全气动回路设计中步进模块设计法的运用实践
全气动回路设计中步进模块设计法的运用实践
摘 要： 常用的行程程序控制回路设计方法繁琐易出错，为了解决这一问题提出了步进
模块设计方法。分析了步进模块的结构与工作原理，并详细总结了步进模块设计方法的一般步
骤。利用这种方法分别设计出多缸单往复、多缸多往复及有并列动作的行程程序的全气动回路
原理图；利用 Fluid-SIM 软件对所设计的几种气动回路分别进行仿真。结果表明，执行元件能
够按照预定的顺序依次完成相应的动作，验证了这一设计方法的正确性。
关键词 : Fluid-SIM 仿真; 全4气动;控制回路;行程程序;
Abstract： Those common design methods of stroke program control circuit were complicated
and error-prone. In order to solve this problem, the stepper module design method is proposed. First,
the structure principle of stepper module is analyzed, and the general steps of stepper module design
method are listed. Then, three kinds of pneumatic circuit schematics of multi-cylinder single
reciprocating stroke program, multi-cylinder multi-reciprocating stroke program and parallel actions
stroke program are designed respectively. The Fluid-SIM software is used to simulate the designed
pneumatic circuits. The results show that actuators can complete the corresponding actions in a
predetermined order, which verifiy the correctness of the design method.
Keyword ：Fluid-SIM simulation; full pneumatic; control circuit; stroke program;
引言
常规的气压传动系统设计需要根据负载特性分析确定回路方式及调压方式，进而选择调速
方式及换向回路，不仅要为其设计气动回路，还要结合电气元件动作顺序表设计相应的电路甚
至是单片机或 PLC 软硬件[1,2,3,4,5,6]。气动逻辑控制是机器人和自动化生产线中广泛应用的一
种纯气动控制方式，包括非时序逻辑控制和时序逻辑控制两类[7,8,9]。行程程序控制就属于时
序逻辑控制，常用的时序逻辑控制设计方法有信号动作状态图法和卡诺图法，这两种方法常用
于设计标准行程程序[10,11,12,13,14]。而对于非标准行程程序，如果利用卡诺图法进行设计，
必须先做校核校正，将非标准行程程序转化为标准行程程序才能进行设计。信号动作状态图法
虽然可以不经程序校核校正直接设计行程程序，但设计者需要有一定的经验，而且插入元件的
情况不宜太复杂。步进模块设计法无论行程程序是否标准，程序都能直接进行设计，无需进行
程序的校核校正，而且对于多缸多往复行程程序及执行元件有并列动作的行程程序也适用， 是
一种适用于时序逻辑设计的通用设计方法。
1.1 、 步进模块结构原理
步进模块由 1个双压阀和 1个二位三通双气动换向阀组成，如图 1所示[15]。气口 1～4为
输入气口，气口 5～7为输出气口。当气口 1,2 同时有气信号时，双压阀有输出，换向阀切换后
左位接入回路，使气口 5～7和接气源的气口 3相通，气口 5～7有输出。气口 5的输出接前一
个步进模块的气口 4,使前一步进模块的换向阀右位接入回路，各输出气口无输出。气口 6的输
出控制动作的执行，当该动作执行完毕压下行程阀后，后一个模块的气口 2有输入。气口 7的
输出气接后一个模块的气口 1。当后一个模块的气口 1和2同时有气信号时，本模块换向阀右
位工作无输出，同时后一模块控制的动作开始执行，如此循环以完成顺序动作控制。
1.2 、 设计过程中的符号规定
执行元件一般有气缸活塞杆的伸出与缩回两种状态。用大写字母 A,B,C 等表示执行元件，
“用数字 1” “和0” “分别表示执行元件在伸出、缩回状态压下的行程阀，下标数字 1” “和0”分别表
示执行元件的伸出、缩回状态。例如，A表示气缸，则 A0 和A1 分别表示 A缸缩回与伸
出，A0 和A1 分别表示 A缸缩回、伸出时压下的行程阀。用小写字母和下标数字表示行程阀被
压下时发出的气信号，例如，a0 表示行程阀 A0 被压下时发出的气信号。
1.3 、 步进模块设计法一般步骤
(1) 明确系统要求，列出动作行程程序。
(2) 配置步进模块。根据上一步列出的动作行程程序，为每一个动作配置 1个步进模块，
行程程序中有几个动作就依次配置几个步进模块，使模块①驱动动作一，使模块②驱动动作
二，以此类推。如果行程程序中有同时进行的并列动作，并列动作由同 1个步进模块驱动。
(3) 配置主控阀。根据上述动作行程程序，分析执行元件的数量，为每个执行元件各配置 1
个二位五通的双气动主控阀。
(4) 配置行程阀。分析动作程序中每一动作末压下的行程阀，该行程阀压下之后所发出的
气信号即为本动作的触发信号，也是下一动作的驱动信号，该气信号应与控制下一动作的步进
模块输入气口 2相连，按照动作行程程序列出所有动作的驱动信号与触发信号。
(5) 设计急停/复位回路。急停/复位回路如图 2所示，按下急停按键，原理图中各步进模块
的气口 3通排气孔，动作停止执行。按下复位按键，原理图中各步进模块的气口 3再次通气
源，从停止时的动作继续执行。
(6) 设计模式选择启动回路。模式选择启动回路如图 3所示，由 1个弹簧复位式换向阀和 2
个钢球定位式换向阀组成，该回路连接在最后1个模块的触发信号与第1个模块的气口 2之
间，通过控制启动阀接入回路的工作位置，能够实现自动连续作业和手动单次作业两种运行方
式的切换。启动阀左位接入回路时，操作手动阀可实现单次作业运行，启动阀右位接入回路
时，操作自动阀可实现自动连续作业运行。
(7) 绘制气动回路原理图。在 Fluid-SIM 软件绘图区依次拖入所需数量的执行元件、二位五
通双气动主控阀、步进模块以及相应的行程阀。按照如图 1所示步进模块的结构原理将各步进
模块相连，各模块的气口 1接上 1个模块的气口 7,模块的气口 2接上 1个动作的触发信号，模
块的气口 3接急停/复位回路的输出气信号，模块的气口 4接下 1个模块的气口 5,模块的气口 5
接上 1个模块的气口 4,模块的气口 6接控制该模块所对应动作的主控阀控制管路，模块的气口
7接下 1个模块的气口 1。最后1个模块的下 1个模块是第1个模块，为了保证正常启动，最后
1个模块中的换向阀初始工作位置与其他模块中的换向阀初始工作位置不同。然后，在绘图区
适当位置分别绘制如图 2所示的急停/复位回路与如图 3所示的模式选择启动回路，并将这 2个
回路接入原理图。最后，为绘图区中的各主控阀和行程阀接通气源。绘图完毕之后，可在软件
中运行仿真以验证所绘制的气动回路原理图正确与否。
采用步进模块设计法绘图过程中需要注意，系统中有几个执行元件，就需要配置几个二位
五通的双气动主控阀，主控阀的驱动信号来自步进模块的输出气口 6。对于多缸多往复行程程
序设计，需要在步进模块的气口 6与主控阀的驱动信号管路之间安装梭阀以使行程程序中每个
步进模块都能按照预先设定的顺序控制其对应的动作。对于有并列动作的行程程序设计，需要
在控制这 2个动作的步进模块输出气口 6上加三通阀，使该气口同时和控制这 2个动作的主控
阀控制管路相通。
2 、 多缸单往复行程程序设计实例
以常见的非标准程序[A1B1B0A0]为例，用步进模块法设计其气动回路原理图。
由给定的行程程序可知，要设计的气动回路有 2个执行元件，需要完成 4个动作一循环的
工作任务，因此需要在回路中配置 2个主控阀和 4个步进模块。其动作信号程序如图 4所示，
按下启动开关，A缸伸出压下行程阀 A1 发出气信号 a1 后，第2个动作开始执行，B缸伸出压
下行程阀 B1 发出气信号 b1 后，第3个动作开始执行，B缸退回压下行程阀 B0 发出气信号 b0
后，第4个动作开始执行，A缸退回压下行程阀 A0 发出气信号 a0 后，1个工作循环执行完
毕。每个动作的驱动信号与触发信号如表 1所示。
摘要：
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全气动回路设计中步进模块设计法的运用实践 摘 要： 常用的行程程序控制回路设计方法繁琐易出错，为了解决这一问题提出了步进模块设计方法。分析了步进模块的结构与工作原理，并详细总结了步进模块设计方法的一般步骤。利用这种方法分别设计出多缸单往复、多缸多往复及有并列动作的行程程序的全气动回路原理图；利用Fluid-SIM软件对所设计的几种气动回路分别进行仿真。结果表明，执行元件能够按照预定的顺序依次完成相应的动作，验证了这一设计方法的正确性。 关键词: Fluid-SIM仿真; 全4气动;控制回路;行程程序; Abstract： Those common design metho...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-03-31
