电气动程序步进控制的设计与应用

宋志刚

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

随着现代机电液气一体化技术的发展，对多动作电气动控制回路的设计要求越来越高，设计者需要综合掌握机械、电气、液压、气动等各种技术．为此，笔者在对德国费斯托公司MTS气动训练设备进行教学研究的过程中，对电气动系统步进控制进行了研究和分析，得出了一种有规律可循的步进控制模式．

1 电气动程序步进控制模式

电气动程序步进控制模式主要分为2部分，一部分为根据顺序动作触发的控制条件采用的中间继电器和检测气缸伸出或缩回位置的传感器而形成的输入模式，如图1所示；另一部分为控制气缸伸出缩回动作的输出模式，主要控制气缸换向电磁阀的得电，如图2所示．

图1 步进输入控制模式

图1中，K1，K2，…，Kn等为中间继电器的线圈及常开、常闭触点；S1，S2，…，Sn等为气缸伸出或缩回的触发条件，也即为第2个、…、n个动作的触发条件．启动条件一般为按钮开关，这也是第一步动作触发与后面动作触发不同之处[1]；S1一般为程序启动的初始条件或下一次循环的条件（即自动循环模式）．只有启动条件和初始条件全部满足才能驱动第一个动作．K2常闭触点是为了保证开始第二个动作前切断第一个动作，这样确保每次只进行一个动作，动作与动作之间互不干涉．最后一个动作用K1常闭触点切断，这样整个动作就形成了一个往复循环动作．如果一个电气动程序控制系统的要求为A+B+B-A-（A、B为气缸，+表示气缸伸出，-表示气缸缩回）[2]，则整个程序有4步，则n=4，需要用到4个中间继电器．

图2 步进输出控制模式

图2所示中，YA1，YM1等代表气缸A到M的单电控电磁阀线圈．而Ka，Kb，Kc，Kd，Kn等分别代表步进输入控制模式中各个中间继电器K1，K2至Kn-1，Kn的常开触点．以上述电气动控制系统A+B+B-A-为例，因为只有2个气缸需要控制，则只需要2个两位五通单电控电磁阀YA1和YB1来控制气缸A、B的伸出和缩回（假设气缸A、B初始位置均处于缩回状态，YA1，YB1得电使气缸伸出），共4步，其中A+伸出在第一步，而A-缩回在第四步，也就是说电磁阀YA1需在前面3步都需通电，故Ka、Kb、Kn需分别用中间继电器K1，K2，K3的常开触点K1，K2，K3来代入；而B+伸出在第二步，B-缩回在第三步，故Kc，Kd，Kn只需用第二步动作触发条件的中间继电器K2的常开触点K2代入即可．

2 应用设计实例

以一铣床夹持器加工铝工件端面的电气动程序控制系统装置来验证步进控制模式[3]．图3所示为铣床夹持器装置简图，铣床夹持器工作过程为气缸A伸出将从重力进给物料仓下来的工件推入到夹定装置内，气缸B伸出夹紧工件，气压-油压进给单元C伸出产生夹定装置的进给运动，铣刀铣削铝工件端面并在铣削操作完毕时由顶出气缸D伸出顶出工件，气压-油压进给单元C缩回再使夹定装置回至起始位置，铣床夹持器的位移一步骤图如图4所示，从图4位移-步骤图可以看出铣床夹持器完成一个完成的工作循环的动作顺序为：A+B+A-C+B-D+D-C-．铣床夹持器工作流程图如图5所示．

图3 铣床夹持器装置简图

图4 铣床夹持器装置的位移-步骤图

图5 铣床夹持器工作流程图

图5中，启动条件1s1为按钮开关，a0，a1，b0，b1，c0，c1，d0，d1为气缸的磁性开关，用于检测气缸活塞的位置，其中1表示气缸活塞处于伸出位置，0表示气缸活塞处于缩回位置，如a1表示气缸A伸出到位的检测信号，为下一动作B+的触发条件．气缸磁性开关下的S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7分别对应图2中的条件S1至Sn．

按照前述电气动程序步进控制模式的要求，可以非常方便的设计出铣床夹持器装置的电气-气动程序，电气动控制回路一般包括气动回路和电气控制回路两部分，气动回路一般指动力部分，电气回路指控制部分[4]．气动回路图如图6所示，电气控制回路图如图7所示．

图6所示铣床夹持器气动回路图中，0Z1表示气源；0Z2表示气动二联件[5]；A，B，C，D表示单活塞杆双作用气缸；YA1，YB1，YC1，YD1表示控制气缸A，B，C，D的2位五通单电控电磁阀；1V1，1V2，2V1，2V2，3V1，3V2、4V1，4V2表示控制气缸A，B，C，D伸出和缩回速度的单向可调节流阀；A0，A1，B0，B1，C0，C1，D0，D1表示检测气缸A，B，C，D活塞位置的磁性开关，表示气缸缩回或伸出到位．

图6 铣床夹持器气动回路图

图7 铣床夹持器电气控制回路图

图7所示铣床夹持器电气控制回路中，铣床夹持器的一个工作循环的步骤为A+B+A-C+B-D+D-C-，共8步，中间继电器K需用8个，n=8，有4个气缸，电磁阀线圈需用4个，分别为YA1，YB1，YC1，YD1．因为A+在第一个动作，而A-在第三个动作，故YA1需用中间继电器常开触点K1，K2来驱动；而B+在第二步，B-在第五步，故YB1需用中间继电器常开触点K2，K3，K4来驱动；而C+在第四个动作，C-在第八个动作，故YC1需用中间继电器常开触点K4，K5，K6，K7来驱动；D+在第六步，而D-在第七步，故YD1只需用中间继电器常开触点K6来驱动即可．

该种电气动程序系统步进控制模式简单，设计速度快，动作准确，可为应用PLC编程提供理论依据．

[1] 纪宏．液压系统电动步进控制模式分析[J]．流体传动与控制，2005（3）：45-47．

[2] 左建民．液压与气压传动[M]．北京：机械工业出版社，1997．

[3] 杜方辉，盛小明．由组合气缸驱动的机械手双爪差动平移夹持器[J]．液压与气动，2012（8）：35-37．

[4] 朱梅，朱光力．液压与气动技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2007．

[5] 陆鑫盛，周洪．气动自动化系统的优化设计[M]．上海：上海科技文献出版社，2000．