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(聊城大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院， 山東 聊城　252059)

引言

在高溫、多塵等惡劣環(huán)境下為實現(xiàn)不需人力操作的自動搬運工作，可利用行程程序控制方法設(shè)計一套機械手氣控回路以按照一定軌跡或程序自動搬運工件，來保障人身安全，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。行程程序控制是氣動控制中一種應(yīng)用較廣的回路設(shè)計方法，這種控制方法可分為兩大類：直觀組合法與邏輯設(shè)計法。前者適用于較簡單的回路設(shè)計。對于較復(fù)雜或含有多往復(fù)動作的回路，通常采用邏輯設(shè)計法。常用的邏輯設(shè)計法有X-D線圖法，邏輯運算法和卡諾圖法等。其中X-D線圖法直觀性強，但處理過程較繁瑣；邏輯運算法太抽象；卡諾圖法直觀且處理規(guī)則性較強[1，2]。因此，詳細介紹卡諾圖法機械手的設(shè)計步驟。

1　行程程序輸入

如圖1所示為可用于高溫、噪聲及粉塵等環(huán)境惡劣場合的氣控機械手結(jié)構(gòu)圖，由夾緊缸A、伸縮缸B、升降缸C和回轉(zhuǎn)缸D組成[3，4]。

圖1　氣控機械手結(jié)構(gòu)示意圖

該機械手按預(yù)先給定的程序，可從第一個動作連續(xù)運轉(zhuǎn)到最后一個動作，把其右下方的工件搬到左上方的位置上去。動作程序為：壓下開關(guān)q立柱下降C0→伸臂B1→夾緊工件A0→縮臂B0→立柱左回轉(zhuǎn)D1→立柱上升C1→放開工件A1→立柱右回轉(zhuǎn)D0。

圖2　卡諾圖及順序循環(huán)線圖

2　化簡邏輯函數(shù)

標準程序可用“滿格”信號狀態(tài)——邏輯最小項直接寫出邏輯函數(shù)，但一般此邏輯函數(shù)較復(fù)雜，需進行簡化。上述工作程序的邏輯函數(shù)分別為：a1b0c1d0→C0，a1b0c0d0→B1，a1b1c0d0→A0，a0b1c0d0→B0，a0b0c0d0→D1，a0b0c0d1→C1，a0b0c1d1→A1，a1b0c1d1→D0。如用這些邏輯函數(shù)作為控制信號以控制各動作，會使氣控回路非常復(fù)雜。因此可通過卡諾圖畫圈法化簡邏輯函數(shù)。

畫圈的原則是：

(1) 圈入的方格必須成正方形或矩形，為使邏輯函數(shù)最簡，圈入的格子越多越好。任一格都可被不同圈重復(fù)使用；

(2) 程序動作的后續(xù)狀態(tài)可被圈入，空格是不存在的變量組合，可根據(jù)需要隨時被圈入；

(3) 程序動作的對立動作及其后續(xù)狀態(tài)不能被圈入；

(4) 主控信號一定要存在，不能被消掉。即程序動作的前接動作不能被圈入。

化簡C0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的1～8格。第1格是C0動作的主控信號狀態(tài)，第5、8、7、6格是C0動作的后續(xù)狀態(tài)，第2、3、4格是空格都被圈入。第9、11、12、15、16格是空格本可被圈入，但因圈入后使所圈方格不成矩形，所以不能被圈入。第10格和第14、13格是C0動作的對立動作C1本身及其后續(xù)動作，不能被圈入。因此，C0動作的執(zhí)行信號C0*=q·d0。

化簡B1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的5、8、9、12格。第5格是B1動作的主控信號狀態(tài)，第8格是B1動作的后續(xù)狀態(tài)，第9、12格為空格，故被圈入。第7格和第6、10、14、13格是B1動作的對立動作B0本身及其后續(xù)動作，不能被圈入。第1格為B1動作的前接狀態(tài)，不能被圈入。第2、3、4、15、16格本可被圈入，但因不能圈成矩形，也不能圈入。所以，B1動作的執(zhí)行信號B1*=c0a1。

化簡A0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的3、4、7、8、11、12、15、16格。第8格是A0動作的主控信號狀態(tài)，第7格是A0動作的后續(xù)狀態(tài)，第3、4、11、12、15、16格為空格，故被圈入。第6、10格為A0的后續(xù)狀態(tài)，第2、9格為空格，但圈入后不成矩形，故均未被圈入。第14格和第13、1、5格是A0動作的對立動作A1本身及其后續(xù)動作，不能被圈入。故A0動作的執(zhí)行信號A0*=b1。

化簡B0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的2、3、6、7、10、11、14、15格。第7格是B0動作的主控信號狀態(tài)，第6、10、14格是B0動作的后續(xù)狀態(tài)，第2、3、11、15格為空格，故被圈入。第5格是B0動作的的對立動作B1本身，第8格為B0動作的前接狀態(tài)，不能被圈入。第1、4、9、12、13、16格因圈入不成矩形不圈。故B0*=a0。

化簡D1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的2、6、10、14格。第6格是D1動作的主控信號狀態(tài)，第10、14格是D1動作的后續(xù)狀態(tài)，第2格為空格，故被圈入。D0動作及其后續(xù)動作即第13、1、5、8、7格不能圈入?？崭?、4、9、11、12、15、16格圈入后不成矩形。所以，D1動作的執(zhí)行信號D1*=b0a0。

化簡C1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的9～16格。必須圈入第10格C1動作本身，還可圈入C1動作的后續(xù)狀態(tài)14、13格及空格9、11、12、15、16格。C0動作及其后續(xù)動作即第1、5、8、7、6格不能圈入，空格2、3、4格圈入后不成矩形。故C1*=d1。

化簡A1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的1～4、13～16格。必須圈入第14格A1動作本身，還可圈入A1動作的后續(xù)狀態(tài)13、1格及空格2、3、4、15、16格。A0動作及其后續(xù)動作即第8、7、6、10格不能圈入，5、9、11、12格圈入后不成矩形。故，A1*=c1。

化簡D0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的1、4、5、8、9、12、13、16格。必須圈入第13格D0動作本身，還可圈入D0的后續(xù)動作1、5、8格及空格4、9、12、16格。D1動作及其后續(xù)動作即第6、10、14格不能圈入。2格圈入后不成矩形。3、7、11、15格因圈入后格數(shù)不是2n，會使變量增加不能圈。故D0*=a1。

3　繪制邏輯原理圖與氣控回路圖

根據(jù)上述邏輯處理過程中得到的各動作的執(zhí)行信號可畫出邏輯原理圖，如圖3所示。由邏輯原理圖可畫出氣控回路原理圖如圖4所示。畫氣路原理圖時應(yīng)注意行程閥是否有源，一般執(zhí)行信號中包含邏輯“與”符號的兩個發(fā)訊元件中只有一個有源，另一個為無源元件。

圖3　邏輯原理圖

圖4　氣控機械手回路原理圖

4　氣控回路的仿真分析

為驗證回路設(shè)計的正確性，在FluidSIM軟件的圖庫中獲取適當元件進行組合，得到圖5所示的氣動回路結(jié)構(gòu)圖，它由氣源、開關(guān)閥、換向閥、行程閥及各類氣缸等元件組成。設(shè)置氣源壓力為600 kPa，手動閥q控制氣路的開和關(guān)，每個氣缸上設(shè)置標尺以準確定位行程閥的切換位置。通過調(diào)節(jié)每個氣缸進氣口和出氣口處節(jié)流閥的開口度可控制流量的大小，進而控制活塞的運動速度。本回路中氣體的運動速度很低(v<5 m/s)，可視為是不可壓縮的[2]，因此流體在管道中作穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程適用于該場合。每個氣缸根據(jù)實際情況設(shè)置參數(shù)，氣缸行程決定行程閥的放置，輸出力體現(xiàn)實際承載能力，活塞面積決定氣缸的缸徑值，同時為了能夠直觀獲知仿真過程中的速度和輸出力，可進行選擇設(shè)置，如圖6所示。通過其他元件進行設(shè)置，亦可實時顯示流量、壓力等參數(shù)值。

圖5　氣動回路結(jié)構(gòu)圖

圖6　氣缸參數(shù)設(shè)置

q=CATΔpφ

(1)

式中,C為由孔口的形狀、尺寸等決定的系數(shù)；AT為孔口的通流截面面積；Δp為孔口的兩端壓力差；φ為由孔口的長徑比決定的指數(shù)。

q=vA=const

(2)

該模型中，節(jié)流閥的流量q由公式(1)確定，一旦選定節(jié)流閥型號，公式(1)中的C和φ即為常數(shù)，AT的值取決于節(jié)流閥開口度的設(shè)置情況，孔口兩端的壓力差取決于氣源壓力和反映氣缸承載能力的參數(shù)設(shè)置?；钊麠U的伸縮速度由流量連續(xù)性方程(2)確定，式中v為活塞桿伸縮速度，A為活塞受壓面積。在仿真期間，F(xiàn)luidSIM軟件首先計算所有的參數(shù)，只要計算出結(jié)果管路就用顏色表示，且氣缸活塞桿實時顯示相應(yīng)的伸縮動作。

與機械手各動作相對應(yīng)的氣缸行程仿真曲線如圖7所示。曲線表明在1 s鐘時刻壓下開關(guān)q升降缸C縮回帶動立柱下降壓下行程閥c0后，伸縮缸B伸出完成伸臂動作壓下行程閥b1后，夾緊缸A縮回夾緊工件壓下行程閥a0后，伸縮缸B縮回完成縮臂動作壓下行程閥b0后，回轉(zhuǎn)缸D右桿伸出(帶動立柱左回轉(zhuǎn))壓下行程閥d1后，升降缸C伸出立柱上升壓下行程閥c1后，夾緊缸A伸出松開工件壓下行程閥a1后，回轉(zhuǎn)缸D右桿縮回(帶動立柱右回轉(zhuǎn))壓下行程閥d0。至此，完成一個工作循環(huán)，機械手將其右下方的工件搬到左上方的位置上去，驗證了該回路設(shè)計的正確性。

圖7　各氣缸行程仿真曲線

該軟件中，仿真以物理模型為基礎(chǔ)，因此，計算值應(yīng)與測量值相一致。實際上，當比較計算值和測量值時，測量值常具有較大波動，這主要是由于元件制造誤差、管路的密封性和流體溫度等因素造成的。

5　結(jié)論

通過對氣動機械手工作要求的分析，在深刻理解卡諾圖方格數(shù)目的確定方法、邏輯處理方法的基礎(chǔ)上，

給出了機械手每個動作的執(zhí)行信號，并據(jù)此繪出邏輯原理圖和氣控回路圖，最后對氣控回路圖進行FluidSIM仿真實驗。實踐表明，基于FluidSIM軟件的機械手氣動回路設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與真實機械系統(tǒng)控制運行相一致的效果，從而驗證了該設(shè)計的可行性與有效性。詳盡的設(shè)計過程可為從事氣壓傳動技術(shù)的工程人員提供一定的參考。

參考文獻：

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全國水液壓專業(yè)委員會2015年年會在貴陽召開

為了推進水液壓傳動技術(shù)的快速發(fā)展，展示水壓傳動技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，由全國水液壓專業(yè)委員會主辦、中航力源液壓股份有限公司承辦的“水液壓專業(yè)委員會2015年年會”，于2015年8月28日在貴陽舉行，水液壓專業(yè)委員會委員及有關(guān)水液壓行業(yè)的學(xué)者、專家和企業(yè)界人士參加了本次會議。

本次會議宣布了新一屆專委會委員的組成情況，由浙江大學(xué)的周華教授擔任本屆專委會主任委員，并吸收了部分高校和企業(yè)專家進入本屆專委會，專委會委員的人數(shù)和覆蓋范圍得以擴大。

胡冬生總經(jīng)理代表力源液壓公司對本次會議在貴陽召開表示熱烈祝賀，也明確表示了企業(yè)參與水液壓產(chǎn)品研制和生產(chǎn)的愿望和積極性，力源公司有信心、有能力促進水液壓產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

周華主任委員代表專委會對去年的工作進行了回顧，并提出了本屆專委會的工作重點。希望高校、科研院所、企業(yè)做好產(chǎn)學(xué)研合作，抓住國家重視環(huán)保、節(jié)能的政策導(dǎo)向，在進行水液壓基礎(chǔ)技術(shù)和元件研究的同時，還要大力發(fā)展基于水液壓技術(shù)的消防、海水淡化、海洋作業(yè)、環(huán)衛(wèi)清潔、市政建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域的研究，目前水液壓技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)具備了一定條件，具有廣闊的應(yīng)用前景。

機械工程學(xué)會流體傳動與控制分會趙曼琳副總干事代表上級組織致辭，她充分肯定了水液壓專委會良好的工作氛圍，對近幾年水液壓技術(shù)的長足進步感到高興，并祝愿水液壓技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化獲得更大的發(fā)展。

會上進行了技術(shù)交流，周華教授結(jié)合浙大科研團隊的工作，做了《水液壓比例溢流閥的研究》的報告，劉銀水教授結(jié)合華中科技大學(xué)的研究和應(yīng)用工作，做了《再談水液壓技術(shù)研究與應(yīng)用》的報告，弓永軍教授結(jié)合水液壓技術(shù)在海洋和船舶作業(yè)的應(yīng)用情況，做了《大連海事大學(xué)水液壓技術(shù)及應(yīng)用》的報告。這些報告展示了水液壓技術(shù)最新的研究動態(tài)和應(yīng)用成果，獲得了與會委員和專家的一致好評。

在會議交流期間，各位委員、專家和企業(yè)代表各抒己見，對水液壓課程在高校教學(xué)的建議、企業(yè)對高品質(zhì)水液壓元件的需求、水液壓技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化趨勢等問題展開了討論，為水液壓行業(yè)的發(fā)展出謀劃策。

2016年度水液壓專委會會議將在廣州(廣東技術(shù)師范學(xué)院)舉行，歡迎更多有志于水液壓技術(shù)研究及應(yīng)用的專家、學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員參加，我們共同將水液壓技術(shù)和產(chǎn)業(yè)做大做強。

感謝中航力源液壓股份有限公司對本次會議的大力支持！

流控分會水液壓專業(yè)委員會