。〔三〕分组供气法在控制回路中，增加一些控制元件对行程阀采取分组供气。如产生障碍时，可切断障碍信号的气源，防止了障碍的产生。三、常用的符号规定1.根据具体情况选用气阀或逻辑元件，且气阀与执行元件图形符号必须按《液压气动图形符号》国家标准绘制，气动逻辑元件符号可采用《气开工程手册》推荐的符号。2.回路中的气缸应排成次序，用A、B、C…字母表示，标出字母下标“1〞或“0〞，“1〞表示气缸活塞伸出，“0〞表示气缸活塞退回。如A1表示A气缸活塞伸出。3.用与各气缸对应的小写字母a、b、c…字母表示相应的行程阀发出的信号，其下标“1〞表示活塞杆伸出到终端位置时所发的信号，下标“0〞表示活塞杆退回到终端位置时发出的相应信号。如a1表示A气缸活塞杆伸出到终端位置时触动相应行程阀所发出的信号。右上角带*号的信号称其为执行信号，如a1*；而把a1称为原始信号。4.控制气缸换向的主控制阀，也用与其所控制的气缸相对应的英文字母符号表示。5.原理图上的各种气动元件的位置，如气缸活塞的位置、各种元件符号的外接管路〔如气源口、输出口和排气口〕，应按控制系统处于初始静止〔即起动之前〕状态绘制。6.原理图一般不画具体控制对象，仅把执行元件〔如气缸〕形象地用图形符号表示，在特殊需要时，才画出控制对象及发信装置的布局情况。7.和逻辑控制有关的速度控制、压力控制和时间控制等一般都应画出。8.控制气路的连接一般用虚线表示。对于复杂气控系统可用细实线。9.原理图上应写明工作顺序或对操作要求的必要说明。§7-2信号—动作线图设计法一、设计步骤1.根据生产自动化的工艺要求，写出工作程序；2.绘制信号线、动作线；3.分析并排除控制障碍；4.绘制逻辑原理图和气动回路原理图。二、列出工作程序举例说明：例7-1某专用气动机械手的结构示意图如图7-4所示，它由四个气缸组成，能在三个坐标内工作。工作程序：如图7-5a所示。控制要求：手动启动后，上述程序由第一程序自动延续到最后一个程序。见图7-4：执行元件4个，动作为：正转、反转，下降、上升，夹紧、松开，伸出、缩回。见图7-5a：进行编号：正转、反转，下降、上升，夹紧、松开，伸出、缩回。A1、A0，B1、B0，C1、C0，D1、D0。同时：把两个相邻动作之间加上相应的行程阀〔输出信号〕，并在每一动作状态下边标上程序号，其工作程序为：：表示控制顺序。：表示b0控制D缸伸出动作。三、绘制信号—动作状态线图〔X—D线图〕〔一〕多缸单往复系统X—D线图的绘制1.画方格图：2.画动作线〔D线〕：动作状态线起点：“O〞符号动作状态线终点：“X〞符号动作状态线：粗实线3.画信号线〔X线〕：信号线起点：“O〞符号信号线终点：“X〞符号信号线：细实线四、确定并排除障碍信号，找出执行信号〔一〕障碍信号确定1.障碍信号：分析X—D线图，检查各组中是否存在有信号线比所控制的动作线长的情况。如存在此情况，说明动作状态要改变，而其控制信号不允许其改变，这种障碍其动作改变的信号就称之为障碍信号。2.障碍段：信号线比其所控制动作线长的那局部线段。图中用锯齿线段表示。3.执行信号：设计时必须把有障碍信号的障碍段去掉，使其变为无障碍信号再去控制主换向阀，这种信号叫做执行信号。用“*〞号表示，见图。4.信号状态线构成：信号线的执行段：“O〞，必要局部。信号线的自由段：“——〞，可有可无。信号线的障碍段：“锯齿线〞，必须消除。5.I型障碍：这种一个信号阻碍另一个信号输入，使程序不能正常进行的控制信号，称为I型障碍信号。〔二〕I型障碍信号的排除I型障碍信号的产生：是因为控制信号线比其所控制的动作线长。排除I型障碍的根本思想：就是缩短控制信号存在的时间〔即缩短信号线的长度〕。其实质：就是要使障碍段消失或失效。排除I型障碍的方法：脉冲信号法、逻辑回路法、顺序“与〞元件法等。1.脉冲信号法排障：思想：将有障碍的原始信号变成脉冲信号，使其在命令主控阀完成换向后立即消失。用这种方法可排除所有I型障碍。方法1：机械法排障采用机械活络挡块或通过式行程阀。见图7-8。特点：简单易行，可节省气动元件及管路。但安装行程阀时必须注意：不可把行程阀装在行程的末端，而应留一段距离，以便挡块或凸轮能通过。显然：此法不能用行程阀限制气缸的行程，必须用死挡铁机械限位。因此，此法仅适用于定位精度要求不高，活塞运动速度不太大的场合。方法2：脉冲回路法排障利用脉冲回路或脉冲阀的方法将有障信号变为脉冲信号。见图7-9。注意：脉冲宽度即能排除障碍又必须足以完成所需要的动作要求。适用：此法适用于定位精度要求高的场合。缺点：上述回路当系统启动、气源接通时，行程阀有可能被压下而发出不应有的“假脉冲信号〞，会使系统产生误动作。a.用脉冲阀的回路b.用差压阀的回路有启动保护的脉冲控制回路，在脉冲阀2和换向阀4之间加了一个二位三通常断式换向阀3，当系统启动、气源接通时，由于阀3处于常断状态，因此启动时行程阀1产生的“假脉冲信号〞被阀3阻止，不会使阀4换向，起到了保护作用。c.启动保护脉冲控制回路方法3：逻辑回路法排障在程序回路中引入各种逻辑门，利用逻辑门的性质，将长信号变成短信号，排除障碍信号。〔1〕逻辑“与〞排障：如下图，为排除障碍信号m中的障碍段，需另外引入一个辅助信号〔称为制约信号〕x。利用“与〞关系把m和x相“与〞得到无障碍的派生信号m*。排障表达式：m*=m.x选择制约信号x的原那么：使x在障碍信号m的执行段存在，在m的障碍段不存在。制约信号x的起点：应在障碍信号m开始之前。制约信号x的终点：应在障碍信号m的无障碍段中。注意：一般应尽量用系统中某原始信号〔或原始信号的“非〞信号〕作为制约信号。举例说明：见图7-6中a*1=(B0)=a1.c0。逻辑“与〞运算的实现1：可用一个单独的逻辑“与〞元件实现。逻辑“与〞运算的实现2：可用一个行程阀两个信号的串联。逻辑“与〞运算的实现3：用两个行程阀的串联实现。〔2〕用中间记忆元件排障：当在X—D线图上找不到直接可用来作制约信号的信号时，可采用增加一个辅助阀的方法来排除障碍。这里的辅助阀又称为中间记忆元件，一般为双稳元件或单记忆元件。其方法：是用中间记忆元件的输出信号Ktd作为制约信号，用它和障碍信号m相“与〞以排除掉m中的障碍。排障表达式：m*=m.Ktd。当t有气时K阀有输出，而当d有气时K阀无输出，很明显t与d不能同时存在，只能一先一后存在。反映在X—D线图上，那么二者不能重合，满足制约关系：t.d=0其中：t—辅助阀K“通〞的控制信号，起点应选在m信号起点之前〔或同时〕，终点应在m的无障碍段中。d—辅助阀K“断〞的控制信号，起点应在m信号起点之后到障碍段之前，终点应在m障碍段结束之前。t与d之间一般不应有障碍。〔三〕I型障碍信号的排除结果排障结果：要绘制在X—D线图中的备用格中。采用逻辑“与〞排障：a*1(B0)=a1.c0b*0(D1)=b0.c0d*0(B1)=d0.c1b*1(A0)=b1.c1五、绘制气控逻辑原理图气控逻辑原理图：是根据X—D线图的执行信号表达式及考虑手动、启动、复位等所画出的逻辑方框图。气控逻辑原理图上的各元件，可由阀类元件、逻辑元件及射流元件组成，具体用那类元件适宜要经过分析比较在确定。1.气控逻辑原理图根本组成和符号〔1〕逻辑控制回路主要是由“或〞、“与〞、“非〞、“记忆〞等逻辑符号表示。注意：其中任一符号为逻辑运算符号，不一定总代表某一确定的元件。因逻辑图上的某逻辑符号在气动回路原理图上可由多种方案表示，如“与〞逻辑符号可是一种逻辑元件，也可由两个气阀串接而成。〔2〕行程发信装置主要是行程阀，也包括启动阀、复位阀等。这些符号加上小方框表示各种原始信号，而在小方框上画相应的符号者表示各种手动阀。〔3〕执行元件的操纵图由主控阀的输出表示。主控阀常采用双气控方式，可用逻辑记忆符号表示。2.气控逻辑原理图的画法：根据X—D线图中执行信号栏的逻辑表达式，用上述符号画出的。〔1〕把系统中每个执行元件的两种状态与主控阀相连后，自上而下一个个画在图右侧。〔2〕把发信器〔如行程阀等〕大致对应其所控制的元件，一个个画在图的左侧。〔3〕在图上要反映出执行信号的逻辑表达式中逻辑符号之间关系，并画出操作必要增加的阀〔如启动阀〕。得到：图7-20气动机械手逻辑原理图其中之一六、绘制气控回路原理图气控回路原理图是根据逻辑原理图绘制的。1.直观习惯画方法：执行元件水平或垂直排列，在执行元件的下面或左侧画上相对应的主控阀；而把行程阀直观地画在各气缸活塞杆伸缩状态对应的水平位置上。见图7-21。2.仿逻辑原理图画法：其画法特点是执行元件、行程阀、主控阀的布置仿照逻辑原理图的布置，如图7-22所示。各执行元件由上至下平行的排列在右边，主控阀放在相应气缸的左下方，活塞杆伸缩两端点位置标出相应行程阀的符号。各行程阀大致排列在左边。§7-5气控逻辑回路设计的卡诺图法概念：卡诺图法是一种简化逻辑函数的图解方法。方法：这种方法用一些和变量有关的方格组成的矩阵来表示逻辑函数，每一个方格代表一个逻辑“与〞函数，用此逻辑函