纯气动回路快速设计方法研究

滕士雷

(无锡机电高等职业技术学校 自动化工程系， 江苏 无锡 214028)

课题组研究的是严格意义上的纯气动控制系统设计方法,系统不存在任何电气元件，同电气动控制系统相比,它有一个突出的优点,即可用于易燃易爆、防电磁干扰等场合，这使纯气动系统在易燃易爆、复杂电磁环境等特殊领域有着无可比拟的优越性，得到非常广泛的应用。在实际工程应用中纯气动系统虽然安全性好，但是由于不采用方便控制的电气元件，要实现复杂的纯气动控制系统设计，其难度很大。全国职业技能大赛液压与气动系统安装与维护项目从2012年开赛以来就一直以工程实际应用为考核核心内容，以解决工程实际问题为宗旨，纯气动系统设计一直是大赛的重点考核内容。笔者在多年指导学生参加比赛及纯气动系统设备开发与设计的过程中一直在研究纯气动控制系统快速设计的方法。经验证明，消除障碍信号是纯气动顺序动作控制回路设计的难点之一，特别是要保证一次成功更是难上加难。在常规的理论教学中通常使用X-D状态图法、卡诺图解法等[1]，此外，近年来有研究基于梯形图的纯气动系统设计方法、圆环法设计等，其原理都是以上一步顺序动作完成作为条件开始下一步的动作顺序，也是利用气动节拍器进行全气动系统设计的方法。这些方法在实际的工程应用中通过反复的调整和验证，能够解决大部分问题，但是在大赛过程中选手没有那么多的时间去验证，需要一次成功。所以在实际的大赛过程中选手很难理解这些方法，设计回路过于复杂，而且回路设计的一次成功率很低。因此，课题组基于步进控制和排列组合的思想，结合单向滚轮行程阀在工程实践中的应用，提出了一种简单、明了、实用、程序化的纯气动回路设计策略和方法，其能在短时间内完成复杂回路的设计。

1 纯气动回路设计的主要思想及表示方法

1.1 纯气动回路设计的主要思路

纯气动回路控制中某个气缸的伸出与缩回动作由双气控换向阀控制，而双气控换向阀两个控制端同时供气时会出现障碍信号。所以,纯气动回路在设计时，首先要判断动作流程中为了保持上一个动作而出现的两个方向控制端同时供气所产生的情况，即有无障碍信号(影响系统正常运行的行程阀信号)，然后选用合适的设计方式消除障碍信号。

纯气动回路设计的核心是如何用气控阀实现各气缸的动作逻辑，并消除动作过程中的障碍信号。为了达到这样的目的，采用记忆阀分级控制系统的动作，将系统工作过程的一个工作周期分解为若干工作状态，每个工作状态中每个气缸的动作仅能出现一次。通过分级供气消除动作过程中引起动作错误的障碍信号，在此基础上,配合单向滚轮行程阀消障，降低回路的复杂程度。在具体实施的过程中，根据设计要求的复杂程度采用步进分级消障、单向滚轮行程阀消障、步进分级与单向滚轮行程阀配合消障三种方法进行回路设计。课题组所要介绍的方法无需设计者进行复杂的计算，只需将元件按照相应的逻辑关系表进行连接，即可组成有一定顺序逻辑的多级气路，再结合步进控制的思想完成纯气动顺序动作回路的设计。

1.2 纯气动回路设计的表示方法

纯气动回路设计时，可用大写的A、B、C、D表示气缸，用0、1表示气缸动作的两种不同的状态[2]。A1表示A气缸伸出时的信号，A0表示A气缸缩回的信号。用小写的a1、a0、b1、b0等分别表示与动作A1、A0、B1、B0等相对应的行程阀信号。

根据以上符号要求，可以用表达式表示气缸的动作顺序。如气缸的动作顺序为：A缸伸出→B缸伸出→B缸缩回→A缸缩回，其流程如图1所示。

图1 纯气动回路动作流程表示方法

图1动作流程中q表示手动启动信号，a0、a1、b0、b1分别为气缸动作到位后由行程阀所发出的信号，可将以上动作流程简化表示为A1B1B0A0。

2 纯气动回路设计的分级供气实现方法

在设计回路时,可以使用具有记忆功能的元件实现各级气路的通断。利用双压阀和具有记忆功能的换向阀作为信号转接来改变各级管路的输出气压，保证在任一时间，只有一级管路有气源输出，其他级管路都处于排气状态[3]。

每个记忆阀有两个工作位，n个记忆阀有2n个工作状态，每个状态可以代表1级供气回路。如图2、图3所示，为利用二位五通换向阀以阶梯顺序连接的方式，组成的2级和3级分级供气典型回路图。若动作顺序分为n级，则必须使用n-1个二位五通换向阀，因此以分成最少级数为原则[4]。

图2 2级分级转换气路

图3 3级分级转换气路

3 纯气动回路障碍信号的消除方法及设计实例

3.1 步进分级法消障设计

以A1A0B1B0顺序动作为例，气缸作为执行元件，其伸出和缩回由换向阀控制。

(1) 障碍信号的判断方法。在分级供气顺序动作控制中，同一级供气内只能出现一个气缸的一种动作(伸出或缩回)，第二个动作则是障碍信号。由此可知,A1A0B1B0顺序动作中a0、b0是障碍信号。

(2) 分级供气原则。为避免换向阀的两端控制信号同时有压缩空气，分级时必须将其避开，即A0与A1，B0与B1，分别不能在同一级，以保证每一气缸只在该级中出现一次动作。即当某一个气缸出现伸出或缩回的第二个动作时，则在该气缸的第二个动作前进行分级。可将动作顺序按步进顺序分两级：A1(A0B1)B0括号外的为一级供气，括号内的为二级供气。

(3) 列出作图流程式。在表1所示的作图流程式中，q表示启动开关，A1(A0B1)B0表示气缸动作，a0、a1、b0、b1表示各动作的完成信号，1、2表示各级供气。

根据表1的流程式，选择二位五通换向阀2级分级转换气路为基础回路，动作步1、2、6为1级供气，动作步3、4、5为2级供气，通过两级供所消除了a0、b0两个障碍信号。将行程阀的动作条件按照1、2、3、4、5、6的动作步逐个添加到回路中，采用直接翻译的方法可直接画出气动回路图,如图4所示。

表1 步进分级法作图流程式

图4 纯气动两缸顺序动作回路

(4) 在复杂动作回路中的应用。按照以上的方法可以快速分析并绘制出相对复杂的动作流程，如：A1B1A0C1C0D1D0B0顺序动作，按照步进顺序来看,A0为A缸的第二个动作，C0为C缸的第二个动作，D0为D缸的第二个动作，由此可知a0、c0、d0为障碍信号。在采用分级供所排除障碍信号的过程中，最后一个动作B0的到位信号b0不算障碍，若是最后一级中没有和第1级重复的气缸动作则可以归到1级中，最后一个动作需要将所有二位五通换向阀复位[5]。

通过以上分析，(A1B1)(A0C1)(C0D1)(D0B0)可分为4级供气，列出作图流程式后可以快速地绘制出如图5所示的气动回路。

3.2 单向滚轮行程阀消障设计

如图6所示的单向滚轮行程阀，当滚轮被凸轮沿指定方向驱动时，单向滚轮杠杆阀才能够切换，释放滚轮后，单向滚轮杠杆阀在复位弹簧作用下复位，即1口与2口关闭。当沿相反方向驱动滚轮时，单向滚轮杠杆阀并不动作。

图5 四缸顺序动作气动回路

图6 单向滚轮行程阀

这种行程阀装在气缸活塞杆伸出或缩回到底的极限端前(若在极限端，作用和滚轮行程阀一样)，其主要作用为使长的气缸到位信号变为脉冲型的信号。使用时注意指定的方向，指定的方向为需要气缸动作的方向[6]。

(1)障碍信号的判断方法。采用单向滚轮行程阀消障设计时，要分析每个气缸的两个动作的到位信号，每个动作后面紧靠的那个气缸如果在两个动作之间有完整的伸出和缩回动作，则这个动作的到位信号是障碍信号。

以A1B1A0C1B0C0为例,首先分析气缸A的两个动作信号a1和a0,如图7所示，看A1到A0中间气缸B的动作，只有伸出动作B1，没有缩回动作，所以a1不是障碍。

图7a1障碍信号判断区间

然后如图8所示,A0到A1中的动作有C1B0C0，A0后气缸C包括了C1、C0两个完整的伸出和缩回动作，所以a0是障碍信号，a0需要用单向滚轮行程阀。

图8a0障碍信号判断区间

通过以上的方法可以分析出B、C两个缸的障碍信号见表2。

表2 单向滚轮行程阀障碍信号分析

(2) 由以上分析可知a0、b0、c0三个动作到位信号需要用单向滚轮行程阀消除障碍信号，但由于C0在启动条件中，受到启动信号限制，自动消除了产生的障碍信号，不需要使用单向滚轮行程阀，采用普通滚轮行程阀即可[7]，气动回路如图9所示。

图9 单向滚轮行程阀消障纯气动回路设计

作图仿真时，单向滚轮行程阀标尺的位置不能在极限位置0/100，注意有无这种行程阀。

3.3 使用单向滚轮行程阀和步进分级法组合设计

前面的两种设计方法可以解决大部分动作回路设计，但是对于动作特别复杂、障碍信号多的动作回路设计，单纯使用单向滚轮行程阀消障是无法解决的。步进分级法因为障碍信号多，消除一个障碍信号就要多一级供气，使得气级太多，回路过于复杂，容易出错且应用成本高。为了解决这一问题，课题组采用步进分级消障和单向滚轮行程阀消障结合，设计了一种新的组合消障法。

这种设计方法适用于流程繁琐，且同一气缸需要伸/缩两次或两次以上的气动回路。下面以顺序动作A1B1A0C1B0A1C0A0为例进行说明。

(1) 对动作进行分级，解决同一气缸多次动作问题。找出进行两次或两次以上伸缩的气缸，从第一次伸缩动作开始到第二次动作开始前，归为同一级气：(A1B1A0C1B0)(A1C0A0)

其中，一级供气为A1B1A0C1B0；二级供气：A1C0A0。

(2) 消除同一级供气种还存在的障碍信号。按照前面介绍的单向滚轮行程阀消障设计方法，按一、二级气将顺序动作分为两组，找出每组中有无前一组动作完成后的初始信号，如果有动作控制，则这个初始位置是障碍信号。

当顺序动作处于第一级供时,A、B、C缸都处于缩回，有a0、b0的初始信号，则这两个是障碍信号；当动作处于第二级供气时，A、B缸处于缩回，C缸伸出，没有a0、b0、c1的信号，所以第二级供气中没有障碍信号。由此得出结果是a0、b0是障碍信号。

(3) 由于多级气路可能用到同一个动作到位信号，所以行程阀信号可以利用与双压阀配合使用到不同的供气回路中。按照步进分级法与单向滚轮行程阀消障组合设计的纯气动回路如图10所示。

图10 步进分级法与单向滚轮行程阀消障法气动回路

此设计方法思路清晰、方法简单，但需要注意行程阀的多次使用及行程阀处于的供气级别。

4 结语

课题组研究的步进分级消障设计法的优点在于设计简单、回路清晰、思路明确，其缺点在于用在繁琐的气动流程中使用的元件过多、实际搭建困难，适用于稳定性较高的运行气动回路中[8]；单向滚轮行程阀消障设计法的优点在于明显减少元件个数、线路，其缺点在于这种方法只能允许同一个气缸进行一次伸缩，适用于简单气动回路中；组合消障设计法的优点在于可以处理单向滚轮行程阀消障设计法处理不了的气动流程且使用元件比步进分级法少，此设计法适用于复杂程度大、节约成本要求高的气动回路中。三种设计方法需要配合作用，根据不同的设计要求选择合适的方法可以在极短的时间里完成纯气动控制回路的设计，且具有很高的一次成功率。