液压与气压传动 第12-13章气动回路的设计与应用实例

1、1 第第12章章 气动控制回路的设计及应气动控制回路的设计及应 用实例用实例 气动技术是实现工业生产机械化、自动化的方 式之一。由于气压传动本身所具有的独特优点，所以 应用日益广泛。前几章已经介绍了气动元件、辅件、 气动基本回路等知识，本章将在前几章的基础上，对 所学知识加以应用，达到正确设计气动系统并选用气 动元件、辅件的目的。 气动回路包括一般气动回路、非时序逻辑系统、 时序逻辑系统。非时序逻辑系统是指输入变量取值是 随机的，没有时间顺序，系统输出只与输入变量的组 合有关，与变量取值的先后顺序无关。时序逻辑系统 是指系统的输入信号不是随机的，而是有序的，整个 系统按一定的顺序进行，具有时序

2、的要求，也称“顺 序控制系统”。 思考题思考题 与习题与习题 13.2 气压气压 传动传动 系统实例系统实例 13.1 气动气动 系统的系统的 设计计算设计计算 12.2 气动气动 时序逻辑时序逻辑 系统设计系统设计 12.1 气动气动 非时序非时序 逻辑系统逻辑系统 设计设计 2 气动回路的设计方法可以分为以下几种： 1. 试凑法 该方法是将选用的气动基本回路、常用回路试凑在一 起组成控制回路，然后分析是否能满足设计要求。如不能 满足要求，则要修改或另选回路，直到满足设计要求为止。 此法是液压回路常用的设计方法，设计气动回路也可以参 照使用。 2. 逻辑法 逻辑运算法：该方法是根据控制要求，

3、直接应用逻辑代 数进行计算化简。但计算过程较复杂，对于复杂的控 制回路不易得到最佳结果。 图解法：该方法是利用逻辑代数的特性，把复杂的计算 用图解的方法表示出来，如信号动作线图法（XD 线图）、卡诺图法等。 3. 分组供气法 该方法是在控制回路中，增加若干个控制元件对行程 阀采用分组供气的方式。产生障碍时，可切断障碍信号的 气源，防止障碍的产生。此法对单往复系统应用比较方便。 回首页 3 12.1 气动非时序逻辑系统设计气动非时序逻辑系统设计 “逻辑”一词英文中是Logic，表示思维的规律。这 类问题常见的有对数个参数进行控制的报警回路、根据检 测信号进行分选的气控回路等。气动非时序逻辑系统的

4、设 计有两种方法：逻辑代数法、卡诺图法。 12.1.1 逻辑代数法设计逻辑代数法设计 1. 逻辑代数的基本运算及简化规律 逻辑代数中的变量只取“0”、“1”两个值，它们表示 相互独立的两个状态。一般可用“1”表示输出“有气”， 用“0”表示输出“无气”，也可以用“1”表示气缸“前 进”，用“0”表示气缸“后退”。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。 回首页 4 回首页 5 回首页 6 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。 如a、b为输入，s为输出，则s=a+b表示的是 a、b、s之间 的逻辑关系，即为逻辑函数。反之，由已

5、知的真值表得到 逻辑函数称为逻辑函数的表写。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。 回首页 7 例12-1 已知逻辑函数的真值表如表12-3所示，用 积和法求其逻辑函数。表表12-3 逻辑函数真值表逻辑函数真值表 解：（1）利用积和法求 取

6、表6-3中s=1的对应项： 、 、 、 abc， 求各积式的和： s= =bc+ac+ab (2) 利用和积法求 取表6-3中s=0的对应 项： 、 、 、 ， 求各积式的积： s=( )( )( )( ) =ab+ac+bc abc abcabc abcabcabcabc cba cba cba cba cba cba cba cba 回首页 8 12.1.2 卡诺图法卡诺图法 卡诺图法是一种简化逻辑函数的图解方法。这种方法 用一些和变量有关的方格组成的矩阵来表示逻辑函数，每 一个方格代表“横”、“纵”变量的逻辑“与”函数。卡 诺图法可以直接写出简化后的逻辑函数式，避免了复杂的 逻辑运算。具

7、体简化方法可参见有关文献。 回首页 9 12.2 气动时序逻辑系统设计气动时序逻辑系统设计 12.2.1 概述逻辑控制回路放大器转换器执行元概述逻辑控制回路放大器转换器执行元 件被控对象外部指令或信号行程发信器件被控对象外部指令或信号行程发信器 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。 回首页 10 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

8、，例如A0表示气缸 A活塞杆的收回状态，A1表示气缸A活塞杆的伸出状态。 参见图16-2。 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。执行信号必须是排除障碍的 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。 如a1表示气缸A活塞杆的伸出到终端位置时所压下的行程 阀及其输出的信号，b0表示气缸B活塞杆的收回到终端位 置时所压下的行程阀及其输出的信号。 回首页 11 5）行程阀的输出信号称为原始信

9、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 回首页 12 (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：A1 B1 B0 A0。 回首页 13 2. 行程程序的相位与状态 （1）相位与状态 程序式A1B1 B0 A0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。A1 动作占程序的 相位1，B1动作占程序的相位2，B0动

10、作占程序的相位3， A0动作占程序的相位4。 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。如图16-2所示，在程序A1 B1 B0 A0 中，A1动作 之前，A、B两缸处于A0 、B0状态，即A、B缸均处于退回 状态。两缸压下行程阀a0、b0，并输出信号a0、b0，则称 行程程序处于a0b0状态。A1动作后，压下行程阀a1，输出 信号a1、b0，行程程序处于a1b0状态；B1动作后，压下行 程阀b1，输出信号a1、b1，行程程序处于a1b1状态；B0动 作后，压下行程阀b0，输出信号a1、b0，行程程序处于 a1b0状态；A0动作后，压下行程阀a0，输出信号a0、b0， 行程程序又

11、回到a0b0状态。 （2）程序、信号、状态表 回首页 14 根据上述分析，A1 B1 B0 A0 程序可以得到程序、信 号、相位状态表，如表16-4所示。由于动作是循环的，所 以A0 动作后的输出信号与A1动作前的信号相同，均为a0 b0，故A1动作前的信号用括号括起，为（a0 b0）。 回首页 15 3. 程序的校核及校正 一个行程程序，其执行元件的动作应由该动作在程序 中的相位唯一确定，或者说由程序状态（又称信号组合） 来控制。如果程序中不同动作由同一个控制信号组合来控 制，这样的系统会出现误动作或卡死现象。这就需要我们 在设计行程程序控制回路之初先进行程序的校核及校正设 计，以保证程序中

12、每一个动作都有不同的控制信号组合。 （1） 程序的校核 行程程序中存在用同一信号组合控制不同动作的现象， 称该程序为非标准程序。行程程序中每一个动作都由不同 信号组合控制，称该程序为标准程序。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。 回首页 16 例12-2 校核程序A1 B1 C1 A0 C0 B0 解：列程序、信号、相位状态表，如表16-5所示。 从表12-5可见，信号组合无重复项，说明该行程程序中 每一个动作都由不同信号组合控制，该程序为标准程序。 回首页 17 例12-3校核程序A1 B1 B0

13、 A0 解：列程序、信号、相位状态表，如表16-6所示。 从表12-6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a1 b0控制，信号组合有重复项，该程序 为非标准程序。 回首页 18 （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。这里应注意程序中动作的循 环性。 （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 对非标准程序，必须进行程序校正，否则，程序将 不能正常进行。校

14、正的方法是在程序的适当位置插入记 忆元件。程序校正应遵循以下原则： 回首页 19 例12-4 校正程序A1 B1 B0 A0 解：程序、信号、相位状态表，如表12-6所示。可见，该 程序为非标准程序，校正后的新程序为A1 B1 X1 B0A0 X0。校正后的程序、信号、相位状态表，如表12-7所示。 可见，校正后信号组合无重复项，该程序为标准程序。 回首页 20 4. 气动行程程序系统的分类及设计步骤、方法 (1）分类 气动行程程序可以分为：标准程序、非标准程序。其 中非标准程序必须插入记忆元件，才能使程序正常进行。 标准程序又分为：无障碍标准程序、有障碍标准程序。其 中有障碍标准程序可以用逻

15、辑“与”消除障碍，而不必插 入记忆元件，可参见后面的例子。 （2） 设计步骤 气动行程程序的设计方法有：信号动作线图法 （XD线图）、扩大卡诺图法等。本章仅介绍信号动 作线图法。整个设计过程如图16-3所示。 回首页 21 12.2.2 信号信号动作线图设计法动作线图设计法 本节主要介绍多缸单往复系统XD线图的绘制方法。 所谓多缸单往复系统是指在行程程序的一个循环中，每个 气缸只作一次往复运动的系统，即程序中A1 A0、B1 B0 只 出现一次。在此系统中每个行程阀在一次循环中只发出一 次信号，该信号所控制的动作是固定不变的。 （一） 绘制XD线图 1. 画XD线图方格图 以程序A1B1 B0

16、 A0为例，根据校正后工作程序，由左 至右画出方格，在顶端依次写入程序的相位及对应的名称， 在左侧由上至下写入控制信号及对应的被控动作，控制信 号在上，被控动作在下，在最右侧为“双控执行信号表达 式”，其中双控是指主控阀为双气控气动阀。如图16-4所 示。 回首页 22 图12-4 X-D线图 回首页 23 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 的起点是在该动作的开始处，用“”表示，动作线的终点 是在该动作的结束处，即其对立动作的开始处（对立动作 是指A1与 A0、B1与 B0等不能同时存在的动作），用“” 表示。如第一个动作A1，动作线的起点是在该动作的开始

17、 处，即A1左侧，用“”表示；动作线的终点是在A1动作的 对立动作A0的开始处，即A0左侧，用“”表示。画动作线 时应注意：最后一个程序与第一个程序闭合的特点，即B1 之后就是A1。 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。如控制第一个动作A1的 信号b1，信号线的起点是在该信号所控制动作A1的开始处 开始，即A1左侧，用“”表示；信号线的终点是在产生该 信号b1的动作B1的对立动作B0开始处结束，即B0左侧，用 “”表示。画信号线

18、时应注意：信号线的起点就是同组中 动作线的起点，信号线的终点就是上一组中动作线的终点。 回首页 24 （二）确定障碍信号 1.利用XD线图确定障碍信号 行程阀所发出的信号都是长信号，即气缸动作到位后， 相应的行程阀一直有信号，并保持到气缸相反动作的开始。 在X-D线图的每一组动作信号线中，如果有信号线比其 所控制的动作线长的情况，说明当动作状态要改变时，其 控制信号不允许它改变，这种阻碍动作改变的信号就称为 障碍信号。信号线长于动作线的部分称为障碍段，用“ ” 表示，在多缸单往复气控系统中这种障碍称为型障碍。 如图16-4所示。 每个控制信号的第一段是控制动作执行的，是不可缺 少的，称为执行段

19、。除去执行段和障碍段的信号称为自由 段。 2.区间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 判别障碍信号的方法。在给定的行程程序中，若某个发令 缸的一次往复动作（或复、往）过程中。出现了直接受令 缸的往复动作，则发令缸所发出的信号将产生型障碍 回首页 25 例如程序A1 B1 B0 A0，在发令缸A1的一次往复动作中 A1A0，出现了直接受令缸B1 的往复动作B1B0，则发 令动作A1所发出的信号a1有型障碍；在发令缸B1的一次 往复动作中B1B0，没有出现直接受令缸及其往复动作， 则发令动作B1所发出的信号b1无型障碍；在发令缸B0的 一次往复动作中B0B1，

20、出现了直接受令缸A0 的往复动 作A0A1，则发令动作B0所发出的信号b0有型障碍；在 发令缸A0的一次往复动作中A0A1，没有出现了直接受 令缸及其往复动作，则发令动作A0所发出的信号a0无型 障碍。该分析方法与利用XD线图确定障碍信号的方法 一致，参见图12-4。 （三）型障碍信号的排除 型障碍信号的产生是因为控制信号线比其所控制的 动作线长，所以排除型障碍的实质就是缩短控制信号存 在的时间，使长信号变成短信号。排除障碍信号的原则是 保留控制信号的执行段，去掉其障碍段，自由段可以保留 也可以去掉。排除型障碍信号的方法有脉冲信号法、逻 辑回路法、机械法、顺序与法等。这里仅介绍采用“逻辑 与”

21、 排除型障碍信号的方法。 回首页 26 为了排除某个有障碍信号m的障碍信号，需要另外一 个信号（又称为制约信号）n，将信号m与信号n相“与”， 去除m信号中的障碍段。选择制约信号n的原则是：使信 号n在信号m的障碍段不存在，而在m的执行段存在。例如， 在图16-4中，控制动作B1的信号a1是有障碍信号，选择信 号x0作为制约信号，这是因为x0在障碍信号a1的障碍段没 有信号，而在a1的执行段有信号。信号a1和x0的“与”， 恰好去除了a1的障碍段，保留了a1的执行段。 （四） 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

22、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XD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XD线图，并 用“逻辑与”排除障碍。 回首页 27 12.2.3 绘制气动控制系统逻辑原理图绘制气动控制系统逻辑原理图 气动控制系统逻辑原理图是根据XD线图的执行信 号表达式，并考虑启动、复位等其它要求画出的逻辑图， 它是由XD线图设计出气动控制系统回路图的桥梁。逻 辑原理图中的各类元件可由气动阀类元件、气动逻辑元件 组成。 （一） 气动逻辑原理图的基本组成 逻辑控制回路主要是用“或”、“与”、“非”、 “记忆”等逻辑符号来表示

23、。应注意，其中任意符号为逻 辑运算符号，不一定总代表某一确定的元件，因为同一逻 辑符号在气动原理图上可由多种方案表示出来，如：“与” 的逻辑符号可以是一种逻辑元件，也可以由两个气阀串接 而成。 形成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（如 图16-5中a1加上小方框表示压下行程阀a1后，行程阀a1发 出的信号a1），而画在小方框上方的符号表示阀的操纵方 式。（如手动）。 回首页 28 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。 （二） 气动逻辑原理图的画法 气动逻辑原理图主要是根据

24、X-D线图中“双控执行 信号表达式”栏中的逻辑表达式，用上述符号画出。具 体步骤如下： 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。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。 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） 回首页 29 12.2.4 绘制气动控制系统回路原理图绘制气动控制系统回路原理图 气动控制系统回路原理图是根据逻辑原理图绘制的。 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。通常气阀及执行元件图形符号要按液压、气动国 标表示，射流元

25、件按通用符号表示。 2. 一般规定工作程序图的最后程序终了时刻作为气 动回路的初始位置（即静止位置），因此，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。 返回

26、首页 30 13.1 气动系统的设计计算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。 设计时应首先明确主机对气动系统在动作、操作力、工作 环境等方面的要求；在此基础上进行必要的设计计算，正 确合理地选择动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件； 此外还应满足结构简单、工作安全可靠、经济性好、使用 维修方便等设计原则。 13.1.1 气动系统的设计步骤气动系统的设计步骤 （一）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

27、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。 回首页 31 （二）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 注意：为了得到最佳的气动系统回路，设计时可以根 据逻辑原理图作出几种方案进行比较，最后合理选择。 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

28、先考虑选用标准规格的气缸。 回首页 32 注意：进行气缸的设计计算时，应考虑气缸的效率，一 般可按0.8计算。当选用某厂产品时，应查看产品样本中气缸 的理论作用力与气缸内径之间的关系表或曲线，来确定气缸 内径，选择气缸（一般压力是按0.4MPa计算）。参见表16-8。 （三）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 回首页 33 （四）选择控制元件 1. 确定控制元件的类型确定控制元件的类型：元件有以下类型，电控气 阀、气控气阀、气控逻辑元件等，可根据具体要求选用。 2. 确定控制元

29、件的通径确定控制元件的通径：一般控制阀的通径可按阀 的工作压力与最大流量确定，所选阀通径应尽量一致，以 便于配管。对于减压阀或定值器还必须考虑压力调整范围 来确定不同的规格。压力调节范围通常为：微压0- 0.01MPa；低压0-0.03 MPa；标准0.4-0.8 MPa；高压 0.8-1.6 MPa。 控制元件的通流能力原则上可参阅表16-9。 回首页 34 （五）选择气动辅件 1. 分水滤气器：其类型主要根据过滤精度和流量的 要求确定。一般气动回路、操纵气缸、截止阀等要求过滤 精度50-75m，操纵气马达等有相对运动情况的要求过 滤精度25m，气控滑阀、气动射流元件、精密检测等回 路要求过

30、滤精度10m。分水滤气器的通径由流量确定， 并要和减压阀相同。 2. 油雾器：根据油雾颗粒直径的大小和流量确定。 当与减压阀、分水滤气器串联使用时，三者通径要一致。 3. 消声器：可根据工作场合选择不同形式的消声器， 通径大小可根据通过的流量确定，一般与汇流板排气孔通 径大小一致。 分水滤气器等气动辅件的通径原则上也可以按表16- 12来确定。 回首页 35 （六） 确定管道直径、计算压力损失 1. 确定管道直径：管道直径可根据通过的流量并 考虑前面确定的控制元件通径一致的原则初步确定， 然后在验算压力损失后，加以修正，最终确定。根 据下式计算管道内径d： （16-1） 式中 q 管道内压缩空

31、气的流量，m3/s； v 管道内压缩空气的流速，m/s。一般厂 区管道内流速为8-10m/s；车间10-15 m/s。为了避免 压力损失过大，通常限定流速为25-30 m/s。 2 4 qd v 回首页 36 2. 计算压力损失： 为了保证执行元件的正常工作，压缩空气通过各种 控制元件、辅助元件及其连接管道的总的压力损失必须 满足下式： （16-2） 式中 总的压力损失（包括沿程压力损失之和及局部压力损 失之和），Pa； 沿程压力损失之和，Pa； 局部压力损失之和，Pa； 允许压力损失，Pa。 实际计算时，可以采用下面的简化公式计算压力损失： （16-3） 式中 流经控制元件、辅助元件的总压力

32、损失之和，Pa。查 表16-10进行计算。 压力损失修正系数。 =1.05-1.3，对于长管道、 截面复杂管道，取大值。 2 p pppp l p p l p p ppKp p 2 p K p K 回首页 37 如果算出的总压力损失 ，则初步选 定的管径可确定为所需要的管径。如果算出的总压力损 失 ，则必须加大管径或改进管道布置，以降低 总的压力损失，直到 为止，从而得到最终 的管道直径。 pp pp pp 回首页 38 回首页 39 (七) 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量。 1. 计算空压机的供气量 （16-4） 式中 空压机的供气量，m3/s； 利用系数，为了保证

33、设备同时使用，适当增 加供气量，可查阅有关参考文献； -漏损系数，主要是考虑系统的泄漏，供气量 增加15%50% ，k1=1.151.5； 备用系数，为了保证一定的裕度，供气量增 加20%60%，k2=1.21.6； 一台设备在一个周期内的平均用气量（自由空 气量），m3/s； 用气设备台数。 n i Z qKKq 1 21 q 1 K 2 K Z q n 回首页 40 2.计算空压机的供气压力 (16-5) 式中 空压机的供气压力，Pa； 系统压力，Pa。 ppps s p p 回首页 41 13.1.2 气动系统的设计计算举例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

34、动系统。 解：（一）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 =6 s，缸行 程s=600mm，行程末端平缓些。 3. 动力要求：顶部料钟打开的推力=5.10103N； 底部料钟打开的作用力FA=2.4104N。

35、 4. 工作环境：环境温度3040，灰尘较多。 回首页 42 图16-7 鼓风炉加料装置气动机构示意图 回首页 43 （二）设计气控回路 1. 列出气动执行元件的工作程序 根据炉体具体结构的限制，料钟中心线上下方不宜安 装气缸，有故障时两个料钟应处于封闭状态，所以采用重 力封闭方案，即顶钟ZA、底钟ZB关闭时靠自重，如图16-7 所示。则顶钟ZA开启是其控制气缸活塞杆外伸，关闭时是 其控制气缸活塞杆缩回；底钟ZB开启是其控制气缸活塞杆 缩回，关闭时是其控制气缸活塞杆外伸。 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

36、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：A1 A0 B0 B1 回首页 44 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：A1 X1 A0 B0 X0 B1 回首页 45 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。 图16-8 X-D线图 回首页 46 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 5. 画出系统的气动回路原理图 回首页 47 （三）选择、设计执行元件气缸设计 1.确定类

37、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 =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 =0.160.4 ， 底部料钟气缸内径为： =（1.011.09） 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）。 t s v p A 4F 3 4 5.1 10 5 3.14 4 100.8p A

38、 D B B D d B D B 4F p B D B 4F 4 4 2.410 5 3.14 410 0.8p 回首页 48 查机械设计手册，取标准缸径 =160mm， =320mm，活塞杆直径 =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，可得到同样结果。 3. 选择气缸：气缸型号为：顶部料钟气缸A： QGB160600MT4 , 底部料钟气缸B： QGB320600MT4。 4. 验算气缸力的大小： 顶部料钟气缸： （N）5100 （N） 底部料钟气缸： （N）24000 （N） A D B D A d B d 6

39、430 4 8 . 010416. 014. 3 4 522 pD F A A 24115 4 8 . 0104)08. 032. 0(14. 3 4 )( 52222 pdD F BB B 回首页 49 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。 v 回首页 50 （四）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, =2.2310 -3 m3/s，查表16-9，故通径为15

40、mm，主控换 向阀A型号为：23Q2-15TZ1。 缸B主控换向阀：系统要求压力 =0.4MPa， =8.3710 -3 m3/s，查表16-9，故通径为25mm，主控换向阀B型号 为：23Q2-25TZ1。 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-L6H-Z1。 p A q p B q 回首页 51 3. 行程阀： a0、a1、b0、b1均为二位三通常闭杠杆滚 轮式行程阀

41、。型号为：23JC3-L6H-Z1。 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：23JR1-L6-L1。 6. 延时阀：型号为：23MC-L6H-C1。 （五）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：XS-L25。 （六）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； 回首页 52 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

42、和，所以 可得 =252+252， =35.4mm，取标准管径 =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 。 444 2 2 2 1 2 vdvdvd pppp l 2 2 2 1 2 ddd d d 回首页 53 （1）沿程压力损失： (16-6) 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

43、动粘度： =1.6610-5m2/s,气体的密度为： 2 2 v d l p l l 回首页 54 回首页 55 回首页 56 回首页 57 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、辅件的局部压力损失为 =0.02+0.015+0.015=0.05 （MPa）。 总的局部压力损失： =0.0077+0.05=0.0576（MPa） （3）总的压力损失 =0.007+0.0576=0.065（MPa） 取安全系数Kp=1.1，则 1.1 =1.

44、10.065=0.0715（ MPa） =0.1（MPa） b p d p g p 2 pppp bdg 12 ppp p p p p 回首页 58 回首页 59 2.计算缸的理论用气量 参见公式（12-1） (16-8) 一台用气设备上的气缸总用气量，m3/s； n 用气设备的台数，本题目左右有两台炉子有两组同样 的气缸，n = 2； m 一台设备上用气执行元件的个数，本题目一台炉子上 有A、B两个气缸，m = 2； a 气缸在一个周期内单程作用次数，a =1； 一台设备中某一气缸在一个周期内的平均用气量， m3/s； t 某一气缸一个单行程的时间，s；本题目tA=tB=6s。 T 某设备的

45、一次工作循环时间，s；本题目 T=2tA+2tB=24s。 n i m j zj n i z T taq q 1 1 1 z q zj q 回首页 60 若考虑左右两台鼓风炉的气缸都由一台空压机供气， 则气缸的理论用气量： =2(111.0410-36+14.1410-26)/24 =2.62210-2 （m3/s） 3.计算空压机的理论用气量 取设备利用率=0.95，漏损系数K1=1.2，备用系数K2=1.3。 则空压机的理论用气量为： =0.951.21.32.62210-2=3.88510-2 m3/s=2.33（m3/min）=0.0338（m3/h） 如无气源系统而需单独供气时，可按

46、供气压力0.5MPa、 流量 =0.0338（m3/h）查有关手册选用4S-2.4/7型空压 机，其额定排气压力为0.7MPa、额定排气量为0.04m3/h。 2(11) / 24 1 n qqtqt z B BA A i 12 1 n qKKq Zj i q j 回首页 61 元件的规格型号列于表16-12 回首页 62 13.2 气压传动系统实例气压传动系统实例 气动技术是实现工业生产机械化、自动化的方式之一。 因为气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、易燃、易 爆、强磁、辐射等恶劣环境下工作，所以其应用日益广泛。 本节简要介绍几种气压传动及控制系统在生产中的应用实例。 13.2.1 气

47、动控制机械手气动控制机械手 在某些高温、粉尘及噪声等环境恶劣的场合，用气控机 械手替代手工作业是工业自动化发展的一个方向。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。 回首页 63 图16-11 气控机械手结构示意图 回首页 64 图16-11中A 缸为抓取机构的松紧缸，A 缸活塞后退时 抓紧工件，A缸活塞前进时松开工件。B 缸为长臂伸缩缸。 C 缸为机械手升降缸。D 缸为立柱回转缸，该气缸为齿轮 齿条缸，把活塞的直线运动变为立柱的旋转能够，从而实 现立柱的回转。对机械手的控制要求是：手动阀启动后， 程序控制从第一个节拍连续运转到最后一个节拍，把机械 手右下方的工件搬到左上方的位置上去。 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：C0 B1 A0 B0 D1 C1 A1 D0。 1. 经校核该程序为标准程序 2. 作XD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