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

25、入信号存在时，回路就有输出。两个输入信号的“或”回路 如图 #$ % !* 所示，其输出函数为 ! “ + #。用二位三通阀和梭阀都能实现“或”回路。 ($# 图 !“# $%“或”回路 如果一个元件有恒定的供气源，则此元件称为有源元件。 “是”回路和“非”回路中的二 位三通阀都是有源元件。 没有供气源的元件称为无源元件，如图 !“ # $% 中所示的梭阀就是一个无源元件构成的 “与”回路。 &“或非”回路 “或非”回路的所有输入信号都没有时才有输出，其逻辑功能恰与“或”回路相反。因 此，把“或”元件和“非”元件，或者用两个“非”元件串联起来即可组成“或非”回路。 图 !“ # $( 所示为“

26、或非”回路，输出函数为 ! ) “ * #，也可表示为 ! ) “#。 图 !“# $&“或非”回路 +“与非”回路 只有当“与非”回路的所有输入信号都有时才没有输出，其逻辑功能与“与”回路相反。 可以在“与”元件后接一个“非”元件，或者把两个“非”元件并接起来就可组成一个“与 非”回路。图 !“ # $, 所示为“与非”回路，输出函数为 ! ) “#，也可表示为 ! ) “ * #。 图 !“# $“与非”回路 %“禁”回路 %“! 当“禁”回路的禁止信号 ! 没有时，且输入信号 “ 存在时，则回路有输出，否则没有输 出。图 !“ # “$ 所示为“禁”回路，输出函数为 # % !“。 “禁

27、”回路实质上是一个特殊的“与” 回路，它的一个输入信号是“非”信号。一个无源的常通型二位三通阀就能实现“禁”回路。 图 !“# “$“禁”回路 &“蕴含”回路 当“蕴含”回路的蕴含信号 ! 存在时，且输入信号 “ 没有时，则回路才没有输出，如图 !“ # “! 所示。其逻辑功能恰与“禁”回路相反，输出函数为 # % ! ( “。 “蕴含”回路实质上 是一个特殊的“或”回路，它的一个输入信号是“非”信号。 图 !“# “!“蕴含”回路 )“同或”回路 当“同或”回路的两个输入信号 !、“ 相同时才有输出，如图 !“ # “* 所示。其输出函数 为 # % !“ ( !“。 图 !“# “%“同或

28、”回路 !$“异或”回路 当“异或”回路的两个输入信号都不相同时才有输出，如图 !“ # “ 所示。其输出函数为 # % ! “ ( !“。 &“! 图 !“# “异或”回路 !“ 记忆回路 记忆回路有两个输入信号：置位信号（置 !）! 和复位（置 #）信号 “。有置位信号 ! 输 入时，回路处于“!”状态（# $ !、# $ #） ；有复位信号 “ 输入时，回路处于“#”状态（# $ #、# $ !） 。记忆回路的输出可以有一个（#）或两个（#、#） 。 记忆回路的输出状态不仅与 !、“ 信号有关，而且还与原来的状态（!、“ 信号未输入 时回路的输出状态）以及气源有关。在程序控制回路中通常使

29、用的双气（电）控二位三通 （或五通）滑阀是一种保持型记忆元件，即瞬时中断气源后仍能保持它的输出状态。若再恢复 供气，回路仍处于中断气源时的状态。图 !% & % 所示为记忆回路。在程序回路设计中记忆回 路的输出 #、#（或 #!、#）仍采用习惯的表示方法，# $ $!“，# $ $“!。 图 !“# “$记忆回路 三、延时回路 气动程序控制中常用的延时回路有两种：延时接通和延时断开。 图 !% & %( 所示为延时接通型延时回路。调整节流阀的开度就可获得不同的延时时间 %。 若将图中的二位三通阀换成常通型的，即可构成延时断开型的延时回路。 图 !“# “%延时回路 )%! 第四节程序控制 所谓

30、程序控制是指控制对象的各个执行元件动作是根据生产过程中的位移、时间、压力、 温度和液位等物理量变化，按照预先规定的顺序动作的一种控制方式。程序控制分为行程程 序控制、时间程序控制和混合程序控制三种，图 !“ # “$ 所示为程序控制方框图。 一、行程程序控制 图 !“ # “$（!）所示为行程程序控制方框图，它是一个闭环控制系统。行程程序控制是 一种只有在前一个执行机构动作完成后才允许下一个程序动作进行的自动控制方式。 图 !“# “$程序控制方框图 行程程序控制系统包括行程发信器、程序控制回路及执行机构等部分。行程发信器中用 得最多的是行程阀。此外，各种气动位置传感器以及液位、温度、压力等传

31、感器也用作行程 发信器。程序控制回路可以用各种气动控制阀构成，也可用气动逻辑元件构成。常有的气动 执行机构有气缸、气马达、气液缸、气 # 电转换器以及气动吸盘等。 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出现故障 时，整个程序动作就能停止而实现自动保护。 二、时间程序控制 图 !“ # “$（“）所示为时间程序控制方框图，它是一个开环控制系统。时间程序控制是 一种执行机构的动作顺序按时间顺序进行的自动控制方式。时间发信装置发出的时间信号， 通过控制回路按一定的时间间隔给相应的执行机构产生顺序动作。 时间发信装置有机械式（凸轮式、码盘式） 、气动式（如环形分配器）以及

32、电子元件、电 %&! 气元件组成的电气式三种。图 !“ # “$ 所示为一种凸轮式时间发信器。在转轴回转过程中，四 个凸轮依次推动相应的四个机控阀，输出的气信号推动各气缸按预定的时间依次动作，实现 时间程序控制。这是一种开环控制回路，只要程序动作一开始，不管程序规定的执行机构动 作是否正常，都要不停地发出时间控制信号，后一个执行机构依旧动作，可能发生故障。 三、混合程序控制 混合程序控制是在行程程序控制系统中包含了某些时间信号的一种控制方式，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。 在许多工业过程控制场合，只要采用适当的发信方式，也可以把压力、温度和液位等信 号当作行程信号看待

33、。为此，本章主要讨论行程程序控制系统的设计。 行程程序控制设计的任务是，设计出由气动元件组成的满足工艺流程要求的气动控制回 路，其中还应包括行程发信、速度控制、手动 # 自动转换、安全联锁等功能。 图 !“# “$凸轮式时间发信器 第五节程序设计方法 一、基本单元 气动行程程序控制系统中常用的执行元件有气缸、气马达等。行程程序回路的基本单元 是由单活塞杆双作用普通气缸、二位三通常断式机控阀（发信器）和双气控二位四通换向阀 组成的换向回路，如图 !“ # “% 所示。这是为了讨论问题简便而作的规定。实际上，基本单元 的气缸可以是单作用的及其它各种气缸，换向阀可用二位五通的及三位阀，气控的、电控的

34、 和单控阀，具体元件由实际控制回路决定。 !&! 图 !“# “$基本单元 在回路设计中规定，用大写字母 !、“、# 等表示气缸，下标 !、“ 表示气缸伸出和退回 的两种动作状态。如 !表示气缸 ! 活塞杆处于伸出状态，!“表示气缸 ! 活塞杆处于退回状 态。这里顺便说明一下，通常所说的气缸伸出是指气缸活塞杆伸出，气缸退回是指气缸活塞 杆退回。约定俗成，两者意思是一样的。同时，! 、! “也表示换向阀（在控制回路中称为主 控阀）$!的对应输出端。 同样，用带下标 !、“ 的小写字母 %、&、 等分别表示相应的气缸活塞杆伸出或退回到 终端位置时所碰到的行程阀。如用 %!表示气缸 ! 伸出时碰到的

35、行程阀，用 %“表示气缸 ! 退 回到终端位置所碰到的行程阀；同时也用来表示 %! 、% “行程阀发出的信号。行程阀发出的信 号称为原始信号。 二、程序表示方法 行程程序可用程序框图来表示气缸按对象的操作要求所完成的动作顺序。例如，某自动 钻床的送料、夹紧和钻孔三个动作，用三个气缸作执行元件来完成，其程序框图如图 !# $ #% 所示。 图 !“# “%自动钻床的程序框图 根据以上规定，自动钻床的程序框图又可简化，如图 !# $ &“ 所示。 框图中的箭头表示顺序动作的方向，箭头上方的小写字母表示行程阀发出的行程信号。 如当 !动作完成后发出 %!信号，“! 动作完成后发出 &!信号。一般情况

36、下，气缸的每一个 &! 动作总伴随有一个行程阀动作。按照程序动作的气缸依次发出行程信号，而该行程信号又命 令下一个气缸动作。如 ! “ ! ! #!表示当 !动作完成后发出 “!信号，“!信号命令 #!动作。 由此可见，气缸的动作顺序和行程阀发出的信号顺序是一致的。程序中的每一次动作称为一 个节拍（或一个工步） ，图 !“ # $% 所示的程序有五个节拍，!&“。 图 !“# $%自动钻床的程序框图 图 !“ # $% 所示的程序框图可进一步省略图中的箭头和信号，于是，自动钻床的工作程序 可写成： !% !#!$!$%#% 关于行程程序图的说明如下： （!）对于节拍中存在同步动作的气缸时，应把

37、安装行程阀的气缸大写字母排在主线中间。 如 !% !#!$!$%#% 表示 $!处有行程阀，即 $! $! $% !#!%$%#%表示 !%处有行程阀，即 ! ! % “% $% $! !#! !% $! $%#%表示 !% 、$ !处有行程阀，即 !% $ % “% ! ! $% （）对于全自动控制或半自动控制，程序中必须要引入一个启动信号 &。一般启动信号 & 放在第一节拍，和程序最后一个节拍发出的行程信号逻辑“与”后命令第一节拍动作。以 后主要讨论是全自动控制程序。 三、障碍信号 例 !“ # $!设计程序 !#!%#%的控制回路。 图 !“# $!程序 !“!%“% 对初学者来说，为清

38、楚地表示动作和信号之间的关系，在程序图上标注了信号 “! 、 !、 “$! ! 、“ !及启动信号 #，如图 “# $ %“ 所示。在已知工作程序后，若按程序把各行程阀的输出信 号直接送到控制下一步动作的主控阀控制口，就可构成控制回路了，如图 “# $ %& 所示。 对照工作程序分析这个回路的动作可知，气控回路的动作是正常的。 由程序可知，气缸 $、% 在程序中的最后状态分别是 $!、%!，这也就是程序动作开始前 气缸 $、% 所处的初始状态，同时也就决定了机控阀 “、! 初始位置，如图 “# $ %& 所示。气 控回路中启动阀 # 采用有机械定位的手拉阀，与机控阀 !（程序最后节拍发出的信号

39、）串联 实现逻辑“与”门功能。当启动 # 后，机控阀 !即有输出 #!加在主控阀 &$的 $“控制口， &$换向，气缸 $ 的无杆腔进气、有杆腔排气，活塞杆伸出，直到行程终点，机控阀 “发信 （机控阀 “!复位，“!信号消失） 。信号 “加在主控阀 &% 的 %“控制口，缸 % 伸出（信号 ! 消失） ，实现动作 %“，发出信号 !“，使 &$复位，实现动作 $!（信号 “消失）发出信号 “!， &%复位，缸 % 退回（信号 !“消失）只要启动阀 # 状态保持不变，则工作程序就自动循 环下去。若在程序的任何节拍启动阀 # 动作切断气源，则动作进行到程序的最后节拍停止。 图 !“# $%程序 &

40、!“!的气控回路 例 “# $ &设计程序 $“$!%“%!的气控回路。 若仍按上述方法，根据程序连接各个行程阀的输出信号和主控阀的控制口，如图 “# $ %# 所示的气控回路。但这个回路是无法正常工作的。 回路中各元件的初始状态如图所示，气缸为 $!、%!。 回路的初始状态是 $!、%!。启动 # 后，信号 #!使主控阀 &$换向，实现程序动作 $“， 活塞杆伸出发出信号 “。按工作程序要求，信号 “应命令 $!动作，即缸 $ 的主控阀 &$换 向复位。但此时信号 #!仍保持（因 %!状态保持） ，故在缸 $ 的主控阀 &$的两个控制口上 同时作用了“和 !两个相互矛盾的信号，使缸 $ 无法

41、动作。由于信号 ! 的存在，阻碍了 $! 的动作，称信号 !为障碍信号。 %“ 图 !“# $“程序 !%“!“%的气控回路 同样，要缸 ! 实现 !动作时，在主控阀 “!的两个控制口上也作用了两个相互矛盾的信 号 # “和 $!，信号 $!阻碍了 #“对主控阀的切换，$!也是障碍信号。 在气动程序控制回路中障碍信号有三种类型：!型障碍信号，“型障碍信号和滞消障碍 信号。 “#!型障碍信号 在一个工作程序中每个气缸只往复一次的程序称为单往复程序。在单往复程序中，若在 某个主控阀的两个控制口上同时存在两个相互矛盾的输入信号，则称该障碍信号为!型障碍 信号。 $#“型障碍信号 若一个工作程序中有气

42、缸作两个以上的往复动作，则称这种程序为多缸多往复程序。在 这种程序中，可能存在一个多次出现的信号在不同节拍分别命令不同的气缸动作，或者分别 命令同一个气缸的两个相反动作引起的障碍，这个信号称为“型障碍信号。在多缸多往复程 序中，可能既存在!型障碍信号，又存在“型障碍信号。 %# 滞消障碍信号 滞消障碍信号只可能存在于有两个气缸同步动作的程序中，一般情况下滞消障碍能自行 消失，无需排除。 四、障碍信号的判别 判别程序中是否存在障碍有多种方法，这里介绍用 % & 线图法和区间直观法来判别障碍 信号。 “# % & 线图法 % & 线图是程序中的信号状态和动作状态用线图表示的一种简称。% & 线图法

43、就是按 照已知的程序，把各个行程阀发出的原始信号的状态和气缸的动作状态用线图表示出来，由 &“ 此线图就能判别有无障碍信号，并从线图中找出按程序要求命令主控阀换向的执行信号。 （!）! “ # 线图格式 ! “ # !“#$ $!%!%$% 执行信号 &% （$ !） $! &! （% !） %! ! （% %） % % （$ %） $% 图 !“# $信号&动作方格图 按照程序画出方格图，如图 !# $ 所示（程序 $!%!%$%） 。在方格图上方的方格里自左 向右按程序的顺序填入节拍号，在其下面一行里填入节拍的动作顺序，最左边一列按程序填 入气缸动作及行程阀的原始信号。如第一列中，$!动作

44、是由原始信号 &%命令的，记为 &% （$ !） 。相应的气缸动作 $!也填在同一横格里。最右边一列填入经排除障碍后的执行信号，即 能直接加在主控阀控制口完成程序规定动作的信号。执行信号用带“!”号的原始信号表示， 也可用相应的带“!”号的主控阀输出信号（即气缸动作状态）表示。该列执行信号的作用 在行程程序设计中介绍。 在方格图下方留有几行空格，这是为排除障碍时引入辅助信号用的。注意，必须把每一 个原始信号与其相应的动作写在同一横格内；如果一个原始信号同时命令两个气缸动作，则 要分别填写在两格里。 （“）画动作状态线（# 线） 气缸的动作状态线按程序顺序用粗实线画在每个横行里，如图 !# $(

45、 所示。它从纵横大 写字母相同、下标相同的方格画起，一直画到字母相同、下标不同的方格止，即“同号开始， 异号终止” 。两个相反的动作线之和占满全部节拍，最末节拍应与起始节拍闭合。动作线开始 的第一节拍是动作的进行段，其后是该动作的保持段。图 !# $( 中，$!动作占了三个节拍， $%动作占了一个节拍，于是缸 $ 动作线（$! 、$ %）共占满四格。$!动作线所处的第 ! 节拍 表示缸 $ 正在作伸出运动，第 #、$ 节拍表示缸 $ 保持在 $!状态。 （#）画原始信号线（! 线） 原始信号是指气缸动作结束后，相应的行程阀直接输出的信号，在 ! “ # 线图中用细实线 表示。原始信号线从所命令

46、的动作线起点开始，一直画到该信号同名动作线的终点。它的长 度应该与同名动作线的保持段等长。图 !# $( 中，信号 &!（%!）从第 “ 节拍开始画起，直到 第 # 节拍 $!动作线的终点结束。规定信号线的起点用小圆“”表示，终点用“ ) ”表示。 *$! 如果终点与起点重合，用符号“!”表示，说明这是个脉冲信号。如图 !“ # $% 中的 ! （“ &） 信号线在同名动作 “!完成后（即发出 !）开始，而后就是 “&动作，“!动作无保持段，信 号 ! !立即消失，故 ! （“ &）是脉冲信号。 （$）# $ % 线图的说明 在 # $ % 线图中各节拍之间的纵线实际上就是主控阀的切换线。如图

47、 !“ # $% 中，节拍 !、 之间的纵线是主控阀 &!动作转换为 “!动作的切换线。“!动作是由 &!动作到达终点前发 出的信号 !控制的。这个终点前，在气动装置上表现为气缸 & 活塞杆上的凸块刚要压下机 控阀顶杆开始到顶杆全部被压下的一段行程。在 # $ % 线图上表示为信号 !的小圆圈在纵线 上“出头” ，也刚好是主控阀 “!的切换时间。最后节拍右面的纵线与第 ! 节拍左面的纵线实 际上是同一根线。因此，# $ % 线图可看作是圆柱表面上的方格图在平面上的展开。 图 !“# $%程序 &!(&(的 )*+ 线图 # $ % 线图中每一节拍的纵列既表示程序进行的时刻，又表示程序所处的位置

48、。从图上可 以清楚地表示出所有气缸和行程阀在程序中任一时刻的状态。如在图 !“ # $% 所示的第 节拍 表明，缸 & 保持 &!，行程阀 !，正处在发信状态。缸 “ 在信号 !的控制下活塞杆正处在伸 出过程中，并在行程终端压上行程阀 !发出信号 !，这信号 !命令缸 “ 作第 “ 节拍的 “& 运动。由于 “!动作刚一结束就出现 “&动作，因此 “!发出的信号 ! 只能是个脉冲信号。这 样，用 # $ % 线图就可检查回路的可靠性和正确与否。 在图 !“ # $% 所示的第 ! 节拍的第一个动作 &!是由启动阀 ( 和信号 &逻辑“与”得到的 脉冲信号命令的。只要有信号 ( 就可实现一个周期

49、的动作，这是个半自动程序控制。若启动 阀用带定位机构的手动阀，它的输出是长信号，那么程序就能实现全自动控制。 # $ % 线图上能准确地显示回路处于静止状态（最末节拍的终端）时每个控制元件和执行 元件的状态。据此，就能迅速而正确地绘制控制回路，或检查已绘制的回路正确性。 利用 # $ % 线图不但可以找出障碍信号，判断障碍信号的类型，而且还可以找出排除障碍 信号的方法。 ($! （!）判别障碍信号 在 ! “ # 线图中，凡是信号线长于所控制的动作线的都存在!型障碍。信号线长出部分称 做障碍段，用锯齿线标出。从图 “# $ %! 程序 $“%“%&$&的 ! “ # 线图可见，信号 &（$& ） “ （% “）存在障碍，是!型障碍信号。由此可见，信号存在的时间大于所控制的动作时间就存 在着!型障碍。关于“型障碍信号在多缸多往复程序回路设计部分举例说明。 ( 区间直观法 这是一种快速判别障碍的方法，可以