第16章 氣動回路的設(shè)計與應用實例

1、1,第16章 氣動控制回路的設(shè)計及應用實例,氣動回路,一般氣動回路,非時序邏輯系統(tǒng),時序邏輯系統(tǒng),,氣動回路的設(shè)計方法,試湊法,邏輯法,分組供氣法,,,邏輯運算法,圖解法,,信號—動作線圖法,卡諾圖法,2,16.1 氣動非時序邏輯系統(tǒng)設(shè)計。,表16-1是邏輯代數(shù)的幾種基本運算，表16-2是邏輯代數(shù)的基本運算規(guī)律。,卡諾圖法,氣動非時序邏輯系統(tǒng)的設(shè)計,邏輯代數(shù)法,,邏輯代數(shù)變量,16.1.1 邏輯代數(shù)法設(shè)計 1. 邏

2、輯代數(shù)的基本運算及簡化規(guī)律,0,1,輸出有氣,輸出無氣,氣缸前進,氣缸后退,,,,3,4,5,2.邏輯函數(shù)及其簡化 控制系統(tǒng)的輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系稱為邏輯函數(shù)。邏輯函數(shù)的表寫有兩種方法：積和法、和積法。 (1)積和法 積和法是將真值表中s=1的變量組中的各變量先求積，再求所有s=1的積式的和。在s=1的積和式中，變量為“1”，則取該變量的本身；變量為“0”，則取該變量的非。 (2)和積法

3、 和積法是將真值表中s=0變量組中的各變量先求和，再求所有s=0和式的積。在s=0和積式中，變量為“1”，則取該變量的本身；變量為“0”，則取該變量的非。,6,7,16.2 氣動時序邏輯系統(tǒng)設(shè)計 16.2.1 概述 氣動時序邏輯系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化廣泛采用的一種控制方法，常見的行程程序控制就屬于時序邏輯系統(tǒng)問題。其控制框圖如圖16-1所示。,8,1. 符號規(guī)定 為了準確表達和描述氣動程序動

4、作、信號及它們之間的關(guān)系，必須用規(guī)定的符號和數(shù)字表示。 (1) 符號規(guī)定 1）用大寫字母A、B、C、D表示氣缸，用下標“1”、“0”表示氣缸活塞桿的­兩種不同的狀態(tài). 2）A氣缸的主控閥也用A表示。 3）主控閥兩側(cè)的氣控信號稱為執(zhí)行信號。用A1*、A0*表示，如A1*表示控制缸A伸出時的執(zhí)行信號，A0*表示控制缸A收回時的執(zhí)行信

5、號。 4）用帶下標的小寫字母a1、a0、b1、b0等分別表示與動作A1、A0、B1、B0等相對應的行程閥及其輸出信號。,9,5）行程閥的輸出信號稱為原始信號。,圖16-2 氣缸、行程閥、信號的符號及程序動作、相位、信號示意圖,10,(2) 列出工作程序 根據(jù)以上的符號規(guī)定，可以用程序式來表示行程程序氣缸的動作順序。如氣缸的動作順序為：A缸伸出——B缸伸出——B缸退回——A缸退回，用

6、程序式表示則為：,其中，q表示手動啟動信號，a1、a0 、b0、b1分別為氣缸到位后由行程閥發(fā)出的原始信號。上述程序可以簡化為：[A1 B1 B0 A0]。,11,2. 行程程序的相位與狀態(tài) （1）相位與狀態(tài) 程序式[A1B1 B0 A0]中有四個動作，這四個動作將整個程序分為四段，每一段稱為一個相位。 狀態(tài)是指行程程序在氣缸不同動作時行程閥輸出信號的組合。（2）程序、信號、狀態(tài)表,1

7、2,3. 程序的校核及校正 （1） 程序的校核 判斷行程程序是否標準，只需判斷其程序、信號、相位狀態(tài)表中的信號組合是否有重復項，有重復項則是非標準程序，無重復項則是標準程序。,例16-2 校核程序[A1 B1 C1 A0 C0 B0] 解：列程序、信號、相位狀態(tài)表，如表16-5所示。,13,例16-3校核程序[A1 B1 B0 A0] 解：列程序、信號、相位狀態(tài)表，如表16-6所示。,從

8、表16-6可見，2相位的B1動作和4相位的A0動作由同一個信號組合a1 b0控制，信號組合有重復項，該程序為非標準程序。,14,1）記憶元件插入的位置應在信號組合兩個重復點之間，以消除重復的組合信號。 2）記憶元件插入的方案不是唯一的，應使插入的記憶元件盡量少。 3）記憶元件應按“X1X0”、“X1Y1X0Y0”、“X1Y1Z1X0Y0Z0”的順序插入，以防止因插入記憶元件產(chǎn)生新的重復信號組

9、合。,（2）程序的校正 程序校正應遵循以下原則：,15,例16-4 校正程序[A1 B1 B0 A0 ] 解：程序、信號、相位狀態(tài)表，如表16-6所示?？梢?，該程序為非標準程序，校正后的新程序為[A1 B1 X1 B0 A0 X0 ]。校正后的程序、信號、相位狀態(tài)表，如表16-7所示。,可見，校正后信號組合無重復項，該程序為標準程序。,16,下圖所示為信號—動作線圖法設(shè)計步驟。,,氣動行程程序,標準程序

10、,非標準程序,無障礙標準程序,有障礙標準程序,4. 氣動行程程序系統(tǒng)的分類及設(shè)計步驟、方法,,氣動行程程序的設(shè)計方法,信號—動作線圖法,擴大卡諾圖法,,圖16-3,17,16.2.2 信號—動作線圖設(shè)計法 1 繪制X—D線圖 （1）畫X—D線圖方格圖,圖16-4 X-D線圖,18,（2）畫動作線（D線） 動作線是指按程序動作從起點到終點的橫線。動作線的起點用“Ο”表示，動作線的終點是在該動作的結(jié)束處

11、，用“×”表示。 （3）畫信號線（X線） 信號線是指按程序順序其信號從起點到終點的橫線。信號線的起點是在該信號所控制動作的開始處開始，用“Ο”表示，信號線的終點是在產(chǎn)生該控制信號的動作的對立動作開始處結(jié)束，用“×”表示。,2.確定障礙信號 （1）利用X—D線圖確定障礙信號。 （2）區(qū)間號的方法。直觀法快速判斷Ⅰ型障礙法 這是一種不用畫X-D線圖，直接從給

12、定程序就可快速判別障礙信,19,4.確定執(zhí)行信號 按照上述方法將主控信號排除障礙信號后填入X-D線圖“雙控執(zhí)行信號表達式”一欄，另外應考慮程序啟動信號q共同成為第一個動作的執(zhí)行信號。 應該注意的是，標準程序可以直接做X—D線圖，并用“邏輯與”排除障礙；非標準程序則必須先進行程序的校核與校正，插入記憶元件后，才可以做X—D線圖，并用“邏輯與”排除障礙,脈沖信號法,邏輯回路法,機械法,順序與法,排除Ⅰ型障礙信號的方法

13、,3.Ⅰ型障礙信號的排除,,20,16.2.3 繪制氣動控制系統(tǒng)邏輯原理圖 1.氣動邏輯原理圖的基本組成 1)邏輯控制回路主要是用“或”、“與”、“非”、“記憶”等邏輯符號來表示。 2)行程發(fā)信裝置主要是行程閥，也包括啟動閥、復位閥等。在各個控制信號上加上小方框表示各種原始信號而畫在小方框上方的符號表示閥的操縱方式.,3)執(zhí)行元件（如氣缸）的操縱由主控閥的輸出表示。主控閥常采用雙

14、氣控閥，可以用邏輯元件中的記憶符號表示,21,2.氣動邏輯原理圖的畫法 具體步驟如下： 1）把系統(tǒng)中每個執(zhí)行元件的兩種狀態(tài)與主控閥相連后，自上而下一個個畫在圖的右側(cè)。 2）把發(fā)信器（如行程閥）大致對應其所控制的執(zhí)行元件，一個個畫在圖的左側(cè)。 3）在圖上要反映出執(zhí)行信號的邏輯表達式與邏輯符號之間的關(guān)系，并畫出操作必須增加

15、的閥（如啟動閥）。,圖16-5所示為程序[A1 B1 B0 A0 ]的氣動控制系統(tǒng)邏輯原理圖,圖16-5,22,16.2.4 繪制氣動控制系統(tǒng)回路原理圖 氣動控制系統(tǒng)回路原理圖繪制時應注意以下幾點： 1.要根據(jù)具體情況選用氣閥、邏輯元件或射流元件來實現(xiàn)。 2.回路原理圖上行程閥等的供氣及進出口連接位置，應按回路初始靜止位置的狀態(tài)連接。 3.控制回路的連接一般用虛線表示，對較復雜的氣控系統(tǒng)為防止

16、連線過亂，建議用細實線代替虛線。 4.“與”、“或”、“非”、“記憶”等邏輯關(guān)系的連接，可按第十四章有關(guān)內(nèi)容選用。 5.繪制回路原理圖時，應在圖上寫明工作程序?qū)Σ僮饕蟮恼f明。 6.氣控回路繪制時，習慣將系統(tǒng)全部執(zhí)行元件都水平或垂直排列，執(zhí)行元件下面畫出相應的主控閥及控制閥，行程閥直觀地畫在氣缸的活塞桿伸出、縮回對應的位置上。,23,圖16-6所示為程序[A1 B1 B0 A0 ]的氣動控制系統(tǒng)回路

17、原理圖,圖16-6 氣動控制系統(tǒng)回路原理圖,24,16.3 氣動系統(tǒng)的設(shè)計計算 氣動系統(tǒng)的設(shè)計與計算是氣動系統(tǒng)總體設(shè)計的一部分。 16.3.1 氣動系統(tǒng)的設(shè)計步驟： 1.明確工作要求 設(shè)計前一定要弄清楚主機對氣動控制系統(tǒng)的要求，包括以下幾個方面： 1）運動和操作力的要求：主機的動作順序、動作時間、運動速度及其可調(diào)范圍、運動的平穩(wěn)性、定位精度、操作力及聯(lián)鎖和自動化程度等。

18、2）工作環(huán)境條件：溫度、防塵、防爆、防腐蝕要求及工作場地的空間等情況必須調(diào)查清楚。 3）系統(tǒng)和機、電、液控制相配合的情況，及對氣動系統(tǒng)的要求。,25,2 設(shè)計氣控回路 1）列出氣動執(zhí)行元件的工作程序。 2）對程序進行校核及校正，寫出校正后的程序。 3）作X-D線圖，寫出執(zhí)行信號的邏輯表達式。 4）畫出系統(tǒng)的邏輯原理圖。 5）畫出系統(tǒng)

19、的氣動回路原理圖。,26,3 選擇設(shè)計執(zhí)行元件 選擇設(shè)計執(zhí)行元件包括確定氣缸或氣馬達的類型、安裝方式、具體的結(jié)構(gòu)尺寸、行程、密封形式、耗氣量等。設(shè)計中要優(yōu)先考慮選用標準規(guī)格的氣缸 .,27,4 選擇控制元件 1）確定控制元件的類型 2）確定控制元件的通徑 控制元件的通流能力原則上可參閱表16-9。,5 氣動輔件,分水濾氣器,油霧器,消聲器,,28,6 確定管道直徑、計算壓力損失

20、 （1）確定管道直徑： 根據(jù)下式計算管道內(nèi)徑： （16-1） 式中 q——管道內(nèi)壓縮空氣的流量 m3/s v——管道內(nèi)壓縮空氣的流速 m/s。,,（2） 計算壓力損失,——總的壓力損失,,——沿程壓力損失之和,——局部壓力損失之和,——允許壓力損失,29,30,7 選擇空壓機 選擇空壓機的依據(jù)是：空

21、壓機的供氣壓力和供氣量 （1）計算空壓機的供氣量,,,,,,,,q——空壓機的供氣量,——利用系數(shù),K1­——漏損系數(shù)， K1 =1.15—1.5,K2——備用系數(shù)， K2 =1.2—1.6,——一臺設(shè)備在一個周期內(nèi)的平均用氣量,n——用氣設(shè)備臺數(shù),（2）計算空壓機的供氣壓力,ps——空壓機的供氣壓力，Pa,p ——系統(tǒng)壓力，Pa,鏈接：16.3.2 氣動系統(tǒng)的設(shè)計計算舉例,31,本例介紹的氣控機械手模擬人手的部分動作，

22、按預先給定的程序、軌跡和工藝要求實現(xiàn)自動抓取、搬運，完成工件的上料或卸料。為了完成這些動作，系統(tǒng)共有四個氣缸，可在三個坐標內(nèi)工作，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖16-11所示。,,圖16-11 氣控機械手結(jié)構(gòu)示意圖,1.齒條 2.齒輪,16.4 氣壓傳動系統(tǒng)實例,16.4.1氣動控制機械手,32,上面的程序可以簡寫為： 立柱下降—伸臂—夾緊工件—縮臂—立柱左回轉(zhuǎn)—立柱上升—放開工件—立柱右回轉(zhuǎn) 即為：[C0

23、 B1 A0 B0 D1 C1 A1 D0]。 1） 經(jīng)校核該程序為標準程序 2） 作X—D線圖，如圖16-12a所示。 3） 繪邏輯原理圖，如圖16-12b所示。 4） 繪氣動回路原理圖，如圖16-12c所示。,圖16-12a,33,(,圖16-12 X-D線圖法設(shè)計氣動回路圖,16-12b,16-12c,34,圖16-13b所示為鉆孔機的動作循環(huán)表。,16.

24、4.2 鉆孔機氣動系統(tǒng) 圖16-13a所示是一種氣動鉆削頭的鉆孔專用機， 其結(jié)構(gòu)包括：回轉(zhuǎn)工作臺、兩套夾具、兩個氣動鉆削頭、兩個液體阻尼器。,圖16-13 鉆孔機及其氣動控制系統(tǒng),35,圖16-14所示為鉆孔機的氣動控制回路，其工作過程如下：,圖16-14 鉆孔機的氣動控制回路,36,16.3.2 氣動系統(tǒng)的設(shè)計計算舉例例16-5設(shè)計某廠鼓風爐鐘罩式加料裝置氣動系統(tǒng)。 解：（1）明確工作要求 1. 工作

25、要求；加料機構(gòu)如圖16-7所示。ZA、ZB分別為鼓風爐上、下兩個料鐘：頂料鐘、底料鐘。WA、WB分別為頂、底料鐘的配重，料鐘平時處于關(guān)閉狀態(tài)。A、B分別為操縱頂、底料鐘的氣缸。該料鐘具有手動與自動加料兩種方式。自動加料：加料時，吊車把物料運來，頂鐘ZA開啟、卸料于兩鐘之間，然后延時發(fā)訊，使頂鐘關(guān)閉；之后底鐘開啟、卸料到爐內(nèi)，再延時關(guān)閉底鐘，循環(huán)結(jié)束。 2. 運動要求：料鐘開、閉一次的時間t =6 s，缸行程s=600mm，行

26、程末端平緩些。 3. 動力要求：頂部料鐘打開的推FA=5.10×103N；底部料鐘打開的作用力FB=2.4×104N。 4. 工作環(huán)境：環(huán)境溫度30—40℃，灰塵較多。,37,圖16-7 鼓風爐加料裝置氣動機構(gòu)示意圖,38,（2）設(shè)計氣控回路 1.列出氣動執(zhí)行元件的工作程序 設(shè)操縱頂料鐘的氣缸為A，氣缸活塞桿外伸為A1、氣缸活塞桿縮回為A0；操縱底料鐘的氣缸為B，氣缸活塞

27、桿外伸為B1、氣缸活塞桿縮回為B0。則氣動執(zhí)行元件的工作程序為： 延時 延時 加料吊車放罐壓下閥——頂鐘開——頂鐘閉——底鐘開——底鐘閉 即工作程序為：[A1 A0 B0 B1],,39,2.對程序進行校核及校正，寫出校正后的程序 程序校核見表16-11，校正后的程序為：[A1 X1 A0 B0 X0 B1],40,3.

28、 作X-D線圖，寫出執(zhí)行信號的邏輯表達式 X-D線圖見圖16-8。,41,4. 畫出系統(tǒng)的邏輯原理圖 系統(tǒng)的邏輯原理圖見圖16-9。但信號a1、b0應延時。,圖16-9邏輯原理圖,42,5 畫出系統(tǒng)的氣動回路原理圖,43,（3）選擇、設(shè)計執(zhí)行元件——氣缸設(shè)計 1.確定類型： 根據(jù)題目要求，并考慮到氣缸的受力，可采用兩個單作用、緩沖型、中間擺軸式氣缸。 2.氣缸內(nèi)徑計算： 系統(tǒng)壓力p=0.4

29、MPa，氣缸活塞桿平均速度 =600/6=100mm/s，效率 =0.8。 則頂部料鐘氣缸內(nèi)徑為： = = 0.142（m） = 142（mm ） 若考慮 =0.16～0.4 ， 底部料鐘氣缸內(nèi)徑為： =（1.01—1.09） 因爐體總體布置限制，底部料鐘氣缸的操

30、作力為拉力，同時考慮缸徑較大，前面系數(shù)取1.03。故底部料鐘氣缸內(nèi)徑為： = 1.03 = 0.318（m） = 318（mm）。,,,,,,,,,,,44,查《機械設(shè)計手冊》取標準缸徑 =160mm， =320mm，活塞桿直徑dA=80mm, =80mm,缸行程均為s=600mm。或者查表16-8，按0.4MP

31、a時的作用力大小，查氣缸直徑，可得到樣結(jié)果 3.選擇氣缸：氣缸型號為：頂部料鐘氣缸A： QGBⅡ160×600MT4 , 底部料鐘氣缸B：QGBⅡ320×600MT4。 4.驗算氣缸力的大?。?頂部料鐘氣缸： 底部料鐘氣缸：

32、 >24000 （N）,,,,,,,>5100(N),45,5.耗氣量計算：取氣缸的容積效率 =0.9。氣缸B的供氣端是有桿腔。,,46,（4） 選擇控制元件 根據(jù)系統(tǒng)對控制元件工作壓力及流量的要求，選定下列各閥。行程

33、閥、邏輯閥、手動換向閥、延時閥等均為控制氣路上的閥，所以可選通徑較小的閥，此處通徑選為6mm。 1.主控換向閥： 缸A主控換向閥：系統(tǒng)要求壓力 p=0.4MPa, =2.23×10 -3m3/s，查表16-9，故通徑為15mm，主控換向閥A型號為：23Q2-L15-G1。 缸B主控換向閥：系

34、統(tǒng)要求壓力 p=0.4MPa， =8.37× 10-3 m3/s，查表16-9，故通徑為25mm，主控換向閥B型號為：23Q2-L25-G1。 2.減壓閥：根據(jù)系統(tǒng)要求的壓力、流量，同時考慮A、B缸不會同時工作的特點，減壓閥可按流量、壓力最大的缸（B缸）選取，選擇氣動三聯(lián)件型號為：Q3LJW-C25-F1。 3.行程閥： a0、a1、b0、b1均為二位三通常閉杠桿滾輪式行程閥。型號為：Q23JC3-L

35、6。,,,,,47,4. 邏輯閥：S選為二位五通雙氣控閥，型號為：25ZQ2-6G1。 5. 手動換向閥：q選為二位三通按鈕式換向閥，型號為：Q23JR1-L6。 6. 延時閥：型號為：K23Y-L6-T。 （5）選擇輔助元件： 輔助元件的選擇要與減壓閥相適應。前面已選氣動三聯(lián)件，所以只選擇消聲器的型號。 消聲器型號為：FXS-L25。 （6）確定管道直徑、計算壓力損失

36、 1.確定管道直徑：可按各管徑與氣動元件通徑一致的原則初定各段管徑，參見圖16-7c。 oe段，管徑取d=25mm；,48,yo段，考慮到有兩臺鼓風爐同時工作，流量為供給兩臺鼓風爐流量之和，所以 可得 =252+252, d=35.4mm，取標準管徑 D=40mm。 2.計算壓力損失 如圖16-7c所示，因A缸的管

37、路較B缸細，壓力損失較大，所以驗算供氣管從y處到A缸進氣口x處的壓力損失是否在允許的范圍內(nèi)，即 。,,,,,,49,（1）沿程壓力損失： 式中 ——沿程阻力系數(shù)，值由雷諾數(shù)和管壁相對粗糙度確定； —— 管道的長度，m； d —— 管道直徑

38、，m； v ——氣體的運動速度，m/s； ——氣體的密度，kg/m3，在基準狀態(tài)下， =1.293kg/m3。 溫度30℃、壓力0.4MPa時，查得運動粘度： =1.66×10-5m2/s,氣體的密度為：,,,,,,,50,51,52,53,流經(jīng)元、輔件的壓力損失： 查表16-10得流經(jīng)分水濾氣器的壓力損失 流經(jīng)油霧器的壓

39、力損失 =0.015MPa；流經(jīng)截止閥式換向閥的壓力損失 =0.015MPa。 則流經(jīng)元、輔件的局部壓力損失為 =0.02+0.015+0.015=0.05 （MPa）。 總的局部壓力損失： =0.0077+0.05=0.0576（ MPa ） （3）總的壓力損失 =0.007+0.0576=0.0

40、65（ MPa ） 取安全系數(shù)Kp=1.1，則 1.1× =1.1×0.065=0.0715（ MPa ） < [ ]=0.1（ MPa ）,,,,,,,,,,=0.02MPa,54,55,2.計算缸的理論用氣量 參見公式（12-1）(16-8)

41、 —— 一臺用氣設(shè)備上的氣缸總用氣量，m3/s； n —— 用氣設(shè)備的臺數(shù)，本題目左右有兩臺爐子有兩組同樣的氣缸 ,n = 2； m ——一臺設(shè)備上用氣執(zhí)行元件的個數(shù)，本題目一臺爐子上有A、B兩個氣缸，m = 2； a ——氣缸在一個周期內(nèi)單程作用次數(shù)，a =1；

42、 ——一臺設(shè)備中某一氣缸在一個周期內(nèi)的平均用氣量，m3/s； t ——某一氣缸一個單行程的時間，s；本題目tA=tB=6s。 T ——某設(shè)備的一次工作循環(huán)時間，s；本題目T=2tA+2tB=24s。,,,,,56,若考慮左右兩臺鼓風爐的氣缸都由一臺空壓機供氣，則氣缸的理論用氣量： =2[(

43、1×11.04×10-3×6+1×4.14×10-2×6)/24] =2.622×10-2 （m3/s） 3.計算空壓機的理論用氣量 取設(shè)備利用率φ=0.95，漏損系數(shù)K1=1.2，備用系數(shù)K2=1.3。則空壓機的理論用氣量為： =0.95×1.2×1.3×2.622×10