气动程序控制系统1

液压与气动技术

第七单元气动程序控制系统2023－7－20教学内容气动根本回路〔重点〕气动程序控制回路〔难点〕本章中将讨论气动程序控制系统的分析与设计，也就是讨论如何按照给定的生产工艺〔程序〕，使各控制阀之间的信号按一定的规律连接起来，实现执行元件〔气缸〕的动作，即程序控制回路的设计。设计程序控制回路有多种方法，本章只介绍两种方法，经验法和串级法。从控制信号来说，气动程序控制回路有气控回路和电控回路两种。设计方法以气控回路为例说明，同样也适用于目前工厂中仍广泛使用的继电器电控回路的设计。0.绪论气动系统无论多么复杂，均由一些特定功能的根本回路组成。在气动系统分析、设计前，先介绍一些气动根本回路和常用回路，了解回路的功能，熟悉回路的构成和性能，便于气动控制系统的分析、设计，以组成完善的气动控制。应该指出，所介绍的回路在实际应用中，不要照搬使用，而应根据设备工况、工艺条件仔细分析、比较后采用。1、气动根本回路1、气动回路的图形表示法

工程上，气动系统回路图是以气动元件图型符号组合而成，故读者应对前述所有气动元件的功能、符号与特性熟悉和了解。以气动符号所绘制的回路图可分为定位和不定位两种表示法。定位回路图以系统中元件实际的安装位置绘制，如图12-1，这种方法使工程技术人员容易看出阀的安装位置，便于维修保养。不定位回路图不按元件的实际位置绘制，气动回路图根据信号流动方向，从下向上绘制，各元件按其功能分类排列，依次顺序为气源系统、信号输入元件、信号处理元件、控制元件、执行元件，如图12-2所示。本章主要使用此种回路表示法。

1、气动根本回路1、气动根本回路1、气动根本回路为分清气动元件与气动回路的对应关系，图12-3和图12-4分别给出全气动系统和电气动系统的控制链中信号流和元件之间的对应关系，掌握这一点对于分析和设计气动程序控制系统非常重要。

1、气动根本回路气动根本回路气动根本回路1．数字命名元件按照控制链分成几组。每一个执行元件连同相关的阀称为一个控制链。0组表示能源供给元件，1，2组代表独立的控制链。1A，2A等代表执行元件1V1，1V2等代表控制元件1S1，1S2等代表输入元件〔手动和机控阀〕0Z1，0Z2等代表能源供给〔气源系统〕气动根本回路图内元件的命名2.英文字母命名在英文字母命名中，大写字母表示执行元件，小写字母表示信号元件。A，B，C等代表执行元件a1，b1，c1等代表执行元件在伸出位置时的行程开关a0，b0，c0等代表执行元件在缩回位置时的行程开关气动根本回路图内元件的命名3、各种元件的表示方法

在回路图中，阀和气缸尽可能水平放置。回路中的所有元件均以起始位置表示，否那么另加注释。阀的位置定义如下：1．正常位置：阀芯未操纵时阀的位置。2．起始位置：阀已安装在系统中并已通气供压后，阀芯所处的位置应标明。如图12-5所示的滚轮杠杆阀〔信号元件〕，正常位置为关闭阀位，当在系统中被活塞杆的凸轮板压下时，其起始位置变成通路，应表示成图12-5〔b〕所示。对于单向滚轮杠杆阀，因其只能在单方向发出控制信号，因此在回路图中必须以箭头表示出对元件发生作用的方向，逆向箭头表示无作用，如图12-6所示。1、气动根本回路1、气动根本回路4、管路的表示

在气动回路中，元件和元件之间的配管符号是有规定的。通常工作管路用实线表示，控制管路用虚线表示。而在复杂的气动回路中，为保持图面清晰，控制管路也可以用实线表示。管路尽可能画成直线防止交叉。如图12-7为管路表示方法。1、气动根本回路1、单作用气缸的控制控制单作用气缸的前进、后退必须采用二位三通阀。如图12-8所示单作用气缸控制回路，按下按钮，压缩空气从1口流向2口，活塞伸出，3口遮断，单作用气缸活塞杆伸出。放开按钮，阀内弹簧复位，缸内压缩空气由2口流向3口排放，1口被遮断，气缸活塞杆在复位弹簧作用下立即缩回。2、气动常用回路2、双作用气缸的控制控制双作用气缸的前进、后退可以采用二位四通阀如图12-9〔a〕或二位五通阀如图12-9〔b〕。按下按钮，压缩空气从1口流向4口，同时2口流向3口排气，活塞杆伸出。放开按钮，阀内弹簧复位，压缩空气由1口流向2口，同时4口流向3口或5口排放，气缸活塞杆缩回。2、气动常用回路2、气动常用回路3、利用梭阀的控制如图12-10所示，回路中的梭阀相当于实现“或〞门逻辑功能的阀。在气动控制系统中，有时需要在不同地点操作单作用缸或实施手动/自动并用操作回路。4、利用双压阀的控制如图12-11所示回路是一个利用双压阀的双手操作回路，在该回路中，需要两个二位三通阀同时动作，才能使单作用气缸前进，实现“与〞门逻辑控制。最常用的双手操作回路还有如图12-12所示的回路，常用于平安保护回路。2、气动常用回路4、利用双压阀的控制最常用的双手操作回路还有如图12-12所示的回路，常用于平安保护回路。2、气动常用回路2、气动常用回路5、单作用气缸的速度控制如图12-13为利用单向节流阀控制单作用气缸活塞速度的回路。单作用气缸前进速度的控制只能用入口节流方式，如图12-13〔a〕所示。单作用气缸后退速度的控制只能用出口节流方式，如图12-13〔b〕。如果单作用气缸前进及后退速度都需要控制，那么可以同时采用两个节流阀控制，回路如图12-13〔c〕所示。活塞前进时由节流阀1V1控制速度，活塞后退时由节流阀1V2控制速度。6、双作用气缸的速度控制

2、气动常用回路7、增加单作用气缸及双作用气缸的速度

图12-15为增加单作用缸活塞后退的速度回路，当活塞后退时，气缸中的压缩空气经快速排气阀1V1的3口直接排放，不需经换向阀，减少排气阻力，故活塞可快速后退。图12-16为增加双作用气缸活塞前进的速度回路，双作用气缸前进时在气缸排气口加一个快速排气阀1V1减小排气阻力。

2、气动常用回路8、单作用气缸的间接控制

对于控制大缸径、大行程的气缸运动时，应使用大流量控制阀作为主控阀，如图12-17所示，按钮阀1S1仅为信号元件，用来控制主阀1V1切换，因此是小流量阀。按下按钮时，气缸活塞杆将伸出。一旦松开按钮，气缸活塞杆将回缩。按钮阀可安装在距气缸较远的位置上。2、气动常用回路9、双作用气缸的间接控制

如图12-18所示，主控阀1V1有记忆功能，称为记忆元件。信号元件1S1和1S2只要发出脉冲信号，即可使主控阀1V1切换。按下阀1S1，发出信号使主控阀换向，活塞前进。在阀1S2未按下之前，活塞停在伸出位置。同理，按下阀1S2，可使活塞后退。

2、气动常用回路10、行程阀控制的单往复回路

如图12-19所示回路的功能是当双作用气缸到达行程终点时自动后退。与图12-18的控制方式类似，将信号元件1S2改成滚轮杠杆阀。当按下阀1S1时，主控阀1V1换向，活塞前进，当活塞杆压下行程阀1S2时，产生另一信号使主控阀1V1复位，活塞后退。但应注意，如一直按着1S1时，活塞杆即使伸出碰到1S2，也无法后退。

2、气动常用回路11、压力控制的单往复回路如图12-20所示为压力控制的单往复回路。按下按钮阀1S1，主控阀1V1换向，活塞前进，当活塞腔气压到达顺序阀的调定压力时，翻开顺序阀1V2，使主阀1V1换向，气缸后退，完成一次循环。但应注意，活塞的后退取决于顺序阀的调定压力，如活塞在前进途中碰到负荷也会产生后退动作，也即无法保证活塞一定能够到达端点，此类控制只能用在无重大平安要求的场合。2、气动常用回路12、带行程检测的压力控制回路如图12-21所示回路，按下按钮阀1S1，主控阀1V1换向，活塞前进，当活塞杆碰到行程阀1S2时，如活塞腔气压到达顺序阀的调定压力时，那么翻开顺序阀1V2，压缩空气经过顺序阀1V2、行程阀1S2使主阀1V1复位，活塞后退。这种控制回路可以保证活塞到达行程终点且活塞腔压力到达预定压力值时，活塞才后退。2、气动常用回路13、利用延时阀控制的单往复回路

如图12-22所示回路，按下按钮阀1S1后，主控阀1V1换向，活塞前进，当延时阀设定时间到，主阀1V1右端有信号，阀芯切换，活塞后退。但应注意，采用时间控制可靠性低，一般必须配合行程开关。2、气动常用回路14、带行程检测的时间控制回路

如图12-23所示回路，按下按钮阀1S1后，主控阀1V1换向，活塞前进，当活塞杆压下行程阀1S2后，需经过一定时间，主阀1V1才能切换，使活塞返回，完成一次往复循环。2、气动常用回路15、从两个不同地点控制双作用气缸的单往复运动

如图12-24所示回路，无论用手或用脚发出信号，操纵阀1S1、1S2，均能使主阀1V1切换，活塞前进，活塞杆伸出碰到行程阀1S2后立即后退。2、气动常用回路16、慢速前进、快速后退回路如图12-25所示回路，按下按钮阀1S1后，主控阀1V1换向，活塞前进，速度由阀1V2控制，当活塞杆碰到行程阀1S2时，活塞后退，快速排气阀1V3可增加其后退速度。2、气动常用回路单作用气缸控制；双作用气缸控制；利用梭阀的控制；利用双压阀控制；单作用气缸速度控制；双作用气缸速度控制；增加气缸运动速度；气动根本回路单作用气缸间接控制；双作用气缸间接控制；行程阀控制的单往复；压力控制的单往复；带行程检测的压力控制；利用延时阀的单往复控制；带行程检测的时间控制；从不同地点控制的单往复回路。

各种自动化机械或自动生产线大多是依靠程序控制来工作的。那什么是程序控制呢？所谓程序控制，就是根据生产过程的要求，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。3、气动程序控制回路

根据控制方式的不同，程序控制可分为：时间程序控制；行程程序控制；混合程序控制。

气动程序控制回路

时间程序控制是指各执行元件的动作顺序按时间顺序进行的一种自动控制方式。时间信号通过控制线路，按一定的时间间隔分配给相应的执行元件，令其产生有顺序的动作，它是一种开环的控制系统。图12-26〔a〕所示为时间程序控制方框图。气动程序控制回路

行程程序控制一般是一个闭环程序控制系统，如图12-26〔b〕所示。它是前一个执行元件动作完成并发出信号后，才允许下一个动作进行的一种自动控制方式。行程程序控制系统包括行程发信装置、执行元件、程序控制回路和动力源等局部。气动程序控制回路

行程程序控制的优点是结构简单，维护容易，动作稳定，特别是当程序运行中某节拍出现故障时，整个程序动作就停止而实现自动保护。因此，行程程序控制方式在气动系统中被广泛采用。

混合程序控制通常是在行程程序控制系统中包含了一些时间信号，实质上是把时间信号看作行程信号处理的一种行程程序控制。气动程序控制回路

气动程序控制回路：应用实例一

一台切割机，工作循环要求：脚踏开关一次那么完成一次切割动作〔铡刀切下—返回〕，为保证切断工件，铡刀必须在切断位置停留数秒。另外要求切割速度可以调节以及为防止事故，工作之前需盖防护罩。气动程序控制回路：切割机实例分析该设备组成－执行元件：双作用气缸A控制铡刀〔回路图中元件命名方法〕；执行元件初始状态：A伸出、A＋

执行元件工作过程：A－、A＋，如何描述？气动程序控制回路：切割机实例分析切割机特殊要求：

为保证切断工件，铡刀必须在切断位置停留数秒切割速度可以调节为防止事故，工作之前需盖防护罩气动程序控制回路：实例分析柔性制造系统中原料输入单元：Distribution该设备组成－执行元件：双作用推料气缸A和摆动气缸B〔回路图中元件命名方法〕；执行元件初始状态：A伸出－A＋B左摆－B－执行元件工作过程：B＋A－A＋B－设备组成－发信开关：启动、停止、复位按钮〔1S1〕，气缸到位传感器〔a0，a1，b0，b1〕等。行程程序控制回路

那如何表示执行元件和发信装置在工作过程中的状态呢？气动程序控制回路：回路设计辅助图1．

运动图：用来表示执行元件的动作顺序及状态，按其坐标表示不同可分为：

位移—步骤图；位移—时间图。气动程序控制回路：运动图该图描述了控制系统中执行元件的状态随控制步骤的变化规律。图中的横坐标表示步骤，纵坐标表示位移〔气缸的动作〕。如A、B两个气缸的动作顺序为：A+B+B-A-。〔注：A+表示A气缸伸出，B-表示B气缸退回〕，那么其位移—步骤图如图12-27所示。气动程序控制回路：位移－步骤图

位移—步骤图仅表示执行元件的动作顺序，执行元件动作的快慢那么无法表示出来。而位移—时间图描述了控制系统中的执行元件的状态随时间的变化规律。如图12-28所示，图中的横坐标表示动作时间，纵坐标表示位移〔气缸的动作〕，从该图中可清楚看出执行元件动作的快慢。气动程序控制回路：位移－时间图

2．控制图：用于表示信号元件及控制元件在各步骤中的接转状态，接转时间不计。如图12-29所示，表示行程开关在步骤2开启，而在步骤4关闭。气动程序控制回路：控制图

2．全功能图：通常可在一个图上同时表示出运动图和控制图，这种图称为全功能图，如图12-30所示。借助于全功能图，按照直觉法将很容易设计出气动回路图，如图12-31所示。气动程序控制回路：全功能图

气动程序控制回路：全功能图作用

采用单向滚轮杠杆阀；采用延时阀；采用中间记忆元件。气动程序控制回路：障碍信号的消除采用单向滚轮杠杆阀：采用单向滚轮杠杆阀使得气缸在一次往复动作中只发出一个脉冲信号，把存在障碍的长信号缩短为脉冲信号，如图13-33所示。用这种方法排除障碍信号结构简单，但靠它发信的定位精度较低．需要设置固定挡块来定位，气缸行程较短时不宜采用。气动程序控制回路：障碍信号的消除采用延时阀：利用常通型延时阀消除障碍信号方法气动程序控制回路：障碍信号的消除采用中间记忆元件：常用于串级法中消除障碍信号，它是一种有效的排障方法。气动程序控制回路：障碍信号的消除气动程序控制回路：回路设计柔性制造系统中原料输入单元：Distribution该设备组成－执行元件：双作用推料气缸A和摆动气缸B〔回路图中元件命名方法〕；执行元件初始状态：A伸出－A＋B左摆－B－执行元件运动过程：B＋A－A＋B－设备组成－发信开关：启动、停止、复位按钮〔1S1〕，气缸到位传感器〔a0，a1，b0，b1〕等。气动程序控制回路：回路设计设计步骤：〔1〕出A、B两个气缸及相应的双气控二位五通换向阀〔主控阀〕。如下图：气动程序控制回路：回路设计设计步骤：〔1〕出A、B两个气缸及相应的双气控二位五通换向阀〔主控阀〕。如下图：〔2〕在主阀1V1和1V2两端控制口标注A+，A-，B+，B-，意旨1V1阀A+处有信号，A缸前进，其余相同。应用实例分析与设计设备分析此工作站由几个执行元件组成：无杆气缸——A双作用气缸——B气爪——C应用实例分析与设计设备分析初始状态分析：无杆气缸——A，处于最右端，为A－双作用气缸——B，处于最上端，为B－气爪——C，气爪张开，为C－应用实例设计与分析

设备分析工作过程分析：双作用缸B伸出到位，气爪C夹紧，B缸缩回到位，无杆气缸A向左运动，运动到位，B缸伸出到位，气爪C松开到位，B缸缩回到位，A缸向右运动，运动到位，回到初始状态。

B＋C＋B－A＋B＋C－B－A－应用实例设计与分析

设计回路初始状态：A－B－C－工作过程：B＋C＋B－A＋B＋C－B－A－

气动程序控制回路：工业应用实例问题提出：

工业应用装置中的送料机构：用A、B两个气缸将工件从料仓中传递到滑槽。按下按钮，气缸A伸出，将工件从料仓推出，等待气缸B将其推入输送滑槽。工件传递到位后，A缸回缩，接着B缸回缩。要求：两个气缸的运动速度可以调节，同时需要检测伸出或回缩是否已经到位。工业应用实例分析与设计设备分析此工作站由几个执行元件组成：推料气缸——A推料气缸——B工业应用实例分析与设计设备分析初始状态分析：推料气缸——A，处于缩回，为A－推料气缸——B，处于缩回，为B－工业应用实例设计与分析

设备分析工作过程分析，画出位移－步骤图：

A＋，B＋，A－，B－工业应用实例设计与分析

1、使用FluidSIM-P3.5软件设计气动程序控制回路；2、根据设计的气动程序控制回路选择气动元件；3、将气动元件组装为气动控制系统完成设备功能。总结：气动程序控制回路的设计步骤问题提出分析：确定气动控制系统目标确定：气动控制系统特殊要求设计：设计一个气动系统方案方案实现：构造、组装和检查评价：核实气动系统性能4、串级法

前述直觉法中的行程开关输出的信号往往由于执行元件〔气缸〕压住而无法切断，虽然可用单向滚轮杠杆阀或延时阀来消除障碍信号，但对于较复杂的动作顺序，使用该法不经济。下面介绍应用串级法设计气动回路。串级法〔Cascademethod〕是一种控制回路的隔离法，主要是利用记忆元件作为信号的转接作用，即利用4/2双气控或5/2双气控阀以阶梯方式顺序连接，从而保证在任一时间只有一个组输出信号，其余组为排气状态，使主控阀两侧的控制信号不同时出现，如图12-46所示。3气动程序控制回路

3气动程序控制回路

图12-47说明了四级串级回路中输出信号的情形。仔细观察图12-47中的〔a〕、(b)、(c)、(d)图，可发现每个图只有一组输出信号，其余组均为排气状态。采用此种排列，消除障碍信号比较容易，且建立在回路图的实际操作程序中，是一种有规那么可依的气动回路设计法。但应注意，在控制操作开始前，压缩空气通过串级中的所有阀。另外，当串级中的记忆元件切换时，由该阀自身排放空气，因此，只要有一个阀动作不良，就会出现不良开关转换作用。在设计回路中，需要多少输出管路和记忆元件，要按动作顺序的分组〔级〕而定。如动作顺序分为四组那么要输出四条管路，记忆元件的数量那么为组数减一。以下举例说明。3气动程序控制回路

3气动程序控制回路

例A、B两气缸的位移—步骤图如图12-41所示，试用串级法设计其气动回路图。设计步骤如下：3气动程序控制回路

设计步骤如下：〔1〕气缸动作顺序A+B+B-A-分组，分组的原那么是同一组内每个英文字母只能出现一次。分组的组数即是输出管路数。分组的组数越少越好，即3气动程序控制回路

设计步骤如下：〔2〕画出两个气缸及各自的主控阀，并标出英文符号，应注意气缸必须在起始位置。〔3〕画出输出管路数及记忆元件。如图12-48所示。3气动程序控制回路

设计步骤如下：〔