基于FluidSim的分送装置控制回路设计

陈宏胜，孙 亮，杨 毅，唐 猛

（1.池州职业技术学院 机电汽车系，安徽 池州 247000；2.平高集团有限公司 配网技术中心，河南 平顶山 467000）

目前国内厂商和科研院所对分送装置的研究与开发取得了一些相应的成果。气动控制技术主要是以压缩空气为介质，低成本特性，同时它还是自动化工业运用的一种重要技术[1-2]。据统计：工业自动化有 50%生产线流程、机器人控制系统有22%～29%都装有气压控制系统。本文针对圆柱塞分送装置设计出2 种控制回路，分别以行程阀、双压阀、延时阀等气动元件设计的气动控制回路，该回路工作介质为空气，污染环境小，工程实现容易；以继电器、传感器、电磁阀等电气元件设计的电气控制回路，电气控制回路能够实现远距离控制，速度响应快，易实现自动化。将2 种设计结果进行对比分析，力求有效提升设备加工精度和降低工人劳动强度[3-5]。

1 设计要求

如图1，利用2 个气缸的交替伸缩将圆柱塞2个、2 个地送到加工机上进行加工。启动前气缸1A1活塞杆完全缩回，气缸2A1 活塞杆完全伸出，挡住圆柱塞，避免其滑入加工机。按下启动按钮后，1A1气缸活塞杆伸出，同时2A1 气缸活塞杆缩回，2 个圆柱塞滚入加工机进行待加工。2 s 后气缸1A1 缩回，同时气缸2A1 伸出，一个工作循环结束[6]。为保证后2 个圆柱塞只有在前2 个加工完毕后才能滑入加工机，要求下一次的启动只有在间隔5 s 后才能开始。系统通过一个手动按钮启动，并用一个定位开关来选择工作状态是单循环还是连续循环。在供电或供气中断后，分送装置须重新启动，不得自行开始动作[7-8]。

在本设计中，气缸1A1 和2A1 是交替的伸出和缩回，需要采用相应的位置传感器作为动作效果的判断，可将磁性传感器安装在气缸外壳上。气缸1A1伸出2 s，每次工作循环需要5 s 间隔，为此，需要使用具有延时功能的元器件——时间继电器和延时阀[9]。

2 理论分析

2.1 时间继电器

如图2，给通电延时时间继电器线圈触发一个外部信号，到达设定时间后继电器的触点开关才能闭合。当该时间继电器线圈得电后，触点开关需要经过延时后才能闭合；线圈失电后，触点开关立即复位[10]。

2.2 传感器

如图3，传感器有2 个极板，一个固定不动，另一个极板可以移动[11]。

设动片未移动时极板间距为δ0，初始电容量为：

下级板上移：

电容的相对变化量为：

当Δδ/δ0＜＜1时，

忽略高次项：

在设计电容传感器时要充分考虑Δδ＜＜δ0,Δδ只允许在很小的范围内取值。

非线性误差表达式：

传感器的灵敏度为：

由公式（5）可知，电容传感器的灵敏度与极板间距的平方成反比。

2.3 延时阀

如图4 所示，延时阀是气动系统中的一种时间控制元件，它是通过节流阀调节气室充气时压力上升速率来实现延时的[12]。

延时阀由单向节流阀1、气室2 和一个单侧气控二位三通换向阀3 组合而成。控制信号从12 口经节流阀进入气室。由于节流阀的节流作用，使得气室压力上升速度较慢。当气室压力达到换向阀的动作压力时，换向阀换向，输入口1 和输出口2 导通，产生输出信号。由于从12 口有控制信号到输出口2 产生信号输出有一定的时间间隔，所以可以用来控制气动执行元件的运动停顿时间。若要改变延时时间的长短，只要调节节流阀的开度即可。通过附加气室还可以进一步延长延时时间。当12 口撤除控制信号，气室内的压缩空气迅速通过单向阀排出，延时阀快速复位。所以延时阀的功能相当于电气控制中的通电延时时间继电器。

3 系统设计

3.1 气动控制回路设计

在某些工业场合需要考虑到安全状况，不能采用带电设备。在这种情况下，可以采用气动控制回路设计，如图5 所示。

将1A1 气缸无杆腔、有杆腔分别与2A1 气缸有杆腔、无杆腔进行并联。先按下1S2 按键开关，再按下1S1 按钮开关，压缩空气作用在双压阀1V2 的左端气控口，并与双压阀1V2 右端气控口压缩空气合并，致使双压阀输出口有压缩空气输出并作用在主控阀1V1 的左端气控口，使主控阀左位阀芯接通换向，从而使1A1 气缸活塞杆伸出，2A1 气缸活塞杆缩回。达到延时阀1V6 延时时间2 s 后，1A1 气缸活塞杆缩回，2A1 气缸活塞杆伸出，两气缸活塞杆交替伸出缩回动作；达到延时阀1V5 延时时间5 s 后，即待两个圆柱加工需要5 s 时间完成后进行下一循环动作。

本气动控制回路设计2 次延时时间均是通过延时阀来进行延时的，延时阀延时时间这一数值很难进行量化等效，在此是将1V6 延时阀开口度调节至50%，1V5 延时阀开口度调节至30%。回路选用气压控制元件—行程阀具有速度换接平稳优点，但行程阀安装较困难，实现顺序运动较难。

3.2 电气控制回路设计

电气控制回路的设计主要选用双端电磁换向阀、传感器和通电延时时间继电器来实现的。其电气控制设计回路如图6 所示。

该电气控制回路设计只需通过一个手动按钮启动，定位开关只有选择工作状态作用，而不具有启动作用。停电后，装置应自动停止；恢复供电后，装置要重新启动才能开始工作。上述功能可采用电气控制中常用的自锁回路实现。手动按钮1 S1 用于装置的启动，定位开关1S2 控制是否建立自锁。如自锁建立，则装置进入自动连续循环工作状态。回路选用电器控制元件—电磁换向阀实现，具有自动控制，安装位置不受限制等优点，同时能够快速实现顺序动作。

4 结论

圆柱塞分送装置控制回路设计2 次延时时间均是通过延时阀来进行延时的，延时阀延时时间这一数值很难进行量化等效，在此是将1V6 延时阀开口度调节至50%，1V5 延时阀开口度调节至30%。回路选用气压控制元件—行程阀具有速度换接平稳优点，但行程阀安装较困难，实现顺序运动较难。电气控制回路通过通电延时时间继电器来延时，准确达到本次设计任务要求。回路选用电器控制元件—电磁换向阀实现，具有自动控制，安装位置不受限制等优点，同时能够快速实现顺序动作。