基于世界技能大赛工业机械项目的气动
回路设计研究
摘要：世界技能大赛被誉为“技能奥林匹克”。气动回路设计是大赛工业机械项目中的重点考核模块之一。判断及消除障碍信号是气动回路设计的核心及难点，本文通过研究串级法设计气动回路的策略及方法，并以打标机的气动回路设计过程为例，体现串级法的优点，为技能大赛选手在极短的时间内设计出成功率高的纯气动回路提供参考。
关键词：技能大赛；气动回路设计；障碍信号 引言
纯气动控制回路因具有高速高效、清洁安全、低成本、易维护等优点，被广泛应用于易燃易爆、防电磁干扰等场合。但在实际工程应用中，由于不采用易于控制的电气元件，设计复杂的纯气动控制回路难度较大。被誉为“技能奥林匹克”之称的世界技能大赛一直以工程实际应用为核心考核内容，以解决工程实际应用为宗旨，纯气动回路设计是大赛工业机械项目的重点考核模块之一。判断和消除障碍信号是整个回路设计的核心及难点，在比赛中，选手需要的是短时高效且成功率较高的方法。本文通过研究串级法设计纯气动回路的策略及方法，并以打标机的气动回路设计为例，分析串级法设计回路的优势，可供技能大赛选手参考运用。
一、串级法消除障碍信号的思想与方法
串级法是一种控制回路的隔离法，主要是利用记忆元件作为信号的转接作用,即利用4/2双气控阀或5/2双气控阀以阶梯方式顺序连接，以改变各条管路的输出气压，从而保证在任一时间，只有一条管路有气源输出，其他管路都处于排气状态，使主控阀两侧的控制信号不同时出现，如图1所示。其中，图（a）、（b）、（c）分别为二级、三级、四级串级转换气路。
图1 各级串级转换回路
采用此种排列，可以简单、明了、快速的消除障碍信号，而且是建立在回路图的实际操作程序中，是一种有规则可循的气动回路设计方法。在实际设计中，需要多少输出管路和记忆元件,要按动作顺序的分组而定。
二、气动打标机动作分析
图2为气动打标机工作示意图，其控制系统主要是由工件夹紧装置、打标装置和退料装置组成。其动作过程为工件在料仓中靠重力落下，由夹紧缸A将工件推向定位块并夹紧，接着打标缸B打印标志，然后B缸及A缸依次退回，最后由C缸将打印完的工件推出，再退回到初始位置，完成一次循环过程。其动作顺序可以表示为A+B+B-A-C+C-（+表示伸出，-表示退回）。
图2 气动打标机工作示意图
三、气动打标机回路设计
根据打标机的动作顺序A+B+B-A-C+C-，依据最简分组原则，且同一组内每个英文字母只能出现一次，将其分为2组：
A+B+/B-A-C+/C-
Ⅰ Ⅱ Ⅰ
A+B+C-为一组，由第Ⅰ条管路供气，B-A-C+为另一组，由第Ⅱ条管路供气，两组输出信号不会同时出现，消除了障碍信号，两条管路只需要一个主控阀，用x1、x2分别表示管路主控阀两侧的气压信号。气缸主控阀两侧的控制信号通过活塞杆驱动压下行程开关产生，行程开关根据动作顺序依次标定a0、a1、b0、b1、c0、c1。
①A缸伸出到达终点位置，压下行程阀a1，输出的信号使B缸伸出，所以a1接在B+控制线上，而A+属于第Ⅰ组，故a1的供气口连接在第Ⅰ条管路上；
②B缸伸出到达终点位置，压下行程阀b1，输出的信号产生换组动作，即由第Ⅰ条输出管路供气切换为第Ⅱ条输出管路供气，所以b1与x2控制线相连，b1的供气口仍连接在第Ⅰ条管路上；
③换组后，第Ⅰ条输出管路排气，第Ⅱ条输出管路与气源接通，由于B缸的退回不需要行程阀的信号控制，所以可将B-控制线直接接到第Ⅱ条输出管路上；
④B缸退回到初始位置，压下行程阀b0，输出的信号使A缸退回，所以b0接在A-控制线上，而A-属于第Ⅱ组，故b0的供气口连接在第Ⅱ条管路上；
⑤A缸退回到初始位置，压下行程阀a0，输出的信号使C缸伸出，所以a0接在C+控制线上，而C+属于第Ⅱ组，故a0的供气口连接在第Ⅱ条管路上；
⑥C缸伸出到达终点位置，压下行程阀c1，输出的信号产生换组动作，即由第Ⅱ条输出管路供气切换为第Ⅰ条输出管路供气，所以c1与x1控制线相连，c1的供气口仍连接在第Ⅱ条管路上；
⑦换组后，第Ⅱ条输出管路排气，第Ⅰ条输出管路与气源接通，由于C缸的退回不需要行程阀的信号控制，所以可将C-控制线直接连接到第Ⅰ条输出管路上；
⑧C缸退回到初始位置，压下行程阀c0，输出的信号使A缸伸出，所以c0接在A+控制线上，而A+属于第Ⅰ组，故c0的供气口连接在第Ⅰ条管路上。
就分组而言，气动回路的第一个动作是C-，但分析打标机的动作过程，实际上第一个动作应该是A+，通过启动按钮S1控制单一循环的A+动作，将其安装在
第Ⅰ条管路与A+控制线之间，且为了获得启动在连续循环中达到互锁，必须将启动按钮S1与行程阀c0串联。
要实现连续循环模式，关键在于单一循环结束后，气缸C退回到初始位置，压下行程阀c0，输出的信号控制A缸再次伸出，而且单一循环模式与连续循环模式可任意切换。通过设计一个“或”阀在A+控制线上，分别连接单一循环与连续循环的启动按钮，停止切断循环应能随时切断连续循环模式的气信号。
料仓监测功能需实现当料仓中没有工件，气缸不可以伸出，系统必须停在起始位置，可用一个“双压”阀连接单一循环、连续循环的启动按钮与料仓监测的行程开关，以达到系统“互锁”作用。
紧急停止功能是要实现按下急停按钮，所有气缸无论在什么位置，均立即退回到初始位置，需要将供气回路信号送到所有气缸主控阀的退回控制口，同时保证切断气缸主控阀的伸出控制口的信号。而且，必须将管路主控阀复位，以实现急停解除后的重新启动。通过设计三个“或”阀分别连接A-、B-及C-控制线与气源信号，同时设置一个急停按钮EM与急停解除按钮REM，以控制系统的紧急停止与重新启动。
将连续循环及停止切断、料仓监测以及急停与急停解除三个单元加入、整合至单一循环气动回路中，得到的完整打标机气动控制回路，如图3所示。
图3 打标机气动控制回路
四、结束语
气动回路设计的核心及难点是判断及消除障碍信号，本文通过分析串级法设计气动回路的策略与方法，并以打标机的气动回路设计为例，体现出该设计方法的简单明了、思路清晰、回路明确、成功率高等优点，非常适用于技能大赛选手在极短的时间内设计出成功率高的纯气动控制回路。但需要注意，由于串级中的主控阀切换时，是依靠该阀自身排出空气，所以，当回路中任一个阀动作不良时，会容易出现不良开关转换故障。
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