张明军
（江苏师范大学科文学院，221132，江苏徐州）
气动程序控制系统是指按照给定的生产工艺（程序），使各控制阀之间的信号按照一定的规律连接起来，实现执行元件（气缸）协调动作的自动控制系统[1]。其设计难点在于如何消除障碍信号，常用的消障方法有脉冲信号法、辅助阀法、气控延时阀消障法、气动节拍器消障法及串级法[2]。虽然每种方法都能可靠消除障碍，但其中脉冲信号法不能精确定位，辅助阀法需额外增加元件，使回路的复杂性增加，气控延时阀消障法延时时间不精确，气动节拍器消障法成本较高，而串级法设计程序控制回路安全可靠，设计思路条理清晰，有规律可循，同时适用于纯气动和电气动程序控制系统，特别是对于较为复杂的多缸控制回路，应用较为方便快捷。在FluidSIM 软件中采用串级法可快速方便地搭建程序控制回路并进行模拟仿真，以验证其正确性，故本文将以一个三缸顺序动作回路为例来介绍多缸程序控制系统的纯气动和电气动回路设计与仿真，从而为复杂多缸气动回路设计提供一种快速可靠的设计思路。
1.1 FluidSIM 软件
FluidSIM 软件由德国FESTO 公司开发，用于液压、气压传动及其电气控制系统设计与模拟仿真[3]。FluidSIM 软件能够方便地绘制出液压与气动回路图并能够检验其正确性。它主要包括FluidSIM-H 和FluidSIM-P 两个软件，分别用于液压与气动系统设计[4]。FluidSIM 软件能快速地进行回路搭建、修改、验证与模拟，具有功能强大、界面直观的特点。
1.2 串级法
串级法是利用双气控换向阀作为信号转接，以阶梯方式按顺序供气，实现在任一时间内仅输出一组信号，其余各组处于排气状态，从而避免主控阀两侧同时出现控制信号[5]，是一种有规则可依的气动回路设计法。图1 所示即为三级串级转换气路，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示管路线号，Ⅰ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ、Ⅰ-Ⅲ表示各级中任意两组之间的切换控制。
图1 三级串级法转换气路图
串级法的设计原则在于按气缸动作顺序进行分组，分组的原则是同一组内每个英文字母只能出现一次，分组的组数即输出管路数，如A+B+B-A-（其中，A、B 表示气缸，+表示气缸伸出，-表示气缸缩回）可分为两组，即A+B+/B-A-（Ⅰ/Ⅱ），A+B+B-A-C+C-可分三组，即A+B+/B-A-C+/C-（Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ）。
设计任务选用较为典型的三级回路。图2 为打标机示意图，工件在料仓里靠重力落下，A 缸先夹紧，接着B 缸打印标志，打印完毕后由C 缸将工件推出。其动作程序为A+B+B-A-C+C-。具体工作功能限制条件如下：
图2 打标机示意图
（1）一般动作功能：启动信号由启动按钮输入，各动作必须自动进行，一个动作循环结束，准备下一个动作循环，气缸缩回由装在气缸极限位置的气控行程阀或行程开关控制。
（2）互锁保护功能：气缸A 伸出受到气缸C 限制，即气缸C 处在伸出位置时，气缸A 将无法伸出。
（3）速度调节功能：气缸A、B、C 伸出速度采用回气调节方式，可以设定节流口开度为50%时为中等运行速度。
（4）快退功能：要求气缸A、B、C 在返回时，具有快速退回功能。
（5）控制方式：采用纯气动和电气动程序控制系统分别进行设计与仿真，以验证其正确性。
3.1 气动回路设计
根据动作程序，首先对气缸A、B、C 动作顺序进行分组，得出A+B+/B-A-C+/C-，三组即三级。定义+表示气缸伸出、-表示气缸缩回，即A+表示A 气缸伸出，A-表示A气缸缩回,依此类推，并用A1、A0、B1、B0、C1、C0 分别表示与动作A+、A-、B+、B-、C+、C-相对应的行程阀信号。根据任务要求和串级法设计方法及原则进行纯气动回路设计，如图3 所示，其具体设计方法和步骤如下。
图3 打标机纯气动回路设计图
（1）根据互锁保护功能要求，气缸A 伸出受到气缸C 限制，即气缸C 处在伸出位置时，气缸A 将无法伸出，故将行程控制阀C0 串接在启动阀S1 后，从而确保只有气缸C 处于缩回状态压下行程阀C0，回路才能启动。
（2）为便于说明，将5 个二位五通双气控阀自左至右、自上而下定义其编号依次为1～5。按下启动阀S1，A 缸前进，故输出信号启动控制阀和行程阀C0 后要有一条支路接到二位五通双气控阀1 的左控制线上，实现A+，同时接到二位五通双气控阀5 的右控制线上，实现对A1 行程阀的一级供气。
（3）A 缸前进后，压下行程阀A1,B 缸伸出，故A1控制信号应接在二位五通双气控阀2 的左控制线上。
（4）B 缸前进后，压下行程阀B1,B 缸缩回，因B+仍有控制信号，故将B1 信号接在二位五通双气控阀4的左控制线上实现二级转换，并将二级控制信号接在二位五通双气控阀2 的右控制线上。
（5）B 缸缩回后，压下行程阀B0,A 缸缩回，故行程阀B0 的进气接在二级输气管上，控制信号接在二位五通双气控阀1 的右控制线上。同理，A 缸缩回后，C缸伸出，故将行程阀A0 的进气接在二级输气管上，控制信号接在二位五通双气控阀3 的左控制线上。
（6）C 缸伸出后，压下行程阀C1,C 缸缩回，因C+仍有控制信号，故将C1 信号接在二位五通双气控阀5的左控制线上，实现三级转换，并将三级输入信号接在二位五通双气控阀3 的右控制线上，实现C 缸缩回，另一条支路则接在二位五通双气控阀4 的右控制线上，为一级转换做好准备。
（7）C 缸缩回后，压下行程阀C0，为下一次程序动作做好准备，再次按下启动按钮后，进行新一轮的程序动作循环。
（8）在气缸A、B、C 的回气管上设置单向节流调速阀，节流口开度调整为50%，实现中等速度运行，在三个气缸的进气管上设置快速排气阀，实现快速退回功能。
3.2 气动回路的虚拟仿真
将FluidSIM 软件切换到仿真模式，点击“启动”，即可观察模拟仿真过程，还可添加整个工作循环回路中各元器件的状态[5-6]，如图4 所示。仿真结果状态图中，双作用气缸自上而下依次为气缸A、B、C。根据仿真结果分析，程序动作达到了任务要求，符合设计要求。
图4 气缸运动仿真结果状态图
电气动程序控制系统的重点在于电路设计，故串级法设计的应用也主要体现在电路控制上。但在气动控制上根据控制阀的特点不同，也有两种形式，一种是单电控换向阀，另一种是双电控换向阀，两种不同换向阀的使用，在电路上的设计上也是有很大不同的。由于双电控换向阀有记忆功能，不需要像单电控换向阀那样进行自保电路设计，故电路会相对简单一些。特别对于多缸程序控制系统，采用双电控换向阀会使回路设计方便得多，故本文将选用双电控换向阀控制的程序控制回路进行串级法设计。
4.1 气动回路搭建
因逻辑控制均在电气线路中进行设计，故气动回路只需完成电磁阀控制气缸伸缩的设计及慢进与快退的设计，其回路图如图5 所示。
图5 气动回路设计图
4.2 电气回路设计
同纯气动控制回路一样，首先对气缸A、B、C 动作顺序进行分组，即A+B+/B-A-C+/C-，三组即三级。加减号的定义也相同，所不同的是，A1、A0、B1、B0、C1、C0 分别表示与动作A＋、A－、B＋、B－、C＋、C－相对应的行程开关信号，而不是行程阀信号。根据任务要求和串级法设计方法及原则，并结合气动回路图进行电气回路设计，如图6 所示，其具体设计方法和步骤如下。
图6 电气回路设计图
（1）三组回路分别由继电器K1、K2、K3 控制。
（2）建立启动回路，将启动按钮PB1 和继电器K1置于1 号线上，实现第1 组启动，将行程开关C0 的常开触点也放在1 号线上与PB1 串联实现互锁保护功能，将K1（与其串联的K2 作用是一级与二级之间的互锁）的常开触点置于2 号线上与PB1、C0 并联,实现启动后的自锁。
（3）将K1 的常开触点与电磁线圈YA1 串联置于3号线上，当按下PB1 后，YA1 得电，气缸A 伸出，伸出后压下行程开关A1,YB1 得电，气缸B 伸出，故将A1 的常开触点和电磁线圈YB1 串联置于4 号线上,并与K1 串联。
（4）气缸B 伸出后压下行程开关B1,气缸B 缩回，要求电磁线圈YB0 得电，由于YB1 依然有电，故需要用K2 继电器实现二级转换，故将K1、B1、K2 串联置于5号线上，K2 置于6 号线上并与K1（与其串联的K3 作用是二级与三级之间的互锁）、B1 并联实现K2 的自锁，将K2 与YB0 串联置于7 号线上实现气缸B 缩回。
（5）气缸B 缩回碰到行程开关B0,YA0 得电，气缸A 缩回，碰到行程开关A0,YC1 得电，气缸C 伸出，故将B0 与YA0 串联置于8 号线上，将A0 与YC1 串联置于9 号线上，且都与K2 串联。
（6）气缸C 伸出后要求气缸C 缩回，由于YC1 依然有电，故需要用K3 继电器实现三级转换，故将K2、C1、K3 串联置于10 号线上，K3（与其串联的C0 常闭触点实现气缸C 缩回后使K3 与YC0 断电）置于11号线上并与K2、C1 并联实现K3 的自锁，将YC0 置于12 号线上与K3 串联实现气缸C 缩回。
4.3 电气回路的虚拟仿真
同纯气动回路仿真一样，将FluidSIM 软件切换到仿真模式，点击“启动”即可观察模拟仿真过程，仿真结果状态图同纯气动控制回路，如图4 所示。根据仿真结果分析，程序动作也达到了任务要求，符合设计要求。
（1）串级法是设计程序控制系统较为便捷的方法，不仅稳定可靠，而且有规律可循，简化了复杂多缸程序控制系统的设计流程和方法，提高了程序控制系统的设计质量和工作效率。
（2）纯气动程序控制系统的设计思路可以迁移到电气动程序控制系统中，设计者可根据系统需要及元件配置灵活选择合适的程序控制系统。
（3）FluidSIM 软件不仅能够方便高效地设计出简单或复杂纯气动回路和电气动回路，而且能够通过仿真模拟检测回路设计的正确性与可靠性，省去了实际线路连接进行验证的繁琐步骤，大大提高了工作效率。
（4）将串级法、FluidSIM 软件的使用与多缸纯气动、电气动回路的设计进行融合，为复杂程序控制系统的设计提供了新的思路，有效促进设计者的设计理念创新，提高回路设计效率和质量。
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