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(聊城大學 機械與汽車工程學院， 山東 聊城　252059)

引言

在高溫、多塵等惡劣環(huán)境下為實現(xiàn)不需人力操作的自動搬運工作，可利用行程程序控制方法設(shè)計一套機械手氣控回路以按照一定軌跡或程序自動搬運工件，來保障人身安全，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。行程程序控制是氣動控制中一種應用較廣的回路設(shè)計方法，這種控制方法可分為兩大類：直觀組合法與邏輯設(shè)計法。前者適用于較簡單的回路設(shè)計。對于較復雜或含有多往復動作的回路，通常采用邏輯設(shè)計法。常用的邏輯設(shè)計法有X-D線圖法，邏輯運算法和卡諾圖法等。其中X-D線圖法直觀性強，但處理過程較繁瑣；邏輯運算法太抽象；卡諾圖法直觀且處理規(guī)則性較強[1，2]。因此，詳細介紹卡諾圖法機械手的設(shè)計步驟。

1　行程程序輸入

如圖1所示為可用于高溫、噪聲及粉塵等環(huán)境惡劣場合的氣控機械手結(jié)構(gòu)圖，由夾緊缸A、伸縮缸B、升降缸C和回轉(zhuǎn)缸D組成[3，4]。

圖1　氣控機械手結(jié)構(gòu)示意圖

該機械手按預先給定的程序，可從第一個動作連續(xù)運轉(zhuǎn)到最后一個動作，把其右下方的工件搬到左上方的位置上去。動作程序為：壓下開關(guān)q立柱下降C0→伸臂B1→夾緊工件A0→縮臂B0→立柱左回轉(zhuǎn)D1→立柱上升C1→放開工件A1→立柱右回轉(zhuǎn)D0。

圖2　卡諾圖及順序循環(huán)線圖

2　化簡邏輯函數(shù)

標準程序可用“滿格”信號狀態(tài)——邏輯最小項直接寫出邏輯函數(shù)，但一般此邏輯函數(shù)較復雜，需進行簡化。上述工作程序的邏輯函數(shù)分別為：a1b0c1d0→C0，a1b0c0d0→B1，a1b1c0d0→A0，a0b1c0d0→B0，a0b0c0d0→D1，a0b0c0d1→C1，a0b0c1d1→A1，a1b0c1d1→D0。如用這些邏輯函數(shù)作為控制信號以控制各動作，會使氣控回路非常復雜。因此可通過卡諾圖畫圈法化簡邏輯函數(shù)。

畫圈的原則是：

(1) 圈入的方格必須成正方形或矩形，為使邏輯函數(shù)最簡，圈入的格子越多越好。任一格都可被不同圈重復使用；

(2) 程序動作的后續(xù)狀態(tài)可被圈入，空格是不存在的變量組合，可根據(jù)需要隨時被圈入；

(3) 程序動作的對立動作及其后續(xù)狀態(tài)不能被圈入；

(4) 主控信號一定要存在，不能被消掉。即程序動作的前接動作不能被圈入。

化簡C0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的1～8格。第1格是C0動作的主控信號狀態(tài)，第5、8、7、6格是C0動作的后續(xù)狀態(tài)，第2、3、4格是空格都被圈入。第9、11、12、15、16格是空格本可被圈入，但因圈入后使所圈方格不成矩形，所以不能被圈入。第10格和第14、13格是C0動作的對立動作C1本身及其后續(xù)動作，不能被圈入。因此，C0動作的執(zhí)行信號C0*=q·d0。

化簡B1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的5、8、9、12格。第5格是B1動作的主控信號狀態(tài)，第8格是B1動作的后續(xù)狀態(tài)，第9、12格為空格，故被圈入。第7格和第6、10、14、13格是B1動作的對立動作B0本身及其后續(xù)動作，不能被圈入。第1格為B1動作的前接狀態(tài)，不能被圈入。第2、3、4、15、16格本可被圈入，但因不能圈成矩形，也不能圈入。所以，B1動作的執(zhí)行信號B1*=c0a1。

化簡A0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的3、4、7、8、11、12、15、16格。第8格是A0動作的主控信號狀態(tài)，第7格是A0動作的后續(xù)狀態(tài)，第3、4、11、12、15、16格為空格，故被圈入。第6、10格為A0的后續(xù)狀態(tài)，第2、9格為空格，但圈入后不成矩形，故均未被圈入。第14格和第13、1、5格是A0動作的對立動作A1本身及其后續(xù)動作，不能被圈入。故A0動作的執(zhí)行信號A0*=b1。

化簡B0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的2、3、6、7、10、11、14、15格。第7格是B0動作的主控信號狀態(tài)，第6、10、14格是B0動作的后續(xù)狀態(tài)，第2、3、11、15格為空格，故被圈入。第5格是B0動作的的對立動作B1本身，第8格為B0動作的前接狀態(tài)，不能被圈入。第1、4、9、12、13、16格因圈入不成矩形不圈。故B0*=a0。

化簡D1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的2、6、10、14格。第6格是D1動作的主控信號狀態(tài)，第10、14格是D1動作的后續(xù)狀態(tài)，第2格為空格，故被圈入。D0動作及其后續(xù)動作即第13、1、5、8、7格不能圈入?？崭?、4、9、11、12、15、16格圈入后不成矩形。所以，D1動作的執(zhí)行信號D1*=b0a0。

化簡C1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的9～16格。必須圈入第10格C1動作本身，還可圈入C1動作的后續(xù)狀態(tài)14、13格及空格9、11、12、15、16格。C0動作及其后續(xù)動作即第1、5、8、7、6格不能圈入，空格2、3、4格圈入后不成矩形。故C1*=d1。

化簡A1的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的1～4、13～16格。必須圈入第14格A1動作本身，還可圈入A1動作的后續(xù)狀態(tài)13、1格及空格2、3、4、15、16格。A0動作及其后續(xù)動作即第8、7、6、10格不能圈入，5、9、11、12格圈入后不成矩形。故，A1*=c1。

化簡D0的邏輯函數(shù)，可圈入圖2中的1、4、5、8、9、12、13、16格。必須圈入第13格D0動作本身，還可圈入D0的后續(xù)動作1、5、8格及空格4、9、12、16格。D1動作及其后續(xù)動作即第6、10、14格不能圈入。2格圈入后不成矩形。3、7、11、15格因圈入后格數(shù)不是2n，會使變量增加不能圈。故D0*=a1。

3　繪制邏輯原理圖與氣控回路圖

根據(jù)上述邏輯處理過程中得到的各動作的執(zhí)行信號可畫出邏輯原理圖，如圖3所示。由邏輯原理圖可畫出氣控回路原理圖如圖4所示。畫氣路原理圖時應注意行程閥是否有源，一般執(zhí)行信號中包含邏輯“與”符號的兩個發(fā)訊元件中只有一個有源，另一個為無源元件。

圖3　邏輯原理圖

圖4　氣控機械手回路原理圖

4　氣控回路的仿真分析

為驗證回路設(shè)計的正確性，在FluidSIM軟件的圖庫中獲取適當元件進行組合，得到圖5所示的氣動回路結(jié)構(gòu)圖，它由氣源、開關(guān)閥、換向閥、行程閥及各類氣缸等元件組成。設(shè)置氣源壓力為600 kPa，手動閥q控制氣路的開和關(guān)，每個氣缸上設(shè)置標尺以準確定位行程閥的切換位置。通過調(diào)節(jié)每個氣缸進氣口和出氣口處節(jié)流閥的開口度可控制流量的大小，進而控制活塞的運動速度。本回路中氣體的運動速度很低(v<5 m/s)，可視為是不可壓縮的[2]，因此流體在管道中作穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程適用于該場合。每個氣缸根據(jù)實際情況設(shè)置參數(shù)，氣缸行程決定行程閥的放置，輸出力體現(xiàn)實際承載能力，活塞面積決定氣缸的缸徑值，同時為了能夠直觀獲知仿真過程中的速度和輸出力，可進行選擇設(shè)置，如圖6所示。通過其他元件進行設(shè)置，亦可實時顯示流量、壓力等參數(shù)值。

圖5　氣動回路結(jié)構(gòu)圖

圖6　氣缸參數(shù)設(shè)置

q=CATΔpφ

(1)

式中,C為由孔口的形狀、尺寸等決定的系數(shù)；AT為孔口的通流截面面積；Δp為孔口的兩端壓力差；φ為由孔口的長徑比決定的指數(shù)。

q=vA=const

(2)

該模型中，節(jié)流閥的流量q由公式(1)確定，一旦選定節(jié)流閥型號，公式(1)中的C和φ即為常數(shù)，AT的值取決于節(jié)流閥開口度的設(shè)置情況，孔口兩端的壓力差取決于氣源壓力和反映氣缸承載能力的參數(shù)設(shè)置?；钊麠U的伸縮速度由流量連續(xù)性方程(2)確定，式中v為活塞桿伸縮速度，A為活塞受壓面積。在仿真期間，F(xiàn)luidSIM軟件首先計算所有的參數(shù)，只要計算出結(jié)果管路就用顏色表示，且氣缸活塞桿實時顯示相應的伸縮動作。

與機械手各動作相對應的氣缸行程仿真曲線如圖7所示。曲線表明在1 s鐘時刻壓下開關(guān)q升降缸C縮回帶動立柱下降壓下行程閥c0后，伸縮缸B伸出完成伸臂動作壓下行程閥b1后，夾緊缸A縮回夾緊工件壓下行程閥a0后，伸縮缸B縮回完成縮臂動作壓下行程閥b0后，回轉(zhuǎn)缸D右桿伸出(帶動立柱左回轉(zhuǎn))壓下行程閥d1后，升降缸C伸出立柱上升壓下行程閥c1后，夾緊缸A伸出松開工件壓下行程閥a1后，回轉(zhuǎn)缸D右桿縮回(帶動立柱右回轉(zhuǎn))壓下行程閥d0。至此，完成一個工作循環(huán)，機械手將其右下方的工件搬到左上方的位置上去，驗證了該回路設(shè)計的正確性。

圖7　各氣缸行程仿真曲線

該軟件中，仿真以物理模型為基礎(chǔ)，因此，計算值應與測量值相一致。實際上，當比較計算值和測量值時，測量值常具有較大波動，這主要是由于元件制造誤差、管路的密封性和流體溫度等因素造成的。

5　結(jié)論

通過對氣動機械手工作要求的分析，在深刻理解卡諾圖方格數(shù)目的確定方法、邏輯處理方法的基礎(chǔ)上，

給出了機械手每個動作的執(zhí)行信號，并據(jù)此繪出邏輯原理圖和氣控回路圖，最后對氣控回路圖進行FluidSIM仿真實驗。實踐表明，基于FluidSIM軟件的機械手氣動回路設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與真實機械系統(tǒng)控制運行相一致的效果，從而驗證了該設(shè)計的可行性與有效性。詳盡的設(shè)計過程可為從事氣壓傳動技術(shù)的工程人員提供一定的參考。

參考文獻：

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全國水液壓專業(yè)委員會2015年年會在貴陽召開

為了推進水液壓傳動技術(shù)的快速發(fā)展，展示水壓傳動技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，由全國水液壓專業(yè)委員會主辦、中航力源液壓股份有限公司承辦的“水液壓專業(yè)委員會2015年年會”，于2015年8月28日在貴陽舉行，水液壓專業(yè)委員會委員及有關(guān)水液壓行業(yè)的學者、專家和企業(yè)界人士參加了本次會議。

本次會議宣布了新一屆專委會委員的組成情況，由浙江大學的周華教授擔任本屆專委會主任委員，并吸收了部分高校和企業(yè)專家進入本屆專委會，專委會委員的人數(shù)和覆蓋范圍得以擴大。

胡冬生總經(jīng)理代表力源液壓公司對本次會議在貴陽召開表示熱烈祝賀，也明確表示了企業(yè)參與水液壓產(chǎn)品研制和生產(chǎn)的愿望和積極性，力源公司有信心、有能力促進水液壓產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

周華主任委員代表專委會對去年的工作進行了回顧，并提出了本屆專委會的工作重點。希望高校、科研院所、企業(yè)做好產(chǎn)學研合作，抓住國家重視環(huán)保、節(jié)能的政策導向，在進行水液壓基礎(chǔ)技術(shù)和元件研究的同時，還要大力發(fā)展基于水液壓技術(shù)的消防、海水淡化、海洋作業(yè)、環(huán)衛(wèi)清潔、市政建設(shè)等應用領(lǐng)域的研究，目前水液壓技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)具備了一定條件，具有廣闊的應用前景。

機械工程學會流體傳動與控制分會趙曼琳副總干事代表上級組織致辭，她充分肯定了水液壓專委會良好的工作氛圍，對近幾年水液壓技術(shù)的長足進步感到高興，并祝愿水液壓技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化獲得更大的發(fā)展。

會上進行了技術(shù)交流，周華教授結(jié)合浙大科研團隊的工作，做了《水液壓比例溢流閥的研究》的報告，劉銀水教授結(jié)合華中科技大學的研究和應用工作，做了《再談水液壓技術(shù)研究與應用》的報告，弓永軍教授結(jié)合水液壓技術(shù)在海洋和船舶作業(yè)的應用情況，做了《大連海事大學水液壓技術(shù)及應用》的報告。這些報告展示了水液壓技術(shù)最新的研究動態(tài)和應用成果，獲得了與會委員和專家的一致好評。

在會議交流期間，各位委員、專家和企業(yè)代表各抒己見，對水液壓課程在高校教學的建議、企業(yè)對高品質(zhì)水液壓元件的需求、水液壓技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化趨勢等問題展開了討論，為水液壓行業(yè)的發(fā)展出謀劃策。

2016年度水液壓專委會會議將在廣州(廣東技術(shù)師范學院)舉行，歡迎更多有志于水液壓技術(shù)研究及應用的專家、學者和企業(yè)技術(shù)人員參加，我們共同將水液壓技術(shù)和產(chǎn)業(yè)做大做強。

感謝中航力源液壓股份有限公司對本次會議的大力支持！

流控分會水液壓專業(yè)委員會