復(fù)雜氣動(dòng)程序電控系統(tǒng)的最優(yōu)組數(shù)設(shè)計(jì)

何建華，林少玲，翁 偉

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，福建 福州 350408)

以中間繼電器和電磁換向閥構(gòu)成的電氣-氣動(dòng)控制系統(tǒng)因組裝調(diào)試簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、安全可靠等特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[1-4].電氣-氣動(dòng)控制系統(tǒng)按電磁閥類(lèi)型分為雙穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)和單雙穩(wěn)態(tài)混控3種，常用的設(shè)計(jì)方法有試湊法、卡諾圖法、X-D-J圖法、串級(jí)法及邏輯設(shè)計(jì)法.試湊法依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)嘗試不同的信號(hào)來(lái)消除調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的故障，設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)調(diào)試、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、系統(tǒng)維護(hù)困難，適用于簡(jiǎn)單氣動(dòng)程序電控系統(tǒng)[5]；X-D-J圖法將中間繼電信號(hào)標(biāo)示在X-D圖上，形成X-D-J(信號(hào)-動(dòng)作-繼電器)，使設(shè)計(jì)快捷、直觀，但是難以找到復(fù)雜氣動(dòng)程序電控系統(tǒng)(比如A1B1B0B1B0A0)消障用的制約函數(shù)[6]；卡諾圖法直觀且規(guī)則性強(qiáng)，能把表示程序狀態(tài)的信息量和所需的記憶元件量減至最少，但系統(tǒng)的復(fù)雜程度與信號(hào)量成指數(shù)關(guān)系增減，求解困難[7]；邏輯設(shè)計(jì)法利用布林代數(shù)與單穩(wěn)態(tài)元件(繼電器、單電控?fù)Q向閥)的自保回路，將單穩(wěn)態(tài)元件轉(zhuǎn)換為雙穩(wěn)態(tài)元件，解決單穩(wěn)態(tài)元件因跨級(jí)而造成的設(shè)計(jì)不便[8]；串級(jí)法分組的目的是通過(guò)電路隔離實(shí)現(xiàn)消障，但是分組的原則是將所有可能出現(xiàn)的障礙均分開(kāi)，由于未正確判定障礙而使得組數(shù)過(guò)多，未能使邏輯信號(hào)簡(jiǎn)化至僅保留必不可少的記憶狀態(tài)，導(dǎo)致復(fù)雜電控系統(tǒng)的控制回路設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試變得復(fù)雜、困難[9].

以自動(dòng)化生產(chǎn)線裝置中的氣動(dòng)機(jī)械手控制設(shè)計(jì)為例，借助串級(jí)電路隔離的思路，結(jié)合單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)換向閥的特性，以“優(yōu)化組數(shù)”為目標(biāo)，借用全功能圖判定障礙及其類(lèi)型，提出復(fù)雜程序電控系統(tǒng)分組的優(yōu)化方案，同時(shí)利用邏輯函數(shù)運(yùn)算簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì).

1 氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作控制分析

本例中的氣動(dòng)機(jī)械手將原工作臺(tái)上的物品搬運(yùn)到其左側(cè)或者右側(cè)的工作臺(tái)上，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，動(dòng)作順序如圖2所示.

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意

圖2 機(jī)械手位移—步驟

由機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)回路圖3可知：氣爪氣缸A和回轉(zhuǎn)氣缸D是由2位5通雙電控?fù)Q向閥控制，氣爪氣缸A帶自保持功能用于工作站抓物搬運(yùn)，回轉(zhuǎn)氣缸D用于控制手臂正反向90°旋轉(zhuǎn)；升降氣缸B和伸縮氣缸C則是由2位5通單電控?fù)Q向閥控制，升降氣缸B用于整個(gè)機(jī)械手提升下降，伸縮氣缸C則用于控制手臂水平方向的運(yùn)動(dòng).4個(gè)氣缸的運(yùn)行速度快慢通過(guò)調(diào)整排氣節(jié)流閥的開(kāi)度進(jìn)行控制.

圖3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)回路

綜上分析可知，氣動(dòng)系統(tǒng)中各氣缸均為雙作用氣缸，分別由單穩(wěn)態(tài)換向閥(2位5通單電控?fù)Q向閥)和雙穩(wěn)態(tài)換向閥(2位5通雙電控?fù)Q向閥，具有自保持功能)控制，且伸縮氣缸C和升降氣缸B重復(fù)動(dòng)作，為復(fù)雜氣動(dòng)程序電控系統(tǒng)中混控系統(tǒng).

2 串級(jí)法設(shè)計(jì)

根據(jù)“組數(shù)越少越好且每組中同一個(gè)氣缸只能出現(xiàn)一次”的分組原則，將氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作順序分為4組：C1+B1+A-/B1-C1-D+/C2+B2+A+/B2-C2-D-.

執(zhí)行控制回路設(shè)計(jì)時(shí)，各氣缸電磁閥線圈的得電順序由該組的動(dòng)作順序決定，通常將該組中各氣缸的電磁閥線圈與前一動(dòng)作所觸動(dòng)的行程開(kāi)關(guān)串聯(lián)，再與該組別的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián).若組內(nèi)有兩次及以上動(dòng)作的電磁閥線圈(如YB1、YC1)，因跨級(jí)受電須將該動(dòng)作所屬組別繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)后，再與其電磁閥線圈串聯(lián)，以避免逆向電流造成不正確的繼電器或電磁線圈被激磁.

控制電路設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下幾點(diǎn)：

(1)若組中僅有1個(gè)氣缸且由雙穩(wěn)態(tài)換向閥控制的氣缸，則該組的繼電器不必形成自保回路

(2)除(1)情況外，各組的繼電器線圈必須形成自保回路.

(3)除最后1組繼電器外，其余每組繼電器的自我保護(hù)回路都是由其后1組繼電器的常閉觸點(diǎn)控制切斷，而最后1組繼電器的自我保護(hù)回路則是受到最后1個(gè)動(dòng)作完成時(shí)所觸發(fā)的行程開(kāi)關(guān)常閉觸點(diǎn)控制切斷.

串級(jí)法設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的電氣控制回路如圖4所示.經(jīng)仿真軟件驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案能滿(mǎn)足氣動(dòng)機(jī)械手的控制要求，但是電氣回路的線路數(shù)目較多，且其中有4條支路并聯(lián)后再與YC1電磁閥線圈串聯(lián)，導(dǎo)致接線易出錯(cuò)，不利于安裝調(diào)試、故障診斷及排除.

圖4 串級(jí)法設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手電氣回路

3 “組數(shù)最少”優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 分組優(yōu)化原則

以“組數(shù)越少越好且每組中同一個(gè)氣缸只能出現(xiàn)一次”的分組原則，其分組的實(shí)質(zhì)僅是將所有可能出現(xiàn)的障礙均隔離.雖然分組方案可行，但對(duì)于復(fù)雜的多缸重復(fù)程序電控系統(tǒng)而言，因重復(fù)動(dòng)作而使得分組的組數(shù)變多，從而使得設(shè)計(jì)的電氣回路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、調(diào)試、故障診斷和排除更困難.因此，基于串級(jí)法的基本思路——電路隔離，結(jié)合單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)元件的特征，借助全功能圖判定障礙及信號(hào)元件的邏輯關(guān)系，以“減少組數(shù)”為優(yōu)化目標(biāo)，使邏輯信號(hào)簡(jiǎn)化至僅保留必不可少的記憶狀態(tài)，提出分組優(yōu)化原則.

(1)雙穩(wěn)態(tài)元件按原分組原則：同一氣缸的不同狀態(tài)分在不同組別中.

(2)單穩(wěn)態(tài)元件按情況分開(kāi)討論：

a.若同一氣缸不同狀態(tài)相鄰，應(yīng)分在不同的組別.如：銑床夾持器中D氣缸的動(dòng)作順序分組：A+B+A-C+B-D+/D-C-.

b.單穩(wěn)態(tài)換向閥控制的氣缸不同狀態(tài)是否區(qū)分在同一組別，由全功能圖判定.若觸發(fā)同一氣缸不同狀態(tài)的信號(hào)元件的起點(diǎn)重合，則該氣缸的不同狀態(tài)應(yīng)分在不同的組別.

c.對(duì)重復(fù)動(dòng)作的氣缸，如B、C氣缸.B、C氣缸同一動(dòng)作應(yīng)分在不同的組別中，而不同動(dòng)作可分在同一組別中，即：同一氣缸上一次伸出與下一次伸出不能在同一組別，但上一次縮回與下一次伸出可分在同一組別.

d.復(fù)現(xiàn)信號(hào)(B1、B0、C1、C0)作為不同氣缸或同氣缸的不同狀態(tài)的觸發(fā)條件，一般將復(fù)現(xiàn)信號(hào)與組別的常開(kāi)觸點(diǎn)相“與”.因此盡可能將單穩(wěn)態(tài)控制的氣缸不同工作狀態(tài)區(qū)分在每組的開(kāi)頭.

以氣動(dòng)機(jī)械手為例說(shuō)明，它的全功能圖如圖5所示，其中三角旗位置C1+和C1-、C2+和C2-信號(hào)重疊，存在運(yùn)動(dòng)障礙.從圖5可以看出，觸發(fā)C氣缸2次動(dòng)作的信號(hào)元件PB與B0、D1與B0起點(diǎn)重合，因此根據(jù)上述的分組優(yōu)化原則，氣動(dòng)機(jī)械手的分組方案為以下兩種：

圖5 氣動(dòng)機(jī)械手全功能圖

方案1：C1+B1+A-B1-/C1-D+C2+B2+A+B2-/C2-D-

方案2：C1+B1+A-/B1-C1-D+C2+B2+A+/B2-C2-D-

同時(shí)由于電路邏輯函數(shù)啟動(dòng)與復(fù)位的條件由分組決定，列電路邏輯函數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)啟動(dòng)條件的組數(shù)一般可省略；

(2)安裝在氣缸起始點(diǎn)的開(kāi)關(guān)作為復(fù)位條件時(shí)，必須保留該組繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)；

(3)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中,假如氣缸B連續(xù)外伸數(shù)次，則安裝在其起始點(diǎn)的限位開(kāi)關(guān)b0及前進(jìn)端點(diǎn)的開(kāi)關(guān)b1，其中任意一個(gè)作為復(fù)位條件時(shí)，該組繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)同樣必須保留，以避免反向電流造成繼電器動(dòng)作不正確或使得電磁線圈被激磁.

因此為了簡(jiǎn)化電路，盡可能減少?gòu)?fù)現(xiàn)信號(hào)作為啟動(dòng)與復(fù)位的條件.綜上：方案1中復(fù)現(xiàn)信號(hào)B1、C1分別作為啟動(dòng)與復(fù)位的條件，而方案2中只有B1作為啟動(dòng)條件，可簡(jiǎn)化電路，因此該氣動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)化方案為：C1+B1+A-/B1-C1-D+C2+B2+A+/B2-C2-D-.

3.2 邏輯電路啟動(dòng)與復(fù)位條件

先根據(jù)電磁閥的得電需求和所觸發(fā)的信號(hào)元件，繪制分組、信號(hào)元件、時(shí)序三者的關(guān)系如圖6所示.

圖6 分組、信號(hào)元件與時(shí)序

圖6中，標(biāo)在動(dòng)作順序上方的信號(hào)元件為控制電路啟動(dòng)與復(fù)位的條件；標(biāo)在動(dòng)作順序下方的信號(hào)元件為執(zhí)行控制電路中各氣缸啟動(dòng)與復(fù)位的條件.

表1 邏輯電路的啟動(dòng)條件與復(fù)位條件

邏輯函數(shù)表示控制電路、執(zhí)行控制回路的邏輯關(guān)系，即可利用邏輯函數(shù)運(yùn)算，以簡(jiǎn)化電氣回路設(shè)計(jì)，而且可快速有效地避免干擾動(dòng)作或誤動(dòng)作.

3.3 電路邏輯函數(shù)

3.3.1 控制電路(換組電路)設(shè)計(jì)

串級(jí)法即控制回路隔離法：保證在任何時(shí)段，只能允許其中一組處于激活狀態(tài)，即各組按順序得電，并形成互鎖.由于繼電器常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)互鎖，因此，2個(gè)繼電器即可實(shí)現(xiàn)3級(jí)回路，則控制電路的邏輯函數(shù)如下.

(1)

(2)

(3)

3.3.2 執(zhí)行控制回路(各氣缸邏輯電路)設(shè)計(jì)

1.雙穩(wěn)態(tài)元件控制的A、D氣缸

A、D氣缸輸出動(dòng)作順序受到它們的運(yùn)動(dòng)位置及所觸發(fā)的行程開(kāi)關(guān)傳感器控制，按動(dòng)作順序完成回路設(shè)計(jì)，得到控制電路的邏輯函數(shù)如下：

A(+)=//·(B1·D1)=KA2·B1·D1 ，

(4)

A(-)=/·B1=KA1·B1 ，

(5)

D(+)=//·C0=KA2·C0 ，

(6)

(7)

2.單穩(wěn)態(tài)元件控制的B、C氣缸

單穩(wěn)態(tài)元件控制的氣缸若不同狀態(tài)分在不同的組別中，因跨級(jí)受電的解決方式不同.

方式一：增加繼電電器的自?；芈?/p>

根據(jù)單穩(wěn)態(tài)換向閥是否增加繼電器的自保電路的判定原則：

原則1:氣缸的往復(fù)動(dòng)作，例如B+、B-，分別被區(qū)分在相鄰的兩組中.例如Ⅰ和Ⅱ，Ⅱ和Ⅲ.

原則2：上述兩個(gè)動(dòng)作中的后一動(dòng)作，如B-又被區(qū)分在該組的開(kāi)頭.

若滿(mǎn)足判定原則，無(wú)須增加繼電器的自?；芈?若不滿(mǎn)足判定條件，則需增加繼電器的自?；芈?

方式二：將下一組別的控制信號(hào)維持至復(fù)位.

由圖6可知：B氣缸2次動(dòng)作均符合判定原則，無(wú)須增加繼電器的自保電路；C氣缸2次動(dòng)作均不符合判定原則，若采用方式一，則需增加2組繼電器的自保電路，增加電路的復(fù)雜性，故采用方式二.因此B、C氣缸邏輯電路函數(shù)：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

歸納上述分析，將電路邏輯函數(shù)整理如下：

(14)

(15)

A(+)=KA2·B1·D1 ，

(16)

A(-)=KA1·B1 ，

(17)

B(±)=(KA1+KA2·D1)·C1 ，

(18)

(19)

D(+)=KA2·C0 ，

(20)

(21)

從上述式子可知：B1、D1、C0多次使用，但是信號(hào)元件B1、D1、C0都只有1組常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)，因此分別用B1、D1、C0驅(qū)動(dòng)繼電器M2、M3、M4，擴(kuò)充觸點(diǎn)數(shù)目[10].雖然增加了繼電器數(shù)量，但是簡(jiǎn)化了控制電路及執(zhí)行控制電路的安裝及分段測(cè)試.

3.4 電路邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)換為電氣回路

依據(jù)電控回路與邏輯函數(shù)關(guān)系，將電氣回路中繼電器、電磁閥等電氣元件線圈的得電和失電，觸點(diǎn)的吸合和斷開(kāi)均看成邏輯控制變量，將該機(jī)械手的電路邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)換為電控回路如圖7所示，經(jīng)FluidSim_P軟件驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案能滿(mǎn)足氣動(dòng)機(jī)械手的控制要求.

圖7 氣動(dòng)機(jī)械手電氣控制回路

同時(shí)以YL-335B分揀站為例驗(yàn)證該優(yōu)化分組原則，分揀站動(dòng)作順序?yàn)椋築+D-A+B-C+B+A-D+B-C-，氣動(dòng)系統(tǒng)回路中A、B氣缸由單穩(wěn)態(tài)換向閥控制，C、D氣缸由雙穩(wěn)態(tài)換向閥控制.

原分組方案為：B1+D-A+/B1-C+/B2+A-D+/B2-C-；優(yōu)化的分組方案：B1+D-A+B1-C+/B2+A-D+B2-C-，電氣控制回路分別如圖8、9所示，并通過(guò)FluidSim_P軟件驗(yàn)證.

圖8 YL-035B分揀站優(yōu)化前電氣回路

圖9 YL-035B分揀站優(yōu)化后電氣回路

3.5 組數(shù)優(yōu)化比較分析

分別對(duì)比圖4與圖7以及圖8、9中的組數(shù)、繼電器數(shù)量和支路數(shù)量參數(shù)的變化率可知：兩組復(fù)雜電控程序的動(dòng)作順序的組數(shù)由4組分別改進(jìn)為3組和2組，繼電器量和電氣支路的數(shù)量也隨之優(yōu)化減少.如表2所示，當(dāng)電控系統(tǒng)分級(jí)的組數(shù)變化率越大，繼電器數(shù)量和支路數(shù)量下降比率越大.

表2 氣動(dòng)機(jī)械手改進(jìn)前后對(duì)比

4 結(jié) 論

例證表明，基于單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)換向閥的特性基礎(chǔ)上，以“組數(shù)越少越好”為優(yōu)化目標(biāo)，提出的優(yōu)化分級(jí)原則有效可行，結(jié)合邏輯運(yùn)算簡(jiǎn)化邏輯電路，設(shè)計(jì)周期短、簡(jiǎn)單高效、適用于復(fù)雜氣動(dòng)程序電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).雖然，復(fù)雜程序電控系統(tǒng)因動(dòng)作順序不同，優(yōu)化的程度不同，但總體上通過(guò)優(yōu)化分組方案及邏輯函數(shù)運(yùn)算能有效地降低設(shè)計(jì)周期，同時(shí)設(shè)計(jì)的電控回路邏輯清晰、可讀性好、便于安裝調(diào)試，同時(shí)故障診斷和排除簡(jiǎn)單、直觀，便于維護(hù).