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1 第16章气动控制回路的设计及应用实例 气动回路 一般气动回路 非时序逻辑系统 时序逻辑系统 气动回路的设计方法 试凑法 逻辑法 分组供气法 逻辑运算法 图解法 信号 动作线图法 卡诺图法 2 16 1气动非时序逻辑系统设计 表16 1是逻辑代数的几种基本运算 表16 2是逻辑代数的基本运算规律 卡诺图法 气动非时序逻辑系统的设计 逻辑代数法 逻辑代数变量 16 1 1逻辑代数法设计1 逻辑代数的基本运算及简化规律 0 1 输出有气 输出无气 气缸前进 气缸后退 3 4 5 2 逻辑函数及其简化控制系统的输入与输出之间的逻辑关系称为逻辑函数 逻辑函数的表写有两种方法 积和法 和积法 1 积和法积和法是将真值表中s 1的变量组中的各变量先求积 再求所有s 1的积式的和 在s 1的积和式中 变量为 1 则取该变量的本身 变量为 0 则取该变量的非 2 和积法和积法是将真值表中s 0变量组中的各变量先求和 再求所有s 0和式的积 在s 0和积式中 变量为 1 则取该变量的本身 变量为 0 则取该变量的非 6 7 16 2气动时序逻辑系统设计16 2 1概述气动时序逻辑系统是实现自动化广泛采用的一种控制方法 常见的行程程序控制就属于时序逻辑系统问题 其控制框图如图16 1所示 8 1 符号规定为了准确表达和描述气动程序动作 信号及它们之间的关系 必须用规定的符号和数字表示 1 符号规定1 用大写字母A B C D表示气缸 用下标 1 0 表示气缸活塞杆的 两种不同的状态 2 A气缸的主控阀也用A表示 3 主控阀两侧的气控信号称为执行信号 用A1 A0 表示 如A1 表示控制缸A伸出时的执行信号 A0 表示控制缸A收回时的执行信号 4 用带下标的小写字母a1 a0 b1 b0等分别表示与动作A1 A0 B1 B0等相对应的行程阀及其输出信号 9 5 行程阀的输出信号称为原始信号 图16 2气缸 行程阀 信号的符号及程序动作 相位 信号示意图 10 2 列出工作程序根据以上的符号规定 可以用程序式来表示行程程序气缸的动作顺序 如气缸的动作顺序为 A缸伸出 B缸伸出 B缸退回 A缸退回 用程序式表示则为 其中 q表示手动启动信号 a1 a0 b0 b1分别为气缸到位后由行程阀发出的原始信号 上述程序可以简化为 A1B1B0A0 11 2 行程程序的相位与状态 1 相位与状态程序式 A1B1B0A0 中有四个动作 这四个动作将整个程序分为四段 每一段称为一个相位 状态是指行程程序在气缸不同动作时行程阀输出信号的组合 2 程序 信号 状态表 12 3 程序的校核及校正 1 程序的校核判断行程程序是否标准 只需判断其程序 信号 相位状态表中的信号组合是否有重复项 有重复项则是非标准程序 无重复项则是标准程序 例16 2校核程序 A1B1C1A0C0B0 解 列程序 信号 相位状态表 如表16 5所示 13 例16 3校核程序 A1B1B0A0 解 列程序 信号 相位状态表 如表16 6所示 从表16 6可见 2相位的B1动作和4相位的A0动作由同一个信号组合a1b0控制 信号组合有重复项 该程序为非标准程序 14 1 记忆元件插入的位置应在信号组合两个重复点之间 以消除重复的组合信号 2 记忆元件插入的方案不是唯一的 应使插入的记忆元件尽量少 3 记忆元件应按 X1X0 X1Y1X0Y0 X1Y1Z1X0Y0Z0 的顺序插入 以防止因插入记忆元件产生新的重复信号组合 2 程序的校正程序校正应遵循以下原则 15 例16 4校正程序 A1B1B0A0 解 程序 信号 相位状态表 如表16 6所示 可见 该程序为非标准程序 校正后的新程序为 A1B1X1B0A0X0 校正后的程序 信号 相位状态表 如表16 7所示 可见 校正后信号组合无重复项 该程序为标准程序 16 下图所示为信号 动作线图法设计步骤 气动行程程序 标准程序 非标准程序 无障碍标准程序 有障碍标准程序 4 气动行程程序系统的分类及设计步骤 方法 气动行程程序的设计方法 信号 动作线图法 扩大卡诺图法 图16 3 17 16 2 2信号 动作线图设计法1绘制X D线图 1 画X D线图方格图 图16 4X D线图 18 2 画动作线 D线 动作线是指按程序动作从起点到终点的横线 动作线的起点用 表示 动作线的终点是在该动作的结束处 用 表示 3 画信号线 X线 信号线是指按程序顺序其信号从起点到终点的横线 信号线的起点是在该信号所控制动作的开始处开始 用 表示 信号线的终点是在产生该控制信号的动作的对立动作开始处结束 用 表示 2 确定障碍信号 1 利用X D线图确定障碍信号 2 区间号的方法 直观法快速判断 型障碍法这是一种不用画X D线图 直接从给定程序就可快速判别障碍信 19 4 确定执行信号按照上述方法将主控信号排除障碍信号后填入X D线图 双控执行信号表达式 一栏 另外应考虑程序启动信号q共同成为第一个动作的执行信号 应该注意的是 标准程序可以直接做X D线图 并用 逻辑与 排除障碍 非标准程序则必须先进行程序的校核与校正 插入记忆元件后 才可以做X D线图 并用 逻辑与 排除障碍 脉冲信号法 逻辑回路法 机械法 顺序与法 排除 型障碍信号的方法 3 型障碍信号的排除 20 16 2 3绘制气动控制系统逻辑原理图1 气动逻辑原理图的基本组成1 逻辑控制回路主要是用 或 与 非 记忆 等逻辑符号来表示 2 行程发信装置主要是行程阀 也包括启动阀 复位阀等 在各个控制信号上加上小方框表示各种原始信号而画在小方框上方的符号表示阀的操纵方式 3 执行元件 如气缸 的操纵由主控阀的输出表示 主控阀常采用双气控阀 可以用逻辑元件中的记忆符号表示 21 2 气动逻辑原理图的画法具体步骤如下 1 把系统中每个执行元件的两种状态与主控阀相连后 自上而下一个个画在图的右侧 2 把发信器 如行程阀 大致对应其所控制的执行元件 一个个画在图的左侧 3 在图上要反映出执行信号的逻辑表达式与逻辑符号之间的关系 并画出操作必须增加的阀 如启动阀 图16 5所示为程序 A1B1B0A0 的气动控制系统逻辑原理图 图16 5 22 16 2 4绘制气动控制系统回路原理图气动控制系统回路原理图绘制时应注意以下几点 1 要根据具体情况选用气阀 逻辑元件或射流元件来实现 2 回路原理图上行程阀等的供气及进出口连接位置 应按回路初始静止位置的状态连接 3 控制回路的连接一般用虚线表示 对较复杂的气控系统为防止连线过乱 建议用细实线代替虚线 4 与 或 非 记忆 等逻辑关系的连接 可按第十四章有关内容选用 5 绘制回路原理图时 应在图上写明工作程序对操作要求的说明 6 气控回路绘制时 习惯将系统全部执行元件都水平或垂直排列 执行元件下面画出相应的主控阀及控制阀 行程阀直观地画在气缸的活塞杆伸出 缩回对应的位置上 23 图16 6所示为程序 A1B1B0A0 的气动控制系统回路原理图 图16 6气动控制系统回路原理图 24 16 3气动系统的设计计算气动系统的设计与计算是气动系统总体设计的一部分 16 3 1气动系统的设计步骤 1 明确工作要求设计前一定要弄清楚主机对气动控制系统的要求 包括以下几个方面 1 运动和操作力的要求 主机的动作顺序 动作时间 运动速度及其可调范围 运动的平稳性 定位精度 操作力及联锁和自动化程度等 2 工作环境条件 温度 防尘 防爆 防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚 3 系统和机 电 液控制相配合的情况 及对气动系统的要求 25 2设计气控回路1 列出气动执行元件的工作程序 2 对程序进行校核及校正 写出校正后的程序 3 作X D线图 写出执行信号的逻辑表达式 4 画出系统的逻辑原理图 5 画出系统的气动回路原理图 26 3选择设计执行元件选择设计执行元件包括确定气缸或气马达的类型 安装方式 具体的结构尺寸 行程 密封形式 耗气量等 设计中要优先考虑选用标准规格的气缸 27 4选择控制元件1 确定控制元件的类型2 确定控制元件的通径控制元件的通流能力原则上可参阅表16 9 5气动辅件 分水滤气器 油雾器 消声器 28 6确定管道直径 计算压力损失 1 确定管道直径 根据下式计算管道内径 16 1 式中q 管道内压缩空气的流量m3 sv 管道内压缩空气的流速m s 2 计算压力损失 总的压力损失 沿程压力损失之和 局部压力损失之和 允许压力损失 29 30 7选择空压机选择空压机的依据是 空压机的供气压力和供气 1 计算空压机的供气量 q 空压机的供气量 利用系数 K1 漏损系数 K1 1 15 1 5 K2 备用系数 K2 1 2 1 6 一台设备在一个周期内的平均用气量 n 用气设备台数 2 计算空压机的供气压力 ps 空压机的供气压力 Pa p 系统压力 Pa 链接 16 3 2气动系统的设计计算举例 31 本例介绍的气控机械手模拟人手的部分动作 按预先给定的程序 轨迹和工艺要求实现自动抓取 搬运 完成工件的上料或卸料 为了完成这些动作 系统共有四个气缸 可在三个坐标内工作 其结构示意图如图16 11所示 图16 11气控机械手结构示意图 1 齿条2 齿轮 16 4气压传动系统实例 16 4 1气动控制机械手 32 上面的程序可以简写为 立柱下降 伸臂 夹紧工件 缩臂 立柱左回转 立柱上升 放开工件 立柱右回转即为 C0B1A0B0D1C1A1D0 1 经校核该程序为标准程序2 作X D线图 如图16 12a所示 3 绘逻辑原理图 如图16 12b所示 4 绘气动回路原理图 如图16 12c所示 图16 12a 33 图16 12X D线图法设计气动回路图 16 12b 16 12c 34 图16 13b所示为钻孔机的动作循环表 16 4 2钻孔机气动系统图16 13a所示是一种气动钻削头的钻孔专用机 其结构包括 回转工作台 两套夹具 两个气动钻削头 两个液体阻尼器 图16 13钻孔机及其气动控制系统 35 图16 14所示为钻孔机的气动控制回路 其工作过程如下 图16 14钻孔机的气动控制回路 36 16 3 2气动系统的设计计算举例例16 5设计某厂鼓风炉钟罩式加料装置气动系统 解 1 明确工作要求1 工作要求 加料机构如图16 7所示 ZA ZB分别为鼓风炉上 下两个料钟 顶料钟 底料钟 WA WB分别为顶 底料钟的配重 料钟平时处于关闭状态 A B分别为操纵顶 底料钟的气缸 该料钟具有手动与自动加料两种方式 自动加料 加料时 吊车把物料运来 顶钟ZA开启 卸料于两钟之间 然后延时发讯 使顶钟关闭 之后底钟开启 卸料到炉内 再延时关闭底钟 循环结束 2 运动要求 料钟开 闭一次的时间t 6s 缸行程s 600mm 行程末端平缓些 3 动力要求 顶部料钟打开的推FA 5 10 103N 底部料钟打开的作用力FB 2 4 104N 4 工作环境 环境温度30 40 灰尘较多 37 图16 7鼓风炉加料装置气动机构示意图 38 2 设计气控回路1 列出气动执行元件的工作程序设操纵顶料钟的气缸为A 气缸活塞杆外伸为A1 气缸活塞杆缩回为A0 操纵底料钟的气缸为B 气缸活塞杆外伸为B1 气缸活塞杆缩回为B0 则气动执行元件的工作程序为 延时延时加料吊车放罐压下阀 顶钟开 顶钟闭 底钟开 底钟闭即工作程序为 A1A0B0B1 39 2 对程序进行校核及校正 写出校正后的程序程序校核见表16 11 校正后的程序为 A1X1A0B0X0B1 40 3 作X D线图 写出执行信号的逻辑表达式X D线图见图16 8 41 4 画出系统的逻辑原理图系统的逻辑原理图见图16 9 但信号a1 b0应延时 图16 9逻辑原理图 42 5画出系统的气动回路原理图 43 3 选择 设计执行元件 气缸设计1 确定类型 根据题目要求 并考虑到气缸的受力 可采用两个单作用 缓冲型 中间摆轴式气缸 2 气缸内径计算 系统压力p 0 4MPa 气缸活塞杆平均速度 600 6 100mm s 效率 0 8 则顶部料钟气缸内径为 0 142 m 142 mm 若考虑 0 16 0 4 底部料钟气缸内径为 1 01 1 09 因炉体总体布置限制 底部料钟气缸的操作力为拉力 同时考虑缸径较大 前面系数取1 03 故底部料钟气缸内径为 1 03 0 318 m 318 mm 44 查 机械设计手册 取标准缸径 160mm 320mm 活塞杆直径dA 80mm 80mm 缸行程均为s 600mm 或者查表16 8 按0 4MPa时的作用力大小 查气缸直径 可得到样结果 3 选择气缸 气缸型号为 顶部料钟气缸A QGB 160 600MT4 底部料钟气缸B QGB 320 600MT4 4 验算气缸力的大小 顶部料钟气缸 底部料钟气缸 24000 N 5100 N 45 5 耗气量计算 取气缸的容积效率 0 9 气缸B的供气端是有杆腔 46 4 选择控制元件根据系统对控制元件工作压力及流量的要求 选定下列各阀 行程阀 逻辑阀 手动换向阀 延时阀等均为控制气路上的阀 所以可选通径较小的阀 此处通径选为6mm 1 主控换向阀 缸A主控换向阀 系统要求压力 0 4MPa 2 23 10 3m3 s 查表16 9 故通径为15mm 主控换向阀A型号为 23Q2 L15 G1 缸B主控换向阀 系统要求压力 0 4MPa 8 37 10 3m3 s 查表16 9 故通径为25mm 主控换向阀B型号为 23Q2 L25 G1 2 减压阀 根据系统要求的压力 流量 同时考虑A B缸不会同时工作的特点 减压阀可按流量 压力最大的缸 B缸 选取 选择气动三联件型号为 Q3LJW C25 F1 3 行程阀 a0 a1 b0 b1均为二位三通常闭杠杆滚轮式行程阀 型号为 23JC3 L6 47 4 逻辑阀 S选为二位五通双气控阀 型号为 25ZQ2 6G1 5 手动换向阀 q选为二位三通按钮式换向阀 型号为 Q23JR1 L6 6 延时阀 型号为 K23Y L6 T 5 选择辅助元件 辅助元件的选择要与减压阀相适应 前面已选气动三联件 所以只选择消声器的型号 消声器型号为 FXS L25 6 确定管道直径 计算压力损失1 确定管道直径 可按各管径与气动元件通径一致的原则初定各段管径 参见图16 7c oe段 管径取d 25mm 48 yo段 考虑到有两台鼓风炉同时工作 流量为供给两台鼓风炉流量之和 所以可得 252 252 d 35 4mm 取标准管径D 40mm 2 计算压力损失如图16 7c所示 因A缸的管路较B缸细 压力损失较大 所以验算供气管从y处到A缸进气口x处的压力损失是否在允许的范围内 即 49 1 沿程压力损失 式中 沿程阻力系数 值由雷诺数和管壁相对粗糙度确定 管道的长度 m d 管道直径 m v 气体的运动速度 m s 气体的密度 kg m3 在基准状态下 1 293kg m3 温度30 压力0 4MPa时 查得运动粘度 1 66 10 5m2 s 气体的密度为 50 51 52 53 流经元 辅件的压力损失 查表16 10得流经分水滤气器的压力损失 0 02MPa 流经油雾器的压力损失 0 015MPa 流经截止阀式换向阀的压力损失 0 015MPa 则流经元 辅件的局部