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3 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 5年 7月 气动打标机回路设计及仿真 叶金 玲 广东水利电力职业技术学院 机械工程系， 广东 广州5 1 0 9 2 5 摘要 气动技术是现今工业领域中的重要组成部分， 凭借其成本低、 高效率、 清洁无污染的优点， 得到了愈来愈广泛的 应 用。 全 气动控制方法在某些需要防燃、 防爆、 防静电的特殊场合则完全取代电一 气控制 。 通过 F l u i d S I M- P软件的气动原 理和仿真技术对气动打标机气动回路控制系统进行了设计分析。介绍了打标机的动作原理， 采用串级法设计了气动打标 机单一循环方式、 连续循环方式以及停止切断循环等辅助情况； 以及如果料仓中没有工件及时补充， 气缸无法启动， 系统 停止； 同时设置了急停按钮 ， 使各气缸立即退回初始位置， 且急停可以解除， 系统重新开始启动。通过二者有效的结合成 功的将模拟仿真后的气动打标机模型应用到了实际生产中， 降低了成本， 提高了效率， 取得了良好的效果。 关键词 F l u i d SI M P； 打标机； 全气动回路； 仿真 中图分类号 T H1 6 ； T G 3 8 6 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 7 0 0 3 4 0 3 Pn e u ma t i c Ma r k i n g Ma c h i n e Ci r c u i t De s i g n a n d Si mu l a t i o n YE J i n - l i n g D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g d o n g T e c h n i c a l C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， G u a n g - d o n g G u a n g z h o u 5 1 0 9 2 5 ， C h i n a A b s t r a c t P n e u m a t i c t e c h n o l o g y b e i n g a n i m p o r t a n t p a r t o ft o d a y ’ s i n d u s t r i a l fi e l d ， b e c a u s e o fi t s l o w c o s t ， h i g h e f f wi e n c y ， c l e a n andp o l l u t i o n - f r e e a d v ant a g e s ，h h ,b e e n l n o F e and mo e w i d e Z y u s e d ． F u l l p n e u ma t i c c o n t r o l m e t h o d i n s o m e n e e d t o fir e a n d e x p l o s i o n p r o o f ,ant i - s t a t i c e c i a l o c c a s i o n s h a s c o m p l e t e l y r e p l a c e d e l e c t ri c a l a n d g as c o n t r o L B a s e d o n t h e p n e u mat i c p r i n c i p l e o f F l u i d S I M- P s o l ar e and s i mu l ati o n t e c h n o l o gy o fp n e u m ati c m a r k i n g m ach i nes ， p neu m a t i c c i r c u i t c o n t r o l s t e m d e s i g n i s ana l y z e d ． I n t r o d u c e s t h e act i o n p r i n c ip l e of m ark i n g mach i n e ，a n dp neu m a t i c mar k i n g m ach i ne h a s b e e n d e s i g n e d u s i n gt h e met h o d ofc asc ade s i n g l e c i r c u l at i o n m o d e ， c o n t i n u o u s l o o p mode and s t o p c u t t i n g c y c l e ； I f t h e r e are 0 art if act S i n a b u n k e r t i m e l y s u p p l e me n t ， c y l i n d e r c ann o t b e s t a r t e d ， t h e s t e m s t o p ； S e t s t h e s t o p b u t t o n ， a n d m a k e s e a c h c y l i n d e r i m m e d i ate l y r e t u r n e d t o t h e i n i t i a l p o s i t io n ， and s t o p C an b e l ifte d ， and s t e m i s t o s t a r t a g a i n ． T h r o u gh t h e e ffe c t iv e c o m b i n a t ion t h e s u c c e s s f u l s i m u l a t io n ofp n e u m a t i c mar k i n g m a c h i n e mo d e l h as b e e n a p p l ie d t o p r a c t i c al p r o d uct io n ， w h i c h w i l l r e d u c e t h e c o s t ， i m p r o v e t h e e ffi c i e n c y ， a n d ach i e v e g o o d e ffe c t ． Ke y W o r d s Fl u i d S I M - P； Pn e u ma t i cMa r k i n gMa c h i n e ； P n e u ma t i cCo n t r o l ； Vi r t u a l S i mu l a ti o n 1 引言 气动打标机主要是利用打印针在气动控制系统作用下做出 高速的打击运动， 从而在零件表面上打印出一定深度的标记。由 于气动系统的环保 、 低成本的优点， 使其广泛应用于机械、 自动化 控制、 航天等领域。 打标机的气动控制系统的设计多有研究， 比如 P L C控制 、 电一 气控制、 全气动控制等 ， 尤其在需要防燃、 防爆 、 防静电的特殊场合 ， 全气动控制则完全取代电一 气控制。 目前国内 对于全气动系统设计方法研究较少，日本 S MC公司曾提出基于 梯形图的全气动系统设计方法， 可以有效的完成复杂全气动系统 的回路设计。主要是讨论在全气动回路设计的基础上， 打 1 标机 动作过程中各种情况的设计， 如单一循环动作、 连续循环动作、 中 间动作过程中突然停止以及停止复位等，再通过气动仿真软件 F L u i d S I M P验证判断整个过程， 将此方法应用到实际企业中， 成 本低、 效率高、 加工精确， 取得了良好的效果。 2打标机动作分析 气动打标机纯气动控制系统主要是由工件夹紧装置、打标 装置和下料装置组成。其动作过程为夹紧缸 A把工件送人打标 工位并夹紧，然后打标缸 曰打印标志， 完成任务后打标缸 曰回 退， 夹紧缸 回退， 最后由下料缸 C将打印完后的工件推出， 再 回到初始位置， 完成一次循环过程。 其动作顺序可以表示为A - A c c 一 表示前进 ， 表示回退 。 整个气动回路的设计要能完成如下的辅助隋况， 1 三个缸 来稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 1 基金项目 广东省部产学研结合项 目 2 0 1 2 B 0 9 1 1 0 0 1 3 9 作者简介 叶金玲， 1 9 7 8 一 ， 女， 河北石家庄人， 硕士研究生， 讲师， 主要研究方向 液压气动技术、 机械制造方向研究 第7 期 叶金玲 气动打标机回路设计及仿真 3 5 的动作过程能够 自动完成， 并且可以选择单一循环方式 、 连续循 环方式以及停止切断循环； 2 如果料仓中没有工件及时补充， 气 缸无法启动， 系统停止； 3 设置急停按钮， 使各气缸立即退回初 始位置， 且急停可以解除， 系统重新开始启动。 3打标机气动回路设计 气动回路设计的方法有多种， 例如直觉法、 串级法、 -D图 法以及逻辑法等等， 主要采用串级法设计回路主体及各种不同情 况的控制安排。气动回路设计的难点在于如何消除障碍信号， 串 级法主要是通过记忆元件以阶梯方式顺序连接， 可以保证在同一 时间只有一个输出信号 ， 即主控阀两边的信号不会同时出现 。 下 面就来讨论一下打标机气动控制回路各种情况的设计。 3 ． 1单一循环控制回路设计 串级法是一种有规则可循的气动回路设计方法。首先按照 气缸动作顺序进行分组来确定几级串级转换气路， 分组的组数就 是输出管路数， 分组的组数越少越好， 设计也会简洁明了 。 打标 机的动作顺序为A柏 - A c c -_ ， 可以分为 2 组 ， 管路数为 2 条 ， 即二级串级转换气路。A柏c 一为一组由同一条管路供气， 一 c 为一组由第二条管路供气 ，二组输出信号不会同时出 现， 从而消除了障碍信号。每个气缸主控阀的控制信号发生变化 都是通过活塞杆压下行程阀来改变的， 因此设定 c t o 、 a 、 b o , b ． 、 c 。 、 c 六个行程阀， 0 表示气缸初始位置， 1 表示气缸到达终点位置。 表示两条管路主控阀的信号端。 1 缸行驶到终点位置压下行程阀 a ， 输出信号使 B缸前 进 ， 故a 接在 曰 控制线上， 连接第 1 条输出管路。 2 缸行驶到终点位置压下行程阀6 ， 使气信号换组， 即第 1 条输出管路改变为第 1 I 条输出管路供气 ，故 b 。 接在 控制线 上 ， 并连接第 1 条输出管路。 3 B缸回退不需要行程阀的信号控制，故直接将 B 控制 线接到第 1 I 条输出管路上。 4 缸回退到起始端压下行程阀 b 。 ，输出信号使A缸回 退 ， 故 b 。 接在 4 控制线上， 连接在第 1 I 条输出管路上。 5 M 缸回退到起始端压下行程阀 a o ，输出信号使 C缸前 进 ， 故 接在 c 控制线上， 连接在第 1 I 条输出管路上。 6 c缸行驶到终点位置压下行程阀 e 。 ， 使气信号换组 ， 即第 1 I 条输出管路改变为第 1 条输出管路供气 ，故 c 接在 控制线 上， 并连接第 1 I 条输出管路。 7 C缸回退不需要行程阀的信号控制，故直接将 c 控制 线接到第 1 条输出管路上。 8 C缸回退到起始端压下行程阀 C 。 ，输出信号使 A缸前 进， 故 C 。 接在A 控制线上， 连接在第 1 条输出管路上。 启动按 钮 控制单一循环的第一个动作 A ， 故接在A 控制线上。 经上述分析， 单一循环气动回路设计 ， 如图 1 所示。 3 _ 2连续循环及停止控制回路设计 连续循环的重点在于单一循环结束后 C缸回退到初始端压 下 C 。 使 A缸再次继续前进 ，而且单一循环和连续循环是可以交 替进行的， 所以设计或门梭阀在4 控制线上， 分别连接单一循环 和连续循环的启动按钮。连续循环要能持续运行下去， 需要连续 的气信号；另外停止循环的设计要能随时切断连续循环的气信 号， 所以A 控制线设计， 如图2所示。 3 ； 3 2 2 图 1单一循环气动回路图 Fi g ． 1 S i n g l e L o o p P n e u ma t i c Ci r c u i t Di a g r a m 图2连续循环及停止回路设计 Fi g ．2 C o n t i n uo u s Ci r c u l a t i o n a n d S t o p Cir c u i t De s i g n 如果料仓中没有工件及时补充， 气缸无法启动， 系统停止。 所以要用与门梭阀连接单一循环 、 连续循环的启动方式和料仓的 下料方式， 设计如图3所示。 图 3料仓无料补充系统停止设计 F i g ． 3 S i l o De s i g n W i t h o u t Ma t e r i a l S u p p l e me n t S y s t e m t o S t o p 3 ． 3急停及解除控制回路设计 急停设置要使每个缸在任何位置都能立即退回初始位置 ， 所以在A 一、 B 一 、 c -_控制线采用或门梭阀同时连接气源信号， 同 时设置急停按钮和急停解除按钮 ， 整个气动控制回路设计 ， 如图 4 所示 。 4基于 F l u i d S I M P 仿真软件回路检测 F 1 u i d S I M P是专门用于气压传动技术的模拟仿真与排障 的， 通过强大的仿真功能可以显示和控制回路的动作， 验证回路 设计的正确与否。在仿真中可以显示回路中关键元件的状态量， 如气缸活塞杆的位置、 换向阀的位置、 梭阀的状态等l7 _ l 1] 。 机 械 设 计 与 制 造 No． 7 J u l y ． 2 0 1 5 由图 1 a 中的任一曲线可以看出， 当可用跑道长度和气压 高度不变时， 随着大气温度的升高， 跑道限制重量近似按线性下 降， 当大气温度升高到某一值时， 曲线出现转折 即斜率突变 ， 之 后跑道限制重量下降更快， 但仍可近似看做线性下降。因此按下 降趋势可将曲线分为两段， 每一段均近似于线性变化。 比较图 1 a 中不同气压高度对应的六条曲线可以看出， 当 气压高度升高时跑道限制重量减小，同时转折点向左下方移动， 即转折点对应的大气温度相应下降。同时还可看出， 无论是转折 点左侧还是转折点右侧， 不同气压高度时的曲线下降趋势都非常 相似。比较图 l a ～ 图 l c 三图可以发现 ， 随着可用跑道长度从 1 4 0 0 m增加到2 4 0 0 m， 图中曲线的变化趋势不变， 但曲线整体上 移， 这说明随跑道长度的增加跑道限制重量也明显增加。 当可用跑道长度从 2 4 0 0 m增加到 2 8 0 0 m时 ， 由图 l d 可知 气压高度为 0和2 0 0 O f t 的曲线首先在低温区出现了水平段， 水平 段之后仍是两个不同斜率的线性下降段。 这是因为随跑道长度的 增加各条曲线继续上移 ， 部分曲线对应的重量有可能超出了飞机 的结构强度限制 8 1 ． 6 t ， 然而飞机在任何情况都不允许超 出结构 强度限制的重量， 因此在低温区出现了水平段。 当可用跑道长度从 2 8 0 0 m继续增加到 3 2 0 0 m时 ， 从图 1 e 可以看出， 气压高度为 0和2 0 0 O f t 的曲线转折点超出了结构强度 限制而变为水平， 水平段逐渐延伸至高温区， 且水平段之后仅剩 下了斜率较大的线性下降段。 这说明当跑道长度较长且气压高度 较低时， 能够影响跑道限制重量的温度范围变小。 当可用跑道长度从 3 2 0 0 m继续增加， 从图 1 f 图 1 h 可 以看出气压高度较大的曲线也相继出现类似低气压高度的现象， 但 总体来说， 较大气压高度时跑道限制重量受温度影响范围较大。 5结论 通过对某型民用运输机跑道限制重量及其影响因素的分 析， 可以得到如下结论 跑道限制重量的主要影响因素包括飞机 升阻特性、 刹车条件、 气压高度、 大气温度、 跑道长度 、 坡度、 风速 风向等； 随大气温度升高跑道限制重量分两段线性下降， 且先下 降陧， 后下降快 ； 随气压高度增加， 跑道限制重量明显减小； 随跑 道长度的增加， 跑道限制重量明显增加 ， 当达到飞机结构强度的 限制时不再增加； 在较长跑道长度和较低气压高度时， 温度对跑 道限制重量的影响范围减少。 参考文献 [ 1 ] 刘晓明， 苏彬 ， 孙宏． 飞行性能与计划[ M] ． 成都 西南交通大学出版 社 ， 2 0 0 3 5 6 - 5 9 ． L i u Xi a o mi n g ， S u B i n ， S u n H o n g ． F l i g h t P e r f o r ma n c e a n d P l a n l M J ． C h e n g d u S o u t h w e s t J i a o t o n gU n i v e r s it y P r e s s ， 2 0 0 3 5 6-5 9 ． [ 2 ] 刘晓明， 赵廷渝， 温晓航． 民航运输机减推力起飞技术[ J ] ． 飞行力学， 2 0 0 9 ， 2 7 3 8 3 8 5 ． L i u X i a o - mi n g ， Z h a o T i n g - y u ， We n X i a o - h a n g ． R e d u c e d - t h r u s t t a k e o ff t e c h n i q u e a p p l i e d t o p a s s e n g e r a i r p l a n e s[ J ] ．F l i g h t Me c h ani c s ， 2 0 0 9 ， 2 7 3 8 3 8 5 ． [ 3 ] 赵廷渝． 涡轮风扇发动机减推力起飞必要性分析[ J ] _ 中国民航学院学 报， 2 0 0 5 ， 2 3 3 6 8 ． Z h a o T i n g - y u ． N e c e s s i t y a n a l y s i s o f r e d u c e d - t h rus t t a k i n g - o ffo f t u r b o f a n e n g i n e s [ J ] ．J o u r n alo f C i v i l A v i a t i o nU n i v e r s i t y o f C h i n a ， 2 0 0 5 ， 2 3 3 6 8 ． [ 4 ] 陈红英， 刘晓明， 余江． 民航运输机最大起飞重量和起飞速度的确定 [ J ] ． 飞行力学， 2 0 1 0 ， 2 8 2 8 9 9 2 ． C h e n Ho n g - y i n g ， L i u X i a o mi n g ， Y u J i a n g ．De t e r mi n a t i o n o f ma x i mu m t a k e o ffw e i g h t a n dt a k e o ffs p e e d f o r c i v i l t r a n s p o r t a i r p l ane [ J ] ．F l i g h t m e c - h a n i c s ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 8 9 9 2 ． [ 5 ] 蔡良才 ， 邓学钧． 飞机极限起飞重量和决断速度的确定[ J J _东南大学学 报 ， 1 9 9 7 ， 2 7 1 1 3 8 1 4 0 ． C a i L i a n g c a i ， D e n g X u e - j u n ． Me t h o d o f d e t e r mi n i n g a i r c r a f t l i m i t i n g t a k e o ff w e i g h t a n d d e c i s i o n s p e e d l J j ．J o u r n al o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， 1 9 9 7 ， 2 7 1 1 3 8 - 1 4 0 ． [ 6 ] 董佑初， 张立彬． H 6 飞机最大起飞质量数学模型的研究[ J ] ．飞行力学， 1 9 9 5 ， 1 3 1 9 1 9 5 ． Do n gY0 lu c h u． Zh a n gLi b i n ． T h e r e s e a r c h o f t h ema t h e ma t i c almo d e l o f t h e maxi mu m w e i g h t i n t a k e o fff o r H6 a i rcr aft [ J ] ．F l i g h t Me c h a n i c s ， 1 9 9 5 ， 1 3 1 9 1 - 9 5 ． [ 7 ] 李成功， 程静， 刘沛清．大型民用客机起飞重量估算方法[ J ] ． 航空学报， 2 0 0 9 ， 3 0 4 6 4 9 6 5 3 ． L i C h e n g - g o n g ， C h e n g J i n g ， bu P e i q i n g ．T a k e o ff w e i g h t c a l c u l a t i o n me t h o d for c i v i l a i rpl a n e s l J J ．A c t a A e r o n a u t i e a e t A s t r o n a u t i c a S i n i c a ， 2 0 0 9 ， 3 0 4 6 4 9 - - 6 5 3 ． [ 8 ] 张轶， 陈欣琳．无人机起飞重量设计及估算研究[ J ] ． 机械制造， 2 0 1 1 ， 4 9 3 2 3 2 6 ． Z h a n g Yi ， C h e n Xi n- l i n ．D e s i g n a n d e s t i m a t i o n o f t a k e o ff w e i g h t for u n m a n n e da e ri a l v e h i c l e s [ J ] ． Ma c h i n e r y ， 2 0 1 1 ， 4 9 3 2 3 2 6 ． [ 9 ] 班凯．大中型民用飞机起飞总重估算方法研究[ J ] 航空计算技术， 2 0 1 2 ， 4 2 2 8 4 8 6 ． B a n K a i ． R e s e arc h o n e s t i ma t i o n o f t a k e o f w e i g h t o f l arg e a n d m e d i u m c i v i l a i r c r a f t [ J ] ． A e ro n a u ti c a l C o m p u t i n g T e c h n i q u e ， 2 0 1 2 ， 4 2 2 8 4 _ 8 6 ． [ 1 O ] 常振亚． 飞机飞行性能计算手册[ M] ． 飞行力学， 1 9 8 7 1 5 2 6 ． C h ang Z h e n - y a ．A i rc r a f t F l iig h t P e r f o rmanc e V al c u l a t i o n M a n u a l [ M] ． ni g h t Me c h a n i c s J o u ma l P r e s s ， 1 9 8 7 1 5 2 6 ． 上接 第 3 6页 [ 6 ] 吴振顺 ．气压传动与控制[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 出版社 ， 1 9 9 5 ． Wu Z h e n s h u n ．P n e u ma t i c T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l l M 1 ．Ha r b i n Ha r b i nI n d u s t ri a l U n i v e r s i t y P r e s s 。 1 9 9 5 ． [ 7 ] 杨存智． 基于 F l u i d S I M- P 软件的气动及机电一体化设计[ J ] ．煤矿机 械 ， 2 0 0 4 9 6 3 6 5 ． Yan g Cu n - z h i ． F 1 u i d S I M P s o f t wa r e b a s e d p n e u ma t i c and e l e c t r o me c h a n i e ali n t e g r a t i o nd e s i gn [ J ] J o u rualo f C o alMi n e Ma c h i n e r y 。 2 0 0 4 9 6 3 6 5 ． [ 8 ] 刘健， 吕原君． 基于 F l u i d S I M- P的检测设备气动控制分析[ J ] _ 制造业 自动化 ， 2 0 0 8 5 1 8 - 2 0 ． L i u J i a n ， L v Y u a n j u n ． B a s e d o n t h e a n aly s i s o f F l u i d S I M- p t e s t i n g e q u i p m e n t p n e u ma t i c c o n t r o l l J 』 ． J o u r n a l o f Ma n u f a c t u ri n g A u t o ma t i o n ． 2 0 0 8 5 1 8 - 2 0 ． [ 9] x l * t, 树 ， 李 自光． 当前液压系统仿真技术发展现状及趋势[ J ] ． 机床与液 压 ， 2 0 0 3 1 2 0 - 2 2 ． D e n g P i a o - s h u ， L i Z i - g u a n g ．T h e c u r r e n t h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y d e v e l o p me n t p r e s e n t s i t u a t i o n and t r e n d o f [ J ] ．J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s a n dH y d r a u l i c ， 2 0 0 3 1 2 0 -- 2 2 ． [ 1 0 ] 林少玲 ， 苏春锦． 多缸全气动步进顺序动作 回路设计 方法 [ J ] _ 长春大 学学报 ， 2 0 1 4 4 1 5 1 7 ． L i n S h a o - l i n g ， S u C h u n- - j i n ．Mu l t i - c y l i n d e r a l l p n e u m a t i c s t e p p i n g s e q u e n t i al c i r c u i t d e s i g n m e t h o d [ J ] d o u rua l o f C h a n g c h u n U n i v e rsi t y ， 2 0 1 4 4 1 5 1 7 ． [ 1 1 ] 周钦河， 叶金玲液压与气动技术[ M ] 合肥 合肥工业大学出版社， 2 0 1 2 ． Z h o u Q i n - h e ， j i n ． 1 i n g y e ． H y d r a u l i c a n d P n e u ma t i c T e c h n o l o gy [ M] ． H e f e i H e f e i U n i v e rs i t yo f T e c h n o l o gy P r e s s ， 2 0 1 2 ．