多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號消除原理分析

周欽河

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東 廣州 510925）

多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號消除原理分析

周欽河

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東 廣州 510925）

多缸順序動(dòng)作純氣動(dòng)系統(tǒng)常常存在障礙信號，針對目前延時(shí)閥脈沖消障法存在的脈沖寬度難以調(diào)節(jié)、時(shí)間精度較差等不足，本文分析多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號消除原理，利用步進(jìn)控制思路，提出一種基于步進(jìn)脈沖的氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號消除方法，并設(shè)計(jì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)。通過FluidSIM軟件，分別對采用步進(jìn)脈沖法和延時(shí)脈沖法消除障礙信號進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：只需采用氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥代替普通行程閥，即可直接消除障礙信號，無需進(jìn)行復(fù)雜分析或增加記憶元件，且適用于不同行程與運(yùn)動(dòng)速度的氣動(dòng)系統(tǒng)。采用該方法進(jìn)行障礙信號消除快捷、直觀、結(jié)構(gòu)簡單且成本較低，簡化多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

純氣動(dòng)系統(tǒng)；障礙信號；消除原理

0 引言

多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)因具有防火、防爆、防潮能力，廣泛應(yīng)用于環(huán)境惡劣的場合[1-2]。在多缸順序動(dòng)作純氣動(dòng)系統(tǒng)中，氣缸動(dòng)作的滯后特性強(qiáng)，與驅(qū)動(dòng)信號不同步[3]。在氣缸切換動(dòng)作時(shí)，若主控閥兩端同時(shí)存在驅(qū)動(dòng)信號，將導(dǎo)致?lián)Q向閥無法換向，因此該障礙信號必須消除。消除障礙信號常用方法有試湊法、脈沖信號法、串級法與信號-動(dòng)作圖法等，其中試湊法利用經(jīng)驗(yàn)嘗試不同的信號來消障，調(diào)試時(shí)間較長，適合于簡單回路[4-5]；脈沖信號法通常采用延時(shí)閥將障礙信號變成脈沖信號，原理簡單，但需要增加硬件成本[6-7]；串級法分級獨(dú)立供氣隔離主控閥兩端驅(qū)動(dòng)信號，若級數(shù)較多，則記憶元件與輸出管路呈指數(shù)增長[8]；信號-動(dòng)作圖法通過繪制信號、動(dòng)作線圖精確定位障礙信號，結(jié)合與門互鎖消除障礙信號，適用于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)周期較長[9-10]。本文分析了多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號的消除機(jī)理，結(jié)合行程閥與脈沖閥，將障礙信號變成脈沖信號，利用步進(jìn)控制思路提出氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥機(jī)理，該方法直觀、快捷、成本低，實(shí)現(xiàn)純氣動(dòng)控制系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)。

1 障礙信號消除原理分析

障礙信號在回路中具體表現(xiàn)為換向閥兩端同時(shí)存在驅(qū)動(dòng)信號，若先到信號影響后到信號，使換向閥無法換向，先到信號即為障礙信號[11]。圖1為某純氣動(dòng)控制系統(tǒng)及其信號-動(dòng)作圖。如圖1（a）所示，當(dāng)氣缸執(zhí)行伸出動(dòng)作B1到b1時(shí)，此時(shí)雖然行程閥b1有信號到主換向閥右位，但左位先到的a1信號未消失，使得換向閥兩端同時(shí)存在信號，無法實(shí)現(xiàn)下一動(dòng)作B0，a1為障礙信號。圖1（b）為該控制系統(tǒng)的信號-動(dòng)作圖，障礙信號表現(xiàn)為同組中信號線比動(dòng)作線長，長的部分為障礙段。

可以采用縮短障礙信號的存在時(shí)間，去掉障礙段以消除障礙信號，使其變?yōu)闊o障礙的執(zhí)行信號去控制主換向閥。消除障礙后的執(zhí)行信號必須滿足兩個(gè)條件：1）起點(diǎn)不能變，否則無法準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)同組動(dòng)作；2）執(zhí)行信號線不能長于所控制的動(dòng)作線。

脈沖信號消障法是在產(chǎn)生障礙信號的行程閥回路中串聯(lián)常通型延時(shí)閥，延時(shí)斷開障礙信號，將其變成脈沖信號。如圖2所示，延時(shí)閥在b1信號到來之前將a1信號斷開，保證主換向閥順利換向。

采用該方法消除障礙信號，其脈沖寬度需要根據(jù)不同氣缸的行程與運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，時(shí)間精度較差，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中高精度的要求，因此，有必要開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制精準(zhǔn)的脈沖行程閥。

圖1 障礙信號在回路和信號-動(dòng)作圖中表現(xiàn)形式

2 氣動(dòng)步進(jìn)脈沖障礙信號消除實(shí)現(xiàn)

圖3為氣動(dòng)步進(jìn)脈沖閥機(jī)理與障礙信號消除原理圖。氣動(dòng)步進(jìn)脈沖障礙信號消除原理如圖3（a）所示，由一個(gè)行程閥與一個(gè)氣動(dòng)閥串聯(lián)組成，進(jìn)氣口P接氣源，行程閥被壓下則產(chǎn)生原始驅(qū)動(dòng)信號S1，即圖3（b）中的信號①；氣動(dòng)閥導(dǎo)通控制口K1接上一步動(dòng)作的執(zhí)行信號，截止控制口K2接下一步動(dòng)作的執(zhí)行信號，即圖3（b）中的信號②；兩個(gè)閥串聯(lián)后輸出最終的執(zhí)行信號S2，即圖3（b）中的信號③。

圖2 采用常通型延時(shí)閥產(chǎn)生脈沖信號的消障回路

氣動(dòng)步進(jìn)脈沖障礙信號消除原理如圖3（b）所示，信號③由信號①和信號②相與而來，這樣保證信號③不會長于其驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作線，障礙信號消除。

根據(jù)圖3（a），可以設(shè)計(jì)如圖4所示的氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥[12]。該步進(jìn)脈沖行程閥由閥體1、滑閥芯2、行程桿3、彈簧4、球閥芯5和彈簧6組成，包括進(jìn)氣口P、導(dǎo)通控制口K1、截止控制口K2、行程閥正常出氣口S1、步進(jìn)脈沖出氣口S2以及排氣口O。

根據(jù)圖3（b），該氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥消除障礙信號的工作機(jī)理為：

1）滑閥芯2可以在閥體1中滑動(dòng)，其左右兩個(gè)端面分別對應(yīng)導(dǎo)通控制口K1、截止控制口K2，由導(dǎo)通控制口K1、截止控制口K2的輸入信號控制滑閥芯2處于右位或左位兩個(gè)位置：①當(dāng)滑閥芯2處于右位時(shí)，步進(jìn)脈沖出氣口S2與行程閥正常出氣口S1之間截止；②當(dāng)滑閥芯2處于左位時(shí)，步進(jìn)脈沖出氣口S2與行程閥正常出氣口S1之間導(dǎo)通。

2）行程桿3在外力作用下可以被按下，外力撤去后在彈簧4的作用下可以復(fù)位：①行程桿3在原位時(shí)，球閥芯5在彈簧6作用下封住閥口，使進(jìn)氣口P與行程閥正常出氣口S1之間截止；②當(dāng)行程桿3被按下時(shí)，行程桿3進(jìn)一步按壓球閥芯5，封住的閥口被打開，使進(jìn)氣口P與行程閥正常出氣口S1之間導(dǎo)通。

圖3 氣動(dòng)步進(jìn)脈沖閥機(jī)理與障礙信號消除原理圖

3）當(dāng)上一步動(dòng)作開始時(shí)，導(dǎo)通控制口K1有信號輸入，步進(jìn)脈沖出氣口S2與行程閥正常出氣口S1之間導(dǎo)通，行程閥處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)上一步動(dòng)作完成時(shí)，壓下行程桿3，行程閥導(dǎo)通，步進(jìn)脈沖出氣口S2、行程閥正常出氣口S1均有輸出，其中步進(jìn)脈沖出氣口S2作為執(zhí)行信號控制該步動(dòng)作，行程閥正常出氣口S1可以輸出控制上一步執(zhí)行信號結(jié)束。當(dāng)該步動(dòng)作完成時(shí)，截止控制口K2有信號輸入，行程閥截止，該步執(zhí)行信號結(jié)束，從而精確消除主控?fù)Q向閥一端的障礙信號，使其能夠順利切換位置。該行程閥結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能夠精準(zhǔn)消除障礙信號，實(shí)現(xiàn)精確控制。

圖5 障礙信號消除方法在鉆床多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3 應(yīng)用例

圖5是該障礙信號消除方法在鉆床氣動(dòng)控制回路中的具體應(yīng)用實(shí)例，其氣缸工作流程為“A1B1B0A0”。行程閥正常出氣口S1無外接氣管時(shí)，可將該口堵塞。通過FluidSIM軟件仿真，圖6為該系統(tǒng)的氣缸動(dòng)作狀態(tài)圖，可以看出，動(dòng)作迅速，系統(tǒng)運(yùn)行正常。用該氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥代替普通行程閥，即可直接消除障礙信號，無需進(jìn)行復(fù)雜分析和增加記憶元件，結(jié)構(gòu)簡單。如果將氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥換成延時(shí)閥與行程閥組合（如圖2所示），則延時(shí)閥開口的調(diào)節(jié)對氣缸動(dòng)作周期影響較大，如圖7所示。其脈沖寬度需要根據(jù)不同氣缸的行程與運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，時(shí)間精度較差。

圖6 采用步進(jìn)脈沖行程閥消除障礙信號后氣缸狀態(tài)圖

圖7 采用延時(shí)閥消除障礙信號后氣缸狀態(tài)圖

4 結(jié)束語

本文分析了多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號的消除原理，利用步進(jìn)控制思路，提出一種基于步進(jìn)脈沖的氣動(dòng)控制系統(tǒng)障礙信號消除方法，利用上一步動(dòng)作與下一步動(dòng)作的執(zhí)行信號來控制當(dāng)前信號的導(dǎo)通與截止，保證該信號線長度一定不會超過其驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作線，從而消除障礙信號；設(shè)計(jì)一種新的氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥并應(yīng)用于鉆床多缸氣動(dòng)系統(tǒng)。該障礙信號的消除原理可以精準(zhǔn)消除主控?fù)Q向閥一端的障礙信號，簡化了多缸純氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

[1]SUCHSLAND J，WINTER T，GREISER A，et al.Extending laboratory automation to the wards：effect of an innovative pneumatic tube system on diagnostic samples and transport time[J].Clinical Chemistry and Laboratory Medicine，2017，55（2）：225-230.

[2]張俊鑫，范偉軍，王學(xué)影，等.雙通道氣液壓力機(jī)的設(shè)計(jì)研制[J].中國測試，2016，42（4）：75-80.

[3]TANG L，WANG J D.Estimation of the most critical parameter for the two-movement method to compensate for oscillations caused by control valve stiction[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology，2016，24（5）：1869-1874.

[4]張建成，毛智勇，劉建.閥控不對稱液壓缸系統(tǒng)改進(jìn)控制策略研究[J].現(xiàn)代制造工程，2015（5）：120-125.

[5]屈圭，吳曉丹，曾豪華.煤礦用機(jī)械手全氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2009（8）：27-31.

[6]林榮川，魏莎莎.多氣缸順序回路信號障礙消除及程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝與食品機(jī)械，2009，27（2）：24-26.

[7]馬曉明.基于X_D線圖的多缸多往復(fù)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（5）：75-78.

[8]葉金玲，周欽河，賴乙宗.自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手全氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014（4）：79-82.

[9]劉婷婷，關(guān)波.比例閥測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國測試，2014，40（2）：86-89.

[10]LI J X，ZHAO S D.Optimization of valve opening process for the suppression of impulse exhaust noise[J]. Journal of Sound and Vibration，2017（389）：24-40.

[11]周欽河，葉金玲.液壓與氣動(dòng)技術(shù)[M].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[12]周欽河.一種氣動(dòng)步進(jìn)脈沖行程閥：CN105221511A[P]. 2016-01-06.

（編輯：商丹丹）

Analysis of obstacle signal elim ination princip le for multi-cylinder pure pneumatic control system

ZHOU Qinhe
（Department of Mechanical Engineering，Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，China）

Obstacle signal always exists in multi-cylinder sequential action pure pneumatic system. There were several shortcomings in time-delay valve pulse obstacle signal elimination method，such as poor pulse width applicability and time inaccuracy.Based on the analysis of obstacle signal elimination principle for multi-cylinder pure pneumatic control system，this paper presented a obstacle signal elimination method based on step control for pneumatic control system.Its internal structure was designed and applied to the multi-cylinder pure pneumatic control system.By using FluidSIM software，obstacle signal elimination method was simulated respectively based on step pulse method and delay-time pulse method.The results show that obstacle signal can be directly eliminated only by replacing common stroke valve with pneumatic stepping pulse stroke valve，without complex analysis or increasing memory elements，and it is suitable for pneumatic systems with different strokes and movement speeds.With this method，it is simple and fast to intuitively eliminate the obstacle signal with features such as simple structure and low cost，which simplifies the design of multi-cylinder pure pneumatic control system.

pure pneumatic system；obstacle signal；elimination principle

A

1674-5124（2017）05-0115-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.024

2017-02-03；

2017-03-10

周欽河（1975-），男，廣東潮州市人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。