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1、第七章气动系统设计第七章气动系统设计1a7.1 程序控制系统程序控制系统7.1.1程序控制的分类程序控制的分类程序控制系统是工业生产领域，也是气动装置中广泛程序控制系统是工业生产领域，也是气动装置中广泛应用的一种控制系统。应用的一种控制系统。程序控制是根据生产过程中的物理量，例如位移、程序控制是根据生产过程中的物理量，例如位移、时间、压力、温度等的变化，使被控对象的各执行元时间、压力、温度等的变化，使被控对象的各执行元件按照预先给定的程序或条件有序协调地工作。件按照预先给定的程序或条件有序协调地工作。按发信装置和控制信号不同，简单程序制可分为时间按发信装置和控制信号不同，简单程序制可分为时间程
2、序控制、行程程序控制、混合程序控制。程序控制、行程程序控制、混合程序控制。2a 时间程序控制时间程序控制时间程序控制是指各执行元件的动作顺序按时间顺序进行的一种自动控制方式。时间信号通过控制线路，按一定的时间间隔分配给相应的执行元件，令其产生有顺序的动作，它是一种开环的控制系统。图所示为时间程序控制方框图。 行程程序控制行程程序控制行程程序控制一般是一个闭环程序控制系统，如图所示。它是前一个执行元件动作完成并发出信号后，才允许下一个动作进行的一种自动控制方式。执行元件执行某一动作后，有程序发生器发出信号，此信号输入逻辑控制回路，由其做出逻辑运算发出有关执行信号，指挥执行元件完成下一步动作，此动
3、作完成后，发出新的信号，直到完成运动的控制为止。行程程序控制系统包括行程发信装置、执行元件、程序控制回路和动力源等部分。行程程序控制的优点是结构简单，维护容易，动作稳定，特别是当程序运行中某节拍出现故障时，整个程序动作就停止而实现自动保护。因此，行程程序控制方式在气动系统中被广泛采用。 混合程序控制混合程序控制混合程序控制通常是在行程程序控制系统中包含了一些时间信号，实质上是把时间信号看作行程信号处理的一种行程程序控制。3a7.1.2 行程程序控制回路的设计方法行程程序控制回路的设计方法 n1.试凑法试凑法利用一些基本回路、常用回路试凑组成控制回路，然后分析是否满足利用一些基本回路、常用回路试
4、凑组成控制回路，然后分析是否满足要求。要求。2.逻辑设计法逻辑设计法逻辑运算法：应用布尔代数进行简化，但对复杂回路不容易达到最佳逻辑运算法：应用布尔代数进行简化，但对复杂回路不容易达到最佳效果效果图解法：利用逻辑代数的特性图解法：利用逻辑代数的特性,将复杂的计算用图解的方法表示出来将复杂的计算用图解的方法表示出来,如如信号信号动作状态线图法（简称动作状态线图法（简称XD线图法）线图法）、卡诺图法卡诺图法.快速消障法：在图解法基础上，省去一些过程快速设计快速消障法：在图解法基础上，省去一些过程快速设计.计算机辅助逻辑综合法：对于复杂的多变量的设计借助计算机设计计算机辅助逻辑综合法：对于复杂的多变
5、量的设计借助计算机设计采用进步控制回路或程序器：此方法改变回路程序迅速，适应性好，采用进步控制回路或程序器：此方法改变回路程序迅速，适应性好，机动性强，但成本高。机动性强，但成本高。3.分组供气法分组供气法在控制回路中增加若干控制元件对行程阀采取分组供气。在控制回路中增加若干控制元件对行程阀采取分组供气。如产生障碍如产生障碍即可切断障碍信号的气源即可切断障碍信号的气源,防止障碍的产生。防止障碍的产生。XD线图法直观、简便，是一种常用的设计方法，因此仅介绍此种方线图法直观、简便，是一种常用的设计方法，因此仅介绍此种方法。法。4a7.2 多缸单往复行程程序控制回路多缸单往复行程程序控制回路 在给定
6、的行程程序一次循环过程中，系统中各执行元件只作一次往复运动的在给定的行程程序一次循环过程中，系统中各执行元件只作一次往复运动的系统称为单往复行程程序控制系统。系统称为单往复行程程序控制系统。多缸多往复行程程序是指程序运行一个循环中，至少有一个气动缸作一次以多缸多往复行程程序是指程序运行一个循环中，至少有一个气动缸作一次以上的往复运动。上的往复运动。7.2.1XD线图法设计步骤线图法设计步骤XD线图法是一种图解法，它可以把各个信号的存在状态和气动执行元件线图法是一种图解法，它可以把各个信号的存在状态和气动执行元件工作状态较清楚地用图线表出来，从图中能分析出障碍信号的存在状态，以工作状态较清楚地用
7、图线表出来，从图中能分析出障碍信号的存在状态，以及消除信号障碍各种可能性。及消除信号障碍各种可能性。步骤如下：步骤如下：（一）、根据生产自动化的工艺要求，编制工作程序；（一）、根据生产自动化的工艺要求，编制工作程序；（二）、根据行程程序绘制（二）、根据行程程序绘制X-D状态线图。状态线图。（三）、由（三）、由X-D状态线图判别障碍信号，并消除障碍信号；状态线图判别障碍信号，并消除障碍信号；（四）、绘制逻辑原理图（四）、绘制逻辑原理图（五（五)、气动回路原理图、气动回路原理图5a7.2.2 X7.2.2 XD D线图法常用的符号线图法常用的符号1.用大写A、B、C等表示气缸，用下标1和0分别表示
8、气缸的伸出和缩回，如A1表示气缸A伸出，A0表示A缸回缩。2.用带下标的a1、a0等分别表示与A1、A0等相对应的机控阀及其输出信号。如a1表示气缸活塞杆伸出终端位置的行程阀和其所发出的信号。3.控制气缸对应的主控阀也用相对应的控制气缸的文字符号表示。4.经过逻辑处理而排除障碍后的执行信号在右上角加“*”号，如a*, 不加表示原始信号。5.在工作程序图中，“ ”箭头指向表示控制顺序，“ ”表示信号（或行程阀）b0控制缸A的伸出。 6a7.2.3XD线图法介绍线图法介绍工业应用装置中的送工业应用装置中的送料机构：用料机构：用A、B两个两个气缸将工件从料仓中气缸将工件从料仓中传递到滑槽。按下按传递
9、到滑槽。按下按钮，气缸钮，气缸A伸出，将工伸出，将工件从料仓推出，等待件从料仓推出，等待气缸气缸B将其推入输送滑将其推入输送滑槽。工件传递到位后，槽。工件传递到位后，A缸回缩，接着缸回缩，接着B缸回缸回缩。缩。7a（一）、根据生产自动化的工艺要求，编制工（一）、根据生产自动化的工艺要求，编制工作程序。作程序。工作程序是：给定启动信号，送料气缸工作程序是：给定启动信号，送料气缸A伸出，送料气缸伸出，送料气缸B伸出后，然后送料气缸伸出后，然后送料气缸A退回，最后送料气缸退回，最后送料气缸B退回。退回。8a（二）、根据事先给定的行程程序绘制（二）、根据事先给定的行程程序绘制X-D状态线图状态线图n1
10、.画方格图画方格图1)由左至右画方格，并在方格的顶上依次填上序号由左至右画方格，并在方格的顶上依次填上序号1234等。在序号下面填上相应的动作状态等。在序号下面填上相应的动作状态A1B1A0B0，在最右边留一栏作为，在最右边留一栏作为“执行信号表达式执行信号表达式”（简（简写为执行信号）。写为执行信号）。2)在方格图最左边纵栏又上至下填上控制信号及控制动作在方格图最左边纵栏又上至下填上控制信号及控制动作状态组的序号（简称状态组的序号（简称X-D组）组）1、2、等。每个等。每个X-D组包括上下两行上行为行程信号行，下行为该信号控制的组包括上下两行上行为行程信号行，下行为该信号控制的状态。例如：状
11、态。例如：a0(A1)表示控制表示控制A1动作的信号是动作的信号是a0；a1(B1)表控制表控制B1动作的信号是动作的信号是a1等等等等3)下面的备用格可根据具体情况填入中间记忆元件（辅助下面的备用格可根据具体情况填入中间记忆元件（辅助阀）的输出信号、消障信号及连锁信号等。阀）的输出信号、消障信号及连锁信号等。9an2.画动作（画动作（D线）线）用用横向粗实线横向粗实线画出各执行元件的动作状态线。画出各执行元件的动作状态线。动作状态线的起点是该动作程序的开始处，用动作状态线的起点是该动作程序的开始处，用符号符号“”画出；画出；动作状态线的终点是该动作状态变化的开始动作状态线的终点是该动作状态变
12、化的开始处，用符号处，用符号“”画出。例如缸画出。例如缸A伸出的状态伸出的状态A1，变化成缩回状态变化成缩回状态A0，此时，此时A1的动作线的终点必的动作线的终点必然在然在A0的开始处。的开始处。10an3.画主令信号线（画主令信号线（X线）线）用用细实线细实线画出主令信号线画出主令信号线起点与所控制的动作线起点相同，用符号起点与所控制的动作线起点相同，用符号“”表示表示信号线的终点和上一组中产生该信号的动作线终点相信号线的终点和上一组中产生该信号的动作线终点相同同,用符号用符号“ ”表示。表示。若终点和起点重合，用符号若终点和起点重合，用符号“”表示。表示。符号符号“”表示该信号的起点与终点
13、重合，表示该信号的起点与终点重合，称该信号称该信号为脉冲信号，脉冲信号的宽度相当于行程阀发出信号、为脉冲信号，脉冲信号的宽度相当于行程阀发出信号、气控阀换向、气缸启动和信号传递时间的总和。气控阀换向、气缸启动和信号传递时间的总和。11a（三）、绘制逻辑原理图（三）、绘制逻辑原理图根据X-D线图中执行信号栏的逻辑表达式及考虑手动、线图中执行信号栏的逻辑表达式及考虑手动、启动等因素利用是、与、或、非等逻辑符号画出逻辑方启动等因素利用是、与、或、非等逻辑符号画出逻辑方框图。框图。使用上述符号按下列步骤绘制：使用上述符号按下列步骤绘制：（1）把系统中每个执行元件的两种状态与主控阀（用逻把系统中每个执行
14、元件的两种状态与主控阀（用逻辑记忆符号表示）相连后，自上而下一个个地画在图的辑记忆符号表示）相连后，自上而下一个个地画在图的右侧。右侧。（2）把发信器（如行程阀）大致对应其所控制的元件，把发信器（如行程阀）大致对应其所控制的元件，一个个列于图的左侧。加上小方框表示原始信号，（简一个个列于图的左侧。加上小方框表示原始信号，（简写不画小方框），在小方框上画出相应的符号表示各种写不画小方框），在小方框上画出相应的符号表示各种手动阀。手动阀。（3）在图上要反映出执行信号逻辑表达式中的逻辑符号在图上要反映出执行信号逻辑表达式中的逻辑符号之间的关系，并画出为操作需要而增加的阀（如启动阀）之间的关系，并画出
15、为操作需要而增加的阀（如启动阀）。12a（四（四)、气动回路原理图、气动回路原理图自动程序需用一个启动阀、四个行程阀和两个双自动程序需用一个启动阀、四个行程阀和两个双输出记忆元件（两位四通阀）。一个与门可由元件串输出记忆元件（两位四通阀）。一个与门可由元件串联来实现，由此可绘出的气动回路图。联来实现，由此可绘出的气动回路图。在具体画气动回路原理图时，特别要注意的是：在具体画气动回路原理图时，特别要注意的是：哪个行程阀为有源元件（即直接与气源相接），哪个哪个行程阀为有源元件（即直接与气源相接），哪个行程阀为无源元件（即不能与气源相接）。行程阀为无源元件（即不能与气源相接）。(其一般规其一般规律是
16、：无障碍的原始信号为有源元件律是：无障碍的原始信号为有源元件)。气缸处于原始状态时要求活塞杆缩回；气体控制线用虚气缸处于原始状态时要求活塞杆缩回；气体控制线用虚线表示。线表示。13aA1B1A0B0气动控制回路图14a7.2.4气动顺序控制回路原理图设计步骤气动顺序控制回路原理图设计步骤一、编制工作程序一、编制工作程序二、绘制二、绘制XD线图线图1.画方格图画方格图2.画动作（画动作（D线）线）3.画主令信号线（画主令信号线（X线）线）三、分析并消除障碍信号三、分析并消除障碍信号脉冲信号法（延时阀）、辅助阀法（中间记忆元件）、脉冲信号法（延时阀）、辅助阀法（中间记忆元件）、逻辑回路法逻辑回路法
17、四、绘制逻辑原理图四、绘制逻辑原理图五、绘制气动回路图五、绘制气动回路图15a图为气控冲孔机结构示意图。其工作顺序是：气缸图为气控冲孔机结构示意图。其工作顺序是：气缸A夹紧夹紧A1气缸气缸B冲孔冲孔B1气缸气缸B带冲头退回带冲头退回B0气缸气缸A松开工件松开工件A0。一、编制工作程序一、编制工作程序图为其工作程序图为其工作程序16a（二）、绘制（二）、绘制XD线图线图1.画方格图。画方格图。根据动作顺序第一行填入节号，第二行填入气缸动根据动作顺序第一行填入节号，第二行填入气缸动作，最右边一列留作填入经消障后的执行信号表达式。作，最右边一列留作填入经消障后的执行信号表达式。表的下端留有备用格，可
18、填入消障过程中引入的辅助表的下端留有备用格，可填入消障过程中引入的辅助信号等。信号等。2.画动作（画动作（D线）线）用粗实线画出各个气缸的动作区间，它以行列中大用粗实线画出各个气缸的动作区间，它以行列中大写字母相同、下标也相同的列行交叉方格左端的格线写字母相同、下标也相同的列行交叉方格左端的格线为起点，直画到字母但下标相反的方格。为起点，直画到字母但下标相反的方格。3.画主令信号线（画主令信号线（X线）线）用细实线画出主令信号线，起点与所控制的动作线用细实线画出主令信号线，起点与所控制的动作线起点相同，用符号起点相同，用符号“”表示，终点在该信号同名动表示，终点在该信号同名动作线的终点，用符号
19、作线的终点，用符号“ ”表示。若终点和起点重合，表示。若终点和起点重合，用符号用符号“”表示。表示。17aX-D线图18a（三）、分析并消除障碍信号（三）、分析并消除障碍信号1.判别障碍信号判别障碍信号2.消除障碍信号消除障碍信号19a1.判别障碍信号判别障碍信号所谓障碍信号是指在同一时刻，阀的两个控制侧同时存在控制信号，所谓障碍信号是指在同一时刻，阀的两个控制侧同时存在控制信号，妨碍阀按预定行程换向妨碍阀按预定行程换向用用XD图确定障碍信号的方法是：图确定障碍信号的方法是：检查每组中是否存在有信号线比检查每组中是否存在有信号线比其所控制的动作线长的情况，其所控制的动作线长的情况，如存在这种情
20、况，说明动作状态要如存在这种情况，说明动作状态要改变，而其控制信号不允许其改变（障碍动作状态的改变），这改变，而其控制信号不允许其改变（障碍动作状态的改变），这种障碍其动作状态改变的信号就称之为障碍信号。信号线比其所种障碍其动作状态改变的信号就称之为障碍信号。信号线比其所控制的动作线长的那部分线段叫障碍段，即图中用控制的动作线长的那部分线段叫障碍段，即图中用“”表示表示的线段的线段。在多缸单往复系统中，是一个信号妨碍另一个信号的输入而造成的在多缸单往复系统中，是一个信号妨碍另一个信号的输入而造成的障碍，称为障碍，称为I型障碍。型障碍。20a2.消除障碍信号消除障碍信号在在X-D图，障碍信号表现
21、为控制信号线长于图，障碍信号表现为控制信号线长于其所控制的动作状态存在的时间，所以常用的其所控制的动作状态存在的时间，所以常用的排除障碍的办法就是缩短信号线长度，使其短排除障碍的办法就是缩短信号线长度，使其短于次信号所控制的动作线长度，其实质就是要于次信号所控制的动作线长度，其实质就是要使障碍段失效或消失。使障碍段失效或消失。常用的消障法有常用的消障法有脉冲信号法脉冲信号法辅助阀法辅助阀法逻辑逻辑回路法回路法三种。三种。21a（1）脉冲信号法）脉冲信号法信号信号a1和和b0是两个障碍信号。如果将信号是两个障碍信号。如果将信号a1和和b0都变都变成脉冲信号，即成脉冲信号，即a1 a1，b0 b0
22、，就变成了无障碍信，就变成了无障碍信号了。号了。a、机械法、机械法包括活络挡铁或可通过式行程阀（单向滚轮式）包括活络挡铁或可通过式行程阀（单向滚轮式）使气使气缸在一个往复动作中只发出一个短脉冲信号，缸在一个往复动作中只发出一个短脉冲信号，把存在障碍把存在障碍的长信号缩短为脉冲信号，用这种方法排除障碍信号结构的长信号缩短为脉冲信号，用这种方法排除障碍信号结构简单，但靠它发信的定位精度较低需要设置固定挡块来简单，但靠它发信的定位精度较低需要设置固定挡块来定位，气缸行程较短时不宜采用。定位，气缸行程较短时不宜采用。以达到消除障碍的目的。以达到消除障碍的目的。22a23ab、脉冲回路法排障、脉冲回路法
23、排障利用脉冲回路或脉冲阀的方法将有障信号利用脉冲回路或脉冲阀的方法将有障信号变为脉冲信号。变为脉冲信号。图所示为脉冲信号原理图。图所示为脉冲信号原理图。当有障信号当有障信号a发出后，阀发出后，阀K立即有信号输出。立即有信号输出。同时，信号又经气阻、气容延时，当阀同时，信号又经气阻、气容延时，当阀K控制控制端的压力上升到切换压力后，输出信号端的压力上升到切换压力后，输出信号a即即被切断，从而使其边变为脉冲信号。被切断，从而使其边变为脉冲信号。24a利用常通型延时阀消除障碍信号方法。利用常通型延时阀消除障碍信号方法。25a下图为工作程序下图为工作程序A1B1B0A0用脉冲信号消障的用脉冲信号消障的
24、X-D线图。线图。26a（四）、绘制逻辑原（四）、绘制逻辑原理图理图根据根据XD图上图上的执行信号表达式，的执行信号表达式，即可绘出逻辑原理即可绘出逻辑原理图，只绘出引入中图，只绘出引入中间记忆元件消障的间记忆元件消障的气控逻辑原理图气控逻辑原理图脉冲阀逻辑原理图27a（五）（五）气动回路原理图气动回路原理图根据气控逻辑原理图便可绘出气动控制系统图。根据气控逻辑原理图便可绘出气动控制系统图。脉冲阀法消障的气动原理图28a（2）逻辑回路法）逻辑回路法即利用逻辑门的性质，将长信号变成短信号，从而排即利用逻辑门的性质，将长信号变成短信号，从而排除障碍信号。除障碍信号。利用逻辑利用逻辑“与与”排障法排
25、障法如图所示，为了排除障碍信号如图所示，为了排除障碍信号m中的障碍段，可以引中的障碍段，可以引入一个辅助信号（制约信号）入一个辅助信号（制约信号）x，把，把x和和m相相“与与”而得到消障后的无障信号而得到消障后的无障信号m*，即，即。制约信号制约信号x的选用原则是，要尽量选用系统中某原始的选用原则是，要尽量选用系统中某原始信号。这样，可不增加气动元件。信号。这样，可不增加气动元件。原始信号作为制约信号原始信号作为制约信号x时，其起点应在障碍信号时，其起点应在障碍信号m开始之前，其长短应包括障碍信号开始之前，其长短应包括障碍信号m的执行段，但不的执行段，但不包括它的障碍段。包括它的障碍段。29a
26、这种能够逻辑这种能够逻辑“与与”关系，可以用一个单独的逻辑关系，可以用一个单独的逻辑“与与”元元件来实现，也可以用一个行程阀两个信号的串联或两个行件来实现，也可以用一个行程阀两个信号的串联或两个行程阀的串联来实现。程阀的串联来实现。30a利用逻辑利用逻辑“非非”排障法排障法利用原始信号经逻辑非运算得到反信号来排利用原始信号经逻辑非运算得到反信号来排除障碍。除障碍。为了排除障碍信号为了排除障碍信号m中的障碍段，可以引入一中的障碍段，可以引入一个辅助信号（制约信号）个辅助信号（制约信号）x，经逻辑非运算经逻辑非运算后得到信号后得到信号m*。原始信号作为逻辑非制约信号原始信号作为逻辑非制约信号x时，
27、其起点时，其起点应在障碍信号应在障碍信号m的信号之后，有障碍段之前，的信号之后，有障碍段之前，终点则在终点则在m的障碍段之后。的障碍段之后。31a32a（3）辅助阀法）辅助阀法引入辅助阀法引入辅助阀法，使用一个中间记忆元件，借用它的，使用一个中间记忆元件，借用它的输出信号作为制约信号。用它和障碍信号相与，排输出信号作为制约信号。用它和障碍信号相与，排除掉障碍段。除掉障碍段。其逻辑表达式为：其逻辑表达式为：z=eK33aK为双气控两位三通阀为双气控两位三通阀,当当t有气时有气时K阀有输出，而当阀有输出，而当d有气有气时时K阀无输出。阀无输出。显然，显然，t与与d不能同时存在，只能一先一后存在，从
28、不能同时存在，只能一先一后存在，从X-D线线图上看，图上看，t与与d二者不能重合，用逻辑代数式表示，二者二者不能重合，用逻辑代数式表示，二者要满足要满足td=0的制约关系。的制约关系。t为使为使K阀阀“通通”的信号的信号,其起点应在有障信号起点之前或同其起点应在有障信号起点之前或同时，终点应在时，终点应在t起点至有障信号的无障碍段之中；起点至有障信号的无障碍段之中；d为使为使K阀阀“断断”的信号。其起点应在有障信号无障碍段中，的信号。其起点应在有障信号无障碍段中，其终点应在其终点应在t起点之前。起点之前。34a为工作程序为工作程序A1B1B0A0用辅助阀消障（消除障用辅助阀消障（消除障碍信号碍
29、信号a1和和b0）的）的X-D线图。线图。A1B1B0A0辅助阀消障的 X-D线图35a（四）、绘制逻辑原（四）、绘制逻辑原理图理图根据根据XD图上的执图上的执行信号表达式，即行信号表达式，即可绘出逻辑原理图，可绘出逻辑原理图，只绘出引入中间记只绘出引入中间记忆元件消障的气控忆元件消障的气控逻辑原理图逻辑原理图36a（五）（五）气动回路原理图气动回路原理图根据气控逻辑原理图便可绘出气动控制系统根据气控逻辑原理图便可绘出气动控制系统图。图。37a7.2.5气动顺序控制回路设计举例气动顺序控制回路设计举例一某气动机械的工作程序是：给定启动信号后，A气缸伸出，当A气缸动作完成后A气缸退回，然后B气缸伸出，然后B退回，完成一次循环动作。根据下列要求对其进行行程程序回路设计：1、根据生产工艺要求，写出工作程序；2、画出该程序的XD图；3、判断是否有障碍信号，如果有障碍信号，消除障碍信号，绘出完整的X-D图（包括消障后的控制信号线、执行信号逻辑关系式等等）；4、完成回路图38a39a40a
