气动设备创新设计与生产制造及质量检验技术标准实施手册第13章.pdf
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1、第十三章第十三章 气动程序控制系统设计 第十三章气动程序控制系统设计 第一节气动程序控制系统概述 由于气动技术本身的特点,促使它在程序控制方面发挥了优势,在自动生产线和机器人 中获得广泛应用。 常用的气动控制方式有程序控制和伺服控制两种。 程序控制是经常采用的一种过程控制。这种程序控制系统要求按照预先给定的程序进行 工作,其输出不能随负载干扰及环境的变化而作出快速的响应,通常工作在低频范围内。 伺服控制是一种反馈控制。伺服控制系统是靠偏差信号进行工作的,它要求系统的输出 能跟踪随时间变化的控制输入。它适合应用于要求快速响应的场合,如机器人(工业机械 手) 、机床控制系统、航空空间技术等。与此相
2、似的定位控制系统(又称定值控制系统) ,也 是靠偏差信号进行工作的,其工作原理和工作频率范围与伺服控制系统基本相同,它们之间 的唯一区别是定位系统要求输入为恒定不变(不随时间变化) ,系统的输出保持在要求的给定 值上,而伺服控制系统的输入是一个随时间变化的函数。在气动控制中有时将两者结合起来 统称为气动伺服定位系统。 本章主要讨论气动程序控制系统的分析与设计,也就是讨论如何按照给定的生产工艺 (程序) ,使各控制阀之间的信号按一定的规律连接起来,实现执行元件(气缸)的动作,即 程序控制回路的设计。设计程序控制回路有多种方法。本章只介绍两种方法,!“# 线图法和 分组供气法。!“# 线图法是国内
3、普遍使用的一种设计方法,而分组供气法是一种简便的方法。 从控制信号来说,气动程序控制回路有气控回路和电控回路两种。设计方法以气控回路 为例说明,同样也适用于目前工厂中仍广泛使用的继电器电控回路的设计。近来已日趋普遍 的 $%& 控制也是一种电控的程序控制,但另有独特的设计方法,故另立章节讨论。 ( 第二节气动常用回路 任何复杂的气动控制回路都是由一些特定功能的基本回路和常用回路组成。在气动自动 化系统分析、设计前,先介绍一些气动基本回路和常用回路,了解回路的功能,熟悉回路的 构成和性能,便于气动控制系统的分析、设计,以组成完善的气动控制。应该说明的是,在 选用其中一些回路时,应根据设备工况、工
4、艺条件仔细分析、比较后采用,不要照搬。 一、操作回路 !“ 安全启动回路 气源净化处理装置的输出与安全启动阀相连就能实现气动系统的安全启动,回路如图 !# $ ! 所示。图(!)的安全启动阀为电磁阀,图(“)为单气控阀。 图 !“# !安全启动回路 安全启动阀结构原理参见有关安全阀部分内容。以图 !# $ !(!)说明安全启动回路的动 作原理。 若电磁阀得电,阀换向,其输出经手动阀通路加在阀 #%控制口,使阀 #%换向。此时, 气源处理装置输出的空气通过节流阀从阀 #%输出口 % 流入系统的流量很小,从而使系统的压 力缓慢地建立起来,控制气缸和其它执行元件缓慢地回到初始位置。 当阀 #%输出压
5、力达到工作压力一半时,阀 #! 全部打开。手动阀的手动按钮具有锁定功 能。按下手动按钮,阀自动复位。同时,安全启动阀重新启动。 使用时应注意,只有在系统压力建立后,安全启动阀才可动作。 %“ 启动及停车回路 在自动程序回路中,常常需要用手动阀启动或停车。只有给出启动信号后,系统才能自 %! 动工作。通常,程序的第一个动作是在启动信号和控制信号进行逻辑“与”运算后才能实现。 图 !“ # $ 所示,只要按动手动阀接通气源,程序就开始不停地循环工作;若再按动手动阀切 断气源,如图示位置,则一直到程序的最后节拍停车。 图 !“# $启动及停车回路 “% 手动&自动操作回路 在自动顺序控制回路中,有时
6、为了维护、检查及调试需要,对每个执行元件实施手动操 作,这就要采用手动&自动并用操作回路,如图 !“ # “(!)所示。回路中的梭阀相当于实现 或门逻辑功能。 图 !“ # “(“)所示的手动&自动操作回路,采用手动转阀进行手动&自动动作转换,分别 向行程阀、逻辑控制回路及手动按钮阀供气,实现回路的自动控制和手动操作之间的联锁, 保证气缸动作和安全工作。 图 !“# “手动&自动操作回路 % 急停回路 它是气动控制系统中重要的安全保护措施,在工作过程中出现意外事故时,按动急停按 钮立即停车。应该注意,急停信号除了手动信号外,还有各种自动急停信号,如失压、失电 信号和故障信号等。急停方法如图 !
7、“ # 所示有三种方法。 (!)切断信号系统、控制系统和执行机构的全部气源,如图 !“ # (!)所示,回路处于 排气状态,便于检修、维护。 ($)切断信号系统和控制系统的气源,执行机构仍然处于供气状态,如图 !“ # (“)所 示,气缸运动到终点才能停车。 “$! (!)切断执行机构气源,信号系统和控制系统仍保持供气状态,如图 “! # $(!)所示, 执行机构处于浮动状态。 图 !“# $急停回路 急停后重新开车,只要按图中的急停复位阀,系统继续按程序进行工作。 %& 清零信号回路 设备启动前,各执行元件应处在原始位置,常采用图 “! # % 所示回路,在接通气源的同 时产生清零信号,控制
8、各执行元件自动复位,做好启动前的准备工作。 通常对于有记忆功能的阀,可以不设置清零信号回路;对于无记忆功能的元件,其输出 状态是随机的,必须设置清零回路。 $“ 图 !“# $清零信号回路 二、安全保护回路 在气动设备中,为了保护操作者的人身安全和设备的正常运转,常采用安全保护回路。 !“ 过载保护回路 图 !# $ % 所示为典型的过载保护回路,当气缸活塞杆在伸出途中遇到障碍使气缸过载时, 活塞杆就立刻退回,实现过载保护。在图示回路中,若活塞杆伸出途中遇到障碍,则气缸无 杆腔压力升高,顺序阀 & 打开,阀 # 换向,气缸立即退回。 图 !“# %过载保护回路 &“ 气压降低保护回路 图 !#
9、 $ 所示是一种气压突然降低时的保护回路,其作用是当系统的压力突然降低至工 作安全范围以下时,保护人员和设备的安全。 如图示位置,管路内的工作气压在正常工作压力范围内,顺序阀 ! 打开,气控阀 & 切换, 气缸处于退回的状态,操作手动阀 (,气缸前进;操作手动阀 #,气缸退回。若在气缸前进途 中工作气压突然降低到正常工作压力以下,则顺序阀关闭,气控阀 & 复位,手动阀 ( 的气源 失压,主控阀 ) 的 !端气压经阀 ( 排气,气缸立刻退回。 )&! 图 !“# $气压降低保护回路 !“ 双手操作回路 用两个二位三通阀串联的与门逻辑回路,就构成了一个最常用的双手操作回路,如图 #! $ %(!)
10、所示,二位三通阀可以是手动阀或者脚踏阀。可以看出,只有当双手同时按下二位 三通阀时,主控阀才能换向,而只按下其中一只三通阀时主控阀不切换,从而保证了只有用 两只手操作才是安全的。 但是,如果其中一只三通阀已经按下或者一个阀的弹簧失灵而不能复位时,此时只要单 独按下另一只三通阀气缸也能动作,显然这就不够安全。 图 #! $ %(“)所示为一种可靠性高的双手操作回路,只有同时按下两个手动阀,主控阀 才能切换。如果其中一个因某种原因不能复位时,按下另一个并不能使气缸动作。 图 !“# %双手操作回路 如图示位置,工作开始,气室已充满压缩空气。操作时,只要两个手动阀不同时按下, 气室就与大气接通排气,
11、不能使主控阀切换。只有双手同时按下手动阀,由于气室中已预先 充满压缩空气,则空气经阀 !通过节流阀使主控阀 !“换向。 #$ 互锁回路 图 % & 所示回路能防止各缸同时动作,是保证只有一个气缸动作的互锁回路。回路中主 要利用梭阀 !、!、!“及换向阀 !#、!(、!)进行互锁。如阀 * 被切换,则其输出使阀 !# 也换向,使气缸 “ 活塞杆伸出,与此同时,缸 “ 的进气管路的空气使梭阀 ! 、! !动作,锁 住阀 !(、!),所以此时阀 !+、!& 即使有输入信号,气缸 #、$ 也不会动作。只有阀 * 复位 后,才能使其它气缸动作。 图 !“# $互锁回路 三、速度控制回路 $ 单作用
12、气缸的速度控制回路 图 “ % , 所示为单作用气缸的速度控制回路,图(%) 、 (&)所示为对活塞杆的伸出进 行速度控制,图() 、 (()所示对活塞杆的退回进行速度控制,图())所示利用两个单向 节流阀控制气缸伸出和退回的速度。图(*)所示为用单向节流阀和快排阀实现气缸慢进快退 速度控制。 !$ 双作用气缸的速度控制回路 图 “ % 所示为双作用气缸的速度控制回路,图(%)所示采用单向节流阀实现排气节 流的速度控制,一般采用带有旋转接头的单向节流阀直接拧在气缸的气口上,安装使用方便。 图(&)所示在两位五通阀的排气口上安装了排气消声节流阀,调节节流阀开度实现气缸背 压的排气控制,完成气缸往
13、复速度的调节。图()所示在两位四通阀的排气口上安装排气消 声节流阀的速度控制,此时气缸伸出和退回的速度是相同的,不能分开调节。使用图(&) 和图()所示的速度控制方法时应注意,换向阀的排气口必须有安装排气消声节流阀的螺纹 口,否则不能选用。 *! 图 !“# !$单作用气缸的速度控制回路 图 !“# !双作用气缸的速度控制回路 图 !“ # !$ 所示用快排阀的回路也是一种速度控制回路。 %&! !“ 缓冲回路 图 #! $ #% 所示为两种缓冲回路。图(!)所示是用机控阀和流量控制阀配合使用的缓冲 回路。当气缸伸出运动时,有杆腔空气经二位二通机控阀和二位五通阀排出。伸出运动到末 端使机控阀换
14、向,有杆腔空气经节流阀排出,实现气缸运动缓冲。改变机控阀的安装位置, 可改变开始缓冲的时刻。 图(“)所示的缓冲回路是利用顺序阀实现的。当气缸退回到行程末端时,无杆腔的压 力已经下降到不能打开顺序阀,腔室内的剩余空气只能经节流阀排出,由此气缸运动得以缓 冲。这种回路常用于气缸行程长、速度快的场合。 图 !“# !$缓冲回路 &“ 变速回路 在机械加工中,常遇到快进刀、慢进给、快退刀的工作要求。利用气动执行元件可以实 现这一要求,如采用带有结构变速的气 $ 液阻尼缸图 #! $ #!(!)所示,但这种方法变速位 置不能改变,不予推荐。 图 #! $ #!(“)所示为机控阀变速回路,当气缸伸出运动
15、,活塞杆上的撞块碰到机控阀 后,机控阀换向,气缸开始慢进。通过改变机控阀的安装位置来改变开始变速的位置。 图 !“# !“变速回路 这种变速回路原理可用于普通气缸及其它类型气缸的变速控制。特别是带开关气缸的普 %# 遍采用,这样用磁性开关实现气缸位置的行程发信,控制二位二通电磁阀的换向来改变气缸 运动的速度。同样,速度控制阀有多种连接方式,因此变速回路也是多样的,这里不一一列 举。 !“ 气 # 液联动速度控制回路 气 # 液联动速度控制回路是以气压作动力,利用气 # 液转换器或气 # 液阻尼缸控制气动 执行机构的运动速度,从而得到良好的调速效果。 图 $% # $& 所示为利用气 # 液转换
16、器的速度控制回路。当压缩空气进入气 # 液转换器 $, 气压将液压油送出,经单向节流阀流入缸的有杆腔。同时,无杆腔的液压油经单向节流阀进 入气 # 液转换器 ,将压缩空气压出气 # 液转换器 经换向阀排入大气,液压缸活塞杆退回。 当换向阀换向后,液压缸活塞杆伸出。液压缸活塞运动速度可以通过调节排油量来控制。 图 !“# !$应用气 # 液转换器的速度控制回路 图 $% # $! 所示为利用液压阻尼缸实现速度控制的回路。阻尼缸与气缸的连接可以是串 联,也可以是并联。图示为串联形式。回路中,通过调节单向节流阀的开度,实现气缸的无 级调速。 图 !“# !%气 # 液阻尼缸的速度控制回路 (%$ 四
17、、位置控制回路 气动自动化系统中的气动执行机构一般都停留在两个终端位置上,如果要求执行机构在 行程的某个位置上停下,则要求气动回路具有位置控制的功能。但由于空气具有压缩性,因 而气动定位精度比液压来得低,通常对于定位精度不是很严的场合可采用单纯的气动位置控 制,而要求定位精度较高的场合,则要采取机械定位或气 ! 液联动等措施。 “# 三位阀位置控制回路 图 “$ ! “% 所示为采用三位阀的位置控制回路,其中图(!)为采用中间封闭型三位阀的 回路,因空气的可压缩性,气缸的定位精度较差。这种回路及阀内不允许有任何泄漏。图 (“)为采用中间加压型三位阀的回路。当阀处于中间位置时,由于双出杆气缸,使
18、活塞两侧 保持了力平衡,活塞即停留在行程的任意位置。图(#)为控制单杆气缸的回路,需要安装减 压阀来获得活塞两侧力的平衡。中间加压型三位阀位置控制回路适用于缸径小而要求在行程 中途很快停止的场合。图($)为采用中间卸压型阀的回路。它适用于需外力自由推动活塞 移动的场合,以及为了安全操作在停止位置时排出气缸腔室内空气的场合,其缺点是活塞运 动的惯性较大,停止位置不易控制。 图 !“# !$采用三位阀的位置控制回路 气 ! 液联动位置控制回路 当要求定位精度较高时,可采用气 ! 液联动位置控制回路。图 “$ ! “ 所示为采用并联式 气 ! 液阻尼缸的位置控制回路。在阻尼缸伸出和退回过程中,
19、两个二位二通液压电磁阀可使 阻尼缸停下来,一旦停止运动,三位阀即处于中位,气缸两腔室压力为大气压,操作更为方 便。图 “$ ! “( 所示为采用气 ! 液转换器控制活塞杆中停位置的回路,单向节流阀控制气缸退 回速度。当二位二通电磁阀切断回程油路时,可迅速使活塞杆停止在行程任意位置上。 $# 多位缸位置控制回路 多位缸位置控制回路的特点是控制部分或全部活塞伸出或退回,实现多个位置控制。图 “$ ! “) 所示为多位缸位置控制回路,由二位三通阀 %“ 、% & 、% $通过梭阀 % 、% 控制换向阀 %* 、% +,使气缸两活塞退回,如图所示位置。当阀 %&动作,两活塞杆一个伸出,一个退回; 阀
20、%$动作时,两活塞杆全部伸出。 “$“ 图 !“# !$气 # 液阻尼缸位置控制回路 图 !“# !%采用气 # 液转换器位置控制回路 !“ 手动阀位置控制回路 图 #$ % & 所示为采用手动阀位置控制回路,单独按下手动阀 !#或 !&时气缸伸出或退 回。当阀 !#和 !&同时按下时,气缸两腔室同时加压,气缸可以停止在行程的任何一个位置 上。当单独按下阀 !$时,使气缸两腔同时卸压,气缸处于浮动状态。 &$# 图 !“# !$多位缸位置控制回路 图 !“# %&采用手动阀位置控制回路 五、同步动作回路 !“ 刚性连接的同步回路 图 !# $ %! 所示为两个气缸活塞杆用连杆或齿轮齿条刚性连接
21、的同步回路,能得到可靠同 步,但两缸的布置受到一定的限制,结构稍复杂。 %“ 气 $ 液转换的同步回路 图 !# $ % 所示为采用气&液转换的同步回路,缸 ! 的前腔与缸 “ 的后腔管路相连,内部 注入液压油。同时缸 ! 的后腔和缸 “ 的前腔通过两只单向节流阀 #! 、# %与换向阀 #相连。 只要保证两缸的缸径相同,活塞杆直径相等就实现两缸同步。使用中应注意防止液压油的泄 漏或者油中混入空气,否则将破坏同步动作,因此要经常打开气堵放气并补充油液。 #! 图 !“# $!刚性连接的同步回路 图 !“# $气 # 液转换的同步回路 !“ 气 # 液阻尼缸的同步回路 图 $! # %! 所示为
22、采用气 # 液阻尼缸的同步回路,图中两个气缸并联,若阀 !&有信号 “ 输入,阀换向,气缸向上伸出。此时来自梭阀 !的气压关闭两个常通二位阀 !$、!%,切断 阻尼缸的油路,由于两个阻尼缸的油路交叉连接,且两缸的尺寸完全相同,保证了两缸的同 步动作。当换向阀 !&有信号 # 输入时,两缸同步退回。若阀两端都没有信号输入时,阀处 于中位,气缸两腔同时卸压。此时,阀 !$ 、! %复位,接通油路向液压缸补油。图中设置的气 堵用来定期排放混入油液中的空气。 &!$ 图 !“# $“气 # 液阻尼缸的同步回路 第三节气动逻辑控制回路 一、概述 在气动自动化系统中,执行元件是按照预定的程序进行动作的。编
23、程的依据是工艺过程, 因此执行元件的动作对应着一定的工艺过程。执行元件往往是按一定的顺序动作的,有时也 要求几个执行元件同时动作。在以后的程序控制回路的设计中可以知道,执行元件在动作过 程中产生的各种信号需要进行一定的综合和加工,形成需要的控制信号,去控制执行元件动 作。信号的综合和加工就是逻辑运算。 具有逻辑功能的气动元件称为逻辑元件。本节不讨论有关气动逻辑元件的各种问题,也 不涉及用逻辑代数设计气动回路的问题,仅讨论用气动控制阀实现的基本逻辑回路,逻辑符 号用 !“#$%&( 标注。 二、逻辑回路 ()“是”回路 “是”回路是没有输入时无输出,有输入信号时有输出的回路。在气动自动化系统中,
24、 “是”回路主要用于信号的整形放大,如图 (* + , 所示。一个常断型二位三通阀就能实现 “是”回路,输出函数为 ! - “。 $*( 图 !“# $%“是”回路 !“非”回路 “非”回路是没有输入信号时有输出,有输入信号时没有输出的回路,如图 #$ % !& 所示。 一个常通型二位三通阀就能实现“非”回路,其输出函数为 ! “。 图 !“# $&“非”回路 $“与”回路 只有当所有输入信号都存在时才能输出,两个输入信号的“与”回路如图 #$ % !( 所示, 其输出函数为 ! “#。用二位三通阀和双压阀都能实现“与”回路。 图 !“# $“与”回路 )“或”回路 “或”回路中,只要有一个输
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