基于FluidSim的分送裝置控制回路設計

陳宏勝，孫 亮，楊 毅，唐 猛

（1.池州職業(yè)技術學院 機電汽車系，安徽 池州 247000；2.平高集團有限公司 配網(wǎng)技術中心，河南 平頂山 467000）

目前國內(nèi)廠商和科研院所對分送裝置的研究與開發(fā)取得了一些相應的成果。氣動控制技術主要是以壓縮空氣為介質(zhì)，低成本特性，同時它還是自動化工業(yè)運用的一種重要技術[1-2]。據(jù)統(tǒng)計：工業(yè)自動化有 50%生產(chǎn)線流程、機器人控制系統(tǒng)有22%～29%都裝有氣壓控制系統(tǒng)。本文針對圓柱塞分送裝置設計出2 種控制回路，分別以行程閥、雙壓閥、延時閥等氣動元件設計的氣動控制回路，該回路工作介質(zhì)為空氣，污染環(huán)境小，工程實現(xiàn)容易；以繼電器、傳感器、電磁閥等電氣元件設計的電氣控制回路，電氣控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離控制，速度響應快，易實現(xiàn)自動化。將2 種設計結果進行對比分析，力求有效提升設備加工精度和降低工人勞動強度[3-5]。

1 設計要求

如圖1，利用2 個氣缸的交替伸縮將圓柱塞2個、2 個地送到加工機上進行加工。啟動前氣缸1A1活塞桿完全縮回，氣缸2A1 活塞桿完全伸出，擋住圓柱塞，避免其滑入加工機。按下啟動按鈕后，1A1氣缸活塞桿伸出，同時2A1 氣缸活塞桿縮回，2 個圓柱塞滾入加工機進行待加工。2 s 后氣缸1A1 縮回，同時氣缸2A1 伸出，一個工作循環(huán)結束[6]。為保證后2 個圓柱塞只有在前2 個加工完畢后才能滑入加工機，要求下一次的啟動只有在間隔5 s 后才能開始。系統(tǒng)通過一個手動按鈕啟動，并用一個定位開關來選擇工作狀態(tài)是單循環(huán)還是連續(xù)循環(huán)。在供電或供氣中斷后，分送裝置須重新啟動，不得自行開始動作[7-8]。

在本設計中，氣缸1A1 和2A1 是交替的伸出和縮回，需要采用相應的位置傳感器作為動作效果的判斷，可將磁性傳感器安裝在氣缸外殼上。氣缸1A1伸出2 s，每次工作循環(huán)需要5 s 間隔，為此，需要使用具有延時功能的元器件——時間繼電器和延時閥[9]。

2 理論分析

2.1 時間繼電器

如圖2，給通電延時時間繼電器線圈觸發(fā)一個外部信號，到達設定時間后繼電器的觸點開關才能閉合。當該時間繼電器線圈得電后，觸點開關需要經(jīng)過延時后才能閉合；線圈失電后，觸點開關立即復位[10]。

2.2 傳感器

如圖3，傳感器有2 個極板，一個固定不動，另一個極板可以移動[11]。

設動片未移動時極板間距為δ0，初始電容量為：

下級板上移：

電容的相對變化量為：

當Δδ/δ0＜＜1時，

忽略高次項：

在設計電容傳感器時要充分考慮Δδ＜＜δ0,Δδ只允許在很小的范圍內(nèi)取值。

非線性誤差表達式：

傳感器的靈敏度為：

由公式（5）可知，電容傳感器的靈敏度與極板間距的平方成反比。

2.3 延時閥

如圖4 所示，延時閥是氣動系統(tǒng)中的一種時間控制元件，它是通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣室充氣時壓力上升速率來實現(xiàn)延時的[12]。

延時閥由單向節(jié)流閥1、氣室2 和一個單側(cè)氣控二位三通換向閥3 組合而成?？刂菩盘枏?2 口經(jīng)節(jié)流閥進入氣室。由于節(jié)流閥的節(jié)流作用，使得氣室壓力上升速度較慢。當氣室壓力達到換向閥的動作壓力時，換向閥換向，輸入口1 和輸出口2 導通，產(chǎn)生輸出信號。由于從12 口有控制信號到輸出口2 產(chǎn)生信號輸出有一定的時間間隔，所以可以用來控制氣動執(zhí)行元件的運動停頓時間。若要改變延時時間的長短，只要調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度即可。通過附加氣室還可以進一步延長延時時間。當12 口撤除控制信號，氣室內(nèi)的壓縮空氣迅速通過單向閥排出，延時閥快速復位。所以延時閥的功能相當于電氣控制中的通電延時時間繼電器。

3 系統(tǒng)設計

3.1 氣動控制回路設計

在某些工業(yè)場合需要考慮到安全狀況，不能采用帶電設備。在這種情況下，可以采用氣動控制回路設計，如圖5 所示。

將1A1 氣缸無桿腔、有桿腔分別與2A1 氣缸有桿腔、無桿腔進行并聯(lián)。先按下1S2 按鍵開關，再按下1S1 按鈕開關，壓縮空氣作用在雙壓閥1V2 的左端氣控口，并與雙壓閥1V2 右端氣控口壓縮空氣合并，致使雙壓閥輸出口有壓縮空氣輸出并作用在主控閥1V1 的左端氣控口，使主控閥左位閥芯接通換向，從而使1A1 氣缸活塞桿伸出，2A1 氣缸活塞桿縮回。達到延時閥1V6 延時時間2 s 后，1A1 氣缸活塞桿縮回，2A1 氣缸活塞桿伸出，兩氣缸活塞桿交替伸出縮回動作；達到延時閥1V5 延時時間5 s 后，即待兩個圓柱加工需要5 s 時間完成后進行下一循環(huán)動作。

本氣動控制回路設計2 次延時時間均是通過延時閥來進行延時的，延時閥延時時間這一數(shù)值很難進行量化等效，在此是將1V6 延時閥開口度調(diào)節(jié)至50%，1V5 延時閥開口度調(diào)節(jié)至30%?；芈愤x用氣壓控制元件—行程閥具有速度換接平穩(wěn)優(yōu)點，但行程閥安裝較困難，實現(xiàn)順序運動較難。

3.2 電氣控制回路設計

電氣控制回路的設計主要選用雙端電磁換向閥、傳感器和通電延時時間繼電器來實現(xiàn)的。其電氣控制設計回路如圖6 所示。

該電氣控制回路設計只需通過一個手動按鈕啟動，定位開關只有選擇工作狀態(tài)作用，而不具有啟動作用。停電后，裝置應自動停止；恢復供電后，裝置要重新啟動才能開始工作。上述功能可采用電氣控制中常用的自鎖回路實現(xiàn)。手動按鈕1 S1 用于裝置的啟動，定位開關1S2 控制是否建立自鎖。如自鎖建立，則裝置進入自動連續(xù)循環(huán)工作狀態(tài)?；芈愤x用電器控制元件—電磁換向閥實現(xiàn)，具有自動控制，安裝位置不受限制等優(yōu)點，同時能夠快速實現(xiàn)順序動作。

4 結論

圓柱塞分送裝置控制回路設計2 次延時時間均是通過延時閥來進行延時的，延時閥延時時間這一數(shù)值很難進行量化等效，在此是將1V6 延時閥開口度調(diào)節(jié)至50%，1V5 延時閥開口度調(diào)節(jié)至30%?；芈愤x用氣壓控制元件—行程閥具有速度換接平穩(wěn)優(yōu)點，但行程閥安裝較困難，實現(xiàn)順序運動較難。電氣控制回路通過通電延時時間繼電器來延時，準確達到本次設計任務要求?；芈愤x用電器控制元件—電磁換向閥實現(xiàn)，具有自動控制，安裝位置不受限制等優(yōu)點，同時能夠快速實現(xiàn)順序動作。