步进气动控制方法应用于汽车工装设备.pdf

生 产 装 备 步进气动控制方法应用于汽车工装设备 以汽车工业工艺装备常用气控系统为例 ，探讨了纯气动控制方式的设计方法，即用步进的方法 完成规定工艺的工装气动系统设计。从而把复杂的控制简单化，方便安装调试。 步进是指按照规定的工艺动作一步一步前进 ，当 上一个动作完成后才执行下一个动作 ，只能是一级接 一 级往下前进。步进气动控制是气动设计的一种控制 方式，设计气路系统时需按照控制要求一步一步完成 规定的工艺动作要求。步进气动控制是实现生产 自动 化的一个重要手段 ，各个行业特别是汽车行业 中应用 越来越多，虽然气动控制没有一个固定的模式，但仍 存在很多规律可循。 本文主要介绍步进控制工作原理 ，并通过汽车工 业常用气控系统的要求来阐述工装设备步进控制的设 计方法。 1步进控制工作原理 首先要明确以下几点。 1气控 阀的两个先导 口不能同B ,1 - N载 先导压 力，否则阀体不会动作或出现错误动作结果。 2 先导压力必须逐个加载 ，而且在加载后一 个现在压力时先加载的先导压力要控制成排气状态。 依此，设计的控制原理思想是设计一个提供先导 压力的气源 ，在执行下一步动作时，断掉上一步的输 出气源。设计的步进原理如图1 。 Y n - 1 Yn A一一一一 ■上汽通用五菱汽车股份有限公司整车制造部莫江妍 图1 中间部分为步进气路 的一个单元 ，其余单元 和它组合可以扩展为任意多个步进输出。 输 出 控制的控制压力 比如X 是输出Y 控 制的控制压力 ； V1 两位三通双气控阀； V 2 两位三通单气控阀。 原理说明 当、 ， 几 一 启动后 ，如果X 输入压力大 于0 ． 2 MP a 保证阀能换向的最小压力 的压缩空气 时，阀V 2 换向，压缩空气输出到V 1 的先导口，则 V 1 换向，Y 输 出，同I] ,- J - Y 的输入使得V 1 换 向，使 得 一 输 出切断并排气。如此类推 ，当X 输入压缩空 气 ，则 ， 输出，Y n 输 出切断并排气。 由此得出结论 X ， 输入驱动Y 输出并且Y 输出切 断并排气 ，如此 输入驱动Y 川 输 出并且Y 输 出切断 并排气。 以上结论是在Y ， 输出已经启动的情况下得出的， 那么怎么启动Y 输出呢从图1 看出，要启动Y ，就 必须驱动V 1 ，驱动V 1 ， 只有靠外部的压力空气源A， 输入压力空气源A 就驱动V 1 ， ，整个步进就实现 了， 如图2 。 由图1 和图2 看 出启动必须从外部启动A 开始 ； 一1 X 图1步进原理图 Y ～ 的依次输出，实现了步 进的设 想 ；任何时候只 有一 个输 出，避 免 了同一个 阀的 两个先导 口同时供气 的故 障 产生。 对于原理 中的X 一 ，可 以是检测 位置发 出的信号 ， 2 0 1 0 年 第 3 期 汽车T艺与材料 A T M l 4 9 生 产 装 备 输出 y1 Y 4 y A X， _ _ 输 3 _ 入 _ _ X _ 图2输入输出对应图 也可 以是设 备的工艺操作发 出的信号 ，还 可 以是 多个信 号的集成。 同时，原理中的Y 一 Y 可 以作为先导气源驱动先导阀并 控制工艺设备的工艺动作。 2 工装设备步进控制 的设计方法 举例说明如下。 装备 的工 艺动作要求 起始位置 ，气缸1 收缩原位 ， 气 缸 2 收缩 原 位 ，气 缸3 收 缩原位 。动作过程 为启动开 始，气缸1 伸出，到位碰到行 2 、气缸3 分别动作。选取二位五通双气控阀3 个分别 执行气缸动作 ，4 步完成整个动作过程 选取4 个步进 单元，动作过程 中的气动信号源由一个或多个组成 选取适量的逻辑与门阀和或门阀来集成触发信号。设 计的气动控制原理图如图3 。 程开 关A1 后气缸2 伸出，气缸2 伸出到位碰到行程开 关B 1 后气缸3 伸 出，气缸3 伸出到位碰 到行程开关C1 后气缸1 、气缸2 、气缸3 全部收缩回到原位 ，碰到行 程开关A 0 、B 0 、C O 结束循环 ，等待下～次启动循环 重复这个过程。 经分析，可以找到要求中有用的如下一些信息 a ． 工艺装备有4 个按照相同规律一步一步执行的 动作 ，即气缸1 伸出一 气缸2 伸出一气缸3 伸 出一气缸 1 、2 、3 收缩 b ． 启动开始后执行一个循环 ，后一个循环还需要 再启动 c ． 整个过程除了启动开始 ，其余全部由现场行程 开关触发给出信号 自动完成 ； d ． 初始位置即是单个循环结束的位置。 可 以设计 出气动控制框架 ，要求气缸 1 、气 缸 图3气动控制原理图 气动控制原理说明如下。 1气动控 制要满足工艺动作前提。在设备第 一 次使用中，所有气缸需回到初始位置 由于某些原 因，某些阀有手动控制功能 ，可能导致某些气缸不在 原位 。在图3 中，需按动 “ 回原位 ”按钮 ，使步进 单元4 有输出压力气源，驱动阀V 1 、V 2 、V 3 的先导 口 1 4 ，气缸1 、2 、3 都 回到原位 ，气缸1 、2 、3 回到原 位分别触发行程开关A 0 、B 0 、C O ，A 0 、B 0 、C O 通 过逻辑 与门Z K 2 和Z K 3 的运算输 出压力气源驱使步进 单元4 中的两位三通单气控 阀换 向，输 出压力气源到 逻辑与f ] Z K 1 ，为启动作好准备。在气动系统 出现故 障的时候 ，也可以回原位消除故障。 2 正常工作过程 ，按动“ 启动”按钮 ，逻辑 与 门阀Z K 1 输出，驱动步进单元1 中的两位三通双气 控阀换向 ，于是步进单元1 输出驱动两位五通双气控 5 0 I 汽车I艺与材料 A T M 2 0 1 0 年 第 3 期 生 产 装 备’ 阀先导口1 2 ，阀V 1 换向，气缸1 伸出 ，碰到行程开关 A 1 ，A1 输 出驱动步进单元1 中的两位三通单气控阀换 向，输出压力空气驱动步进单元2 中的两位三通双气 控 阀换向，步进单元2 输出，气缸2 伸 出，同时步进单 元2 的输 出使得步进单元1 中的两位三通双气控阀再次 换 向切断步进单元1 的输出。同理 ，气缸2 碰到B 1 后 驱动步进单元3 T作断开步进单元2 1作 ，气缸3 碰到 C1 后驱动步进单元4 T作断开步进单元3 T作 ，步进 单 元4 T作后碰 fJ A 0 、B 0 、C O 返 回到最初状态等待 下一个循环的启动。 整个过程如图4 。 气动控制原理是从有限个单元来阐述工作过程 的。从原理可以推断，这个步进单元是可以扩展的。 对于更多的动作 ，只要找清动作过程 ，按照步进的规 律 ，都是可以实现的。 图 4过 程图 圃 上接第4 4 页 从而回归方程为序 一 1 7 2 9 ． 7 1 4 t 1 4 9 4 7 ． 5 4 3 t d T C 1 1 0 0 0 0 0 一 1 n O ． 7 0 ． 7 1 0 ． 7 一 4 3 5 7 8 8 ． 6 d 乃T 在 显著 性 水平 为 0 ． O 5 的条件 下 ，F 统计 量 为 1 2 ． 7 1 9 0 5 F o 0 5 1 ． 8 3 ． 4 6，回归方程显著。 同样 方法 ，可 以得出年经营费用的拟合函数 6 e 7 7 7 6 2 ． 2 1 3 X e 。 。 。 利用这两个拟合函数就可以对设备未来的收益和 年经营费用进行预测。 4 劣化数值法确定最佳更新时机 有了费用 函数就 可以用劣化数值 法计 算最佳 更 新时机 ，需要注意的是本例 中的费用函数为非线性函 数，不能直接使用公式 5 。其年均总费用为 T C 1 1 O 0 0 0 0 1 一 O ． 7 7 _ f 7 7 7 6 2 ． 2 1 3 X e O ．2 3 8 t d t 一一⋯ ， 7 - 【 0 ． 2 3 8 T x e O ．2 3 8 r _ e 0 ．2 3 8 T ] 7 7 76 2 2 1 3 X T X0． 2 3 8 c 0 若c 0 ，解得T 6 ． 3 年 ，比最 大收益法和最小年 均费用法的更新时机都早，这是由于没有考虑货币的 时间价值造成的。如果使用预测函数 ，理论上最小年 均费用法和劣化数值法的 计算结果是一致的。 圃 2 0 1 0 年 第3 期 汽车I艺与材料 A T ＆ M l 5 1 l