气动逻辑设计方法

气动逻辑设计方法本节主要介绍气动控制中应用较广的行程程控的回路设计方法。气动行程程控回路设计方法可归纳为两大类：直观组合法与逻辑设计法。直观组合法就是利用前述的基本回路与常用回路，考虑起动、急停、复位、延时等要求，适当予以组合而成为符合某一要求的程控回路。这种设计方法适用于较简单的回路设计，并常需辅以必要的检验修正。对于较复杂或含有多往复动作的回路，则常需采用逻辑设计法。其中常用的有：信号动作状态线图法（简称X-D线图法）、逻辑运算法、卡诺图法、列表法（Q-M法）以及计算机辅助简化法（CAS法）等。这些方法都具有四个过程：行程程序输入、逻辑处理、逻辑原理图绘制与气控回路图绘制。各种方法的区别主要在于逻辑处理的方式方法，其次是行程程序输入也稍有不同。其中，X-D线图法较直观，但处理过程较繁；逻辑运算法比较抽象；卡诺图法较直观，且处理规则性较强。因此，当变量（取决于动作要求与变化情况）不大于8个时，用得较多，否则逻辑处理相当庞杂而困难。多变量的情况可采用Q-M法，但变量增多，列表也愈益繁难，这时可用CAS法来进行逻辑处理。下面主要介绍常用的X-D线图法与卡诺图法。2.1X-D线图设计法内容与步骤：1）绘工作行程顺序图。2）缓X-D线图。3）消除控制障碍、确定执行信号。4）绘气控逻辑原理图。5）绘气动回路原理图。绘制X-D线图所使用的符号，除应符合GB/T7861-1993的规定外，特殊符号及其说明见表42.6-10。表42.6-10X-D线圈所用规定符号说明符号说明A、B、C、…表示气缸A、B、C、…a、b、c、…表示与气缸A、B、C、…相对应的行程阀及其发出的信号a、b、c、…A0、A1表示气缸A的两个不同动作状态，带下标“0”为气缸缩回状态，下标“1”为伸出状态表示与气缸A0、A1相对应的不同动作状态的行程阀。a0为对应于缸收回位置的行程阀，a1为对应于缸伸出位置的行程阀a0、a1在X-D图上，还可表示与缸动作状态相对应的工作输出信号a0*、b0*、…在X-D图上，右上角带“*”号的信号称为执行信号（如a0*），不带*的信号（如a0）称为原始信号。原始信号是指来自发信器（如行程阀）的信号，它分有障（碍）与无障两种。但执行信号必为无障信号，所以执行信号可以是无障信号或是有障原始信号，但已经过逻辑处理而排除了障碍的信号a1*=a1执行信号a1*就是原始无障信号a1a0*、a1*、b0*、b1*…a1*=b1·a1a1为原始有障信号时，则其执行信号a1*必须把障碍排除后，如用逻辑“与”消障，即b1、a1→表示“控制”，如a0→B1表示a0（行程阀a0工作输出信号）控制B缸伸出动作粗实线表示气缸的动作状态线，细实线为控制信号状态线；“○”—起始，“×”—终了，—起始终了时间很短的脉冲信号———﹋﹋信号线下的波浪线段表示该段信号使执行元件进退两难，即为有障碍信号段－－－－粗虚线表示“多往复”系统中重复动作状态的补齐线；细虚线表示重复信号补齐线2.1.1双控主控阀控制回路的设计（1）绘工作行程顺序图对生产对象，经过调查研究，明确所控制执行元件的数目、动作顺序关系以及其他控制要求（如手动、自动控制等），列出工作行程程序。具体方法是：每个执行元件都有其各自的号码（如缸A、B、…）；每个执行元件的每个动作都作为一个工作程序写出来（如A0、A1、…）；程序之间，即每个动作的工作状态之间用带“控制箭头→”的连线连接，箭头指向即表示动作程序进行的方向，箭头线上对应于执行元件的行程阀输出信号用小写字母表示（如a0、a1、…）。例1画出某专用气动机械手（图42.6-1）的工作行程顺序图。其动作程序图和工作顺序图分别为图42.6-1b和图42.6-1c。该机械手的执行元件（缸或马达）数为4。正、反转，下降、上升，伸出、缩回，夹紧、松开的相应编号为：A1、A0、B0、B1、D1、D0、C1、C0。两个相邻程序动作之间加上相应的行程阀输出信号，如状态A1之后加上行程阀a1，D1之后加上d1等。并且，在每一动作状态下标上程序号。画出工作行顺序图，见图42.6-1c。程序中：“→”指向表示控制顺序的方向，如表示b0控制D缸伸出动作。（2）绘制信号-动作状态线图（X-D线图）1）画方格图根据例1列出的工作程序数及顺序，由左至右画方格并填上动作状态程序（D程序）序号1、2、…及相应的动作状态，如图42.6-2上面第一大横格所示，在最右边留一栏作为“执行信号栏”。在纵列最左边的宽纵格为控制信号及其控制的动作状态组（X→D组简称“组”）的序号及其相应的X→D组。每一X→D组包括上下两部分：上面为控制该动作状态的行程信号状态，如c0（A1）、a1（B0）、…；下面为该信号控制的动作状态，如A1、B0、…。c0（A1）表示控制A1动作的信号c0，a1（B0）表示控制B0动作的信号a1。最下一行是为消除障碍找出执行信号进行逻辑运算的备用格。图42.6-2所示为例1专用气动机械手回路设计过程中采用X/D线法绘制的X/D线图的方格图。2）画动作状态线用横粗实线把所有动作状态线画出。图42.6-3为例1气动机械手X-D线图的动作状态线图。图42.6-1气动机械手a）气动机械手示意图；b）动作程序图；c）工作顺序图A—立柱回转缸；B—立柱升降缸；C—夹紧缸；D—长臂伸缩缸1—齿轮；2—齿条；3—手爪图42.6-2气动机械手X-D线图的方格图图42.6-3气动机械手X-D线图动作状态线的开始与终止点画法规律如下：①起点，必然是该动作状态程序开始处。如D1（D缸伸出）位于第3组、第3程序，所以D1的动作状态线开始处必在第3程序开始处（左端）。②终点，必然是该动作状态变换开始处。如D缸伸出状态D1变换为D缸缩回状态D0。所以状态线的终点必在D0开始处（稍前），位于第5组、第5程序，所以D1动作状态线的终点应在第5程序开始（左端）稍前处。因此D1的动作状态线应从第3程序画到第5程序开始前为止。同理，D0的状态线应从第5程序开始画到D1开始前的第3程序为止。3）画信号状态线（简称信号线）见图42.6-3，用横细实线表示信号线，画在该信号所控制动作的状态线上方（同一格内）。信号线的起点与终止点的画法规律如下：起点，显然与此信号所控制缸的动作开始点相同。如信号c0控制A缸伸出动作A1，则c0的起点与A1相同。终点，应与控制或产生此信号的缸的动作状态变换（如控制或产生信号c0的缸动作状态C0变换为c1）的开始点相一致。因此c0（A1）的信号由A1（第1组1程序）左端开始到C1（第4程序）左端开始点为止。画信号线要注意以下问题：如果信号起、终点在同一条纵向分界线上而出现“”图线时，即表示该信号为脉冲信号。在气动回路中，该脉冲信号的宽度相当于行程阀发信、气控阀换向、气缸启动以及信号传输等时间的总和。对于多缸多往复系统情况（在一个工作循环中，执行元件要作多次往复动作），必须注意由于“多往复”动作带来的多次动作状态与对应的信号各次互相间应该用虚线补齐不漏。这种系统的特点及由此决定的画法（补线）简述如下：①由于同一行程信号（在不同程序组）重复发出以控制不同对象（如b0→B1，b0→A0）或同一对象的不同动作状态。这样，重复信号（如b0）的每一次发出信号必然对控制两种状态（如B1、A0）的主控阀都起作用；因此，应在重复信号（如两次b0）的相应信号线上相互对应用虚线补齐，见图42.6-4中第4组与第6组中的i-i′以及h-h′。②由于同一动作的多次往复，某些主控阀及其相应执行元件可能受不同信号所控制，如B1在第2程序受信号a1控制而在第4程序中则受信号b0控制；这就必然增多了动作状态线。又见图42.6-4中的第3、5组之间重复动作B0，相应地补上了0′与p′两条虚线以表示重复动作状态B0的补齐线。对于“多往复”系统的动作关态线和信号线画法举例说明如下。例2有一双缸“多往复”系统，其动作程序为，其相应的X-D图如图42.6-4所示。图中实线表示按“单往复”情况下动作状态线及相应的信号线；而虚线则表示“多往复”情况所增多的动作状态线及相应的控制信号线。图42.6-4双缸“多往复”回路X-D图图例增多线的补齐应使动作与信号的相互关系如实反映，以便采取措施以保证协调动作。所以，首先应分析清楚“多往复”的动作与信号哪些是重复的，在什么组、什么程序范围内重复，如例2所示动作状态线B1在第2程序与第4程序重复，B0在第3和第5程序重复；而相应的信号b1在第3组以及第5组时、b0在第4组以及第6组时重复作用。补齐重复动作状态线的要点为：把重复的动作状态当作普通（非“多往复”）情况画上（如B1在第2组的第2程序、第4组的第4程序处都分别用粗实线画上m段与n段，见图42.6-4）；然后补上对应于相同程序而在不同组的动作线（如与B1在第2组第2程序m段相应的第4组第2程序的m′段；同理，对应于n段补上n′段）。同理，对于动作状态B0的重复状态线：先画上o、p段，然后补上相应的o′、p′段。补齐重复信号线的要点与补齐动作状态线的基本相同，但补齐信号线且虚细线来表示，如图42.6-4中所示。对于信号b1；在第2程序对应于第3组的脉冲信号f，在第5组补上相应的脉冲信号f′；在第5程序对应于第5组的脉冲信号g，在第3组补上相应的脉冲信号g′。同理，对于信号b0：在第4程序对应于h补上h′；在第6程序到下一循环的第1程序范围内对应于第6组的信号线i；在第4组补上相应信号线i′。对于X-D线图，在画出全部动作状态线及信号线后，还必须分析动作与信号之间是否协调。如果动作与信号协调，即不存在障碍，则可把X-D线图上各组中控制信号定为执行信号，并据此画出逻辑原理图与回路设计图。如果存在障碍，则必须采取排除障碍的措施，把有障原始信号变为已排除了障碍的执行信号，然后也可据此画出逻辑原理图与回路设计图。（3）消除障碍与确定执行信号1）障碍类型—I型、Ⅱ型在X-D线图上的每一组中，都反映出某控制信号及其所控制执行元件（气缸或气马达）的动作状态。信号与动作状态的节拍（时间与程位）必须按程序要求正确配合：控制信号必须满足程序动作状态的变换要求（正动、逆动、停止等）。如果动作状态要变换而控制信号不允许其变换，系统即出现故障。障碍动作状态变换的控制信号称为障碍信号。障碍信号延续的长度称为障碍段，它在X-D线图上用波浪线来表示，即在原来有障碍信号的细线下画上波浪线，见图42.6-3。对于气缸控制系统，一般不要求其具有任意位置中停的性能。这时，障碍信号常表现为：在同一组中控制信号线的长度大于所控制的动作状态线的长度，其超出长度即为障碍段。多缸单往复系统所产生的障碍称为I型障碍，如图42.6-3中所示：a1（B0）、b0（D1）、d0（B1）和b1（A0）各信号的障碍信号均为I型障碍信号。多缸多往复系统由于多次重复信号所造成的障碍称为Ⅱ型障碍，如图42.6-4中所示。对于气马达控制系统，通常要求其具有任意位置中停的性能。这是由于气马达的结构与工作原理特点所决定的。气缸只有活塞伸出和缩回两种工作状态，故选两位换向阀做主控阀就可满足要求。气马达则有正转、反转及中停三种动作状态，因此必须选用三位换向阀作主控阀。两位阀有记忆功能，故脉冲信号可用作控制信号，且无障碍；而三位阀无记忆功能，故脉冲短信号要求用作控制信号时，必须设法使其与受控的动作同步，在X/D线图上即表示为信号线要求与动作线拉成等长，否则将出现动作失控的情况。气控系统中信号线短于动作线的情况，虽然不能称作“障碍”，但也是必须在系统设计过程中，确定执行信号前，予以解决。2）障碍信号的排除方法对于I、Ⅱ型障碍，由于障碍信号段就是控制信号线多于（或长于）其所控制动作状态线的部分，实际上也就是控制信号的存在时间长于其所控制的动作状态存在时间；所以，常用的障碍信号排除方法实质上就在于缩短控制信号存在时间（使之短于或等于该信号所控制的动作状态时间）；反映在回路设计过程的X/D线图上就是缩短控制信号线长度，使短于（或极限情况等于）此信号所控制的动作状态线的长度。常用的I型障碍与Ⅱ型障碍排除方法分别见表42.6-1