氣動行程程序設計中幾種消障方法的比較

楊 妙，袁瑞仙，孫 峰

氣動行程程序設計中幾種消障方法的比較

楊 妙，袁瑞仙，孫 峰

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W校 電氣工程學院，吉林 長春 130013）

氣動行程程序設計是氣壓傳動教學中的重要內(nèi)容，其中如何消除障礙信號是教學中的重點和難點?，F(xiàn)在主流的消障方法依然停留在采用脈沖信號和輔助閥上，隨著新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，消障方法變得多樣化。對比脈沖信號法、輔助閥法，以具體例子說明氣動行程程序設計中出現(xiàn)Ⅰ型障礙采用串聯(lián)法、氣控延時閥以及氣動節(jié)拍器進行消障的基本原理，并給出設計回路圖。最后在總結(jié)各種消障方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上提出消障方法的選擇應綜合考慮實際應用場合、使用要求以及經(jīng)濟成本的整體情況來選取。

氣壓系統(tǒng)；障礙信號；串聯(lián)法；氣控延時閥；氣動節(jié)拍器

氣壓傳動是以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠氣體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。純氣動系統(tǒng)在設計過程中采用行程程序控制居多。行程程序控制是指執(zhí)行元件完成某一動作后，由行程開關(guān)發(fā)出相應信號，輸入到邏輯控制回路中，由邏輯控制回路做出判斷后再發(fā)出相應的執(zhí)行信號，使執(zhí)行元件執(zhí)行下一步動作，當動作完成后，繼續(xù)發(fā)出新的信號，直到完成預定的邏輯控制為止[1]。設計行程程序控制回路必須注意信號之間是否存在干擾，有些信號使執(zhí)行元件執(zhí)行某一個動作，卻阻礙了執(zhí)行元件的下一個動作，這就形成了障礙，在回路中必須消除障礙，程序才能正常運行[2]。目前，在程序設計中消除Ⅰ型障礙的方法主要有：脈沖信號法、輔助閥法、串聯(lián)法、采用氣控延時閥和氣動節(jié)拍器。本文以一個實例為載體，說明采用以上5種方法消障的優(yōu)缺點并進行總結(jié)。

一、壓印裝置實例

某壓印裝置如圖1所示，該裝置的功能是在零件上壓印標簽。圖中氣缸A將零件推至氣缸B之下，由氣缸B進行壓印，壓印完成后氣缸B立刻退回；等待氣缸B退回到起點氣缸A才能退回。在實訓臺上氣缸和行程閥的具體位置見圖2所示。

圖1 壓印裝置實例

圖2 實訓臺上氣缸和行程閥位置

該實例的信號—動作線圖如圖3所示，信號a1、b0是I型障礙信號[3-4]。氣缸A伸出到行程終點時壓下行程閥a1的滾輪發(fā)出a1信號，該信號驅(qū)動氣缸B的雙氣控二位五通換向閥（以下簡稱換向閥2）換向，氣缸B伸出到達行程終點壓下行程閥b1的滾輪發(fā)出b1信號驅(qū)動氣缸B的換向閥2換向，此時因為氣缸A一直保持伸出狀態(tài)，其終點的行程閥a1保持導通狀態(tài)，即使驅(qū)動氣缸B的換向閥2再次換向的b1信號輸入，換向閥2也無法正常換向，因此a1信號存在時間過長妨礙了氣缸B的退回動作[5-6]。同理b0信號存在時間過長妨礙了氣缸A的伸出動作。在程序設計中需要將a1、b0這兩個障礙信號進行消障處理程序才能正常運行。消障的原理在于將長信號變成一個存在時間較短的短信號，在下一個換向信號出現(xiàn)時消失。

圖3 信號—動作線圖

二、五種消障方法的比較

（一）脈沖信號法（單向滾輪杠桿閥消障）

脈沖信號法是用圖4所示的單向滾輪杠桿閥替換圖2中的行程閥（滾輪杠桿閥），當滾輪被氣缸的活塞桿沿指定方向驅(qū)動時，單向滾輪杠桿閥才能夠切換至導通狀態(tài)。釋放滾輪后，單向滾輪杠桿閥在復位彈簧作用下復位。當沿相反方向驅(qū)動滾輪時，單向滾輪杠桿閥并不動作，利用單向滾輪杠桿閥單向發(fā)信號的特性將障礙信號變成單向脈沖信號?；钊麠U前進時壓下單向滾輪杠桿閥發(fā)出脈沖信號，活塞桿返回時單向滾輪杠桿閥頭部具有可折型，沒有信號發(fā)出。圖5是用仿真軟件FluidSIM繪制的回路設計圖[7]。

圖4 單向滾輪杠桿閥消障原理

圖5 采用單向滾輪杠桿閥消障的回路設計圖

脈沖信號法排障簡單易行，可節(jié)省氣動元件及管路，缺點是單向滾輪杠桿閥應布置在行程起點與終點靠行程里側(cè)的位置，定位精度不高。對于定位精度要求高的場合不推薦使用。

（二）輔助閥法

輔助閥法是在回路中增加一個輔助閥作為中間記憶元件，用輔助閥的輸出信號作為制約信號和障礙信號相“與”，控制障礙信號的存在時長[8]。

圖6 輔助閥法消障的回路設計

圖7 串聯(lián)法消障的回路設計

圖6是采用輔助閥消障的回路設計圖，雙氣控二位五通換向閥K為輔助閥（以下簡稱為閥K）。氣缸A在起點位置，行程閥a0處于導通狀態(tài)，當按下啟動開關(guān)閥q時，壓縮空氣進入氣缸A的雙氣控二位五通換向閥1（以下簡稱為換向閥1）驅(qū)動其換向，同時壓縮空氣進入閥K的右側(cè)，接通氣源與閥a1。當氣缸A伸出時閥a0從導通狀態(tài)切換為截止狀態(tài)，氣缸A伸出到終點位置閥a1導通，壓縮空氣進入氣缸B換向閥2左端驅(qū)動其換向，氣缸B伸出，伸出到終點位置壓下閥b1的滾輪使其導通，閥b12口的壓縮空氣分成兩路，一路驅(qū)動閥K換向斷開氣源與閥a1，一路驅(qū)動氣缸B換向閥2換向，因為前一路斷開了氣源與閥a1，因此即使氣缸A保持在伸出狀態(tài)閥a1也沒有壓縮空氣輸出，故而氣缸B的換向閥2能夠正常換向。閥a1的障礙信號a1通過輔助閥K變成了無障礙信號。障礙信號b0的排除原理與障礙信號a1相同。

輔助閥法消障不必改變行程閥的位置，采用中間記憶元件制約障礙信號，排障可靠，缺點在于增加了一個元件，使得回路變得復雜。

（三）串聯(lián)法

串聯(lián)法是確定氣缸動作順序后，根據(jù)一組內(nèi)同一氣缸只能出現(xiàn)一次的分組原則將氣缸動作分成若干組，每一組的氣缸采用一條供氣線路，每一組動作完成后由該組最后一個信號作為換組信號將供氣線路進行切換，確保了每一組的信號只在該組內(nèi)存在，切換供氣線路后，障礙信號與氣源連接斷開，長信號變成短信號。本例中氣缸的動作順序為A1B1B0A0，根據(jù)分組原則可以分成兩組，第一組為A1B1，第二組為B0A0，信號b1為換組信號。

圖7是采用串聯(lián)法的回路設計。氣缸B伸出壓下閥b1的滾輪，系統(tǒng)供氣從1組切換到2組之后，產(chǎn)生障礙信號a1的閥a1與氣源斷開，此時即使氣缸A在行程終點壓下閥a1的滾輪使閥a1處于導通狀態(tài)，也沒有壓縮氣作用在氣缸B換向閥2上，因此只要出現(xiàn)b1信號，氣缸B換向閥2就正常換向，氣缸B退回。

串聯(lián)法是設計回路時利用分組將障礙信號與氣源切斷從而將長信號變?yōu)槎绦盘枴么?lián)法進回路設計消障可靠，但缺點是回路分組增加了回路的復雜性，并且分組越多回路越復雜。因此，多氣缸回路中串聯(lián)法并不是值得推薦的好方法。

（四）采用氣控延時閥消障

氣控延時閥有延時接通和延時切斷兩種，本例中采用氣控延時閥（延時切斷）使長信號變成短信號。氣控延時閥結(jié)構(gòu)見圖8所示，它是一個組合閥，由單氣控二位三通換向閥、可調(diào)單向節(jié)流閥和氣室組成。當控制口10上的壓力達到設定值時，單氣控二位三通換向閥動作，進氣口1與工作口2關(guān)閉。延時切斷的時間可通過調(diào)節(jié)延時閥上的節(jié)流閥來實現(xiàn)。圖9是采用氣控延時閥消障的回路圖，在障礙信號a1和b0之后設置氣控延時閥4和5，當氣缸A伸出壓下閥a1的滾輪發(fā)出信號a1驅(qū)動氣缸B換向閥2換向，氣缸B伸出過程中氣控閥延時閥5切斷信號a1，等待氣缸B運動至行程壓下閥b1的滾輪給出信號b1，換向閥2正常換向氣缸B退回。

采用氣控延時閥是在不增加回路復雜性的前提下達到控制障礙信號的存在時間來消障，此方法簡單可靠。通過增大氣室，可使延時時間加長。缺點是延時時間不精確，為了提高延時精度，對壓縮空氣的潔凈程度和穩(wěn)定性要求較高。

圖8 氣控延時閥（延時切斷）

圖9 采用氣控延時閥消障的回路設計

（五）采用氣動節(jié)拍器

氣動節(jié)拍器是一種自動控制的氣動元件，能使氣動回路設計變得容易。它能防止信號的意外發(fā)出。每一個節(jié)拍均被分配有一個節(jié)拍儲存器。節(jié)拍儲存器為相應的節(jié)拍下達執(zhí)行命令，也通過相應節(jié)拍的執(zhí)行器接收回答信號[9]。圖10是氣動節(jié)拍器的構(gòu)造示意圖，A1、A2、A3、A4是氣控信信號的輸出口，X1、X2、X3、X4是氣控信信號的輸入口，P是進氣口。

圖10 氣動節(jié)拍器的內(nèi)部構(gòu)造

圖11是采用氣動節(jié)拍器消障的回路設計圖。按下啟動按鈕q，A1輸出口有氣信號輸出驅(qū)動氣缸A伸出，氣缸A伸出到行程終點壓下a1閥給出a1信號，A2輸出口有氣信號輸出驅(qū)動氣缸B伸出，氣缸B伸出到行程終點壓下b1閥給出b1信號，A3輸出口有氣信號輸出驅(qū)動氣缸B退回，氣缸B退后到行程起點終點壓下b0閥給出b0信號，A4輸出口有氣信號輸出驅(qū)動氣缸A退回。障礙信號a1驅(qū)動氣缸A伸出，依靠節(jié)拍器特有的邏輯控制回路在出現(xiàn)b1信號時切斷A2輸出口的輸出，因此即使障礙信號a1存在也不影響氣缸B的退回動作。同理，障礙信號b0的存在不會影響氣缸A的伸出動作。

圖11 采用氣動節(jié)拍器消障的回路設計

采用氣動節(jié)拍器可自動消除障礙信號，保證上一步順序動作已經(jīng)完成并檢測到以后，下一個順序動作才能開始。它可以根據(jù)輸入、輸出信號順序方便地調(diào)節(jié)程序的動作順序，使用方便安全可靠，廣泛應用在多個氣缸按一定工作順序依次完成多個執(zhí)行動作的場合[10]。因為氣動節(jié)拍器是一種集成化、模塊化、智能化的元件，因此采用氣動節(jié)拍器消障需要考慮成本問題。

三、結(jié)論

本文詳細闡述了脈沖信號法、輔助閥法、串聯(lián)法、采用氣控延時閥和氣動節(jié)拍器在兩缸氣動行程程序設計中的消障原理與回路設計。氣動行程程序設計消障可根據(jù)實際需求采用不同的方法來實現(xiàn)，選擇時應綜合考慮實際應用場合、使用要求以及經(jīng)濟成本的整體情況來選取。在教學過程中可根據(jù)學生的接受程度進行選擇，讓學生在了解消障原理與基本方法的同時，領(lǐng)悟到不同方法解決同一問題的優(yōu)缺點并進行比較，最終選擇適合于實際問題的解決方法，提升處理問題的能力。

[1][2][3]馬振福.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[4][5][10]馬曉明.基于X-D線圖的多缸多往復氣動回路設計[J].制造技術(shù)與機床：2011（5）：75-78.

[6]胡偉，董海軍，黃桂蕓.純氣動系統(tǒng)中的多執(zhí)行元件順序動作功能設計[J].液壓與氣動：2014（06）：111-113.

[7]畢長飛.FluidSIM 3.6仿真軟件在《液壓與氣動技術(shù)》中的應用[J].液壓與氣動，2011（08）：111-114.

[9]毛智勇.氣動節(jié)拍器——新型自動控制氣動元件[J].液壓與氣動，2005（09）：67-69.

Comparison among Different Methods of Removing Obstacles in Designing Pneumatic Controlling Program

YANG Miao，YUAN Rui-xian，SUN Feng

（Changchun Automobile Industry Institute, Jilin, Changchun 130000, China）

The design of pneumatic controlling program is an important content of the pneumatic transmission teaching, and the difficulties of teaching is how to remove obstacles signals. The mainstream ways to remove obstacles are still pulse signal and auxiliary valve. With the emergence of new technology and new products, the ways to remove obstacles become diversified. Compared with the pulse signal and auxiliary valve, this paper expands the basic principles of designing pneumatic controlling program with specific examples: series process is used against the I-type obstacle, and time delay valve based on pneumatic control and pneumatic stepper are used against obstacles. It shows the design circuit diagram and finally summarizes the advantages and disadvantages of various ways to remove obstacles and puts forward that the removing ways should be selected by combining with the practical application places, requirements and the costs.

pneumatic system; obstacle signal; series process; time delay valve based on pneumatic control; pneumatic stepper

TH138

A

1008—6129（2018）01—0088—05

2017—12—12

楊妙（1984—），女，陜西咸陽人，長春汽車工業(yè)高等?？茖W校電氣工程學院，講師。