基于步進控制的自動鉆床氣控回路設計與仿真

劉文婷，王鋒波，祁炳楠

(聊城大學機械與汽車工程學院，山東聊城 252059)

氣動時序邏輯系統是為實現自動化廣泛采用的一種控制方法，常見的行程程序控制就屬于時序邏輯系統問題。行程程序控制常用的設計方法有X－D線圖法和擴大卡諾圖法等，設計時執行元件氣缸用字母表示，氣缸的兩種狀態用下標“1”和“0”表示。例如，A0表示A缸縮回、A1表示A缸伸出。對于每個氣缸的運動只有完全伸出和完全退回兩種狀態時，XD線圖法和卡諾圖法比較方便［1－2］。但在一些場合例如，鉆床鉆頭需多次進退以便排屑時，上述兩種方法已不再適用，此時采用氣動步進控制能方便快捷地解決問題［3］。

1 步進模塊的結構原理

設系統中含m個步進模塊，單個步進模塊由記憶元件 (二位三通閥)、與門元件 (雙壓閥)和7個氣口 Pin、Pon、Fn、Rn、DLn、Sn、DRn組成，如圖 1 所示。工作時，模塊中Fn氣口與相鄰上一模塊DR(n－1)氣口相連，第一個模塊的F1氣口與最后一個模塊的DRm相連;模塊的Rn氣口與相鄰下一模塊DL(n+1)氣口相連，最后一個模塊的Rm氣口與第一個模塊的DL1氣口相連;Pin氣口依次相連并接氣源;Sn氣口接各行程閥發出的控制信號;Pon氣口接控制執行元件換向的驅動閥。由該步進模塊的結構原理可知，切換步進模塊中的二位三通閥，該模塊即有控制行程程序的氣信號輸出，該氣信號分別接通 Fn、Pon、Rn氣口，如上所述各有其用。二位三通閥的切換取決于DLn與Sn是否同時有信號 (即:與DLn接通的上一模塊是否有氣信號接通，與Sn接通的行程閥是否被壓下)，二者同時有氣信號時，二位三通閥被切換，切換后Fn輸出的氣信號需通過DR(n－1)氣口將上一模塊中的二位三通閥復位。

圖1 步進模塊結構原理圖

2 自動鉆床氣控回路

氣動鉆床加工零件時，由夾緊缸將零件定位夾緊，再由進給缸通過齒輪齒條機構實現鉆頭進退。當加工孔較深時，通過控制進給缸多段進退將鐵屑排出［4］。

2.1 鉆頭二次進給回路

鉆頭二次進給時，該自動鉆床工作程序為:按下啟動開關，夾緊缸A前進將工件夾緊→進給缸B帶動鉆頭進給→鉆頭至行程閥B2時缸B退至B1排鐵屑→繼續進給至B3再退至B0完成鉆孔→缸A退回松開工件。以上6個程序的程序式可寫為 ［A1B2B1B3B0A0］。

根據上述要求，自動鉆床氣動控制系統如圖2所示，其核心為圖1所示的步進模塊。整個行程程序共有6個動作，需要對應6個控制模塊。圖2所示為初始狀態，步進模塊1—5無輸出，模塊6的R6氣口有輸出。此時，A、B兩缸都處于退回狀態，行程閥A0、B0被壓下。模塊1的DL1與R6相連，S1通過啟動開關與A0相連，因此當按下啟動開關時，DL1與S1同時有氣信號，滿足模塊1中二位三通閥切換的條件。切換后模塊1的F1、Po1和R1氣口都有氣信號輸出，氣缸A進給直至壓下行程開關A1，此時R1與A1同時有氣信號輸出。而R1、A1分別與模塊2的DL2、S2相連，二者同時有氣信號時滿足模塊2中二位三通閥切換的條件。如此循環，直至模塊6中二位三通閥輸出的氣信號使A缸退回松開工件，氣動控制系統各元件接口狀態又恢復至如圖2所示的初始狀態，至此完成一個工件的孔加工，下一工件的加工需再次按下圖2中的啟動開關。

如整個鉆床系統自動化程度較高，可將啟動開關換為鋼球定位結構的啟動按鈕，這樣各工件孔的加工即可自動循環進行，無需每個工件的加工時都按一次啟動按鈕。

圖2 自動鉆床鉆頭二次進給氣動原理圖

2.2 鉆頭三次進給回路

當加工孔較深時，可通過增加步進模塊的數量實現鉆頭多次進給。圖3所示為鉆頭可3次進給的鉆床自動控制系統，有8個動作，對應8個工作程序，程序式可以寫成 ［A1B2B1B3B1B4B0A0］，所以有8個步進模塊控制。一般情況下，回路中有幾個全氣動步進模塊就有幾個動作，且步進模塊的數目n決定著鉆頭進給次數l，進給次數l=(n－2)/2。

3 自動鉆床氣控回路仿真分析

為驗證上述系統設計正確與否，用FluidSIM軟件對圖2所示鉆床控制系統進行仿真［5－7］，夾緊缸A和進給缸B的狀態圖如圖4所示。曲線表明:氣缸A完全伸出夾緊工件后，氣缸B開始帶動鉆頭進給，行至行程閥B2對應的行程時退回排屑，退至行程閥B1對應的行程時，再次帶動鉆頭進給直至鉆孔完畢，氣缸B帶動鉆頭再次退回之后，氣缸A退回松開工件。

圖4 鉆頭二次進給氣缸行程仿真曲線

當工件所需加工孔較深時，可將系統設計成如圖3所示鉆頭3次進給的狀態，仿真曲線如圖5所示。圖5中的氣缸B行程曲線表明:鉆頭鉆孔的過程中有3次進退以排鐵屑保證工件的加工質量和加工精度。

圖5 鉆頭三次進給氣缸行程仿真曲線

4 結論

利用雙壓閥的與門功能和雙氣動二位三通閥的記憶功能，組建了一種新的步進模塊，構成自動鉆床氣控回路的核心，再與其他元件共同組成氣動控制回路。最后對氣控回路原理圖進行FluidSIM仿真并進行分析，實驗結果與工作要求完全吻合，從而驗證了在鉆頭需要多次進給的場合使用這種步進模塊的可行性與有效性。

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