双手动安全控制回路课程程设计.doc

课程设计（论文）题 目： 双手动安全控制回路的设计 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 学 生： （ ）指导老师： 时 间： 2011/12/19 2012/1/5 摘 要在电气技术迅速发展的今天，安全控制的平板压力机在工农业生产、人们日常生活中的应用越来越广泛。研究压力机的控制和工作方式，对提高系统响应速度、节约能源等都具有重要意义。由于气动压力机输出力是柔和，恒定的压力及可调的速度，保持压力的情况下完成工件的装配与变形，用于装配与成形等工艺，气动主要优点是功耗低，输出力对模具以及工件没有损伤，出力柔和，工作效力率高，且占地面积小，操作方便，如配上压力传感器后，输出的压力更加具有直观性，使工艺更具可控性。为安全考虑，利用PLC的与门电路和延时继电器实现延时功能，主要对电路进行设计，使其能够仅在双手同时（信号在0.5秒的间隔内）按下按钮时安全启动，并且一个手松开的话，通过使用快速排气阀使气缸的活塞杆尽可能快的迅速返回，活塞杆的伸出和返回速度可以用单向节流阀进行无级调节等。双手动主要是基于安全的考虑，实现双手动开启方式，防止工作人员在操作压力机时压伤双手。完成气动回路的设计之后对气缸的直径进行计算，在国家标准系列选择了直径为250mm的气缸，并计算出耗气量，由耗气量选择适合的单向节流阀等，同时对电路图进行设计。关键词 气动回路 ，无级变速 ，双手动目录第1章 概述··············································11.1气压传动技术的特点和发展趋势··································11.1.1气压传动技术的特点··································11.1.2气压传动技术的发展趋势·································1第2章 系统方案设计··································22.1气压传动的优缺点···········································22.1.1气压传动的优点·········································22.1.2气压传动的缺点·······································22.2气压传动的工作原理和组成···································22.3系统设计原理··············································3第3章 详细设计·······································53.1气缸的设计··············································53.1.1活塞·················································53.1.2活塞杆··········································53.1.3导向套···············································53.1.4密封·············································63.2气缸的计算及选取······································63.3阀的选择和使用·········································73.3.1耗气量的计算·············································73.3.2流量控制阀的选用··········································73.3.3电磁阀的选择·······································8第4章 气动回路和电路图的设计·························104.1气动回路的设计············································104.2功能设计··············································114.3电路图的设计············································13参考文献···································14致谢·····················································15第 1 章 概 述1.1气压传动技术的特点和发展趋势1.1.1气压传动技术的特点近20年来，随着气压传动技术与电子技术的结合，气压传动技术的应用领域迅速拓宽，尤其在各种自动化生产线上的到广泛应用。电气可编程控制技术与气压传动技术相结合，使得整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气压传动技术提出了更多更高的要求；气压传动技术从开关控制进入闭环比例、伺服控制，控制精度不断提高。且气压传动具有如下特点：1.采用气压缸做动力执行元件，运动稳定可靠；2.工作过程无冲击，可极大地提高工作效率、加工质量和模具寿命；3.双手按纽操作，安全性高；有脚踏开关备用，释放双手提高了工作效率；4.自动冲床周期时间可调，电子控制可自动连续冲压，用于机电一体化领域；5.用户可指定相关配件品牌。1.1.2气压传动技术的发展趋势纵观世界气动行业的发展趋势，气压传动技术的发展动向可归纳如下1.机电一体化 由“PLC+传感器+气动元件”组成的控制系统是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气压传动技术从“开关控制”进入高精度的“反馈控制”；复合集成化系统不仅减少配线、配管和元件，而且拆装方便，大大提高系统的可靠性。2.轻量化、小型化和低功耗 采用铝合金及塑料等新型材料，并且进行强度设计，重量大为减轻，如已制造出4克重的电磁阀；元件制成超薄·超短·超小型，如宽6mm的电磁阀，缸径4mm的双作用气缸；电磁阀的功耗可降至0.1W。3.高质量·高精度·高速度 电磁阀的寿命可达300万次以上，气缸的寿命达20006000km；定位精度达0.50.1mm;小型电磁阀的换向频率可达数十赫兹，气缸的最大速度可达3m/s。4.无供油 不供油润滑元件组成的系统不污染环境，系统简单，节省润滑油，且摩擦力稳定，成本低，寿命长，适应食品的、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的需要。 第 2 章 系统方案设计2.1气压传动的优缺点2.1.1气压传动的优点气压传动与液压传动、机械传动相比较，气压有诸多优点，如（1）工作介质为空气，取之不尽，来源方便，用过后直接排入大气，不会污染环境（2）工作环境适应性好，在易爆、易燃、多尘埃、辐射、强磁、震动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统将工作工作安全可靠。对于要求高净化、无污染的场合，如食品加工、印刷、精密检测等更具有独特的适应能力。（3）空气粘度小，流动阻力小，便于介质集中供应和远距离输送。（4）气动控制动作迅速·反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度；在一定范围内的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。（5）气动元件结构简单，易于加工制造，使用寿命长，可靠性高。（6）维护简单，管道不易堵塞，不存在介质变质、补充和更换等问题。2.1.2气压传动的缺点同时气压传动也有一些不足：（1）气体压缩性大，气缸的运动速度易随负载的变化而变化；（2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸的低速稳定性不如液压缸；（3）目前，气动系统的压力级（一般小于0.8MPa）不高，总的输出功率不大；（4）工作介质空气没有润滑性，系统中必须采取措施对元件进行润滑；（5）噪声大 尤其在超声速排气时，需要加消声器。由于气体传动有以上的优点，此工作负载F=1000Kgf，P=5Kgf/cm2，压力较小，故在此系统中采用气压传动。2.2气压传动的工作原理和组成一般而言，气压传动系统包含以下四部分组成：1.气源设备气源设备由空气压缩机或真空泵构成，有的还配有储气罐、气源处理元件等附属设备。它将原动机提供的机械能转变为气体的压力能。气动设备较多的厂矿常将气源装置及其附件集中于一处，组成中央气压站，由中央气压站向各处用气点分送压缩空气。2.气动执行元件气动执行元件起能量转换作用，把压缩空气的气压能转换成驱动装置的机械能，如气缸输出直线往复运动的机械能，摆动气缸和气动马达分别输出回转摆动和旋转的机械能。对于以真空动力为动力源的系统，采用真空吸盘以完成各种吸吊作业。3.气动控制元件气动控制元件是用来调节和控制压缩空气的压力、流量和流动方向，使执行元件按照要求的程序和性能工作。气动控制的元件种类繁多，除基本的压力控制·流量控制·方向控制三大类型阀以外，还包括各种逻辑元件、射流元件，以实现“是”、“与”、“非”等逻辑功能。4.气动辅助元件气动辅助元件是提供元件内部润滑、消除排气噪声、进行元件间的连接，以及进行信号转换、显示。放大、检测等所需的各种气动元件。如油雾器消声器、管件及管接头、气液转换器、限位开关、气动传感器等。2.3系统设计原理如图（1），空气压缩机保证气压传动和控制系统正常工作的动力源，即气源，将机械能转换为空气的压力能，气体的压力能推动执行机构气缸完成往复的直线运动，又将压力能转化为机械能，在此过程中，通过节流阀和快速排气阀对气体流量进行控制以达到对运动过程中活塞杆速度的控制，使气缸的活塞杆能够按照慢进快退的工作要求，此系统中采用带磁性活塞环的双作用气缸，电磁阀采用带弹簧复位的二位五通换向阀。图（1）原件表位置号 数量 说明 04 1 带磁性活塞环的双作用汽缸 31 1 带弹簧复位的（5/2）二位五通电磁换向阀 15 1 单向节流阀 16 1 快速排气阀 37 1 开关盒，1个控制开关，2个按钮 34 3 带4个转换触点的继电器 36 1 继电延时继电器 50 1 稳压电源 41 1 显示单元 42 1 接线端子盒 01 1 压缩空气预处理单元02 1 压缩空气分配器实验室用导线，气管若干。第 3 章 详细设计3.1气缸的设计气缸由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件组成。双作用气缸的结构分成两个腔室，有杆腔和无杆腔，有活塞杆的称为有杆腔，无活塞杆的称为无杆腔，当压缩空气进入无杆腔时，压缩空气作用在活塞右端面上的力将克服各种反方向作用力，推动活塞前进，使有杆腔的空气排入大气，使活塞杆伸出，；反之，当压缩空气进入气缸的有杆腔时，活塞便向左运动，活塞杆退回。气缸无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，使活塞杆伸出和退回，气缸实现往复直线运动。为了减缓运动冲击，在活塞端部设置缓冲柱塞，在端盖上开有相应的缓冲柱塞孔，并装在缓冲节流阀，和缓冲密封圈，组成气缸的缓冲装置，当活塞运动接近行程末端，缓冲柱塞进入缓冲柱塞孔，主排气通道被堵死，排气腔内的剩余气体只能通过缓冲节流阀排出。排气腔内气体压力升高，使活塞运动速度渐减，达到缓冲的目的。调节缓冲节流阀开度，可控制活塞的缓冲程度，这种设置缓冲装置的气缸称为缓冲气缸。本设置缓冲装置的气缸称为无缓冲气缸。3.1.1活塞压缩空气作用在活塞面上产生推力做功，并在缸筒内滑动。活塞材料应具有足够的强度和良好的滑动性能，特别是耐磨性和不发生“咬缸”现象。活塞的宽度和密封圈的数量，导向环的形式等因素有关，从使用上讲，活塞的滑动面小容易引起早期磨损，一般活塞的宽度为缸经的20%25%。3.1.2活塞杆活塞杆是用来传递力的零件，要求能承受拉伸、压缩、振动等负载，表面耐磨，不发生锈蚀，一般选用碳钢、精轧不锈钢等材料。钢材表面需要镀铬及调质处理。气缸使用时必须注意活塞杆的强度问题。（1） 由于活塞杆头部螺纹连接处受惯性负载的冲击而遭受破坏。（2） 承受推力负载时，应注意细长杆的压杆稳定性问题。（3） 气缸水平安装时，活塞杆伸出因自重引起的活塞杆头部下垂的问题。3.1.3导向套导向套的作用是用活塞杆往复运动时导向，应具有良好的滑动性能，能承受由于活塞杆的受负载时引起的弯曲、振动及冲击。常用聚四氟乙烯复合材料和其他复合树脂材料，及铜颗粒烧结的含油轴承材料。导向套内经尺寸容许公差取H8，表面粗糙度Ra0.4。3.1.4密封1）缸盖和缸筒的连接的密封 一般采用O型密封圈安装在缸盖和缸筒配合的沟槽内，有时也采用橡胶等平垫圈安放在连接止口上，构成平面密封。2）活塞的密封 活塞有两处地方需要密封，一处是活塞与缸筒之间的动密封，除了用O型密封圈和唇形密封圈外，也有W型密封。它是把活塞与橡胶硫化成一体的密封结构，W型密封是双向密封，轴向尺寸小。另一处是活塞与活塞杆连接处的静密封，一般用O型密封圈。3)活塞杆的密封 在缸盖的沟槽里放置里放置唇形的密封圈和防尘密封圈，或防尘组合密封圈，保证活塞杆往复运动时的密封和防尘。4）缓冲柱塞的密封 有两种方法：一种是在缓冲柱塞的沟槽里安放孔用唇形密封圈，另一种是在缸盖上压入气缸缓冲专用密封圈。它是在圆形缸盖上硫化了一个唇形密封圈构成。这种缓冲专用密封圈的缓冲性能比前者好。近年出现的浮动缓冲密封结构，它是在缸盖上浮置了一个唇形密封圈。当缓冲柱塞进入缓冲后，浮置的唇形密封圈能随缓冲柱塞移动一小段距离。采用这种浮动密封结构，能降低对气缸零件加工和安装的同心度要求，保证缓冲的密封要求。3.2气缸的计算及选取轴向负载力给定为F=1000,压力P=46取P=51） 缸径的计算确定气缸的轴向负载力，F=1000。2）由气缸的平均速度来选定气缸的负载率a，取平均速度为200表1阴性负载（静负载）惯性负载的运动速度<100 >500 0.8 0.65 0.5 0.35由上表可知=0.53)确定缸经的工作压力P=换算为国际单位 P=5=5*9.8*10000/1000000=0.494）由计算公式 （3-1） 式（3-1）带入数值后可计算出 D=226。元整到国家标准系列尺寸选缸径为250。气缸活塞行程系列根据标准系列选择400。3.3阀的选择和使用3.3.1耗气量的计算耗气量即为气缸往复一个行程的情况下，气缸以及缸与换向阀之间的配管内所消耗的空气量（标准大气压状态下）。最大耗气率是气缸活塞以最大速度运动时，单位时间内所消耗的空气量（标准大气压状态下），耗气量是选择流量阀的依据，故需要计算气缸的最大耗气量。 气缸的最大耗气量： Q=活塞面积 x 活塞的速度 x 绝对压力 通常用的经验公式 (3-2)Q-标准状态下的气缸最大耗气量（L/min） D-气缸的缸径（cm） v-气缸的最大速度（mm/s） p-使用压力（MPa）由式(3-2)带入数值后得到Q=3392.5L/min，元整为标准额定流量为3400 L/min。3.3.2流量控制阀的选用节流阀是依靠改变阀的流通面积来调节流量的。一般要求节流阀流量的调节范围比较宽，能进行微小调节，调节准确，性能稳定，阀芯开度与通过的流量成正比，一般有平板阀、针阀和球阀等几种类型。单向节流阀有单向阀和节流阀组合而成的起流量调节作用的单向阀。气流沿一个方向流动时，单向阀关闭，经节流阀节流；反向流动时，单向阀打开，不经节流阀。常用来做控制气缸的运动速度。根据下表由额定流量3400 L/min可得出：公称直径为15mm接管螺纹为M22×1.5 Kv、C值为3.0在额定流量下的压力降小于15 KPa，有效截面积为40。表2公称通径（）346810152025接管螺纹M50.8M50.8M101M141.5M181.5M221.5M272M332Kv、C值（）0.150.30.51.02.03.05.69.6标准额定流量Q(L/min)170340570115023003400630010900在额定流量下的压降（KPa）2020201515151212有效截面积S值（）34510204060110根据耗气量3400L/min选择公称通径为15mm的单向节流阀。3.3.3电磁阀的选择电磁阀是气动控制元件中最主要的元件，是利用电磁线圈通电时，静铁芯产生的电磁吸力使阀切换以改变气流方向的阀，全称为电磁控制方向阀，简称电磁阀。其电气结构包括电磁铁、接线座及保护电路。这种阀易于实现电、气联合控制，能实现远距离操作，因此得到了广泛的应用。按其操纵方法，有直动式和先导式两类，按结构，有滑柱式、截止式和同轴截止式三类。按密封形式，有间隙密封和弹性密封两类。按所用电源，有直流和交流两类。按所使用的环境，有普通型和防爆型等。按润滑条件，有不给油润滑和油雾润滑等。要控制气缸完成慢进快退的功能要求，故需选择五位二通先导电磁阀，当电磁线圈通电时，阀动作换向，活塞杆工作，断电时，阀杆在弹簧力的作用下复位，活塞杆快速复位。这种单电控制阀在电控信号消失后，复位方式有弹簧复位、气压复位及弹簧加气压的混合复位。本电磁阀采用弹簧复位。因为弹簧复位工作可靠，但在工作气压较低或波动时，其复位力小，阀芯动作不稳定。 为弥补其不足，可以另加一个弹簧，形成复合复位形式，同时可以适当减小复位活塞直径。第 4 章 气动回路和电路图的设计4.1气动回路的设计设计的气动回路图如图所示，按照要求，当不通电时，活塞杆处于位于气缸里，当双手同时触动开关后，电磁阀得电动作，气体从14路进入气缸推动活塞杆以工作速度伸出，起到压力作用；当一只手松开或两只手都松开时，电磁阀的电磁铁失电，弹簧复位，气体从32路进入气缸，推动活塞杆尽可能快的复位。(图2)当电压加到带弹簧复位的（5/2）二位五通电磁换向阀的电磁铁Y1（14）上时，双手动Z1的活塞杆伸出；当换向阀的电磁铁断电时，通过使用快速排气阀，可以使汽缸Z1的活塞杆以尽可能快的速度返回到他的终端位置；活塞杆的伸出和返回速度可以用单向节流阀进行无级调节。4.2功能设计如下面的功能图，利用PLC的与门实现在只有双手同时压下S1、S2时，或者两手动作前后时差在0.5秒内，气压机才进行冲压动作，且在工作过程中需要一直按住双手。若上述条件有一个不满足，则气压机不动作。（图3）具体来说，为了工人的人身安全，在操纵冲压机时，必须遵守一定的安全规范，为了避免出现不安全动作，必须强迫操作者是用双手来同时操作此双手动按钮；双手动按钮必须在0.5秒间隔以内被按下并且一直按住，为了使平板压力机的执行元件（气缸）能够将两个平板压在一起；如果双手动按钮的一个松开的话，那么。气缸会尽可能的快速的返回到初始位置；如果双手动控制按钮不能在0.5秒间隔内同时按下，那么，冲压过程就不会发生；如果只有一个双手动按钮被按下，或者其中的一个被机械的方式锁定，或者一个触点被短路的话，那么按住另外一个按钮，则动作不会发生。只当两个信号在0.5秒内同时出现，冲压动作才能发生。4.3电路图的设计此电路图的动作过程为：当S1和S2同时按下时继电器K1和K2得电，触头K1和K2闭合，通电延时继电器K4得电，K3继电器得电自锁，K3触头得电闭合，压力机活塞杆开始冲压动作，0.5秒后K4常开触头闭合，常闭触头打开，H1指示灯亮，当S1或者S2任意一个松开时，K3继电器失电断开，压力机回到初始位置。当S1和S2非同时按下但间隔时间在0.5秒之内时，继电器K1和K2得电，触头K1和K2闭合，通电延时继电器K4得电，K3继电器得电自锁，K3触头得电闭合，压力机活塞杆开始冲压动作，小于0.5秒的时间后K4常开触头闭合，常闭触头打开，H1指示灯亮，当S1或者S2任意一个松开时，K3继电器失电断开，压力机回到初始位置。当S1和S2非同时按下但间隔时间大于0.5秒时，比如先按下S1时，K1得电，K1触头闭合，通电延时K4继电器得电，0.5秒后K4常开触头闭合，常闭触头打开，H1指示灯亮，此后再按下S2时，K4依然得电，常闭触头仍处于打开状态，故压力机不动作。 （图4）电路图各元件说明：两个控制按钮S1和S2分别使控制各自的继电器K1和K2带电，第三条控制线路上电压通过触点K1和K2和常闭触点K4加到继电器K3上，第九条控制线路上的触点K3使电磁铁Y1带电，气缸的活塞杆伸出，通电延时继电器或者被第五条控制线路上的触点K1，或者被第七条控制线路上的触点K2所控制。第八条控制线路上的延时触点闭合，显示灯H亮，两个控制按钮S1和S2任意一个闭合，在0.5秒间隔之后，第四条控制线路上的触点K4断开。使继电器K3断电，从而电磁铁断电。参考文献【1】 徐炳辉.气动手册. 上海：上海科学技术出版社，2005.1【2】 杨帮文.液压阀和气动阀选型手册.北京：化学工业出版社，2009.4【3】 吴筠，陈启夏.气动工程手册.北京：国防工业出版社.1995【4】 现代机械设备设计手册编辑委员会，张建寿.现代机械设备设计手册第12篇气压传动与控制.1996【5】 杨帮文，黄滢.液压阀和气动阀选型手册.北京：化学工业出版社，2009.4【6】 翼宏，杨华勇.液压气压传动与控制.武汉：华中科技大学出版社，2009.9【7】 王积伟，章宏甲.液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2007【8】 吴筠，徐炳辉.机械工程手册“气压传动篇”.北京：机械工业出版社.1982【9】 清华大学力学系气动组，上海机械学院射流教研组.气动技术.北京：1976【10】 陆鑫盛，周洪编.气动自动化系统的优化设计.上海：上海科学技术文献出版社.2000【11】 王守城.液压与气压传动.北京：北京大学出版社，2008【12】 B Anbony-pneumatic Handbook，7th ed.London：Trade&Technical Press Ltd.1989【13】 ISO 63581989 Pneumatic Fluid PowerComponents using Compressible FluidDetemination of Flowrate characteristics【14】 小金井有限公司等.空气压讲习会，1993【15】 路甬祥.液压气动技术手册.北京：机械工业出版社，2002【16】 SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术.北京：机械工业出版社.1997【17】 EB，盖尔茨.气动元件和系统.李建藩，徐炳辉，盛永才译.北京：机械工业出版社.1990致谢衷心的感谢马老师耐心的对我本次课程设计指导，在这三周的时间里，马老师不仅督促我课程设计的进度，而且对我的课程设计进行了大体的框架的建立，使我茅塞顿开，我有设计上的困难时，和小组成员讨论不下时，也会请教马老师，在此期间，马老师帮我解决了很多设计时遇到的困难，真诚的感谢老师。同时，感谢我们小组的组员，大家有些资料一起分享，一些设计上的困难一起讨论，让我体会到了团队的友好合作精神，感谢你们！在设计的开始，我面临种种问题，不知道如何下手，马老师帮我建立了大体框架后，我们小组成员就一起找资料，一起讨论，一步步做下来，感觉自己不仅学到了一些气压传动技术的知识，更重要的我学会了如何查一些资料，并快速的消化。现在回头看来这次课程设计，当然由于本人水平有限，不足之处在所难免，但都是自己和组员一步一步查找资料，认认真真做下来，所以心里竟也有一丝丝喜悦之情。最后再次感谢马老师的细心指导，感谢组员的帮助，谢谢你们！