浅析半自动钻床纯气动控制系统的设计
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关键词：气动技术 压缩气体 气缸 换向阀
随着现代化工业技术的发展，由液压技术、气动技术、传感器技术、PLC技术等学科的相互渗透而形成的机电一体化技术，已成为当今工业科技的重要组成部分。笔者长期从事液压传动与气动技术的教学，教材中关于双缸行程控制回路设计的讲解中，有一部分学生在设计思路上不明确，对于障碍信号不知道如何消除，以至于不能正确理解教材中气路的工作原理。下面笔者就以半自动钻床纯气动控制系统的设计来说明气路的设计方法与技巧。
在半自动钻床纯气动控制回路中，有两个气缸：一个是起夹紧工件作用的夹紧缸A，另一个是用来驱动钻床主轴的轴向运动，产生钻削进给运动的进给缸B。该钻床要求：按下启动按钮后，两个气缸按照一定的顺序要求先后动作，完成一个工作循环。即工作要求为：夹紧缸伸出夹紧工件→切削缸切削进给→切削缸退回→夹紧缸松开工件退回。
对半自动钻床的工作过程進行分析：在该半自动钻床的工作过程中，进给缸和夹紧缸在不同的工作阶段分别需要有不同的动作，因此，其回路的控制关键是在相应的阶段对两个气缸的主控元件发出适当的控制信号，以此来控制气缸按要求依次工作。也就是说，当按下启动按钮后，需要夹紧缸伸出，当夹紧缸伸出到位后，表示工件已经夹紧，此时需要发出一个位置信号，该信号用来控制切削缸的伸出;当切削缸伸出到位后，表明对工件已经切削加工完成，此时需要发出一个位置信号，该信号用来控制切削缸的退回;当切削缸退回到位后，需要发出一个位置信号，该信号用来控制夹紧缸的退回;当夹紧缸退回到位后，应该发出一个信号，表明一个工作循环结束。当然，半自动钻床的两个气缸的初始状态必须是夹紧缸和切削缸都处于缩回状态。
经过以上对半自动钻床的气动控制系统的分析，整理出该控制气路需要以下气动元件：启动按钮，一个常开型的3/2阀;夹紧气缸A、切削气缸B，两个双作用气缸;控制A缸的主控元件FA、控制B缸的主控元件FB，两个双气控5/2阀;夹紧气缸A缩回和伸出时触发的行程阀A0、A1，切削气缸B缩回和伸出时触发的行程阀B0、B1，四个滚轮式常开型的3/2阀。
半自动钻床的气缸在工作时，在每一个阶段，夹紧缸和切削缸需要分别产生不同的动作，在半自动钻床气压传动回路中，这些动作的产生是由半自动钻床气压传动回路中的A0、A1、B0、B14个行程阀通过检测气缸行程位置来控制气缸产生相应的动作。这种利用行程阀控制两个或两个以上气缸动作的回路，称之为行程控制多缸动作回路。
按照以上分析过程，设计出半自动钻床的行程控制纯气动回路，该气路中共用到以下元件：系统的启动按钮常开型3/2阀1.2;A缸和B缸的主控元件双气控5/2阀FA、FB;在A缸缩回和伸出位置分别放置滚轮杠杆式3/2行程阀A0、A1（常开型）;在B缸缩回和伸出位置分别放置滚轮杠杆式3/2阀B0、B1（常开型）;系统中用于消除障碍信号的两个双气控3/2阀1.6、2.6，该气路可以按照初始状态和工作状态来分析。一、回路分析
1.初始状态
两个主控阀FA、FB初始状态右位接入回路，使得两个气缸A缸和B缸处于完全缩回的位置，行程阀A0、B0分别被压下。
2.工作状态
（1）A缸伸出。在初始状态，行程阀A0被A缸活塞杆压下，行程阀A0左位接通，按下启动按钮1.2后，压缩空气经过启动按钮1.2和行程阀A0进入主控阀FA的左位气控口，使阀FA获得左位接通的控制信号a0，同时行程阀A0发出的控制信号a0还控制阀K和阀K，分别是：a0信号使控制阀K（1.6）右位气控口有信号，从而切断行程阀B0发出的b0信号;a0信号使控制阀K左位气控口有信号，为下一步导通行程阀A1发出a1信号做准备。由于主控阀FA的右位信号b0已经不存在，主控阀FA只有左位有a0信号，因此主控阀FA换向，阀芯右移，左位接入系统回路，压缩空气进入A缸的左腔，A缸活塞杆伸出。当活塞杆离开行程阀A0时，在弹簧力的作用下行程阀A0复位，又由于双气控阀具有＂记忆＂特性，主控阀FA和阀K仍保持左位接通，阀K仍保持右位接通。
（2）B缸伸出。当A缸活塞杆伸出，到达a1时，压下行程阀A1，行程阀A1左位接通，压缩空气经阀K与行程阀A1进入主控阀FB的左位气控口，使主控阀FB换向，左位接入系统回路，压缩空气进入B缸的左腔，B缸活塞杆伸出，行程阀B0复位。由于主控阀FB具有＂记忆＂特性，主控阀FB仍保持左位接入系统回路，B缸继续伸出。
（3）B缸缩回。当B缸的活塞杆伸出，压下行程阀B1后，行程阀B1左位接通，压缩空气经行程阀B1进入主控阀FB的右位气控口，使主控阀FB获得向右换向控制信号b1，同时b1信号控制阀K右位气控口，使阀K工作在右位，切断行程阀A1发出的信号a1，b1信号还控制阀K左位气控口，为下一步动作导通行程阀B0发出的b0信号做准备。此时，主控阀FB的两端气控口只有右位气控口有信号，主控阀FB换向，右位接入系统，压缩空气进入B缸的右腔，B缸活塞杆缩回。当B缸活塞杆离开行程阀B1时，在弹簧力的作用下行程阀B1复位，由于主控阀FB具有＂记忆＂特性，所以主控阀FB仍保持右位接通，B缸的活塞杆继续回缩。
（4）A缸缩回。当B缸的活塞杆缩回，压下行程阀B0后，行程阀B0发出b0信号，使主控阀FA的右位气控口有信号，主控阀FA换向，右位接入回路，压缩空气进入A缸的右腔，A缸活塞杆缩回。
若再次按下启动按钮，开始新一轮循环。二、情况说明
1.采用两个K阀进行消障处理
当主控阀两端气控口同时都有控制信号存在时（如FA两端的a0、b0信号），由于主控阀FB具有＂记忆＂特性，因此，它只会保持之前的位置状态而不会换向。笔者把影响主控阀换向的控制信号称为障碍信号，把控制主控阀换向的控制信号称为执行信号。K阀的作用就是保证了在需要主控阀气控口信号起作用时，导通控制信号的输入;而不需要气控口信号起作用时，切断控制信号的输入，从而使得主控阀两端气控口不会同时存在控制信号。
2.K閥所表示的含义
以符号K说明：K右上角的＂b1＂表示b1信号导通时需要消障的信号，右下角的＂a0＂表示信号a0切断需要消障的信号。符号K表示含义也是如此。我们把具有这种消除障碍信号功能的阀K称为辅助阀。
通过对半自动钻床行程控制回路的分析可以看出，在气压传动系统中，如果一个双气控阀的两个控制口都有信号输入，其中一个信号就属于障碍信号，这种情况叫做信号重叠，障碍信号会造成双气控阀不能按照既定要求进行动作。因此，必须采用适当的方法把障碍信号消除。在实际应用中，人们常采用换向阀消障和单向式滚轮杠杆行程阀消障。
（1）换向阀消障。为了避免信号重叠，通常采用换向阀消除障碍信号作为基本方法，通过将换向阀与行程阀串联使用，将长信号变成短信号，以达到消除障碍信号的目的。
消除方法：将有障碍的原始信号＂m＂，与另一个合适的控制信号＂x＂串联，得出一个消除障碍信号的新信号＂m＂。把消除障碍得到的信号称为执行信号。根据消障信号的选取可分为直接消障法和间接消障法。
第一，直接消障法。直接消障法就是控制信号x利用系统中现有的原始信号或主控阀的伸出信号来进行消障，在控制回路中其压下行程阀m阀左位进入，回路导通，得到消障后的信号m*;当x输入信号，同时压下m，使得两阀左位接入，回路导通，得到消障后的信号m*。
第二，间接消障法。间接消障法就是在系统中没有能直接左位消障信号x的原始信号，所以必须在系统中加一个辅助阀K以得到消障信号x。这个辅助阀K一般为具有记忆功能的双气控换向阀。
Kx0x1信号表示双气控阀的输出信号，x0、x1分别为辅助阀K的两个控制信号，当x0有气时，辅助阀K有输出，和m串联，得到执行信号m*;同理，x1有气时，辅助阀K无输出，和m串联，用来消除m的障碍信号。
（2）单向式滚轮杆行程阀消障。消除障碍信号的方法除了换向阀消障以外，还可以采用单向式滚轮杆行程阀进行消障。它的消障方法是使控制信号变为一个短暂的脉冲信号。
利用单向式滚轮杆行程阀的工作原理，使原本是障碍的信号只发出一个短信号，从而对另一信号不造成干扰。但是需要注意的是：单向式行程阀在活塞杆伸出时，必须安装在未到达终端的一小段距离的位置上;在活塞杆缩回时，必须安装在活塞杆未到达始端的一小段距离上，使得行程阀只发出一个短暂的脉冲信号，以便活塞杆压下行程阀以后还能通过。此时，虽然信号已经不存在，但由于主控阀FB具有＂记忆＂特性，这个位置的状态仍被保持。
用单向式行程阀消除障碍信号回路比较简单，但是可靠性较差，因而在实际应用中一般采用换向阀来消除障碍信号。
通过对以上半自动钻床纯气动控制回路的分析和学习，基本能够掌握气动回路的设计技巧以及障碍信号的消除方法。
参考文献：
[1]周晓峰.液压传动与气动技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2011.