(聊城大學機械與汽車工程學院， 山東聊城 252059)

引言

能夠自動完成物料計量工作的氣動計量裝置，在工業(yè)生產(chǎn)自動化流水線上應用廣泛，但其回路原理圖的設計較為復雜[1-2]。工業(yè)生產(chǎn)中常見的氣動系統(tǒng)，不僅要為其設計進行力和運動傳遞的氣動回路圖，還要設計與回路圖相配的驅動步進電機或電磁閥換向的電路，甚至還要進行PLC軟硬件的設計[3-9]。而在純氣動控制回路中，采用標準化的步進模塊既能簡化復雜的邏輯設計過程，又能具有步進電機驅動執(zhí)行元件的功能，還能提高氣動系統(tǒng)工作的可靠性且便于檢修，這種氣動回路更能適應惡劣的工作環(huán)境。

1 步進模塊的結構原理

物料計量裝置氣動回路中包含多個步進模塊，每個步進模塊由1個二位三通閥、 1個雙壓閥和7個氣口組成，如圖1所示。圖1中1，2，3，4氣口為輸入氣口，5，6，7氣口為輸出氣口。工作時，氣口1與上一個模塊的氣口7相連，輸入該模塊工作的準備信號；氣口2與控制氣缸行程的行程閥相連，輸入各行程閥發(fā)出的控制信號；氣口3接氣源，為該模塊的各輸出氣口提供壓縮空氣；氣口4接相鄰下一個模塊的氣口5，該氣口通過改變圖1中二位三通閥的閥芯工作位置切斷壓縮空氣的輸出，使該模塊復位即由工作狀態(tài)切換為非工作狀態(tài)；氣口5接上一個模塊的氣口4，輸出氣使上一個模塊復位；氣口6輸出氣驅動主換向閥的閥芯運動控制行程程序；氣口7接下一個模塊的氣口1，輸出下一模塊工作的準備信號。模塊是否處于工作狀態(tài)輸出壓縮空氣，取決于氣口1，2是否同時有氣信號輸入。

圖1 步進模塊結構原理圖

2 物料計量氣控回路

如圖2所示的氣動計量裝置，氣缸的動作順序為：B缸活塞桿伸出傳送帶暫?！鶤缸活塞桿伸出計量箱卸料并延時→A缸活塞桿縮回計量箱復位→B缸活塞桿縮回傳送帶工作→A缸活塞桿繼續(xù)縮回完成計量過程。以上5個程序的程序式可寫為[B1A2A1B0A0]。

圖2 氣動計量裝置示意圖

根據(jù)上述工作程序，計量裝置氣動回路原理圖如圖3所示，共包括5個步進模塊以實現(xiàn)以上5個動作。圖3所示為初始狀態(tài)，只有模塊⑤有輸出，其它模塊均無輸出。此時按下啟動按鈕，氣動換向閥1右位工作，壓縮空氣經(jīng)該閥右位和模塊⑤的二位三通閥，左位切換閥4和閥6的閥芯工作位置，使低壓氣源pd經(jīng)閥4閥6右位進入氣缸B左腔，B缸活塞桿伸出壓下行程閥B1，傳送帶暫停完成動作一。由圖3可知，步進模塊⑤的輸出有3個作用：一是切換閥4和閥6，使其右位工作，為缸B活塞桿伸出做準備；二是向步進模塊④的二位三通閥右端供氣，使該模塊復位無壓縮空氣輸出；三是向步進模塊①的雙壓閥左端供氣，為該模塊工作提供準備信號。模塊⑤有輸出至壓下行程閥B1時，模塊①的雙壓閥右端也有壓縮空氣，雙壓閥左右兩端均被供氣，切換步進模塊①使其有氣輸出。

①～⑤.步進模塊 1～3.二位三通閥 4、7、8.二位二通閥5、6.二位五通閥 9～12.單向節(jié)流閥圖3 計量裝置氣動回路原理圖

步進模塊①的的輸出作用如下：一是使步進模塊⑤復位無氣輸出；二是向步進模塊②提供準備信號；三是切換閥2，5，7，8均使其左位工作。主氣路壓縮空氣經(jīng)閥2，5，7的左位進入缸A左腔，缸A右腔氣體經(jīng)閥8和閥5左位排至大氣中，缸A活塞桿伸出計量箱卸料至壓下行程閥A2時，完成動作二。為克服卸料時的大負載，此時缸A由高壓氣源pg供氣，為使卸料徹底，缸A活塞桿伸出后需經(jīng)一段時間的延遲。此時，步進模塊②的雙壓閥左右兩端均被供氣，切換步進模塊②使其有氣輸出。

步進模塊②的的輸出作用如下：一是使步進模塊①復位無氣輸出；二是向步進模塊③提供準備信號；三是切換閥2使其右位工作，同時模塊②的輸出經(jīng)蓄能器后切換閥3使其左位工作，再切換閥5使其右位工作。模塊②輸出路線中的蓄能器起到延時的作用，目的是使計量箱卸料徹底，之后再切換換向閥5改變缸A活塞桿的運動方向，單向節(jié)流閥則用來調(diào)節(jié)蓄能器延時長短。主氣路壓縮空氣經(jīng)閥2，5，8進入缸A右腔，缸A左腔氣體經(jīng)閥7左位和閥5右位排至大氣中，缸A活塞桿縮回計量箱復位，壓下行程閥A1時，完成動作三。計量箱復位時負載較小，缸A由低壓氣源pd供氣。此時，步進模塊③的雙壓閥左右兩端均被供氣，切換步進模塊③使其有氣輸出。

步進模塊③的的輸出作用如下：一是使步進模塊②復位無氣輸出；二是向步進模塊④提供準備信號；三是切換閥7，8使其右位工作密封缸A左右兩腔，同時切換閥6使其左位工作。主氣路低壓氣源pd經(jīng)閥4右位和閥6左位進入缸B右腔，缸B左腔氣體經(jīng)閥6左位排至大氣中，缸B活塞桿縮回傳送帶工作，完成動作四。為使傳送帶啟停靈敏，設置行程閥B0。當缸B活塞桿縮回至壓下行程閥B0時，步進模塊④的雙壓閥左右兩端均被供氣，切換步進模塊④使其有氣輸出。

步進模塊④的的輸出作用如下：一是使步進模塊③復位無氣輸出；二是向步進模塊⑤提供準備信號；三是切換閥4使其左位工作，缸B活塞桿一旦壓下行程閥B0就停止退回，以使傳送帶啟停靈敏。此時A缸繼續(xù)進行計量工作，直至計量箱壓下行程閥A0計量工作結束完成動作五，至此計量裝置五個循環(huán)動作執(zhí)行完畢，完成一次計量工作。此時，步進模塊⑤的雙壓閥兩端均被供氣，驅動步進模塊⑤工作使其有氣輸出，為下一次計量工作做準備。

圖3中單向節(jié)流閥9，10用于調(diào)節(jié)A缸活塞桿伸出和縮回的速度，單向節(jié)流閥11，12用于調(diào)節(jié)B缸活塞桿伸出和縮回的速度。計量質(zhì)量的大小可以通過改變行程閥A1的位置來進行調(diào)節(jié)。計量裝置不工作期間，因泄漏計量箱會在重力作用下下降使氣缸A活塞桿縮回，導致計量的第一箱物料質(zhì)量不準確，因此為本裝置設計的動作循環(huán)是先傾倒卸料再計量。故每次按下啟動按鈕，傾倒的第一箱都為空箱，目的是為接下來的計量做好準備工作。計量過程中，如果出現(xiàn)緊急情況，可按下急停按鈕，切斷所有步進模塊氣源的供給，待排除障礙后按下啟動按鈕，接通氣源的供給。

3 仿真分析

Fluid-SIM軟件是專門用于液壓與氣壓傳動的教學軟件，不僅可以設計液壓、氣動回路，還可通過仿真驗證設計的正確性[10-12]。利用該軟件所設計的計量裝置氣動回路原理圖如圖3所示，仿真動作曲線如圖4所示，橫坐標為時間縱坐標為活塞桿行程。

由圖4可知，缸A的初始狀態(tài)為縮回，以模擬不工作期間缸A會因計量箱重力作用縮回。缸B初始狀態(tài)為縮回壓下行程閥B0。仿真開始后，B缸立刻伸出卡住傳送帶，約1 s時按下啟動按鈕，A缸完全伸出傾倒物料并延時幾秒鐘以求傾倒徹底。之后，約5 s A缸縮回至復位狀態(tài)準備計量時，B缸縮回傳送帶開始傳送物料，A缸繼續(xù)縮回模擬計量過程，約21 s時計量結束。然后，B缸伸出卡住傳送帶暫停物料傳遞，至此完成一個工作循環(huán)。由圖4曲線可知，A，B缸的動作順序和計量系統(tǒng)要求的動作完全一致，從而證明氣動回路設計正確無誤。

圖4 計量缸A和止動缸B行程仿真曲線

4 結論

氣動計量裝置廣泛應用于無人操作的惡劣環(huán)境。本研究利用雙壓閥和氣動二位二通閥組建的步進模塊設計了物料計量裝置的純氣動控制回路原理圖，純氣動控制回路和采用電磁閥或步進電機控制的電氣回路相比，設計過程簡單高效，使用過程中可靠性高且易于檢修。設計過程中的關鍵問題在于理清每個步進模塊所對應的動作，以及控制該動作的換向閥工作位置，再由步進模塊的輸出氣驅動各換向閥換向。設計思路清晰明了，仿真結果與工作要求完全吻合，驗證了該設計方法的有效性及正確性，為工程設計人員解決同類問題提供了一定的參考。凡屬于行程程序控制的氣動裝置均可采用步進模塊進行氣動回路的快速有效設計。