順序動作機構的設計方法探討*

張春英

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

自動化設備按照一定順序完成一系列動作功能，一般采用程序控制法和液壓回路法。在程序控制法中，每一個動作都應對應執行元件、控制元件和檢測元件。這種方法的主要缺點是系統復雜，尤其是控制和檢測單元較多，系統可靠性低，元件多，需要很大的安裝空間且設備笨重；控制和檢測元件價格昂貴；系統復雜且技術含量低，技術難以保證。而液壓回路方法有壓力控制法、行程控制法等，這些方法都需要加裝一些邏輯閥，成本高，可靠性低，且體積和質量較大，同時對于壓力設定等要求也較高。針對常規液壓方法存在的問題，一些研究者提出了一些改進意見。文獻[1]通過油缸內置順序閥的方式實現雙出頭油缸的順序動作，這種方法簡單可靠，但這種方法僅限于雙出頭油缸，無法推廣使用；文獻[2]在油缸裝入單向閥，當油缸到達極限位置方向閥打開液控換向閥控制第二個執行機構的動作，可提高系統的可靠性，但該方法需要特殊設計單向閥，受到單向閥自身性能限制。

通過分析研究，本文采用了一種機械方法，它能簡化系統，尤其能減少控制和檢測單元，提高系統可靠性；系統簡化后，節省那些價格昂貴的控制和檢測元件，降低成本；可以節省空間，減輕質量；能提升產品技術水平，提高附加值。

1 護鉆機構

某型鉆機采用旋轉切削的方法在巖壁上鉆深孔，高速旋轉的鉆桿帶動鉆頭在較大推進力的作用下實現旋轉破巖。由于轉速高，推進力大，細長的鉆桿在鉆進初期容易產生進動現象導致失穩，為此設計了一個護鉆機構。

1) 結構組成：護鉆機構主要由鉆桿、插桿、連桿、擺動油缸和護鉆油缸組成，如圖1所示。插桿在護鉆油缸驅動下沿著連桿的滑道滑動，護鉆油缸伸出使插桿與連桿形成防護空間。護鉆油缸、插桿和連桿連接在一起，整體在擺動油缸驅動下繞著一點擺動，在護鉆位置和躲避位置切換。

1-鉆桿； 2-插桿； 3-連桿； 4-擺動油缸； 5-護鉆油缸。

2) 護鉆機構工作過程:如圖2所示,護鉆時，擺動油缸和插桿油缸都伸長，插桿與連桿組成防護空間。插桿油缸縮短帶動插桿打開，為護鉆機構撤離護鉆位置做準備；擺動油缸縮短帶動連桿到達躲避位置，擺動油缸伸長到達護鉆位置，插桿油缸伸長進行護鉆，如此反復，插桿和擺動油缸按照一定順序動作，實現了護鉆和躲避的功能要求。

(a) 護鉆

(b) 插桿打開

(c) 躲避位置

(d) 護鉆位置

2 機構分析

針對鉆機機構的特點，設計了一種機械式的順序動作機構，它有3種不同的結構形式，它們都是采用一個執行機構和一個控制元件，但不需要檢測元件。

2.1 機械方法I

機械方法I的結構和工作過程如圖3所示?？煽縿幼鞯臈l件分析如下：

(a)→(b)：當油缸縮短時打開插桿，而連桿不擺動的條件是插桿與滑道之間的摩擦力f產生的力矩小于鉸點摩擦力矩M與下彈簧最小作用力產生的力矩F1min·l1之和，即：

(a)

(b)

(c)

(d)

f·lf≤F1min·l1+|M|

(1)

(b)→(c)：油缸繼續縮短碰到限位，連桿往回擺動，壓縮下彈簧。

(c)→(d)：油缸伸長，連桿擺動而插銷不會伸出的條件是插銷與孔之間的摩擦力產生的力矩與下彈簧力產生的力矩之和比鉸點摩擦力矩大，即：

F1·l1+f·lf≥|M|

(2)

由于F1∈(F1max，F1min)

可簡化為：

F1min·l1+f·lf≥|M|

(3)

(d)→(a)：連桿到位后碰到限位，當油缸伸長時，插桿到位進行護鉆。

由式(1)、式(3)可以發現，只要F1min·l1≥|f·lf±M|，則能確?？煽縿幼?，即只要彈簧力足夠大，摩擦力和鉸點摩擦力矩很小則也能可靠動作。

2.2 機械方法Ⅱ

機械方法Ⅱ的結構和工作過程如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

可靠動作的條件分析如下：

(a)→(b)：當油缸縮短時打開插桿，而連桿不擺動的條件是插桿與滑道之間的摩擦力f產生的力矩小于鉸點摩擦力矩M與上彈簧作用力產生的力矩F2·l2之和，即：

f·lf≤F2·l2+|M|

(4)

由于F2∈(F2max，F2min)

可簡化為：

f·lf≤F2min·l2+|M|

(5)

(b)→(c)：油缸繼續縮短碰到限位，連桿往回擺動。

(c)→(d)：油缸伸長，連桿擺動而插銷不會伸出的條件是插銷與孔之間的摩擦力產生的力矩與上彈簧力產生的力矩之和比鉸點摩擦力矩大，即：

F2min·l2+f·lf≥|M|

(6)

(d)→(a)：連桿到位后碰到限位，當油缸伸長時，插桿到位進行護鉆。

由式(5)、式(6)可以發現，只要F2min·l2≥|f·lf±M|，則能確保可靠動作,即只要彈簧力足夠大，摩擦力和鉸點摩擦力矩很小也能滿足可靠動作。

2.3 機械方法Ⅲ

機械方法Ⅲ的結構和工作過程如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

可靠動作的條件分析如下：

(a)→(b)：當油缸縮短時打開插桿，而連桿不擺動的條件是插桿與滑道之間的摩擦力f產生的力矩小于鉸點摩擦力矩M與2個彈簧作用力產生的力矩之和，即：

f·lf≤F1min·l1+F2·l2+|M|

(7)

而F2∈(F2max，F2min)

可簡化為：

f·lf≤F1min·l1+F2min·l2+|M|

(8)

(b)→(c)：油缸繼續縮短碰到限位，連桿往回擺動。

(c)→(d)：油缸伸長，連桿擺動而插銷不會伸出的條件是插銷與孔之間的摩擦力產生的力矩與兩彈簧力產生的力矩之和比鉸點摩擦力矩大，即：

F2min·l2+F1·l1+f·lf≥|M|

(9)

而F1∈(F1max，F1min)

可簡化為：

F2min·l2+F1min·l1+f·lf≥|M|

(10)

(d)→(a)：連桿到位后碰到限位，當油缸伸長時，插桿到位進行護鉆。

由式(8)、式(10)可以發現，只要F1min·l1+F2min·l2≥|f·lf±M|，則能確保可靠動作，即只要彈簧力足夠大，摩擦力和鉸點摩擦力矩很小則也能滿足可靠動作。

通過以上3種機械方法的分析發現，機械方法Ⅲ是普遍形式，即去掉上彈簧F2=0，則得到機械方法I；去掉下彈簧F1=0，則得到機械方法Ⅱ。機械方法I、機械方法Ⅱ可以看作是機械方法Ⅲ的特例。由式(1)～式(10)可以發現，只要用一個足夠大力的彈簧就能滿足可靠動作的條件，而用2個彈簧則沒有必要。因此，機械方法I和機械方法Ⅱ是推薦采用的結構。

3 機械方法與傳統方法的對比

1) 性能對比。程序控制方法原理簡潔，加入時間延遲，改變動作順序很方便；但環節多，有誤動作危險，可靠性低。而機械方法結構簡單，動作可靠，但可移植性差，不易進行大規模推廣。

2) 成本對比。程序控制方法需要的執行元件、控制元件、檢測元件多，成本高。而機械方法用的元件少，成本低廉，采用一些簡單的機械結構，使其加工成本很低。

3) 空間和質量。程序控制方法元件多，占用空間大，質量大；機械方法用的元件少，占用的空間和重量就小。

4) 設計難度。機械方法每個具體結構只需要設計一個專門機構，其設計工作量大，經常需要結構的巧妙設計，對設計人員的要求更高。但也正因為此，所設計的機構不容易仿造，可提高保密等級。

4 結論

順序動作機構的設計方法，需要從可靠性、經濟性、成本、空間等各方面進行綜合考慮，尋找最優方案。當遇到控制上的問題時，不要為了簡單就直接采用程序控制或者液壓方法，應該盡量采用機械方法，以簡化結構，降低成本，減小質量和節省空間，真正做到提升產品性能、提高設計水平。