淺析半自動鉆床純氣動控制系統的設計

張連軍

關鍵詞：氣動技術 ?壓縮氣體 ?氣缸 ?換向閥

隨著現代化工業技術的發展，由液壓技術、氣動技術、傳感器技術、PLC技術等學科的相互滲透而形成的機電一體化技術，已成為當今工業科技的重要組成部分。筆者長期從事液壓傳動與氣動技術的教學，教材中關于雙缸行程控制回路設計的講解中，有一部分學生在設計思路上不明確，對于障礙信號不知道如何消除，以至于不能正確理解教材中氣路的工作原理。下面筆者就以半自動鉆床純氣動控制系統的設計來說明氣路的設計方法與技巧。

在半自動鉆床純氣動控制回路中，有兩個氣缸：一個是起夾緊工件作用的夾緊缸A，另一個是用來驅動鉆床主軸的軸向運動，產生鉆削進給運動的進給缸B。該鉆床要求：按下啟動按鈕后，兩個氣缸按照一定的順序要求先后動作，完成一個工作循環。即工作要求為：夾緊缸伸出夾緊工件→切削缸切削進給→切削缸退回→夾緊缸松開工件退回。

對半自動鉆床的工作過程進行分析：在該半自動鉆床的工作過程中，進給缸和夾緊缸在不同的工作階段分別需要有不同的動作，因此，其回路的控制關鍵是在相應的階段對兩個氣缸的主控元件發出適當的控制信號，以此來控制氣缸按要求依次工作。也就是說，當按下啟動按鈕后，需要夾緊缸伸出，當夾緊缸伸出到位后，表示工件已經夾緊，此時需要發出一個位置信號，該信號用來控制切削缸的伸出;當切削缸伸出到位后，表明對工件已經切削加工完成，此時需要發出一個位置信號，該信號用來控制切削缸的退回;當切削缸退回到位后，需要發出一個位置信號，該信號用來控制夾緊缸的退回;當夾緊缸退回到位后，應該發出一個信號，表明一個工作循環結束。當然，半自動鉆床的兩個氣缸的初始狀態必須是夾緊缸和切削缸都處于縮回狀態。

經過以上對半自動鉆床的氣動控制系統的分析，整理出該控制氣路需要以下氣動元件：啟動按鈕，一個常開型的3/2閥;夾緊氣缸A、切削氣缸B，兩個雙作用氣缸;控制A缸的主控元件FA、控制B缸的主控元件FB，兩個雙氣控5/2閥;夾緊氣缸A縮回和伸出時觸發的行程閥A0、A1，切削氣缸B縮回和伸出時觸發的行程閥B0、B1，四個滾輪式常開型的3/2閥。

半自動鉆床的氣缸在工作時，在每一個階段，夾緊缸和切削缸需要分別產生不同的動作，在半自動鉆床氣壓傳動回路中，這些動作的產生是由半自動鉆床氣壓傳動回路中的A0、A1、B0、B14個行程閥通過檢測氣缸行程位置來控制氣缸產生相應的動作。這種利用行程閥控制兩個或兩個以上氣缸動作的回路，稱之為行程控制多缸動作回路。

按照以上分析過程，設計出半自動鉆床的行程控制純氣動回路，該氣路中共用到以下元件：系統的啟動按鈕常開型3/2閥1.2;A缸和B缸的主控元件雙氣控5/2閥FA、FB;在A缸縮回和伸出位置分別放置滾輪杠桿式3/2行程閥A0、A1（常開型）;在B缸縮回和伸出位置分別放置滾輪杠桿式3/2閥B0、B1（常開型）;系統中用于消除障礙信號的兩個雙氣控3/2閥1.6、2.6，該氣路可以按照初始狀態和工作狀態來分析。

一、回路分析

1.初始狀態

兩個主控閥FA、FB初始狀態右位接入回路，使得兩個氣缸A缸和B缸處于完全縮回的位置，行程閥A0、B0分別被壓下。

2.工作狀態

（1）A缸伸出。在初始狀態，行程閥A0被A缸活塞桿壓下，行程閥A0左位接通，按下啟動按鈕1.2后，壓縮空氣經過啟動按鈕1.2和行程閥A0進入主控閥FA的左位氣控口，使閥FA獲得左位接通的控制信號a0，同時行程閥A0發出的控制信號a0還控制閥K和閥K，分別是：a0信號使控制閥K（1.6）右位氣控口有信號，從而切斷行程閥B0發出的b0信號;a0信號使控制閥K左位氣控口有信號，為下一步導通行程閥A1發出a1信號做準備。由于主控閥FA的右位信號b0已經不存在，主控閥FA只有左位有a0信號，因此主控閥FA換向，閥芯右移，左位接入系統回路，壓縮空氣進入A缸的左腔，A缸活塞桿伸出。當活塞桿離開行程閥A0時，在彈簧力的作用下行程閥A0復位，又由于雙氣控閥具有“記憶”特性，主控閥FA和閥K仍保持左位接通，閥K仍保持右位接通。

（2）B缸伸出。當A缸活塞桿伸出，到達a1時，壓下行程閥A1，行程閥A1左位接通，壓縮空氣經閥K與行程閥A1進入主控閥FB的左位氣控口，使主控閥FB換向，左位接入系統回路，壓縮空氣進入B缸的左腔，B缸活塞桿伸出，行程閥B0復位。由于主控閥FB具有“記憶”特性，主控閥FB仍保持左位接入系統回路，B缸繼續伸出。

（3）B缸縮回。當B缸的活塞桿伸出，壓下行程閥B1后，行程閥B1左位接通，壓縮空氣經行程閥B1進入主控閥FB的右位氣控口，使主控閥FB獲得向右換向控制信號b1，同時b1信號控制閥K右位氣控口，使閥K工作在右位，切斷行程閥A1發出的信號a1，b1信號還控制閥K左位氣控口，為下一步動作導通行程閥B0發出的b0信號做準備。此時，主控閥FB的兩端氣控口只有右位氣控口有信號，主控閥FB換向，右位接入系統，壓縮空氣進入B缸的右腔，B缸活塞桿縮回。當B缸活塞桿離開行程閥B1時，在彈簧力的作用下行程閥B1復位，由于主控閥FB具有“記憶”特性，所以主控閥FB仍保持右位接通，B缸的活塞桿繼續回縮。

（4）A缸縮回。當B缸的活塞桿縮回，壓下行程閥B0后，行程閥B0發出b0信號，使主控閥FA的右位氣控口有信號，主控閥FA換向，右位接入回路，壓縮空氣進入A缸的右腔，A缸活塞桿縮回。

若再次按下啟動按鈕，開始新一輪循環。

二、情況說明

1.采用兩個K閥進行消障處理

當主控閥兩端氣控口同時都有控制信號存在時（如FA兩端的a0、b0信號），由于主控閥FB具有“記憶”特性，因此，它只會保持之前的位置狀態而不會換向。筆者把影響主控閥換向的控制信號稱為障礙信號，把控制主控閥換向的控制信號稱為執行信號。K閥的作用就是保證了在需要主控閥氣控口信號起作用時，導通控制信號的輸入;而不需要氣控口信號起作用時，切斷控制信號的輸入，從而使得主控閥兩端氣控口不會同時存在控制信號。

2.K閥所表示的含義

以符號K說明：K右上角的“b1”表示b1信號導通時需要消障的信號，右下角的“a0”表示信號a0切斷需要消障的信號。符號K表示含義也是如此。我們把具有這種消除障礙信號功能的閥K稱為輔助閥。

通過對半自動鉆床行程控制回路的分析可以看出，在氣壓傳動系統中，如果一個雙氣控閥的兩個控制口都有信號輸入，其中一個信號就屬于障礙信號，這種情況叫做信號重疊，障礙信號會造成雙氣控閥不能按照既定要求進行動作。因此，必須采用適當的方法把障礙信號消除。在實際應用中，人們常采用換向閥消障和單向式滾輪杠桿行程閥消障。

（1）換向閥消障。為了避免信號重疊，通常采用換向閥消除障礙信號作為基本方法，通過將換向閥與行程閥串聯使用，將長信號變成短信號，以達到消除障礙信號的目的。

消除方法：將有障礙的原始信號“m”，與另一個合適的控制信號“x”串聯，得出一個消除障礙信號的新信號“m”。把消除障礙得到的信號稱為執行信號。根據消障信號的選取可分為直接消障法和間接消障法。

第一，直接消障法。直接消障法就是控制信號x利用系統中現有的原始信號或主控閥的伸出信號來進行消障，在控制回路中其壓下行程閥m閥左位進入，回路導通，得到消障后的信號m*;當x輸入信號，同時壓下m，使得兩閥左位接入，回路導通，得到消障后的信號m*。

第二，間接消障法。間接消障法就是在系統中沒有能直接左位消障信號x的原始信號，所以必須在系統中加一個輔助閥K以得到消障信號x。這個輔助閥K一般為具有記憶功能的雙氣控換向閥。

Kx0x1信號表示雙氣控閥的輸出信號，x0、x1分別為輔助閥K的兩個控制信號，當x0有氣時，輔助閥K有輸出，和m串聯，得到執行信號m*;同理，x1有氣時，輔助閥K無輸出，和m串聯，用來消除m的障礙信號。

（2）單向式滾輪桿行程閥消障。消除障礙信號的方法除了換向閥消障以外，還可以采用單向式滾輪桿行程閥進行消障。它的消障方法是使控制信號變為一個短暫的脈沖信號。

利用單向式滾輪桿行程閥的工作原理，使原本是障礙的信號只發出一個短信號，從而對另一信號不造成干擾。但是需要注意的是：單向式行程閥在活塞桿伸出時，必須安裝在未到達終端的一小段距離的位置上;在活塞桿縮回時，必須安裝在活塞桿未到達始端的一小段距離上，使得行程閥只發出一個短暫的脈沖信號，以便活塞桿壓下行程閥以后還能通過。此時，雖然信號已經不存在，但由于主控閥FB具有“記憶”特性，這個位置的狀態仍被保持。

用單向式行程閥消除障礙信號回路比較簡單，但是可靠性較差，因而在實際應用中一般采用換向閥來消除障礙信號。

通過對以上半自動鉆床純氣動控制回路的分析和學習，基本能夠掌握氣動回路的設計技巧以及障礙信號的消除方法。

參考文獻：

[1]周曉峰.液壓傳動與氣動技術[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2011.

（作者單位：河南省南陽市高級技工學校）