氣動程序控制系統(tǒng)1

液壓與氣動技術(shù)

第七單元氣動程序控制系統(tǒng)2023－7－20教學內(nèi)容氣動根本回路〔重點〕氣動程序控制回路〔難點〕本章中將討論氣動程序控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，也就是討論如何按照給定的生產(chǎn)工藝〔程序〕，使各控制閥之間的信號按一定的規(guī)律連接起來，實現(xiàn)執(zhí)行元件〔氣缸〕的動作，即程序控制回路的設(shè)計。設(shè)計程序控制回路有多種方法，本章只介紹兩種方法，經(jīng)驗法和串級法。從控制信號來說，氣動程序控制回路有氣控回路和電控回路兩種。設(shè)計方法以氣控回路為例說明，同樣也適用于目前工廠中仍廣泛使用的繼電器電控回路的設(shè)計。0.緒論氣動系統(tǒng)無論多么復雜，均由一些特定功能的根本回路組成。在氣動系統(tǒng)分析、設(shè)計前，先介紹一些氣動根本回路和常用回路，了解回路的功能，熟悉回路的構(gòu)成和性能，便于氣動控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計，以組成完善的氣動控制。應(yīng)該指出，所介紹的回路在實際應(yīng)用中，不要照搬使用，而應(yīng)根據(jù)設(shè)備工況、工藝條件仔細分析、比較后采用。1、氣動根本回路1、氣動回路的圖形表示法

工程上，氣動系統(tǒng)回路圖是以氣動元件圖型符號組合而成，故讀者應(yīng)對前述所有氣動元件的功能、符號與特性熟悉和了解。以氣動符號所繪制的回路圖可分為定位和不定位兩種表示法。定位回路圖以系統(tǒng)中元件實際的安裝位置繪制，如圖12-1，這種方法使工程技術(shù)人員容易看出閥的安裝位置，便于維修保養(yǎng)。不定位回路圖不按元件的實際位置繪制，氣動回路圖根據(jù)信號流動方向，從下向上繪制，各元件按其功能分類排列，依次順序為氣源系統(tǒng)、信號輸入元件、信號處理元件、控制元件、執(zhí)行元件，如圖12-2所示。本章主要使用此種回路表示法。

1、氣動根本回路1、氣動根本回路1、氣動根本回路為分清氣動元件與氣動回路的對應(yīng)關(guān)系，圖12-3和圖12-4分別給出全氣動系統(tǒng)和電氣動系統(tǒng)的控制鏈中信號流和元件之間的對應(yīng)關(guān)系，掌握這一點對于分析和設(shè)計氣動程序控制系統(tǒng)非常重要。

1、氣動根本回路氣動根本回路氣動根本回路1．數(shù)字命名元件按照控制鏈分成幾組。每一個執(zhí)行元件連同相關(guān)的閥稱為一個控制鏈。0組表示能源供給元件，1，2組代表獨立的控制鏈。1A，2A等代表執(zhí)行元件1V1，1V2等代表控制元件1S1，1S2等代表輸入元件〔手動和機控閥〕0Z1，0Z2等代表能源供給〔氣源系統(tǒng)〕氣動根本回路圖內(nèi)元件的命名2.英文字母命名在英文字母命名中，大寫字母表示執(zhí)行元件，小寫字母表示信號元件。A，B，C等代表執(zhí)行元件a1，b1，c1等代表執(zhí)行元件在伸出位置時的行程開關(guān)a0，b0，c0等代表執(zhí)行元件在縮回位置時的行程開關(guān)氣動根本回路圖內(nèi)元件的命名3、各種元件的表示方法

在回路圖中，閥和氣缸盡可能水平放置?；芈分械乃性云鹗嘉恢帽硎?，否那么另加注釋。閥的位置定義如下：1．正常位置：閥芯未操縱時閥的位置。2．起始位置：閥已安裝在系統(tǒng)中并已通氣供壓后，閥芯所處的位置應(yīng)標明。如圖12-5所示的滾輪杠桿閥〔信號元件〕，正常位置為關(guān)閉閥位，當在系統(tǒng)中被活塞桿的凸輪板壓下時，其起始位置變成通路，應(yīng)表示成圖12-5〔b〕所示。對于單向滾輪杠桿閥，因其只能在單方向發(fā)出控制信號，因此在回路圖中必須以箭頭表示出對元件發(fā)生作用的方向，逆向箭頭表示無作用，如圖12-6所示。1、氣動根本回路1、氣動根本回路4、管路的表示

在氣動回路中，元件和元件之間的配管符號是有規(guī)定的。通常工作管路用實線表示，控制管路用虛線表示。而在復雜的氣動回路中，為保持圖面清晰，控制管路也可以用實線表示。管路盡可能畫成直線防止交叉。如圖12-7為管路表示方法。1、氣動根本回路1、單作用氣缸的控制控制單作用氣缸的前進、后退必須采用二位三通閥。如圖12-8所示單作用氣缸控制回路，按下按鈕，壓縮空氣從1口流向2口，活塞伸出，3口遮斷，單作用氣缸活塞桿伸出。放開按鈕，閥內(nèi)彈簧復位，缸內(nèi)壓縮空氣由2口流向3口排放，1口被遮斷，氣缸活塞桿在復位彈簧作用下立即縮回。2、氣動常用回路2、雙作用氣缸的控制控制雙作用氣缸的前進、后退可以采用二位四通閥如圖12-9〔a〕或二位五通閥如圖12-9〔b〕。按下按鈕，壓縮空氣從1口流向4口，同時2口流向3口排氣，活塞桿伸出。放開按鈕，閥內(nèi)彈簧復位，壓縮空氣由1口流向2口，同時4口流向3口或5口排放，氣缸活塞桿縮回。2、氣動常用回路2、氣動常用回路3、利用梭閥的控制如圖12-10所示，回路中的梭閥相當于實現(xiàn)“或〞門邏輯功能的閥。在氣動控制系統(tǒng)中，有時需要在不同地點操作單作用缸或?qū)嵤┦謩?自動并用操作回路。4、利用雙壓閥的控制如圖12-11所示回路是一個利用雙壓閥的雙手操作回路，在該回路中，需要兩個二位三通閥同時動作，才能使單作用氣缸前進，實現(xiàn)“與〞門邏輯控制。最常用的雙手操作回路還有如圖12-12所示的回路，常用于平安保護回路。2、氣動常用回路4、利用雙壓閥的控制最常用的雙手操作回路還有如圖12-12所示的回路，常用于平安保護回路。2、氣動常用回路2、氣動常用回路5、單作用氣缸的速度控制如圖12-13為利用單向節(jié)流閥控制單作用氣缸活塞速度的回路。單作用氣缸前進速度的控制只能用入口節(jié)流方式，如圖12-13〔a〕所示。單作用氣缸后退速度的控制只能用出口節(jié)流方式，如圖12-13〔b〕。如果單作用氣缸前進及后退速度都需要控制，那么可以同時采用兩個節(jié)流閥控制，回路如圖12-13〔c〕所示。活塞前進時由節(jié)流閥1V1控制速度，活塞后退時由節(jié)流閥1V2控制速度。6、雙作用氣缸的速度控制

2、氣動常用回路7、增加單作用氣缸及雙作用氣缸的速度

圖12-15為增加單作用缸活塞后退的速度回路，當活塞后退時，氣缸中的壓縮空氣經(jīng)快速排氣閥1V1的3口直接排放，不需經(jīng)換向閥，減少排氣阻力，故活塞可快速后退。圖12-16為增加雙作用氣缸活塞前進的速度回路，雙作用氣缸前進時在氣缸排氣口加一個快速排氣閥1V1減小排氣阻力。

2、氣動常用回路8、單作用氣缸的間接控制

對于控制大缸徑、大行程的氣缸運動時，應(yīng)使用大流量控制閥作為主控閥，如圖12-17所示，按鈕閥1S1僅為信號元件，用來控制主閥1V1切換，因此是小流量閥。按下按鈕時，氣缸活塞桿將伸出。一旦松開按鈕，氣缸活塞桿將回縮。按鈕閥可安裝在距氣缸較遠的位置上。2、氣動常用回路9、雙作用氣缸的間接控制

如圖12-18所示，主控閥1V1有記憶功能，稱為記憶元件。信號元件1S1和1S2只要發(fā)出脈沖信號，即可使主控閥1V1切換。按下閥1S1，發(fā)出信號使主控閥換向，活塞前進。在閥1S2未按下之前，活塞停在伸出位置。同理，按下閥1S2，可使活塞后退。

2、氣動常用回路10、行程閥控制的單往復回路

如圖12-19所示回路的功能是當雙作用氣缸到達行程終點時自動后退。與圖12-18的控制方式類似，將信號元件1S2改成滾輪杠桿閥。當按下閥1S1時，主控閥1V1換向，活塞前進，當活塞桿壓下行程閥1S2時，產(chǎn)生另一信號使主控閥1V1復位，活塞后退。但應(yīng)注意，如一直按著1S1時，活塞桿即使伸出碰到1S2，也無法后退。

2、氣動常用回路11、壓力控制的單往復回路如圖12-20所示為壓力控制的單往復回路。按下按鈕閥1S1，主控閥1V1換向，活塞前進，當活塞腔氣壓到達順序閥的調(diào)定壓力時，翻開順序閥1V2，使主閥1V1換向，氣缸后退，完成一次循環(huán)。但應(yīng)注意，活塞的后退取決于順序閥的調(diào)定壓力，如活塞在前進途中碰到負荷也會產(chǎn)生后退動作，也即無法保證活塞一定能夠到達端點，此類控制只能用在無重大平安要求的場合。2、氣動常用回路12、帶行程檢測的壓力控制回路如圖12-21所示回路，按下按鈕閥1S1，主控閥1V1換向，活塞前進，當活塞桿碰到行程閥1S2時，如活塞腔氣壓到達順序閥的調(diào)定壓力時，那么翻開順序閥1V2，壓縮空氣經(jīng)過順序閥1V2、行程閥1S2使主閥1V1復位，活塞后退。這種控制回路可以保證活塞到達行程終點且活塞腔壓力到達預(yù)定壓力值時，活塞才后退。2、氣動常用回路13、利用延時閥控制的單往復回路

如圖12-22所示回路，按下按鈕閥1S1后，主控閥1V1換向，活塞前進，當延時閥設(shè)定時間到，主閥1V1右端有信號，閥芯切換，活塞后退。但應(yīng)注意，采用時間控制可靠性低，一般必須配合行程開關(guān)。2、氣動常用回路14、帶行程檢測的時間控制回路

如圖12-23所示回路，按下按鈕閥1S1后，主控閥1V1換向，活塞前進，當活塞桿壓下行程閥1S2后，需經(jīng)過一定時間，主閥1V1才能切換，使活塞返回，完成一次往復循環(huán)。2、氣動常用回路15、從兩個不同地點控制雙作用氣缸的單往復運動

如圖12-24所示回路，無論用手或用腳發(fā)出信號，操縱閥1S1、1S2，均能使主閥1V1切換，活塞前進，活塞桿伸出碰到行程閥1S2后立即后退。2、氣動常用回路16、慢速前進、快速后退回路如圖12-25所示回路，按下按鈕閥1S1后，主控閥1V1換向，活塞前進，速度由閥1V2控制，當活塞桿碰到行程閥1S2時，活塞后退，快速排氣閥1V3可增加其后退速度。2、氣動常用回路單作用氣缸控制；雙作用氣缸控制；利用梭閥的控制；利用雙壓閥控制；單作用氣缸速度控制；雙作用氣缸速度控制；增加氣缸運動速度；氣動根本回路單作用氣缸間接控制；雙作用氣缸間接控制；行程閥控制的單往復；壓力控制的單往復；帶行程檢測的壓力控制；利用延時閥的單往復控制；帶行程檢測的時間控制；從不同地點控制的單往復回路。

各種自動化機械或自動生產(chǎn)線大多是依靠程序控制來工作的。那什么是程序控制呢？所謂程序控制，就是根據(jù)生產(chǎn)過程的要求，使被控制的執(zhí)行元件按預(yù)先規(guī)定的順序協(xié)調(diào)動作的一種自動控制方式。3、氣動程序控制回路

根據(jù)控制方式的不同，程序控制可分為：時間程序控制；行程程序控制；混合程序控制。

氣動程序控制回路

時間程序控制是指各執(zhí)行元件的動作順序按時間順序進行的一種自動控制方式。時間信號通過控制線路，按一定的時間間隔分配給相應(yīng)的執(zhí)行元件，令其產(chǎn)生有順序的動作，它是一種開環(huán)的控制系統(tǒng)。圖12-26〔a〕所示為時間程序控制方框圖。氣動程序控制回路

行程程序控制一般是一個閉環(huán)程序控制系統(tǒng)，如圖12-26〔b〕所示。它是前一個執(zhí)行元件動作完成并發(fā)出信號后，才允許下一個動作進行的一種自動控制方式。行程程序控制系統(tǒng)包括行程發(fā)信裝置、執(zhí)行元件、程序控制回路和動力源等局部。氣動程序控制回路

行程程序控制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，動作穩(wěn)定，特別是當程序運行中某節(jié)拍出現(xiàn)故障時，整個程序動作就停止而實現(xiàn)自動保護。因此，行程程序控制方式在氣動系統(tǒng)中被廣泛采用。

混合程序控制通常是在行程程序控制系統(tǒng)中包含了一些時間信號，實質(zhì)上是把時間信號看作行程信號處理的一種行程程序控制。氣動程序控制回路

氣動程序控制回路：應(yīng)用實例一

一臺切割機，工作循環(huán)要求：腳踏開關(guān)一次那么完成一次切割動作〔鍘刀切下—返回〕，為保證切斷工件，鍘刀必須在切斷位置停留數(shù)秒。另外要求切割速度可以調(diào)節(jié)以及為防止事故，工作之前需蓋防護罩。氣動程序控制回路：切割機實例分析該設(shè)備組成－執(zhí)行元件：雙作用氣缸A控制鍘刀〔回路圖中元件命名方法〕；執(zhí)行元件初始狀態(tài)：A伸出、A＋

執(zhí)行元件工作過程：A－、A＋，如何描述？氣動程序控制回路：切割機實例分析切割機特殊要求：

為保證切斷工件，鍘刀必須在切斷位置停留數(shù)秒切割速度可以調(diào)節(jié)為防止事故，工作之前需蓋防護罩氣動程序控制回路：實例分析柔性制造系統(tǒng)中原料輸入單元：Distribution該設(shè)備組成－執(zhí)行元件：雙作用推料氣缸A和擺動氣缸B〔回路圖中元件命名方法〕；執(zhí)行元件初始狀態(tài)：A伸出－A＋B左擺－B－執(zhí)行元件工作過程：B＋A－A＋B－設(shè)備組成－發(fā)信開關(guān)：啟動、停止、復位按鈕〔1S1〕，氣缸到位傳感器〔a0，a1，b0，b1〕等。行程程序控制回路

那如何表示執(zhí)行元件和發(fā)信裝置在工作過程中的狀態(tài)呢？氣動程序控制回路：回路設(shè)計輔助圖1．

運動圖：用來表示執(zhí)行元件的動作順序及狀態(tài)，按其坐標表示不同可分為：

位移—步驟圖；位移—時間圖。氣動程序控制回路：運動圖該圖描述了控制系統(tǒng)中執(zhí)行元件的狀態(tài)隨控制步驟的變化規(guī)律。圖中的橫坐標表示步驟，縱坐標表示位移〔氣缸的動作〕。如A、B兩個氣缸的動作順序為：A+B+B-A-?！沧ⅲ篈+表示A氣缸伸出，B-表示B氣缸退回〕，那么其位移—步驟圖如圖12-27所示。氣動程序控制回路：位移－步驟圖

位移—步驟圖僅表示執(zhí)行元件的動作順序，執(zhí)行元件動作的快慢那么無法表示出來。而位移—時間圖描述了控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件的狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律。如圖12-28所示，圖中的橫坐標表示動作時間，縱坐標表示位移〔氣缸的動作〕，從該圖中可清楚看出執(zhí)行元件動作的快慢。氣動程序控制回路：位移－時間圖

2．控制圖：用于表示信號元件及控制元件在各步驟中的接轉(zhuǎn)狀態(tài)，接轉(zhuǎn)時間不計。如圖12-29所示，表示行程開關(guān)在步驟2開啟，而在步驟4關(guān)閉。氣動程序控制回路：控制圖

2．全功能圖：通?？稍谝粋€圖上同時表示出運動圖和控制圖，這種圖稱為全功能圖，如圖12-30所示。借助于全功能圖，按照直覺法將很容易設(shè)計出氣動回路圖，如圖12-31所示。氣動程序控制回路：全功能圖

氣動程序控制回路：全功能圖作用

采用單向滾輪杠桿閥；采用延時閥；采用中間記憶元件。氣動程序控制回路：障礙信號的消除采用單向滾輪杠桿閥：采用單向滾輪杠桿閥使得氣缸在一次往復動作中只發(fā)出一個脈沖信號，把存在障礙的長信號縮短為脈沖信號，如圖13-33所示。用這種方法排除障礙信號結(jié)構(gòu)簡單，但靠它發(fā)信的定位精度較低．需要設(shè)置固定擋塊來定位，氣缸行程較短時不宜采用。氣動程序控制回路：障礙信號的消除采用延時閥：利用常通型延時閥消除障礙信號方法氣動程序控制回路：障礙信號的消除采用中間記憶元件：常用于串級法中消除障礙信號，它是一種有效的排障方法。氣動程序控制回路：障礙信號的消除氣動程序控制回路：回路設(shè)計柔性制造系統(tǒng)中原料輸入單元：Distribution該設(shè)備組成－執(zhí)行元件：雙作用推料氣缸A和擺動氣缸B〔回路圖中元件命名方法〕；執(zhí)行元件初始狀態(tài)：A伸出－A＋B左擺－B－執(zhí)行元件運動過程：B＋A－A＋B－設(shè)備組成－發(fā)信開關(guān)：啟動、停止、復位按鈕〔1S1〕，氣缸到位傳感器〔a0，a1，b0，b1〕等。氣動程序控制回路：回路設(shè)計設(shè)計步驟：〔1〕出A、B兩個氣缸及相應(yīng)的雙氣控二位五通換向閥〔主控閥〕。如下圖：氣動程序控制回路：回路設(shè)計設(shè)計步驟：〔1〕出A、B兩個氣缸及相應(yīng)的雙氣控二位五通換向閥〔主控閥〕。如下圖：〔2〕在主閥1V1和1V2兩端控制口標注A+，A-，B+，B-，意旨1V1閥A+處有信號，A缸前進，其余相同。應(yīng)用實例分析與設(shè)計設(shè)備分析此工作站由幾個執(zhí)行元件組成：無桿氣缸——A雙作用氣缸——B氣爪——C應(yīng)用實例分析與設(shè)計設(shè)備分析初始狀態(tài)分析：無桿氣缸——A，處于最右端，為A－雙作用氣缸——B，處于最上端，為B－氣爪——C，氣爪張開，為C－應(yīng)用實例設(shè)計與分析

設(shè)備分析工作過程分析：雙作用缸B伸出到位，氣爪C夾緊，B缸縮回到位，無桿氣缸A向左運動，運動到位，B缸伸出到位，氣爪C松開到位，B缸縮回到位，A缸向右運動，運動到位，回到初始狀態(tài)。

B＋C＋B－A＋B＋C－B－A－應(yīng)用實例設(shè)計與分析

設(shè)計回路初始狀態(tài)：A－B－C－工作過程：B＋C＋B－A＋B＋C－B－A－

氣動程序控制回路：工業(yè)應(yīng)用實例問題提出：

工業(yè)應(yīng)用裝置中的送料機構(gòu)：用A、B兩個氣缸將工件從料倉中傳遞到滑槽。按下按鈕，氣缸A伸出，將工件從料倉推出，等待氣缸B將其推入輸送滑槽。工件傳遞到位后，A缸回縮，接著B缸回縮。要求：兩個氣缸的運動速度可以調(diào)節(jié)，同時需要檢測伸出或回縮是否已經(jīng)到位。工業(yè)應(yīng)用實例分析與設(shè)計設(shè)備分析此工作站由幾個執(zhí)行元件組成：推料氣缸——A推料氣缸——B工業(yè)應(yīng)用實例分析與設(shè)計設(shè)備分析初始狀態(tài)分析：推料氣缸——A，處于縮回，為A－推料氣缸——B，處于縮回，為B－工業(yè)應(yīng)用實例設(shè)計與分析

設(shè)備分析工作過程分析，畫出位移－步驟圖：

A＋，B＋，A－，B－工業(yè)應(yīng)用實例設(shè)計與分析

1、使用FluidSIM-P3.5軟件設(shè)計氣動程序控制回路；2、根據(jù)設(shè)計的氣動程序控制回路選擇氣動元件；3、將氣動元件組裝為氣動控制系統(tǒng)完成設(shè)備功能?？偨Y(jié)：氣動程序控制回路的設(shè)計步驟問題提出分析：確定氣動控制系統(tǒng)目標確定：氣動控制系統(tǒng)特殊要求設(shè)計：設(shè)計一個氣動系統(tǒng)方案方案實現(xiàn)：構(gòu)造、組裝和檢查評價：核實氣動系統(tǒng)性能4、串級法

前述直覺法中的行程開關(guān)輸出的信號往往由于執(zhí)行元件〔氣缸〕壓住而無法切斷，雖然可用單向滾輪杠桿閥或延時閥來消除障礙信號，但對于較復雜的動作順序，使用該法不經(jīng)濟。下面介紹應(yīng)用串級法設(shè)計氣動回路。串級法〔Cascademethod〕是一種控制回路的隔離法，主要是利用記憶元件作為信號的轉(zhuǎn)接作用，即利用4/2雙氣控或5/2雙氣控閥以階梯方式順序連接，從而保證在任一時間只有一個組輸出信號，其余組為排氣狀態(tài)，使主控閥兩側(cè)的控制信號不同時出現(xiàn)，如圖12-46所示。3氣動程序控制回路

3氣動程序控制回路

圖12-47說明了四級串級回路中輸出信號的情形。仔細觀察圖12-47中的〔a〕、(b)、(c)、(d)圖，可發(fā)現(xiàn)每個圖只有一組輸出信號，其余組均為排氣狀態(tài)。采用此種排列，消除障礙信號比較容易，且建立在回路圖的實際操作程序中，是一種有規(guī)那么可依的氣動回路設(shè)計法。但應(yīng)注意，在控制操作開始前，壓縮空氣通過串級中的所有閥。另外，當串級中的記憶元件切換時，由該閥自身排放空氣，因此，只要有一個閥動作不良，就會出現(xiàn)不良開關(guān)轉(zhuǎn)換作用。在設(shè)計回路中，需要多少輸出管路和記憶元件，要按動作順序的分組〔級〕而定。如動作順序分為四組那么要輸出四條管路，記憶元件的數(shù)量那么為組數(shù)減一。以下舉例說明。3氣動程序控制回路

3氣動程序控制回路

例A、B兩氣缸的位移—步驟圖如圖12-41所示，試用串級法設(shè)計其氣動回路圖。設(shè)計步驟如下：3氣動程序控制回路

設(shè)計步驟如下：〔1〕氣缸動作順序A+B+B-A-分組，分組的原那么是同一組內(nèi)每個英文字母只能出現(xiàn)一次。分組的組數(shù)即是輸出管路數(shù)。分組的組數(shù)越少越好，即3氣動程序控制回路

設(shè)計步驟如下：〔2〕畫出兩個氣缸及各自的主控閥，并標出英文符號，應(yīng)注意氣缸必須在起始位置?！?〕畫出輸出管路數(shù)及記憶元件。如圖12-48所示。3氣動程序控制回路

設(shè)計步驟如下：〔