控制回路的逻辑设计

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册下》第2552页（2844字）

设计的核心，是合理解决气动执行元件的动作状态(即直接控制执行元件的换向阀的输出状态)与控制信号之间的关系。设计的方法很多，如信号动作状态图法(简称X－D图法)、扩大的卡诺图法和计算机辅助逻辑设计法等。后两种方法是以逻辑代数为理论基础的逻辑设计方法。

X－D图法虽有一定的局限性，但直观易懂，是设计不很复杂的气动控制系统的有效方法。其常用符号规定为：用大写字母A、B等表示气缸，用下标“1”、“0”表示活塞杆的伸出和收回状态(如A₁表示气缸A活塞杆伸出状态，A₀表示气缸A活塞杆收回状态)；与动作A₁、A₀、B₁、B₀等相对应的行程阀及其输出信号用带下标的小写字母a₁、a₀、b₁、b₀等分别表示；右上角带“*”的称为执行信号，不带“*”的为原始信号。其设计方法和步骤如下：

第一，根据执行元件数目、动作顺序和速度、连锁保护以及自动—手动控制等工作要求，列出工作程序。这里列举某专用气动控制机械手的工作程序为例：

其中，箭头方向表示控制顺序，箭头线上的小写字母表示该动作结束时所发出的行程信号，表示一个信号同时控制两个动作，表示两个信号有连锁要求。

第二，绘制X－D图。以多缸单往复系统为例，该系统在一个循环中每一气缸只作一次往复运动，每一行程阀只发出一次信号，该信号所控制的动作是固定不变的。据此，绘制如图7．11－16所示方格图。具体方法是：先根据列出的工作程序，由左至右画方格，并在方格的顶上依次填写程序序号1、2……，在信号下面填写相应的动作状态A₁、……。最右边为执行信号表达式栏，按主控阀采用单控或是双控分成两小栏。最左边的纵栏，由上至下填写控制信号及被控动作状态组的序号(称X－D组)1、2…，每一X－D组包括上下两行，上行为行程阀的信号，下行为该信号控制的动作状态。d_c(A₁)表示控制A₁动作的信号是d₀。最下一行是为消除障碍找出执行信号进行逻辑运算而留的备用格，然后，在动作格用实线画出各执行元件的动作状态线。动作线(D线)的起点是该动作程序的开始处，即字母相同且下角标(“1”或“0”)也相同的方格左端为起点。动作线的终点是该动作状态变化的开始处，即字母相同，但下角标不同的方格左端为终点。应注意，方格图中右边最后一个节拍与左边第一个节拍应看成是闭合的。

图7．11－16 多缸单往复系统X－D图

最后，在信号格用实线画出信号线(X线)。信号线的起点与组内动作线的起点相同，用小圆圈“〇”表示。信号线的终点是和上一组中产生该信号的动作线的终点相同，用“×”号表示。不难看出，纵向程序的分界线实际就是执行元件的切换线，信号线的起点就是信号的执行点。严格地说，信号线的起点应超前于相应动作线，信号线的终点应在相应的主控阀切换并使对应气缸动作后才终止。这在X－D图中，信号线的起点及终点都应是伸出分界线，伸出的长短表示主控阀切换及气缸启动等所需时间。但由于该时间很短，画图时一般可简化。而在分析动态切换过程中，对某些脉冲信号或速度很快的情况，则应予注意。若信号起点与终点在同一条纵向分界线上，表示该信号为脉冲信号，用“”表示。气动回路中，该脉冲的宽度相当于行程阀发信、主控阀换向、气缸启动及信号在相应元件、管道中传输等所需时间的总和。

第三，找出并消除障碍信号。信号线比该信号所控制动作的动作线长的信号称为障碍信号，信号线长于动作线的部分叫障碍段，在图中用“”表示。控制主控阀的执行信号中存在的障碍信号，必须予以消除。消除障碍信号的方法有：

①利用机械活络挡块或“可通过式”行程阀，在单方向将有障碍信号变成无障碍脉冲信号，如图7．11－17所示。这种方法简便，但要求运动速度不可太快，且定位精度较低。

图7．11－17 单向发信方式

②使用脉冲阀。此法用于定位精度要求较高或不便于安装机械式脉冲行程开关的场合。

③用“与”门逻辑元件消除障碍段。即将有障碍的m信号与另一制约信号x通过“与”运算后得到无障碍派生执行信号m^*=m·x，如图7．11－18所示。选择制约信号的原则是，使x在障碍信号m的执行段存在，在m的障碍段不存在。如图7．11－19，x的起点应选在障碍信号m开始之前及m障碍段之后的范围内；x的终点应选在障碍信号m的无障碍段中制约信号可利用X－D图在其它原始信号或主控阀输出信号中选取，如在图7．11－16中，d₀信号的障碍可选b₀作为制约信号来消除。制约信号也可选原始信号的“非”，如a₁信号的障碍可选b₁作为制约信号来消除。

图7．11－18 与门法消除障碍

a)－“与”逻辑元件；b)－用行程阀实现“与”逻辑；c)－用两个行程阀串联实现“与”逻辑

图7．11－19 制约信号的选择

④若在X－D图中没有可以直接用来作制约信号的信号，可引入中间记忆元件，以其输出作为制约信号，如图7．11－20所示。中间记忆元件的输出信号用K表示(x₁及x₀分别为接通及关断信号)，用其作为制约信号，而后通过“与”门消除障碍。其执行信号表示式m^#=m·K。选择中间记忆元件通断信号的原则是；x₁应在需排除障碍信号的障碍段之后到信号起点之前的节拍中选取；x₀应在障碍信号的起点以后到障碍段之前的节拍中选取；x₁和x₀不能同时存在。如在图7．11一16中，c₀信号的障的碍也可用中间记忆元件的输出信号作为制约信号来消障。

图7．11－20 采用中间记忆元件消障

a)－逻辑原理图；b)－有记忆元件的回路图

主控阀采用单控(气控或电控)时(与双控相比，可减少元件和管路)，根据执行信号的状态线必须和主控阀的输出状态线等长的条件来确定执行信号。如图7．11－16中所示，任何双控主控阀的一对执行信号都可当作单控执行信号K的通、断信号x₁和x₀，如(A₁)=K；也可采用“与”门法，如(C₁)=a₁·，b1，以及中间记忆元件方法，如(D₁)=a₀·K^c1等。