彭先麗

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650208）

蓋章機(jī)在生活中應(yīng)用較廣，如高等院校、工廠企業(yè)和行政機(jī)關(guān)等。目前較多的是手動(dòng)蓋章，不但操作強(qiáng)度大、效率低，還存在印章質(zhì)量不穩(wěn)定、字跡不清晰等缺陷。全自動(dòng)蓋章機(jī)的發(fā)明將解決人工蓋章時(shí)存在的隱患，減少辦公室的蓋章業(yè)務(wù)的工作量，減少人工操作，促進(jìn)業(yè)務(wù)發(fā)展，降低企業(yè)運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和工作效率[1]。因此，市場上對蓋章自動(dòng)化設(shè)備的需求日益增長。

目前市場已有的自動(dòng)蓋章機(jī)無法滿足不同的工況需求，并且多數(shù)自動(dòng)蓋章機(jī)選用PLC 為系統(tǒng)的控制器，依靠編寫PLC 梯形圖進(jìn)行自動(dòng)蓋章[2]。盡管PLC 控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、調(diào)試周期短、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低和對工作環(huán)境要求低等特點(diǎn)，但PLC 價(jià)格昂貴，操作者需要對PLC 的編程和控制有一定了解。因此，將PLC作為控制器的自動(dòng)蓋章機(jī)并不適用于所有蓋章場合。

基于上述原因，該文對自動(dòng)蓋章機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，考慮自動(dòng)蓋章機(jī)的輸出力不大，結(jié)合氣壓傳動(dòng)具有的突出優(yōu)點(diǎn)，該文設(shè)計(jì)的自動(dòng)蓋章機(jī)采用氣動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。該氣動(dòng)控制系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蓋章的功能，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蓋章機(jī)運(yùn)行過程的循環(huán)控制。該自動(dòng)蓋章機(jī)對降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率和增強(qiáng)自動(dòng)蓋章機(jī)對不同工況的適應(yīng)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 蓋章機(jī)氣動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該蓋章機(jī)氣動(dòng)控制系統(tǒng)能自動(dòng)控制蓋章物品的推料、蓋章及送料，整個(gè)控制系統(tǒng)主要采用氣動(dòng)控制系統(tǒng)回路、電氣控制回路、各種傳感器及行程開關(guān)等來控制，該文在設(shè)計(jì)中采用多個(gè)傳感器和行程開關(guān)對蓋章過程的位置進(jìn)行監(jiān)控。

1.1 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理分析

該文設(shè)計(jì)的蓋章機(jī)采用氣動(dòng)控制方式。分析自動(dòng)蓋章機(jī)的工況要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能實(shí)現(xiàn)蓋章過程中的推料、蓋章和送料3 個(gè)工作環(huán)節(jié)，該過程分別由3 個(gè)氣缸來進(jìn)行控制，包括平移氣缸A、垂直氣缸B 和推出氣缸C。平移氣缸完成推料過程的控制，垂直氣缸完成蓋章過程的控制，推出氣缸完成送料過程的控制，具體控制要求如下：1）按下啟動(dòng)按鈕開關(guān)SB1時(shí)，平移氣缸A活塞桿向前伸出到達(dá)B2位置，把需要蓋章的物料往前推至垂直氣缸B 正下方。2）當(dāng)平移氣缸A 活塞桿到達(dá)B2位置時(shí)，垂直氣缸B 的活塞桿向下伸出，準(zhǔn)備在物料上“蓋章”，同時(shí)平移氣缸A 回縮復(fù)位至B1位置。3）垂直氣缸B 活塞桿到達(dá)SQ2位置蓋完章后，自動(dòng)回縮復(fù)位至SQ1位置。4）蓋章結(jié)束后由推出氣缸C 將物料推出，完成一次蓋章過程，并為下次蓋章做準(zhǔn)備，氣缸C 的行程由行程開關(guān)SQ3和SQ4控制。5）氣動(dòng)蓋章機(jī)完成一次蓋章后自動(dòng)進(jìn)行下一個(gè)蓋章過程，如此循環(huán)動(dòng)作。6）當(dāng)按下停止按鈕開關(guān)SB2時(shí)，3 個(gè)氣缸運(yùn)行完一個(gè)周期后停止。

整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中用到的氣動(dòng)元件較多，有方向控制閥、流量控制閥、壓力控制閥、各種傳感器和行程開關(guān)等。該文根據(jù)自動(dòng)蓋章機(jī)的控制要求設(shè)計(jì)出蓋章機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖，氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

1.2 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁鐵動(dòng)作順序表

為保證蓋章機(jī)能按預(yù)設(shè)的規(guī)定動(dòng)作過程來運(yùn)行，控制各個(gè)氣缸的電磁閥之間要按一定的先后順序來依次動(dòng)作。分析蓋章機(jī)的動(dòng)作循環(huán)過程，列出蓋章機(jī)電磁鐵動(dòng)作順序表，見表1。

表1 蓋章機(jī)的電磁鐵動(dòng)作順序表

1.3 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理分析

結(jié)合圖1 及表1，蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)中3 個(gè)氣缸的動(dòng)作過程分析如下。

1.3.1 平移氣缸A 的前伸過程

平移氣缸A 的前伸過程由二位五通單電控?fù)Q向閥控制，當(dāng)1YA 得電時(shí)，二位五通單電控?fù)Q向閥的左位工作，平移氣缸A進(jìn)行蓋章機(jī)的推料動(dòng)作，氣路的具體連接如下。

進(jìn)氣回路：氣源→二聯(lián)件→二位五通單電控?fù)Q向閥（左位）→平移氣缸A（左腔）→A 缸伸出完成推料過程。

排氣回路：平移氣缸A（右腔）→單向節(jié)流閥6 →二位五通單電控?fù)Q向閥（左位）→大氣。

平移氣缸A 的活塞伸出速度由單向節(jié)流閥6 調(diào)節(jié)。

1.3.2 垂直氣缸B 的前伸過程

垂直氣缸B 的伸縮過程由二位五通雙電控?fù)Q向閥控制，當(dāng)2YA 得電時(shí)，二位五通雙電控?fù)Q向閥左位工作，垂直氣缸B 進(jìn)行蓋章機(jī)的蓋章動(dòng)作，氣路的具體連接如下。

進(jìn)氣回路：氣源→二聯(lián)件→二位五通雙電控?fù)Q向閥4（左位）→垂直氣缸B（上腔）→B 缸伸出完成蓋章過程。

排氣回路：垂直氣缸B（下腔）→單向節(jié)流閥7 →二位五通雙電控?fù)Q向閥4（左位）→大氣。

垂直氣缸B 的活塞伸出速度由單向節(jié)流閥7 調(diào)節(jié)。

1.3.3 送料氣缸A 的縮回過程

氣缸B 前伸的同時(shí)，1YA 失電，推料氣缸A 縮回。氣路的具體連接如下。

進(jìn)氣回路：氣源→二聯(lián)件→二位五通單電控?fù)Q向閥（右位）→平移氣缸A（右腔）→A 缸縮回。

排氣回路：平移氣缸A（左腔）→單向節(jié)流閥6 →二位五通單電控?fù)Q向閥（右位）→大氣。

1.3.4 送料氣缸C 的前伸過程

送料氣缸C 的伸縮過程由二位五通雙電控?fù)Q向閥控制，當(dāng)4YA 得電時(shí)，二位五通雙電控?fù)Q向閥左位工作，送料氣缸C 進(jìn)行蓋章機(jī)的送料動(dòng)作，氣路的具體連接如下。

進(jìn)氣回路：氣源→二聯(lián)件→二位五通雙電控?fù)Q向閥5（左位）→送料氣缸C（左腔）→C 缸伸出完成送料過程。

排氣回路：送料氣缸C（右腔）→單向節(jié)流閥8 →二位五通雙電控?fù)Q向閥5（左位）→大氣。

送料氣缸C 的活塞伸出速度由單向節(jié)流閥8 調(diào)節(jié)。

1.3.5 送料氣缸B 的縮回過程

當(dāng)送料氣缸B 前伸至壓到SQ2時(shí)，4YA 得電，垂直氣缸B 縮回。氣路的具體連接如下。

進(jìn)氣回路：氣源→二聯(lián)件→二位五通雙電控?fù)Q向閥4（右位）→垂直氣缸B（下腔）→垂直氣缸B 缸縮回。

排氣回路：垂直氣缸B（上腔）→單向節(jié)流閥7 →二位五通雙電控?fù)Q向閥4（右位）→大氣。

1.3.6 送料氣缸C 的縮回過程

送料氣缸C 的縮回過程由二位五通雙電控?fù)Q向閥控制，當(dāng)5YA 得電時(shí)，二位五通雙電控?fù)Q向閥右位工作，送料氣缸C 縮回，氣路的具體連接如下。

進(jìn)氣回路：氣源→二聯(lián)件→二位五通雙電控?fù)Q向閥5（右位）→單向節(jié)流閥8 →送料氣缸C（右腔）→送料C 缸縮回。

排氣回路：送料氣缸C（左腔）→二位五通雙電控?fù)Q向閥5（右位）→大氣。

1.3.7 蓋章機(jī)的循環(huán)控制

當(dāng)送料氣缸C 縮回并壓下SQ3，并且垂直氣缸B 縮回并壓下SQ1時(shí)，二位五通單電控?fù)Q向閥1YA 再次接通，實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制。

2 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的電氣回路的設(shè)計(jì)

根據(jù)蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的控制原理，結(jié)合氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁閥動(dòng)作順序設(shè)計(jì)蓋章機(jī)的電氣控制回路原理圖，如圖2所示。蓋章機(jī)的電氣控制部分主要采用按鈕、繼電器、行程開關(guān)、電磁換向閥及傳感器對蓋章機(jī)的動(dòng)作過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

圖2 蓋章機(jī)電氣回路圖

蓋章機(jī)電氣控制回路的原理分析如下。1）平移氣缸A 的前伸過程：1YA（+）。按下啟動(dòng)按鈕SB1，中間繼電器KA1得電自鎖，其常開觸點(diǎn)閉合，在初始位置行程開關(guān)SQ1和SQ3被壓下，中間繼電器KA2得電，電磁閥線圈1YA 得電，實(shí)現(xiàn)氣缸A 的前伸動(dòng)作。2）垂直氣缸B 的前伸過程。當(dāng)平移氣缸A 伸到一定位置時(shí)，傳感器B2檢測到信號，使中間繼電器KA3得電，電磁閥線圈2YA 得電，實(shí)現(xiàn)垂直氣缸B 的前伸動(dòng)作。同時(shí)，垂直氣缸B 活塞桿離開SQ1，中間繼電器KA2失電，其常開觸點(diǎn)復(fù)位，使電磁閥線圈1YA 失電，實(shí)現(xiàn)平移氣缸A 的縮回動(dòng)作。3）送料氣缸C 的前伸過程。當(dāng)垂直氣缸B 下降到一定位置時(shí)，壓下行程開關(guān)SQ2，使電磁閥線圈4YA 得電，實(shí)現(xiàn)送料氣缸C 的前伸過程。

同時(shí)，當(dāng)垂直氣缸B 向下伸出，壓下行程開關(guān)SQ2且氣缸A 縮回至B1時(shí)，中間繼電器KA4得電，其常開觸點(diǎn)閉合，使電磁閥線圈3YA 得電，實(shí)現(xiàn)垂直氣缸B 的縮回動(dòng)作。4）送料氣缸C 的縮回過程。當(dāng)送料氣缸C 伸出，壓下行程開關(guān)SQ4且垂直氣缸A 縮回并壓下SQ1時(shí)，使電磁閥線圈5YA得電，實(shí)現(xiàn)送料氣缸C 的縮回動(dòng)作。5）蓋章機(jī)的循環(huán)控制。當(dāng)送料氣缸C 縮回并壓下SQ3且垂直氣缸B 縮回并壓下SQ1時(shí)，二位五通單電控?fù)Q向閥1YA 再次接通，實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制。6）停止。按下停止按鈕SB2，中間繼電器KA1失電，其觸點(diǎn)復(fù)位，整個(gè)電氣控制回路失電，蓋章機(jī)完成一次工作后停止。

3 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的仿真

根據(jù)蓋章機(jī)的動(dòng)作要求在Fluid SIM-P 仿真軟件上繪制蓋章機(jī)氣動(dòng)回路圖和電氣控制圖，并用Fluid SIM-P 氣動(dòng)仿真軟件對其進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖能滿足蓋章機(jī)的動(dòng)作要求，并按其動(dòng)作順序進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。下文中僅以蓋章機(jī)的送料控制過程為例來驗(yàn)證其仿真過程。

蓋章機(jī)蓋完章后的送料過程的仿真圖如圖3所示，其原理分析如下：按下啟動(dòng)按鈕SB1，中間繼電器KA1得電自鎖，其常開觸點(diǎn)閉合。在初始位置行程開關(guān)SQ1和SQ3被壓下，中間繼電器KA2得電，電磁閥線圈1YA 得電，二位五通單電控電磁換向閥（左位）工作，實(shí)現(xiàn)氣缸A 的前伸動(dòng)作。當(dāng)平移氣缸A 伸到一定位置時(shí)，傳感器B2檢測到信號，使中間繼電器KA3得電，電磁閥線圈2YA 得電，二位五通雙電控電磁換向閥4 左位工作，實(shí)現(xiàn)垂直氣缸B 的向下伸出的動(dòng)作。同時(shí)氣缸B 活塞桿離開SQ1，中間繼電器KA2失電，其常開觸點(diǎn)復(fù)位，使電磁閥線圈1YA 失電，二位五通單電控電磁換向閥（右位）工作，實(shí)現(xiàn)平移氣缸A的縮回動(dòng)作。當(dāng)垂直氣缸B 下降到一定位置時(shí)，壓下行程開關(guān)SQ2，使電磁閥線圈4YA 得電，二位五通雙電控電磁換向閥5（左位）工作，實(shí)現(xiàn)送料氣缸C 的前伸過程。與此同時(shí)，當(dāng)垂直氣缸B 向下伸出，壓下行程開關(guān)SQ2且氣缸A 縮回至B1時(shí)，中間繼電器KA4得電，其常開觸點(diǎn)閉合，使電磁閥線圈3YA 得電，二位五通雙電控電磁換向閥4（右位）工作，實(shí)現(xiàn)蓋章氣缸B 的縮回動(dòng)作。

圖3 蓋章機(jī)送料過程的仿真圖（元件注解同圖1、圖2）

經(jīng)蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)原理分析及仿真結(jié)果顯示，該文設(shè)計(jì)的蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)3 個(gè)氣缸的推料、蓋章和送料3 個(gè)循環(huán)動(dòng)作過程，并滿足蓋章機(jī)的控制要求。

4 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試及結(jié)果分析

蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)回路的組裝與調(diào)試如圖4所示，在FESTO 氣動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上完成蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)回路的組裝過程，具體步驟如下：1）根據(jù)元件明細(xì)表選取并安裝固定元件。2）根據(jù)圖1 將各元器件進(jìn)行連接，連接時(shí)按進(jìn)氣回路和排氣回路進(jìn)行連接。連接時(shí)要仔細(xì)，不能有漏接或錯(cuò)接現(xiàn)象。3）根據(jù)圖2 完成電路的連接。4）回路的檢查。安裝完成后，必須按照圖1 及圖2 進(jìn)行檢查，逐步檢查是否錯(cuò)接、漏接，檢查氣管連接是否牢固等。5）通電調(diào)試。確定蓋章機(jī)控制系統(tǒng)的氣動(dòng)回路及電氣控制回路安裝無誤后，才能進(jìn)行通電調(diào)試。打開實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，設(shè)定系統(tǒng)壓力為300kPa。初始位置傳感器B1被檢測到，行程開關(guān)SQ1、SQ3被壓下，其常開觸點(diǎn)閉合。按下按鈕SB1時(shí)，平移氣缸、垂直氣缸和送料氣缸依次動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)蓋章機(jī)的推料、蓋章和送料3 個(gè)動(dòng)作的循環(huán)控制過程。按下停止按鈕SB2，蓋章機(jī)完成一次工作循環(huán)后停止。

圖4 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)回路的組裝與調(diào)試

試驗(yàn)結(jié)果顯示，該文設(shè)計(jì)的蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)能在FESTO 氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上模擬蓋章機(jī)的控制過程，可以實(shí)現(xiàn)推料→蓋章→送料3 個(gè)動(dòng)作過程并能循環(huán)動(dòng)作。其動(dòng)作過程滿足蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的控制要求，并在運(yùn)行過程中可根據(jù)現(xiàn)場的工作需要控制蓋章機(jī)的運(yùn)行速度。

5 蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)如下：首先，蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的控制采用電磁閥換向，并與電氣控制相結(jié)合，具有操作方便、靈活，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。其次，蓋章機(jī)的推料、蓋章和送料過程采用雙作用的單桿活塞式氣缸驅(qū)動(dòng)，推料、蓋章及送料的速度分別由單向調(diào)速閥6、7、8 進(jìn)行控制，并采用排氣回路節(jié)流調(diào)速方式，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好。最后，與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的控制具有系統(tǒng)簡單、運(yùn)行安全、能實(shí)現(xiàn)蓋章機(jī)的循環(huán)控制以及傳動(dòng)平穩(wěn)性高等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)論

在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，蓋章機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。該文針對蓋章機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。先分析蓋章機(jī)的動(dòng)作順序要求，再分析蓋章機(jī)的推料、蓋章和送料的動(dòng)作過程，設(shè)計(jì)出蓋章機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)回路和電氣控制回路，并通過Fluid SIM-P 仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終在FESTO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)推料→蓋章→送料→原位停止多個(gè)動(dòng)作過程的循環(huán)控制。

通過該自動(dòng)蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真分析及試驗(yàn)運(yùn)行調(diào)試，氣動(dòng)蓋章機(jī)的設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期要求，滿足自動(dòng)推料、蓋章和送料等性能要求。實(shí)踐證明，該氣動(dòng)蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)簡單、運(yùn)行安全，能實(shí)現(xiàn)蓋章過程的循環(huán)控制，并滿足蓋章機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)控制要求，有一定的應(yīng)用價(jià)值。