淺析半自動(dòng)鉆床純氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張連軍

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)技術(shù) ?壓縮氣體 ?氣缸 ?換向閥

隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，由液壓技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)等學(xué)科的相互滲透而形成的機(jī)電一體化技術(shù)，已成為當(dāng)今工業(yè)科技的重要組成部分。筆者長(zhǎng)期從事液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)技術(shù)的教學(xué)，教材中關(guān)于雙缸行程控制回路設(shè)計(jì)的講解中，有一部分學(xué)生在設(shè)計(jì)思路上不明確，對(duì)于障礙信號(hào)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(dòng)鉆床純氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說明氣路的設(shè)計(jì)方法與技巧。

在半自動(dòng)鉆床純氣動(dòng)控制回路中，有兩個(gè)氣缸：一個(gè)是起夾緊工件作用的夾緊缸A，另一個(gè)是用來驅(qū)動(dòng)鉆床主軸的軸向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生鉆削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給缸B。該鉆床要求：按下啟動(dòng)按鈕后，兩個(gè)氣缸按照一定的順序要求先后動(dòng)作，完成一個(gè)工作循環(huán)。即工作要求為：夾緊缸伸出夾緊工件→切削缸切削進(jìn)給→切削缸退回→夾緊缸松開工件退回。

對(duì)半自動(dòng)鉆床的工作過程進(jìn)行分析：在該半自動(dòng)鉆床的工作過程中，進(jìn)給缸和夾緊缸在不同的工作階段分別需要有不同的動(dòng)作，因此，其回路的控制關(guān)鍵是在相應(yīng)的階段對(duì)兩個(gè)氣缸的主控元件發(fā)出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，以此來控制氣缸按要求依次工作。也就是說，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，需要夾緊缸伸出，當(dāng)夾緊缸伸出到位后，表示工件已經(jīng)夾緊，此時(shí)需要發(fā)出一個(gè)位置信號(hào)，該信號(hào)用來控制切削缸的伸出;當(dāng)切削缸伸出到位后，表明對(duì)工件已經(jīng)切削加工完成，此時(shí)需要發(fā)出一個(gè)位置信號(hào)，該信號(hào)用來控制切削缸的退回;當(dāng)切削缸退回到位后，需要發(fā)出一個(gè)位置信號(hào)，該信號(hào)用來控制夾緊缸的退回;當(dāng)夾緊缸退回到位后，應(yīng)該發(fā)出一個(gè)信號(hào)，表明一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。當(dāng)然，半自動(dòng)鉆床的兩個(gè)氣缸的初始狀態(tài)必須是夾緊缸和切削缸都處于縮回狀態(tài)。

經(jīng)過以上對(duì)半自動(dòng)鉆床的氣動(dòng)控制系統(tǒng)的分析，整理出該控制氣路需要以下氣動(dòng)元件：?jiǎn)?dòng)按鈕，一個(gè)常開型的3/2閥;夾緊氣缸A、切削氣缸B，兩個(gè)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(gè)雙氣控5/2閥;夾緊氣缸A縮回和伸出時(shí)觸發(fā)的行程閥A0、A1，切削氣缸B縮回和伸出時(shí)觸發(fā)的行程閥B0、B1，四個(gè)滾輪式常開型的3/2閥。

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

按照以上分析過程，設(shè)計(jì)出半自動(dòng)鉆床的行程控制純氣動(dòng)回路，該氣路中共用到以下元件：系統(tǒng)的啟動(dòng)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(tǒng)中用于消除障礙信號(hào)的兩個(gè)雙氣控3/2閥1.6、2.6，該氣路可以按照初始狀態(tài)和工作狀態(tài)來分析。

一、回路分析

1.初始狀態(tài)

兩個(gè)主控閥FA、FB初始狀態(tài)右位接入回路，使得兩個(gè)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(tài)

（1）A缸伸出。在初始狀態(tài)，行程閥A0被A缸活塞桿壓下，行程閥A0左位接通，按下啟動(dòng)按鈕1.2后，壓縮空氣經(jīng)過啟動(dòng)按鈕1.2和行程閥A0進(jìn)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(hào)a0，同時(shí)行程閥A0發(fā)出的控制信號(hào)a0還控制閥K和閥K，分別是：a0信號(hào)使控制閥K（1.6）右位氣控口有信號(hào)，從而切斷行程閥B0發(fā)出的b0信號(hào);a0信號(hào)使控制閥K左位氣控口有信號(hào)，為下一步導(dǎo)通行程閥A1發(fā)出a1信號(hào)做準(zhǔn)備。由于主控閥FA的右位信號(hào)b0已經(jīng)不存在，主控閥FA只有左位有a0信號(hào)，因此主控閥FA換向，閥芯右移，左位接入系統(tǒng)回路，壓縮空氣進(jìn)入A缸的左腔，A缸活塞桿伸出。當(dāng)活塞桿離開行程閥A0時(shí)，在彈簧力的作用下行程閥A0復(fù)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(dāng)A缸活塞桿伸出，到達(dá)a1時(shí)，壓下行程閥A1，行程閥A1左位接通，壓縮空氣經(jīng)閥K與行程閥A1進(jìn)入主控閥FB的左位氣控口，使主控閥FB換向，左位接入系統(tǒng)回路，壓縮空氣進(jìn)入B缸的左腔，B缸活塞桿伸出，行程閥B0復(fù)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(tǒng)回路，B缸繼續(xù)伸出。

（3）B缸縮回。當(dāng)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(jīng)行程閥B1進(jìn)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(hào)b1，同時(shí)b1信號(hào)控制閥K右位氣控口，使閥K工作在右位，切斷行程閥A1發(fā)出的信號(hào)a1，b1信號(hào)還控制閥K左位氣控口，為下一步動(dòng)作導(dǎo)通行程閥B0發(fā)出的b0信號(hào)做準(zhǔn)備。此時(shí)，主控閥FB的兩端氣控口只有右位氣控口有信號(hào)，主控閥FB換向，右位接入系統(tǒng)，壓縮空氣進(jìn)入B缸的右腔，B缸活塞桿縮回。當(dāng)B缸活塞桿離開行程閥B1時(shí)，在彈簧力的作用下行程閥B1復(fù)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(xù)回縮。

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

若再次按下啟動(dòng)按鈕，開始新一輪循環(huán)。

二、情況說明

1.采用兩個(gè)K閥進(jìn)行消障處理

當(dāng)主控閥兩端氣控口同時(shí)都有控制信號(hào)存在時(shí)（如FA兩端的a0、b0信號(hào)），由于主控閥FB具有“記憶”特性，因此，它只會(huì)保持之前的位置狀態(tài)而不會(huì)換向。筆者把影響主控閥換向的控制信號(hào)稱為障礙信號(hào)，把控制主控閥換向的控制信號(hào)稱為執(zhí)行信號(hào)。K閥的作用就是保證了在需要主控閥氣控口信號(hào)起作用時(shí)，導(dǎo)通控制信號(hào)的輸入;而不需要?dú)饪乜谛盘?hào)起作用時(shí)，切斷控制信號(hào)的輸入，從而使得主控閥兩端氣控口不會(huì)同時(shí)存在控制信號(hào)。

2.K閥所表示的含義

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

通過對(duì)半自動(dòng)鉆床行程控制回路的分析可以看出，在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，如果一個(gè)雙氣控閥的兩個(gè)控制口都有信號(hào)輸入，其中一個(gè)信號(hào)就屬于障礙信號(hào)，這種情況叫做信號(hào)重疊，障礙信號(hào)會(huì)造成雙氣控閥不能按照既定要求進(jìn)行動(dòng)作。因此，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ò颜系K信號(hào)消除。在實(shí)際應(yīng)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(hào)重疊，通常采用換向閥消除障礙信號(hào)作為基本方法，通過將換向閥與行程閥串聯(lián)使用，將長(zhǎng)信號(hào)變成短信號(hào)，以達(dá)到消除障礙信號(hào)的目的。

消除方法：將有障礙的原始信號(hào)“m”，與另一個(gè)合適的控制信號(hào)“x”串聯(lián)，得出一個(gè)消除障礙信號(hào)的新信號(hào)“m”。把消除障礙得到的信號(hào)稱為執(zhí)行信號(hào)。根據(jù)消障信號(hào)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(hào)x利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的原始信號(hào)或主控閥的伸出信號(hào)來進(jìn)行消障，在控制回路中其壓下行程閥m閥左位進(jìn)入，回路導(dǎo)通，得到消障后的信號(hào)m*;當(dāng)x輸入信號(hào)，同時(shí)壓下m，使得兩閥左位接入，回路導(dǎo)通，得到消障后的信號(hào)m*。

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

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

（2）單向式滾輪桿行程閥消障。消除障礙信號(hào)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(jìn)行消障。它的消障方法是使控制信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)短暫的脈沖信號(hào)。

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(hào)只發(fā)出一個(gè)短信號(hào)，從而對(duì)另一信號(hào)不造成干擾。但是需要注意的是：?jiǎn)蜗蚴叫谐涕y在活塞桿伸出時(shí)，必須安裝在未到達(dá)終端的一小段距離的位置上;在活塞桿縮回時(shí)，必須安裝在活塞桿未到達(dá)始端的一小段距離上，使得行程閥只發(fā)出一個(gè)短暫的脈沖信號(hào)，以便活塞桿壓下行程閥以后還能通過。此時(shí)，雖然信號(hào)已經(jīng)不存在，但由于主控閥FB具有“記憶”特性，這個(gè)位置的狀態(tài)仍被保持。

用單向式行程閥消除障礙信號(hào)回路比較簡(jiǎn)單，但是可靠性較差，因而在實(shí)際應(yīng)用中一般采用換向閥來消除障礙信號(hào)。

通過對(duì)以上半自動(dòng)鉆床純氣動(dòng)控制回路的分析和學(xué)習(xí)，基本能夠掌握氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)技巧以及障礙信號(hào)的消除方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉峰.液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)技術(shù)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2011.

（作者單位：河南省南陽(yáng)市高級(jí)技工學(xué)校）