純氣動回路快速設計方法研究

滕士雷

(無錫機電高等職業技術學校 自動化工程系， 江蘇 無錫 214028)

課題組研究的是嚴格意義上的純氣動控制系統設計方法,系統不存在任何電氣元件，同電氣動控制系統相比,它有一個突出的優點,即可用于易燃易爆、防電磁干擾等場合，這使純氣動系統在易燃易爆、復雜電磁環境等特殊領域有著無可比擬的優越性，得到非常廣泛的應用。在實際工程應用中純氣動系統雖然安全性好，但是由于不采用方便控制的電氣元件，要實現復雜的純氣動控制系統設計，其難度很大。全國職業技能大賽液壓與氣動系統安裝與維護項目從2012年開賽以來就一直以工程實際應用為考核核心內容，以解決工程實際問題為宗旨，純氣動系統設計一直是大賽的重點考核內容。筆者在多年指導學生參加比賽及純氣動系統設備開發與設計的過程中一直在研究純氣動控制系統快速設計的方法。經驗證明，消除障礙信號是純氣動順序動作控制回路設計的難點之一，特別是要保證一次成功更是難上加難。在常規的理論教學中通常使用X-D狀態圖法、卡諾圖解法等[1]，此外，近年來有研究基于梯形圖的純氣動系統設計方法、圓環法設計等，其原理都是以上一步順序動作完成作為條件開始下一步的動作順序，也是利用氣動節拍器進行全氣動系統設計的方法。這些方法在實際的工程應用中通過反復的調整和驗證，能夠解決大部分問題，但是在大賽過程中選手沒有那么多的時間去驗證，需要一次成功。所以在實際的大賽過程中選手很難理解這些方法，設計回路過于復雜，而且回路設計的一次成功率很低。因此，課題組基于步進控制和排列組合的思想，結合單向滾輪行程閥在工程實踐中的應用，提出了一種簡單、明了、實用、程序化的純氣動回路設計策略和方法，其能在短時間內完成復雜回路的設計。

1 純氣動回路設計的主要思想及表示方法

1.1 純氣動回路設計的主要思路

純氣動回路控制中某個氣缸的伸出與縮回動作由雙氣控換向閥控制，而雙氣控換向閥兩個控制端同時供氣時會出現障礙信號。所以,純氣動回路在設計時，首先要判斷動作流程中為了保持上一個動作而出現的兩個方向控制端同時供氣所產生的情況，即有無障礙信號(影響系統正常運行的行程閥信號)，然后選用合適的設計方式消除障礙信號。

純氣動回路設計的核心是如何用氣控閥實現各氣缸的動作邏輯，并消除動作過程中的障礙信號。為了達到這樣的目的，采用記憶閥分級控制系統的動作，將系統工作過程的一個工作周期分解為若干工作狀態，每個工作狀態中每個氣缸的動作僅能出現一次。通過分級供氣消除動作過程中引起動作錯誤的障礙信號，在此基礎上,配合單向滾輪行程閥消障，降低回路的復雜程度。在具體實施的過程中，根據設計要求的復雜程度采用步進分級消障、單向滾輪行程閥消障、步進分級與單向滾輪行程閥配合消障三種方法進行回路設計。課題組所要介紹的方法無需設計者進行復雜的計算，只需將元件按照相應的邏輯關系表進行連接，即可組成有一定順序邏輯的多級氣路，再結合步進控制的思想完成純氣動順序動作回路的設計。

1.2 純氣動回路設計的表示方法

純氣動回路設計時，可用大寫的A、B、C、D表示氣缸，用0、1表示氣缸動作的兩種不同的狀態[2]。A1表示A氣缸伸出時的信號，A0表示A氣缸縮回的信號。用小寫的a1、a0、b1、b0等分別表示與動作A1、A0、B1、B0等相對應的行程閥信號。

根據以上符號要求，可以用表達式表示氣缸的動作順序。如氣缸的動作順序為：A缸伸出→B缸伸出→B缸縮回→A缸縮回，其流程如圖1所示。

圖1 純氣動回路動作流程表示方法

圖1動作流程中q表示手動啟動信號，a0、a1、b0、b1分別為氣缸動作到位后由行程閥所發出的信號，可將以上動作流程簡化表示為A1B1B0A0。

2 純氣動回路設計的分級供氣實現方法

在設計回路時,可以使用具有記憶功能的元件實現各級氣路的通斷。利用雙壓閥和具有記憶功能的換向閥作為信號轉接來改變各級管路的輸出氣壓，保證在任一時間，只有一級管路有氣源輸出，其他級管路都處于排氣狀態[3]。

每個記憶閥有兩個工作位，n個記憶閥有2n個工作狀態，每個狀態可以代表1級供氣回路。如圖2、圖3所示，為利用二位五通換向閥以階梯順序連接的方式，組成的2級和3級分級供氣典型回路圖。若動作順序分為n級，則必須使用n-1個二位五通換向閥，因此以分成最少級數為原則[4]。

圖2 2級分級轉換氣路

圖3 3級分級轉換氣路

3 純氣動回路障礙信號的消除方法及設計實例

3.1 步進分級法消障設計

以A1A0B1B0順序動作為例，氣缸作為執行元件，其伸出和縮回由換向閥控制。

(1) 障礙信號的判斷方法。在分級供氣順序動作控制中，同一級供氣內只能出現一個氣缸的一種動作(伸出或縮回)，第二個動作則是障礙信號。由此可知,A1A0B1B0順序動作中a0、b0是障礙信號。

(2) 分級供氣原則。為避免換向閥的兩端控制信號同時有壓縮空氣，分級時必須將其避開，即A0與A1，B0與B1，分別不能在同一級，以保證每一氣缸只在該級中出現一次動作。即當某一個氣缸出現伸出或縮回的第二個動作時，則在該氣缸的第二個動作前進行分級。可將動作順序按步進順序分兩級：A1(A0B1)B0括號外的為一級供氣，括號內的為二級供氣。

(3) 列出作圖流程式。在表1所示的作圖流程式中，q表示啟動開關，A1(A0B1)B0表示氣缸動作，a0、a1、b0、b1表示各動作的完成信號，1、2表示各級供氣。

根據表1的流程式，選擇二位五通換向閥2級分級轉換氣路為基礎回路，動作步1、2、6為1級供氣，動作步3、4、5為2級供氣，通過兩級供所消除了a0、b0兩個障礙信號。將行程閥的動作條件按照1、2、3、4、5、6的動作步逐個添加到回路中，采用直接翻譯的方法可直接畫出氣動回路圖,如圖4所示。

表1 步進分級法作圖流程式

圖4 純氣動兩缸順序動作回路

(4) 在復雜動作回路中的應用。按照以上的方法可以快速分析并繪制出相對復雜的動作流程，如：A1B1A0C1C0D1D0B0順序動作，按照步進順序來看,A0為A缸的第二個動作，C0為C缸的第二個動作，D0為D缸的第二個動作，由此可知a0、c0、d0為障礙信號。在采用分級供所排除障礙信號的過程中，最后一個動作B0的到位信號b0不算障礙，若是最后一級中沒有和第1級重復的氣缸動作則可以歸到1級中，最后一個動作需要將所有二位五通換向閥復位[5]。

通過以上分析，(A1B1)(A0C1)(C0D1)(D0B0)可分為4級供氣，列出作圖流程式后可以快速地繪制出如圖5所示的氣動回路。

3.2 單向滾輪行程閥消障設計

如圖6所示的單向滾輪行程閥，當滾輪被凸輪沿指定方向驅動時，單向滾輪杠桿閥才能夠切換，釋放滾輪后，單向滾輪杠桿閥在復位彈簧作用下復位，即1口與2口關閉。當沿相反方向驅動滾輪時，單向滾輪杠桿閥并不動作。

圖5 四缸順序動作氣動回路

圖6 單向滾輪行程閥

這種行程閥裝在氣缸活塞桿伸出或縮回到底的極限端前(若在極限端，作用和滾輪行程閥一樣)，其主要作用為使長的氣缸到位信號變為脈沖型的信號。使用時注意指定的方向，指定的方向為需要氣缸動作的方向[6]。

(1)障礙信號的判斷方法。采用單向滾輪行程閥消障設計時，要分析每個氣缸的兩個動作的到位信號，每個動作后面緊靠的那個氣缸如果在兩個動作之間有完整的伸出和縮回動作，則這個動作的到位信號是障礙信號。

以A1B1A0C1B0C0為例,首先分析氣缸A的兩個動作信號a1和a0,如圖7所示，看A1到A0中間氣缸B的動作，只有伸出動作B1，沒有縮回動作，所以a1不是障礙。

圖7a1障礙信號判斷區間

然后如圖8所示,A0到A1中的動作有C1B0C0，A0后氣缸C包括了C1、C0兩個完整的伸出和縮回動作，所以a0是障礙信號，a0需要用單向滾輪行程閥。

圖8a0障礙信號判斷區間

通過以上的方法可以分析出B、C兩個缸的障礙信號見表2。

表2 單向滾輪行程閥障礙信號分析

(2) 由以上分析可知a0、b0、c0三個動作到位信號需要用單向滾輪行程閥消除障礙信號，但由于C0在啟動條件中，受到啟動信號限制，自動消除了產生的障礙信號，不需要使用單向滾輪行程閥，采用普通滾輪行程閥即可[7]，氣動回路如圖9所示。

圖9 單向滾輪行程閥消障純氣動回路設計

作圖仿真時，單向滾輪行程閥標尺的位置不能在極限位置0/100，注意有無這種行程閥。

3.3 使用單向滾輪行程閥和步進分級法組合設計

前面的兩種設計方法可以解決大部分動作回路設計，但是對于動作特別復雜、障礙信號多的動作回路設計，單純使用單向滾輪行程閥消障是無法解決的。步進分級法因為障礙信號多，消除一個障礙信號就要多一級供氣，使得氣級太多，回路過于復雜，容易出錯且應用成本高。為了解決這一問題，課題組采用步進分級消障和單向滾輪行程閥消障結合，設計了一種新的組合消障法。

這種設計方法適用于流程繁瑣，且同一氣缸需要伸/縮兩次或兩次以上的氣動回路。下面以順序動作A1B1A0C1B0A1C0A0為例進行說明。

(1) 對動作進行分級，解決同一氣缸多次動作問題。找出進行兩次或兩次以上伸縮的氣缸，從第一次伸縮動作開始到第二次動作開始前，歸為同一級氣：(A1B1A0C1B0)(A1C0A0)

其中，一級供氣為A1B1A0C1B0；二級供氣：A1C0A0。

(2) 消除同一級供氣種還存在的障礙信號。按照前面介紹的單向滾輪行程閥消障設計方法，按一、二級氣將順序動作分為兩組，找出每組中有無前一組動作完成后的初始信號，如果有動作控制，則這個初始位置是障礙信號。

當順序動作處于第一級供時,A、B、C缸都處于縮回，有a0、b0的初始信號，則這兩個是障礙信號；當動作處于第二級供氣時，A、B缸處于縮回，C缸伸出，沒有a0、b0、c1的信號，所以第二級供氣中沒有障礙信號。由此得出結果是a0、b0是障礙信號。

(3) 由于多級氣路可能用到同一個動作到位信號，所以行程閥信號可以利用與雙壓閥配合使用到不同的供氣回路中。按照步進分級法與單向滾輪行程閥消障組合設計的純氣動回路如圖10所示。

圖10 步進分級法與單向滾輪行程閥消障法氣動回路

此設計方法思路清晰、方法簡單，但需要注意行程閥的多次使用及行程閥處于的供氣級別。

4 結語

課題組研究的步進分級消障設計法的優點在于設計簡單、回路清晰、思路明確，其缺點在于用在繁瑣的氣動流程中使用的元件過多、實際搭建困難，適用于穩定性較高的運行氣動回路中[8]；單向滾輪行程閥消障設計法的優點在于明顯減少元件個數、線路，其缺點在于這種方法只能允許同一個氣缸進行一次伸縮，適用于簡單氣動回路中；組合消障設計法的優點在于可以處理單向滾輪行程閥消障設計法處理不了的氣動流程且使用元件比步進分級法少，此設計法適用于復雜程度大、節約成本要求高的氣動回路中。三種設計方法需要配合作用，根據不同的設計要求選擇合適的方法可以在極短的時間里完成純氣動控制回路的設計，且具有很高的一次成功率。