多缸純氣動控制系統障礙信號消除原理分析

周欽河

（廣東水利電力職業技術學院機械工程系，廣東 廣州 510925）

多缸純氣動控制系統障礙信號消除原理分析

周欽河

（廣東水利電力職業技術學院機械工程系，廣東 廣州 510925）

多缸順序動作純氣動系統常常存在障礙信號，針對目前延時閥脈沖消障法存在的脈沖寬度難以調節、時間精度較差等不足，本文分析多缸純氣動控制系統障礙信號消除原理，利用步進控制思路，提出一種基于步進脈沖的氣動控制系統障礙信號消除方法，并設計其內部結構，應用于多缸純氣動控制系統。通過FluidSIM軟件，分別對采用步進脈沖法和延時脈沖法消除障礙信號進行仿真，仿真結果表明：只需采用氣動步進脈沖行程閥代替普通行程閥，即可直接消除障礙信號，無需進行復雜分析或增加記憶元件，且適用于不同行程與運動速度的氣動系統。采用該方法進行障礙信號消除快捷、直觀、結構簡單且成本較低，簡化多缸純氣動控制系統設計。

純氣動系統；障礙信號；消除原理

0 引言

多缸純氣動控制系統因具有防火、防爆、防潮能力，廣泛應用于環境惡劣的場合[1-2]。在多缸順序動作純氣動系統中，氣缸動作的滯后特性強，與驅動信號不同步[3]。在氣缸切換動作時，若主控閥兩端同時存在驅動信號，將導致換向閥無法換向，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-動作圖法等，其中試湊法利用經驗嘗試不同的信號來消障，調試時間較長，適合于簡單回路[4-5]；脈沖信號法通常采用延時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]；串級法分級獨立供氣隔離主控閥兩端驅動信號，若級數較多，則記憶元件與輸出管路呈指數增長[8]；信號-動作圖法通過繪制信號、動作線圖精確定位障礙信號，結合與門互鎖消除障礙信號，適用于復雜系統設計，但設計周期較長[9-10]。本文分析了多缸純氣動控制系統障礙信號的消除機理，結合行程閥與脈沖閥，將障礙信號變成脈沖信號，利用步進控制思路提出氣動步進脈沖行程閥機理，該方法直觀、快捷、成本低，實現純氣動控制系統快速設計。

1 障礙信號消除原理分析

障礙信號在回路中具體表現為換向閥兩端同時存在驅動信號，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為某純氣動控制系統及其信號-動作圖。如圖1（a）所示，當氣缸執行伸出動作B1到b1時，此時雖然行程閥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存在信號，無法實現下一動作B0，a1為障礙信號。圖1（b）為該控制系統的信號-動作圖，障礙信號表現為同組中信號線比動作線長，長的部分為障礙段。

可以采用縮短障礙信號的存在時間，去掉障礙段以消除障礙信號，使其變為無障礙的執行信號去控制主換向閥。消除障礙后的執行信號必須滿足兩個條件：1）起點不能變，否則無法準確驅動同組動作；2）執行信號線不能長于所控制的動作線。

脈沖信號消障法是在產生障礙信號的行程閥回路中串聯常通型延時閥，延時斷開障礙信號，將其變成脈沖信號。如圖2所示，延時閥在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不同氣缸的行程與運動速度進行調節，時間精度較差，難以滿足現代工業控制中高精度的要求，因此，有必要開發結構簡單、運行可靠、控制精準的脈沖行程閥。

圖1 障礙信號在回路和信號-動作圖中表現形式

2 氣動步進脈沖障礙信號消除實現

圖3為氣動步進脈沖閥機理與障礙信號消除原理圖。氣動步進脈沖障礙信號消除原理如圖3（a）所示，由一個行程閥與一個氣動閥串聯組成，進氣口P接氣源，行程閥被壓下則產生原始驅動信號S1，即圖3（b）中的信號①；氣動閥導通控制口K1接上一步動作的執行信號，截止控制口K2接下一步動作的執行信號，即圖3（b）中的信號②；兩個閥串聯后輸出最終的執行信號S2，即圖3（b）中的信號③。

圖2 采用常通型延時閥產生脈沖信號的消障回路

氣動步進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不會長于其驅動的動作線，障礙信號消除。

根據圖3（a），可以設計如圖4所示的氣動步進脈沖行程閥[12]。該步進脈沖行程閥由閥體1、滑閥芯2、行程桿3、彈簧4、球閥芯5和彈簧6組成，包括進氣口P、導通控制口K1、截止控制口K2、行程閥正常出氣口S1、步進脈沖出氣口S2以及排氣口O。

根據圖3（b），該氣動步進脈沖行程閥消除障礙信號的工作機理為：

1）滑閥芯2可以在閥體1中滑動，其左右兩個端面分別對應導通控制口K1、截止控制口K2，由導通控制口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位置：①當滑閥芯2處于右位時，步進脈沖出氣口S2與行程閥正常出氣口S1之間截止；②當滑閥芯2處于左位時，步進脈沖出氣口S2與行程閥正常出氣口S1之間導通。

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的作用下可以復位：①行程桿3在原位時，球閥芯5在彈簧6作用下封住閥口，使進氣口P與行程閥正常出氣口S1之間截止；②當行程桿3被按下時，行程桿3進一步按壓球閥芯5，封住的閥口被打開，使進氣口P與行程閥正常出氣口S1之間導通。

圖3 氣動步進脈沖閥機理與障礙信號消除原理圖

3）當上一步動作開始時，導通控制口K1有信號輸入，步進脈沖出氣口S2與行程閥正常出氣口S1之間導通，行程閥處于準備狀態。當上一步動作完成時，壓下行程桿3，行程閥導通，步進脈沖出氣口S2、行程閥正常出氣口S1均有輸出，其中步進脈沖出氣口S2作為執行信號控制該步動作，行程閥正常出氣口S1可以輸出控制上一步執行信號結束。當該步動作完成時，截止控制口K2有信號輸入，行程閥截止，該步執行信號結束，從而精確消除主控換向閥一端的障礙信號，使其能夠順利切換位置。該行程閥結構簡單，使用方便，能夠精準消除障礙信號，實現精確控制。

圖5 障礙信號消除方法在鉆床多缸純氣動控制系統的應用

3 應用例

圖5是該障礙信號消除方法在鉆床氣動控制回路中的具體應用實例，其氣缸工作流程為“A1B1B0A0”。行程閥正常出氣口S1無外接氣管時，可將該口堵塞。通過FluidSIM軟件仿真，圖6為該系統的氣缸動作狀態圖，可以看出，動作迅速，系統運行正常。用該氣動步進脈沖行程閥代替普通行程閥，即可直接消除障礙信號，無需進行復雜分析和增加記憶元件，結構簡單。如果將氣動步進脈沖行程閥換成延時閥與行程閥組合（如圖2所示），則延時閥開口的調節對氣缸動作周期影響較大，如圖7所示。其脈沖寬度需要根據不同氣缸的行程與運動速度進行調節，時間精度較差。

圖6 采用步進脈沖行程閥消除障礙信號后氣缸狀態圖

圖7 采用延時閥消除障礙信號后氣缸狀態圖

4 結束語

本文分析了多缸純氣動控制系統障礙信號的消除原理，利用步進控制思路，提出一種基于步進脈沖的氣動控制系統障礙信號消除方法，利用上一步動作與下一步動作的執行信號來控制當前信號的導通與截止，保證該信號線長度一定不會超過其驅動的動作線，從而消除障礙信號；設計一種新的氣動步進脈沖行程閥并應用于鉆床多缸氣動系統。該障礙信號的消除原理可以精準消除主控換向閥一端的障礙信號，簡化了多缸純氣動控制系統設計。

[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，王學影，等.雙通道氣液壓力機的設計研制[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改進控制策略研究[J].現代制造工程，2015（5）：120-125.

[5]屈圭，吳曉丹，曾豪華.煤礦用機械手全氣動控制系統設計[J].液壓與氣動，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設計[J].包裝與食品機械，2009，27（2）：24-26.

[7]馬曉明.基于X_D線圖的多缸多往復氣動回路設計[J].制造技術與機床，2011（5）：75-78.

[8]葉金玲，周欽河，賴乙宗.自動化生產線機械手全氣動控制系統設計[J].制造技術與機床，2014（4）：79-82.

[9]劉婷婷，關波.比例閥測試系統的設計與實現[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.液壓與氣動技術[M].安徽：合肥工業大學出版社，2012.

[12]周欽河.一種氣動步進脈沖行程閥：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，研究方向為機電一體化。