基于FluidSIM-P软件的膨胀管开槽机气控系统设计

２０１３年
１１月第４１
卷第
２２期机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｎｏｖ ２０１３
Ｖｏｌ ４１Ｎｏ ２２
ＤＯＩ：
１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１３ ２２ ０３７
收稿日期：２０１２－１０－１７
作者简介：丁时锋（１９７５—），男，硕士，副教授，主要从事机电系统控制及自动化方向的研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓ＿ｆ＿ｄｉｎｇ７５０８０１
＠１６３ ｃｏｍ。

基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管开槽机气控系统设计
丁时锋，李清香，王力群，韩泽东，黄强
（九江学院，江西九江
３３２００５）摘要：基
于膨胀管开槽机的工作要求，对其气控系统进行了程序分析及校正，运用Ｘ Ｄ图法设计了气控系统的标准程序，给出了各气缸动作主控信号排除障碍后的执行信号表达式，完成了基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管开槽机气控系统回路
设计及模拟仿真。

该气控系统在实际运行中取得了良好效果。

关键词：开
槽机；膨胀管；气控系统；Ｘ Ｄ图；ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ中图分类号：ＴＨ１３７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－３８８１（
２０１３）２２－１０３－３ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｎｅｕｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥｘｐａｎｓｉｏｎＰｉｐｅＧｒｏｏｖｉｎｇ
ＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ
ＤＩＮＧＳｈｉｆｅｎｇ，
ＬＩＱｉｎｇｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧＬｉｑｕｎ，
ＨＡＮＺｅｄｏｎｇ，
ＨＵＡＮＧＱｉａｎｇ
（
ＪｉｕｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
ＪｉｕｊｉａｎｇＪｉａｎｇｘｉ３３２００５，
Ｃｈｉｎａ
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｔｈｅｐｒｏｇｒａｍａｂｏｕｔｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎｐｉｐｅｇｒｏｏｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｅｄｂａｓｅｄ
ｏｎｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｓｔａｎｄａｒｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇＸ Ｄｄｉａｇｒａｍ，
ｔｈｅｓｉｇｎａｌｅｘ ｐｒｅｓｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌａｆｔｅｒｒｅｍｏｖｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｓｗｅｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｐｉｐｅｇｒｏｏｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂａｓｅｄｏｎＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅａｃｔｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｃｈｉｅｖｅｄｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｒｏｏｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；Ｅｘｐａｎｓｉｏｎｐｉｐｅ；Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍ；Ｘ Ｄｄｉａｇｒａｍ；
ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ
气动技术具有节能、环保、低成本等优点，广泛应用于自动加工和装配设备及各种自动生产线上。

为了实现气动控制系统的可靠性设计及提高设计效率，应用相应的气动控制仿真软件是一种很好的选择。

目前较为流行的典型气动控制仿真软件有德国研发的ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件，ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件将ＣＡＤ功能和仿真功能紧密联系在一起，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真［１－３
］。

阐述了基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管开槽机气控系统设计，并将其应用到某企业的膨胀管十字槽开口工艺加工设备上，该设备操作简单、加工速度快、精度高，取得了良好效果。

１　膨胀管开槽机气控系统程序设计１ １　膨胀管开槽机气控系统工作要求膨胀螺丝广泛应用于防护栏、雨蓬等在水泥及砖等材料上的紧固，膨胀螺丝一般由螺杆和膨胀管等部件组成。

膨胀管一端有若干切口，膨胀管开槽机就是用于膨胀管的自动切口工艺，通过改变不同形式的刀
具一次性可开成４个口（十字槽）或其他形式的多个口［４－７
］。

膨胀管开槽机主要动作为：送料—夹紧—
割槽—取出成品。

根据不同材质、不同壁厚的实际膨胀管，工作过程中要求速度可调，夹紧力和开槽长度也能够自由调节。

１ ２　
膨胀管开槽机气控程序分析及校正
分析膨胀管开槽机主要动作“送料—夹紧—割
槽—取出成品”，设计４个气缸Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ分别控制相关的动作。

送料气缸
Ａ：气缸活塞杆伸出时送料，送料完成后活塞杆缩回；工件夹紧气缸Ｂ：气缸活塞杆伸出时夹紧工件，气缸活塞杆缩回时松开工件；刀具气缸Ｃ：气
缸活塞杆伸出时割槽，气缸活塞杆缩回时退刀；成品取出气缸
Ｄ：气缸活塞杆缩回时取出割槽完成后的工件成品。

为了系统能够自动连续工作，设计系统的工作循环为：送料气缸Ａ活
塞杆伸出送料→送料气缸Ａ活塞杆缩回→夹
紧气缸Ｂ活塞杆伸出夹紧工件→刀具气缸Ｃ活塞杆伸出割槽→
夹紧气缸Ｂ活塞杆缩回松开工件→成品取出气缸Ｄ活塞杆缩回取出工件成品→刀具气缸Ｃ活塞杆缩回退刀→成品取出气缸Ｄ活塞杆伸出复位，准备下一工作循环。

由膨胀管开槽机工作循环可知此系统为时序逻辑气控系统，相应动作程序为［Ａ１
Ａ０
Ｂ１
Ｃ１
Ｂ０
Ｄ０
Ｃ０
Ｄ１
］，程序中下标１表示相应气缸
的活塞杆伸出动作，下标０表示相应气缸的活塞杆缩
回动作。

动作程序［Ａ１
Ａ０
Ｂ１
Ｃ１
Ｂ０
Ｄ０
Ｃ０
Ｄ１
］的程序相
位及信号关系如图１所示，从图１中可见有重复的信
号组合控制不同的动作，这将产生二义性，因此动作
程序［Ａ１
Ａ０
Ｂ１
Ｃ１
Ｂ０
Ｄ０
Ｃ０
Ｄ１］为非标准程序，该非标准程序需要校正为标准程序。

程序的校正可在适当位置插入一对记忆元件Ｅ１
Ｅ０
来消除重复小项，破坏其二义性，校正后标准程序为［Ａ１
Ｅ１
Ａ０
Ｂ１
Ｃ１
Ｂ０
Ｄ０
Ｅ０
Ｃ０
Ｄ１
］。

图１　程序相位及信号关系１ ３　用Ｘ Ｄ图法设计膨胀管开槽机气控系统的标准程
序图２　行程程序
Ｘ Ｄ图Ｘ Ｄ图法是信号－动作状态图法的简称［８
］，它是依据行程程序的工作程序将各执行动作和信号在整个循环过程中的状态用相应的图线表示在Ｘ Ｄ图
中，并从该图中找出和排除障碍，求出被控程序动作的执
行信号。

根据膨胀管开槽机校正后标准程序［Ａ１
Ｅ１
Ａ０
Ｂ１
Ｃ１
Ｂ０
Ｄ０
Ｅ０
Ｃ０
Ｄ１
］设计的Ｘ Ｄ图如图
２所示，信号ｑ为手动输入启动信号，由Ｘ Ｄ图可设计列写出各动作主控信号排除障碍后的执行信号表达式。

２　基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管开槽机气控系统设计及仿真
２ １　ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件特点
ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件专门针对气动系统设计，软件用户界面直观、易学，其
ＣＡＤ功能符合ＤＩＮ电气－气压回路图的绘图标准，丰富的元件库包含标准气动、
电气元件１００余种，绘图时可以直接拖动使用。

该软件具有ＣＡＤ绘图功能、检查各元件连接是否正确可行的查错功能、仿真功能，并可实时显示气压系统仿真过程中的各物理量值，如气缸运动速度、输出力、气路压力及节流阀的开口度等。

ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件将ＣＡＤ功能和仿真功能紧密联系在一起，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真。

２ ２　基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管开槽机气动回路设计为了合理设计和实现所要求的动作顺序，根据Ｘ Ｄ图设计列写出各动作主控信号排除障碍后的执行信号表达式，并考虑手动、启动、复位、调速、调夹紧力等设备工作要求，基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管
开槽机气动回路设计如图３所示。

图３　基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软
件的气动回路设计图
该气动系统由气源、手阀、气控换向阀、行程
阀、单向节流阀、消声器和气缸等组成，图中手阀为系统启动控制阀。

每个气缸根据实际情况设置参数，输出力体现实际承载能力，活塞面积间接决定了气缸
的缸径值，同时每个气缸上设置标尺，定义一定距离
并与行程阀相关联，以便模拟行程阀的实际安装位置。

单向节流阀设置开口参数控制气流流量，实现对气缸运动速度的控制，所有气缸都可实现进气节流和
·
４０１·机床与液压
第４１卷
排气节流的速度调节控制。

２ ３　气动控制仿真及结果分析在仿真之前设定气源压力，设定各单向节流阀的开口参数，同时添加一个状态图，并在状态图上建立
各气缸的状态项，这样可以在仿真过程中观察各气缸
的位置变化及动作顺序。

参数设定好之后，点击开始
仿真按钮就可以得到仿真结果，如图４为仿真时的气动控制仿真过程图，图５为
各气缸的动作状态图。

图４　气动控制仿真过程
图
图５　各
气缸的动作状态图仿真结果分析：从仿真过程中可直接动态观察到
各气缸动作顺序，也可从图５分析各气缸的位移得出各气缸动作顺序为Ａ１
—Ａ０
—Ｂ１
—Ｃ１
—Ｂ０
—Ｄ０
—Ｃ０
—Ｄ１
，结果符合设计动作要求。

通过改变单向节流阀开口大小，可观察到气缸的速度变化，实现了速度调节目标。

通过控制气源压力大小，可观察到气缸输出力大小变化，实现了夹紧力调节目标。

仿真时通过改变与行程阀相关联气缸活塞标尺的位置距离定义来模拟行程阀的实际安装位置，可观察到刀具气缸移动范围的变化，实现了开槽长度的自由调节要求。

３　结束语将虚拟仿真成功后的膨胀管开槽机气动回路模型应用到实际生产，取得了良好效果。

实践表明：基于
ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软件的膨胀管开槽机气动回路设计系统，完全能够实现与真实系统控制运行相一致的效果。

ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ
软件为从事气动系统研究和设计的工作者
提供了一个良好的开发平台，在设计过程中能及时发现设计缺陷，提高产品质量，节省设计时间，有效降低设计成本。

参考文献：
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·５０１·第２２期丁时锋等：基于ＦｌｕｉｄＳＩＭ Ｐ软
件的膨胀管开槽机气控系统设计 。