8.1.2. Методы проектирования пневматических сау

Проектирование циклических пневматических систем представляет собой комплекс работ, связанных с пе­реходом от словесного описания технологического процесса к построению принципиальной пневматической схемы. Эти работы подразделяются на этапы алгоритмического, логического и технического проектирования.

На этапе алгоритмического проектирования переводят словесное описание технологического процесса в формализованные формы представления хода процесса.

Этап логического проектирования заключается в составлении функциональной структуры системы на основе разработанного алгоритма ее функционирования.

Выбор элементной базы, расчет силовых и скоростных характеристик исполнительных механизмов, расчет проходных сечений устройств и построение принципиальной схемы пневматической системы — все это осуще­ствляется на этапе технического проектирования.

Поскольку алгоритмы функционирования систем управления и расчет основных параметров различных пнев-моэлементов рассматривались в настоящем пособии ранее, остановимся на методах разработки принципи­альных пневматических схем.

Метод составления логических уравнений

Пользуясь диаграммой «перемещение — шаг», можно описать состояния системы управления перед вы­полнением каждого шага в виде логических уравнений. В левой части этих уравнений записывают символ действия, которое должно произойти на предстоящем шаге, а в правой — логические связи между сигналами от кнопок оператора и путевых выключателей, дающих команду на выполнение этого действия.

Рассмотрим исходное (предпусковое) состояние системы (рис. 8.10, состояние 0).

Рис. 8.10. Иллюстрация подхода к составлению системы логических уравнений

В состоянии 0 (исходном), когда штоки обоих цилиндров втянуты, активны путевые выключатели а ₀ и Ь ₀. Следовательно, команда на выполнение 1-го шага А + должна подаваться при наличии сигналов от двух названных устройств и кнопки «Пуск». Таким образом, можно записать следующее логическое уравнение:

А + = Пуск . а₀ . b₀.

После выполнения 1-го шага комбинация активных путевых выключателей изменится (см. состояние 1 на рис. 8.10). Выполнение 2-го шага 6+ начнется при условии поступления сигналов от выключателей а₁ и Ь_о. Отсюда получаем второе уравнение:

B + = а₀ . b₀

Аналогичным образом составляют уравнения и для последующих шагов. Система логических уравнений, описывающая работу устройства для перемещения коробок, в конечном итоге будет иметь следующий вид:

А + = Пуск . а₀ . b₀.

А - = а₁ - b ₁;

В - = а_о - b ₁.

Функциональная структура системы в логических символах, построенная на базе полученных логических уравнений, является итогом этапа логического проектирования.

Если систему управления проектируют на элементной базе заранее известного типа, то это позволяет про­пустить этап разработки функциональной структуры создаваемой системы. Полученные логические уравнения можно непосредственно транслировать в принципиальную пневматическую схему, используя известные спо­собы реализации логических функций в системах пневмоавтоматики.

Взяв для простоты за основу исполнительной подсистемы пневмоцилиндры двустороннего действия с уп­равлением от бистабильных распределителей, получим следующую принципиальную пневматическую схему установки для перемещения коробок (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Принципиальная пневматическая схема установки для перемещения коробок

Данную схему, безусловно, нельзя считать оптимальной, поскольку ее можно значительно упростить путем исключения избыточных сигналов. Таковыми для каждого отдельного шага считают сигналы, задействованные при формировании команды на выполнение предыдущего шага.

В рассматриваемом примере на 2-м шаге избыточен сигнал Ьо, на 3-ем — ая на 4-ом — br Очевидно, что поскольку система работает по замкнутому циклу (за 4-ым шагом следует 1-й), то сигнал а0 на 1-м шаге также является избыточным. С учетом вышесказанного система логических уравнений, описывающих работу уста­новки для перемещения коробок, принимает следующий вид:

А + = Пуск . Ьо;

В + = а₁;

А- = b₁;

В- = а₀.

Окончательный вариант принципиальной пневматической схемы установки для перемещения коробок по­казан на рис. 8.12.

Рис. 8.12, Окончательный вариант принципиальной пневматической схемы установки для перемещения коробок

Возвращаясь к вопросу о построении функциональных диаграмм, рассмотрим реальную диаграмму уста­новки для перемещения коробок, представленную на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Реальная функциональная диаграмма установки для перемещения коробок

Следует иметь в виду, что рассмотренный выше способ упрощения системы логических уравнений далеко не всегда применим, поскольку некорректное его использование приводит к неправильной трактовке уравне­ний, особенно в случае наличия так называемых совпадающих шагов.

Под совпадающими шагами будем понимать такие шаги, уравнения для описания которых имеют одинако­вые или эквивалентные правые части. Это означает, что отличающиеся друг от друга шаги (совпадающие) начинают выполняться при возникновении одной и той же комбинации сигналов от путевых выключателей.

Для иллюстрации проблемы совпадающих шагов рассмотрим пневмопривод сверлильного полуавтомата (рис. 8.14).

Рис. 8.14. Сверлильный полуавтомат и его диаграмма «перемещение — шаг»

При кратковременном нажатии на пусковую кнопку первый цилиндр А фиксирует заготовку в позиции для обработки путем ее зажатия. Далее автоматически начинает выдвигаться шток второго цилиндра В, т. е. выпол­няется рабочий ход инструмента. После достижения крайнего положения шток цилиндра В возвращается в исходную позицию, а затем втягивается и шток цилиндра А.

Уравнения, описывающие работу станка-полуавтомата, будут иметь вид (без упрощения)

A+=Пуск . a₀ . b₀;

B+= a₁ . b₀;

B-= a₁ . b₁;

B-= a₁ . b₀.

Заметим, что правые части 2-го и 4-го уравнений одинаковы, значит, при появлении комбинации сигналов а1 . Ьо выдвижение штока цилиндра В и втягивание штока цилиндра А будут происходить одновременно. Но функционирование системы подобным образом недопустимо, поскольку при этом не обеспечивается требуе­мый порядок выполнения рабочих операций.

Избежать одновременного выполнения 2-го и 4-го шагов можно путем формального изменения совпадаю­щих правых частей соответствующих уравнений. С этой целью в них вводят дополнительные сигналы Х1 и Х2, в результате чего эти уравнения запишутся следующим образом:

B+= a₁ . b₀ . X1;

A-= a₁ . b₀ . X2.

Два дополнительных сигнала Х1 и Х2 можно реализовать путем применения пневматического триггера, вы­полнение функций которого обеспечивается, к примеру, бистабильным 4/2-распределителем с пневматичес­ким управлением. Если триггер включен, то на его выход подается сигнал Xv если выключен — сигнал Х2.

Таким образом, для решения проблемы совпадающих шагов полученную систему логических уравнений необходимо дополнить уравнениями, описывающими функционирование триггера, а именно: чтобы сигнал Х1 появился перед началом 2-го шага, необходимо включать триггер (7~+) перед выполнением как минимум пре­дыдущего шага; отключать же его (Т-) следует после выполнения 2-го шага. Другими словами, триггер необходимо включать перед 1-ым шагом (А +) по сигналу от путевого выключателя а0, т. е. после выполнения 4-го шага {А -), а выключать — по окончании 2-го шага (В +) по сигналу от выключателя Ь1 .

Упрощение системы уравнений, содержащей совпадающие шаги, следует проводить только после до­полнения правых частей соответствующих уравнений.

Рассмотренный способ хотя и решает поставленную задачу, но требует внимательности и владения навыка­ми составления логических уравнений. Схемное же решение (рис. 8.15), к которому в итоге приходят путем применения данного способа, является, как правило, довольно громоздким. В особенности это относится к задачам с несколькими совпадающими шагами, решая которые, приходится вводить в схему уже не один, а несколько триггеров.

Рис. 8.15. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата

Составление и чтение схемы можно значительно упростить путем использования шин при ее изображении. Шинами называют горизонтальные линии, соединенные на схеме с выходами определенных устройств. В на­шем случае каждый из четырех путевых выключателей «питает» «свою» шину, а логические взаимосвязи реа­лизуются между сигналами в соответствующих шинах.

Метод отключения сигнала

Этот метод, используемый при проектировании систем, содержащих совпадающие шаги, заключается в применении устройств, позволяющих формировать импульсный сигнал в момент достижения штоками пнев-моцилиндров конечных положений.

Вернемся к системе уравнений, описывающих работу сверлильного полуавтомата, и упростим ее путем исключения избыточных сигналов:

А + = Пуск . а0;

В + = а1;

В - =b1;

A - = b0.

В полученной системе совпадающие уравнения отсутствуют. Однако следует обратить внимание на следу­ющее: 2-ой шаг (В +) осуществляется по команде от путевого выключателя аг, который остается активным и на очередном, 3-ем, шаге (В-), выполняемом по команде от путевого выключателя Ьг Это означает, что на рас­пределитель, управляющий цилиндром В, одновременно будут поданы два противоположных сигнала управ­ления — от путев ых выключателей а1 и br В таком случае, как известно, пневмораспределитель остается в позиции, определяемой первым из поступивших управляющих сигналов, следовательно, 3-й шаг (действие В -) выполняться не будет.

Аналогичная ситуация имеет место и при выполнении 1-го шага: в исходном состоянии путевой выключа­тель Ьо активен и не позволяет выполнить действие А +.

Схема станет работоспособной, если «проблемные» путевые выключатели в момент включения будут фор­мировать не постоянный сигнал, а импульсный. Существуют различные методы получения импульсного сигна­ла: путем использования пневмоклапанов выдержки времени (рис. 8.16), посредством путевых выключателей с «ломающимся» рычагом (рис. 8.17) и др.

Рис. 8.16. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата с применением пневмоклапанов выдержки времени (формирователей импульса)

В случае использования путевых выключателей с «ломающимся» рычагом устанавливать их нужно со сме­щением в 2 — 4 мм от точки, соответствующей конечному положению штока. Такая позиция обусловливает формирование путевым выключателем импульса при подходе штока к конечному положению и игнорирование прохождения штока через выключатель при обратном ходе.

Рис. 8.17. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата с применением путевых выключателей с «ломающимся» рычагом

На пневматических схемах места установки путевых выключателей с «ломающимся» рычагом обозначают вертикальным штрихом, перпендикулярно которому ставят стрелку, указывающую направление, в котором сра­батывает выключатель при движении штока пневмоцилиндра.

Метод отключения сигнала формально сводится к следующей последовательности действий:

составляют систему логических уравнений, описывающих работу установки;

выделяют уравнения с совпадающими правыми частями;

упрощают систему логических уравнений путем сокращения избыточных сигналов;

заменяют путевые выключатели, сигналы от которых входят в выделенные уравнения, на устройства, фор­ мирующие импульсный сигнал в момент своего срабатывания.

Метод разбиения на группы

Методы проектирования пневматических систем циклического действия, рассмотренные выше, требуют в некоторой степени творческого подхода к решению поставленной задачи. В такой ситуации всегда существует вероятность совершения той или иной ошибки, свести к минимуму которую позволяют методы, характеризуе­мые значительной или полной формализацией процесса проектирования. К одним из них относится метод разбиения на группы.

Под группой понимают некоторую часть единичного цикла работы системы, объединяющую максимальное число шагов, не содержащих противоположных действий одного и того же исполнительного механизма (выдви­жение штока — втягивание штока).

Чтобы разбить последовательность действий на группы, следует воспользоваться арифметической фор­мой записи хода технологического процесса, например:

А+С+В-В+С+С-А-

С-.

Группы будем в дальнейшем отделять друг от друга наклонной чертой (/).

1-ая группа 2-ая группа 3-я группа 4-ая группа А + С + В-1 В + 1 С + 1 С-А-1

С-

1-ая группа заканчивается шагом В-, поскольку на следующем шаге должно выполняться противоположное действие В +; во 2-ую группу входит только один шаг — одновременное выдвижение цилиндра В (В +) и втяги­вание цилиндра С (С -), т. к. последующий шаг С + — выдвижение цилиндра С; 3-я группа содержит шаг С +, тогда как в 4-ую входят шаги С - и А -.

Для иллюстрации метода разбиения на группы рассмотрим пневмопривод сверлильного полуавтомата (см. рис. 8.14). Последовательность шагов в этом случае разбивают на группы следующим образом:

А + В +/ В - А -.

Поскольку входящие в группу шаги не содержат противоположных действий по определению, они могут последовательно выполняться по сигналам от соответствующих путевых выключателей, без применения логи­ческих пневмоклапанов. 1-ый шаг {А +) выполняется по сигналу от пусковой кнопки, 2-ой (В +) — по сигналу от путевого выключателя а1 (окончание предыдущего шага), 3-ий шаг (6 -, первый в следующей группе) — от выключателя bv а 4-ый (А -) — от Ьо.

Если каждую группу шагов выполнять по сигналам из отдельных шин (последовательно переключающихся), то первый шаг во 2-ой группе В - (3-ий в общей последовательности) не наложится на предшествующее ему действие в +, поскольку невозможно одновременное включение двух шин.

Очевидно, что питание на очередную шину должно подаваться по сигналу от путевого выключателя, фикси­рующего окончание последнего шага в предыдущей группе. В нашем примере шина 2, обеспечивающая выпол­нение шагов 2-ой группы, включается по сигналу от путевого выключателя Ьг а шина 1, обеспечивающая шаги 1-ой группы, — от путевого выключателя а0:

Далеко не всегда для включения очередной шины достаточно лишь одного сигнала от путевого выключате­ля. Для примера рассмотрим следующую последовательность шагов некоторого технологического процесса:

А + В + С + / С-А-1 С + /С-В-.

Шины 2-ой и 4-ой группы должны включаться по сигналу от путевого выключателя cv поскольку шаг С+ является последним в 1-ой и 3-ей группах.

Однако одновременная подача питания на две шины недопустима, т. к. это приводит к невыполнению задан­ной последовательности шагов. Следовательно, переключение на шину очередной группы должно осуществ­ляться по логическому произведению двух сигналов (т. е. связанных логической функцией И): сигнала об окон­чании заключительного шага предшествующей группы и сигнала от активной шины, обеспечивающей выполне­ние шагов этой же группы. Очевидно, что при включении очередной шины предыдущая шина должна отклю­чаться.

Описанная последовательность переключения шин реализуется на базе пневматических триггеров (биста-бильных пневмораспределителей) и не является предметом разработки для проектировщика системы управ­ления в связи с наличием уже наработанных схемных решений.

Возможные схемы переключения шин представлены на рис. 8.18.

В исходном положении активна шина 2.

При поступлении сигнала © на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 2, триггер переключается. Акивной становится шина 1, шина 2 отключается.

При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 1, триггер переключается на шину 2. Шина 1 отключа­ется.

В исходном положении активна шина 3.

При поступлении сигнала © на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 3, нижний триггер переключается и питание подается на шину 1 через верхний триггер. Шина 3 отключается.

При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 1, верхний триггер переключается на шину 2. Шина 1 отключается.

При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 2, нижний триггер переключается на шину 3. Шина 2 отключается.

В исходном положении активна шина 4.

При поступлении сигнала © на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 4, нижний триггер переключается и питание подается на шину 1 через средний и верхний триггеры. Шина 4 отключается.

При поступлении сигнала © на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 1, верхний триггер переключается на шину 2. Шина 1 отключается.

При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 2, средний триггер переключается на шину 3. Шина 2 отключается.

При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключен­ный к шине 3, нижний триггер переключается на шину 4. Шина 3 отключается.

Рис. 8.18. Схемы последовательного переключения шин

Следует помнить, что активизация какой-либо шины возможна только в том случае, если активной является предыдущая шина.

Итак, при проектировании пневматических систем циклического действия методом разбиения на группы рекомендуется соблюдать порядок действий и правила, перечисленные ниже.

Представить ход технологического процесса в арифметической форме записи.

Разбить последовательность шагов на группы. Количество шин переключения будет равно количеству групп.

Сигнал на осуществление первого шага в группе подается от соответствующей шины напрямую. Каждый последующий шаг выполняется по логическому произведению сигнала от шины данной группы и сигнала от путевых выключателей, срабатывающих по окончании предшествующего шага.

После выполнения заключительного шага в группе необходимо переключиться на очередную шину. Сиг­ нал на ее включение подается от подключенного к активной шине путевого выключателя, фиксирующего окон­ чание завершающего шага в предыдущей группе.

В исходном положении системы питание должно подаваться на шину последней группы.

Включение 1-ой шины (очередной для последней шины), а следовательно, и пуск всего рабочего процес­ са осуществляется нажатием кнопки «Пуск» (см. п. 4).

Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата, спроектированная в соответствии с методом разбиения на группы показана на рис. 8.19.

Рис. 8.19. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата спроектированная методом разбиения на группы

Схемное решение выглядит несколько громоздким, но его можно значительно упростить путем реализации функции И без использования логических пневмоклапанов (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Упрощенная принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата

Все рассмотренные схемные решения для поочередного переключения трех или четырех шин имеют об­щий существенный недостаток: в связи с возрастанием потерь энергии сжатого воздуха при его прохождении через несколько пневмораспределителеи величина сигнала в верхних шинах меньше, чем в нижних.

На рис. 8.21 приведено схемное решение, лишенное этого недостатка.

Рис. 8.21. Принцип построения переключающих регистров

В данной схеме один и тот же уровень давления в каждой шине обеспечивается подачей питания через отдельные триггеры (т. е. для каждой шины существует «свой» триггер). Количество шин при необходимости можно увеличить. Также очевидно, что схема допускает возможность модульной реализации устройств, обес­печивающих поочередное переключение шин. Именно на модульных элементах построены переключающие регистры, о которых пойдет речь в следующем подразделе.