基于步进控制的自动钻床气控回路设计与仿真

2015-02-24刘文婷王锋波祁炳楠

机床与液压 2015年22期

刘文婷，王锋波，祁炳楠

(聊城大学机械与汽车工程学院，山东聊城 252059)

气动时序逻辑系统是为实现自动化广泛采用的一种控制方法，常见的行程程序控制就属于时序逻辑系统问题。行程程序控制常用的设计方法有X－D线图法和扩大卡诺图法等，设计时执行元件气缸用字母表示，气缸的两种状态用下标“1”和“0”表示。例如，A0表示A缸缩回、A1表示A缸伸出。对于每个气缸的运动只有完全伸出和完全退回两种状态时，XD线图法和卡诺图法比较方便［1－2］。但在一些场合例如，钻床钻头需多次进退以便排屑时，上述两种方法已不再适用，此时采用气动步进控制能方便快捷地解决问题［3］。

1 步进模块的结构原理

设系统中含m个步进模块，单个步进模块由记忆元件 (二位三通阀)、与门元件 (双压阀)和7个气口 Pin、Pon、Fn、Rn、DLn、Sn、DRn组成，如图 1 所示。工作时，模块中Fn气口与相邻上一模块DR(n－1)气口相连，第一个模块的F1气口与最后一个模块的DRm相连;模块的Rn气口与相邻下一模块DL(n+1)气口相连，最后一个模块的Rm气口与第一个模块的DL1气口相连;Pin气口依次相连并接气源;Sn气口接各行程阀发出的控制信号;Pon气口接控制执行元件换向的驱动阀。由该步进模块的结构原理可知，切换步进模块中的二位三通阀，该模块即有控制行程程序的气信号输出，该气信号分别接通 Fn、Pon、Rn气口，如上所述各有其用。二位三通阀的切换取决于DLn与Sn是否同时有信号 (即:与DLn接通的上一模块是否有气信号接通，与Sn接通的行程阀是否被压下)，二者同时有气信号时，二位三通阀被切换，切换后Fn输出的气信号需通过DR(n－1)气口将上一模块中的二位三通阀复位。

图1 步进模块结构原理图

2 自动钻床气控回路

气动钻床加工零件时，由夹紧缸将零件定位夹紧，再由进给缸通过齿轮齿条机构实现钻头进退。当加工孔较深时，通过控制进给缸多段进退将铁屑排出［4］。

2.1 钻头二次进给回路

钻头二次进给时，该自动钻床工作程序为:按下启动开关，夹紧缸A前进将工件夹紧→进给缸B带动钻头进给→钻头至行程阀B2时缸B退至B1排铁屑→继续进给至B3再退至B0完成钻孔→缸A退回松开工件。以上6个程序的程序式可写为［A1B2B1B3B0A0］。

根据上述要求，自动钻床气动控制系统如图2所示，其核心为图1所示的步进模块。整个行程程序共有6个动作，需要对应6个控制模块。图2所示为初始状态，步进模块1—5无输出，模块6的R6气口有输出。此时，A、B两缸都处于退回状态，行程阀A0、B0被压下。模块1的DL1与R6相连，S1通过启动开关与A0相连，因此当按下启动开关时，DL1与S1同时有气信号，满足模块1中二位三通阀切换的条件。切换后模块1的F1、Po1和R1气口都有气信号输出，气缸A进给直至压下行程开关A1，此时R1与A1同时有气信号输出。而R1、A1分别与模块2的DL2、S2相连，二者同时有气信号时满足模块2中二位三通阀切换的条件。如此循环，直至模块6中二位三通阀输出的气信号使A缸退回松开工件，气动控制系统各元件接口状态又恢复至如图2所示的初始状态，至此完成一个工件的孔加工，下一工件的加工需再次按下图2中的启动开关。

如整个钻床系统自动化程度较高，可将启动开关换为钢球定位结构的启动按钮，这样各工件孔的加工即可自动循环进行，无需每个工件的加工时都按一次启动按钮。

图2 自动钻床钻头二次进给气动原理图

2.2 钻头三次进给回路

当加工孔较深时，可通过增加步进模块的数量实现钻头多次进给。图3所示为钻头可3次进给的钻床自动控制系统，有8个动作，对应8个工作程序，程序式可以写成［A1B2B1B3B1B4B0A0］，所以有8个步进模块控制。一般情况下，回路中有几个全气动步进模块就有几个动作，且步进模块的数目n决定着钻头进给次数l，进给次数l=(n－2)/2。

3 自动钻床气控回路仿真分析

为验证上述系统设计正确与否，用FluidSIM软件对图2所示钻床控制系统进行仿真［5－7］，夹紧缸A和进给缸B的状态图如图4所示。曲线表明:气缸A完全伸出夹紧工件后，气缸B开始带动钻头进给，行至行程阀B2对应的行程时退回排屑，退至行程阀B1对应的行程时，再次带动钻头进给直至钻孔完毕，气缸B带动钻头再次退回之后，气缸A退回松开工件。