步進模塊法在全氣動回路設計中的應用

劉文婷

(聊城大學 機械與汽車工程學院， 山東 聊城 252059)

引言

常規的氣壓傳動系統設計需要根據負載特性分析確定回路方式及調壓方式，進而選擇調速方式及換向回路，不僅要為其設計氣動回路，還要結合電氣元件動作順序表設計相應的電路甚至是單片機或PLC軟硬件[1-6]。氣動邏輯控制是機器人和自動化生產線中廣泛應用的一種純氣動控制方式，包括非時序邏輯控制和時序邏輯控制兩類[7-9]。行程程序控制就屬于時序邏輯控制，常用的時序邏輯控制設計方法有信號動作狀態圖法和卡諾圖法，這兩種方法常用于設計標準行程程序[10-14]。而對于非標準行程程序，如果利用卡諾圖法進行設計，必須先做校核校正，將非標準行程程序轉化為標準行程程序才能進行設計。信號動作狀態圖法雖然可以不經程序校核校正直接設計行程程序，但設計者需要有一定的經驗，而且插入元件的情況不宜太復雜。步進模塊設計法無論行程程序是否標準，程序都能直接進行設計，無需進行程序的校核校正，而且對于多缸多往復行程程序及執行元件有并列動作的行程程序也適用， 是一種適用于時序邏輯設計的通用設計方法。

1 步進模塊設計法

1.1 步進模塊結構原理

步進模塊由1個雙壓閥和1個二位三通雙氣動換向閥組成，如圖1所示[15]。氣口1～4為輸入氣口，氣口5～7為輸出氣口。當氣口1，2同時有氣信號時，雙壓閥有輸出，換向閥切換后左位接入回路，使氣口5～7和接氣源的氣口3相通，氣口5～7有輸出。氣口5的輸出接前一個步進模塊的氣口4，使前一步進模塊的換向閥右位接入回路，各輸出氣口無輸出。氣口6的輸出控制動作的執行，當該動作執行完畢壓下行程閥后，后一個模塊的氣口2有輸入。氣口7的輸出氣接后一個模塊的氣口1。當后一個模塊的氣口1和2同時有氣信號時，本模塊換向閥右位工作無輸出，同時后一模塊控制的動作開始執行，如此循環以完成順序動作控制。

圖1 步進模塊結構原理圖

1.2 設計過程中的符號規定

執行元件一般有氣缸活塞桿的伸出與縮回兩種狀態。用大寫字母A，B，C等表示執行元件，用數字“1”和“0”分別表示執行元件在伸出、縮回狀態壓下的行程閥，下標數字“1”和“0”分別表示執行元件的伸出、縮回狀態。例如，A表示氣缸，則A0和A1分別表示A缸縮回與伸出，A0和A1分別表示A缸縮回、伸出時壓下的行程閥。用小寫字母和下標數字表示行程閥被壓下時發出的氣信號，例如，a0表示行程閥A0被壓下時發出的氣信號。

1.3 步進模塊設計法一般步驟

(1) 明確系統要求，列出動作行程程序。

(2) 配置步進模塊。根據上一步列出的動作行程程序，為每一個動作配置1個步進模塊，行程程序中有幾個動作就依次配置幾個步進模塊，使模塊①驅動動作一，使模塊②驅動動作二，以此類推。如果行程程序中有同時進行的并列動作，并列動作由同1個步進模塊驅動。

(3) 配置主控閥。根據上述動作行程程序，分析執行元件的數量，為每個執行元件各配置1個二位五通的雙氣動主控閥。

(4) 配置行程閥。分析動作程序中每一動作末壓下的行程閥，該行程閥壓下之后所發出的氣信號即為本動作的觸發信號，也是下一動作的驅動信號，該氣信號應與控制下一動作的步進模塊輸入氣口2相連，按照動作行程程序列出所有動作的驅動信號與觸發信號。

(5) 設計急停/復位回路。急停/復位回路如圖2所示，按下急停按鍵，原理圖中各步進模塊的氣口3通排氣孔，動作停止執行。按下復位按鍵，原理圖中各步進模塊的氣口3再次通氣源，從停止時的動作繼續執行。

圖2 急停/復位回路

(6) 設計模式選擇啟動回路。模式選擇啟動回路如圖3所示，由1個彈簧復位式換向閥和2個鋼球定位式換向閥組成，該回路連接在最后1個模塊的觸發信號與第1個模塊的氣口2之間，通過控制啟動閥接入回路的工作位置，能夠實現自動連續作業和手動單次作業兩種運行方式的切換。啟動閥左位接入回路時，操作手動閥可實現單次作業運行，啟動閥右位接入回路時，操作自動閥可實現自動連續作業運行。

圖3 模式選擇啟動回路

(7) 繪制氣動回路原理圖。在Fluid-SIM軟件繪圖區依次拖入所需數量的執行元件、二位五通雙氣動主控閥、步進模塊以及相應的行程閥。按照如圖1所示步進模塊的結構原理將各步進模塊相連，各模塊的氣口1接上1個模塊的氣口7，模塊的氣口2接上1個動作的觸發信號，模塊的氣口3接急停/復位回路的輸出氣信號，模塊的氣口4接下1個模塊的氣口5，模塊的氣口5接上1個模塊的氣口4，模塊的氣口6接控制該模塊所對應動作的主控閥控制管路，模塊的氣口7接下1個模塊的氣口1。最后1個模塊的下1個模塊是第1個模塊，為了保證正常啟動，最后1個模塊中的換向閥初始工作位置與其他模塊中的換向閥初始工作位置不同。然后，在繪圖區適當位置分別繪制如圖2所示的急停/復位回路與如圖3所示的模式選擇啟動回路，并將這2個回路接入原理圖。最后，為繪圖區中的各主控閥和行程閥接通氣源。繪圖完畢之后，可在軟件中運行仿真以驗證所繪制的氣動回路原理圖正確與否。

采用步進模塊設計法繪圖過程中需要注意，系統中有幾個執行元件，就需要配置幾個二位五通的雙氣動主控閥，主控閥的驅動信號來自步進模塊的輸出氣口6。對于多缸多往復行程程序設計，需要在步進模塊的氣口6與主控閥的驅動信號管路之間安裝梭閥以使行程程序中每個步進模塊都能按照預先設定的順序控制其對應的動作。對于有并列動作的行程程序設計，需要在控制這2個動作的步進模塊輸出氣口6上加三通閥,使該氣口同時和控制這2個動作的主控閥控制管路相通。

2 多缸單往復行程程序設計實例

以常見的非標準程序[A1B1B0A0]為例，用步進模塊法設計其氣動回路原理圖。

由給定的行程程序可知，要設計的氣動回路有2個執行元件，需要完成4個動作一循環的工作任務，因此需要在回路中配置2個主控閥和4個步進模塊。其動作信號程序如圖4所示，按下啟動開關，A缸伸出壓下行程閥A1發出氣信號a1后，第2個動作開始執行，B缸伸出壓下行程閥B1發出氣信號b1后，第3個動作開始執行，B缸退回壓下行程閥B0發出氣信號b0后，第4個動作開始執行，A缸退回壓下行程閥A0發出氣信號a0后，1個工作循環執行完畢。每個動作的驅動信號與觸發信號如表1所示。

圖4 多缸單往復動作信號程序

表1 多缸單往復時各動作的驅動與觸發信號

Fluid-SIM軟件不僅可以設計氣動回路原理圖，還可通過仿真驗證設計的正確性[16-21]。按照上述1.3節中繪制氣動回路原理圖的方法，利用Fluid-SIM軟件所設計的非標準程序[A1B1B0A0]的氣動回路原理圖如圖5所示，仿真曲線如圖6所示。曲線表明，各執行元件能夠按照預設的順序依次動作，驗證了回路的正確性。

圖5 多缸單往復行程程序氣動回路原理圖

圖6 多缸單往復行程程序氣動回路圖仿真曲線

3 多缸多往復行程程序設計實例

以行程程序[A1B1B0B1B0A0]為例，用步進模塊法設計其氣動回路原理圖。

由給定的行程程序可知，要設計的氣動回路有2個執行元件，需要完成6個動作一循環的工作任務，因此需要在回路中配置2個主控閥和6個步進模塊。其動作信號程序如圖7所示，按下啟動開關，A缸伸出壓下行程閥A1發出氣信號a1后，第2個動作開始執行；B缸伸出壓下行程閥B1發出氣信號b1后，第3個動作開始執行；B缸退回壓下行程閥B0發出氣信號b0后，第4個動作開始執行；B缸伸出壓下行程閥B1發出氣信號b1后，第5個動作開始執行；B缸退回壓下行程閥B0發出氣信號b0后，第6個動作開始執行；A缸退回壓下行程閥A0發出氣信號a0后，1個工作循環執行完畢。每1個動作的驅動信號與觸發信號如表2所示。其中B缸伸出和B缸退回的動作在1個工作循環中各執行2次，此時需要在控制這2個動作的主控閥控制管路上各連接1個梭閥，以使每個模塊都能按預設的順序控制其對應的動作。

圖7 多缸多往復動作信號程序

表2 多缸多往復時各動作的驅動與觸發信號

按照步進模塊法設計的氣動回路原理圖如圖8所示，仿真曲線如圖9所示。曲線表明，各執行元件能夠按照預設的順序依次動作，驗證了回路的正確性。

圖8 多缸多往復行程程序氣動回路原理圖

圖9 多缸多往復行程程序氣動回路圖仿真曲線

4 有并列動作的行程程序設計實例

以行程程序[A1(B1C1)(B0C0)A0]為例，用步進模塊法設計其氣動回路原理圖。

由給定的行程程序可知，要設計的氣動回路有3個執行元件，需要完成6個動作一循環的工作任務，其中B缸伸出與C缸伸出的動作并列執行，B缸退回與C缸退回的動作也并列執行，并列執行的動作由1個步進模塊同時控制。因此需要在回路中配置3個主控閥和4個步進模塊，其動作信號程序如圖10所示。

圖10 有并列動作的動作信號程序

根據圖10所示的動作信號程序，系統工作的動作循環為：按下啟動開關，A缸伸出壓下行程閥A1發出氣信號a1后， B缸伸出C缸伸出并列執行且行程閥B1，C1被壓下發出信號b1和c1后，B缸退回C缸退回并列執行且行程閥B0，C0被壓下發出信號b0和c0后，A缸退回壓下行程閥A0發出氣信號a0后，1個工作循環執行完畢。每個動作的驅動信號與觸發信號如表3所示。

表3 有并列動作時各動作的驅動與觸發信號

因為并列執行的動作由同1個模塊控制，故該模塊的輸出氣口6應通過三通閥將氣信號分別送至控制并列動作的主控閥各自的控制管路中。并列執行的動作都壓下行程閥后，下1個動作才執行，因此，行程閥B1，C1和行程閥B0，C0發出的氣信號經過雙壓閥后才能作為驅動信號和下1個模塊的氣口2相連。按照步進模塊法設計的氣動回路原理圖如圖11所示，仿真曲線如圖12所示。曲線表明，各執行元件能夠按照預設的順序依次動作，驗證了回路的正確性。

圖11 有并列動作的行程程序氣動回路原理圖

圖12 有并列動作的行程程序氣動回路圖仿真曲線

5 結論

信號動作狀態圖法與卡諾圖法是目前使用較廣的氣動行程程序設計方法，這兩種設計方法都需要設計者熟練掌握邏輯代數知識并熟悉氣動邏輯元件的應用，才能完成校核標準程序、判斷排除障礙信號、找出執行信號并畫出邏輯原理圖等一系列中間環節的設計任務。步進模塊設計法只需要按照設計要求提煉出執行元件的動作程序，分析出每個動作的觸發信號與驅動信號，遵循幾個動作配置幾個步進模塊(并列動作視為1個動作由1個步進模塊驅動)、幾個執行元件配置幾個主控閥的原則，在軟件繪圖區依次拖入所需元件，按照一定的步進關系正確連接管路即可保證回路的正確性。設計過程簡便通用，既可用于標準行程程序的設計，也可用于多缸多往復和有并列動作的非標準行程程序的設計，為同領域的工程技術人員解決實際問題提供了一種快速的設計方法。