毕业设计（论文）-气动实验台的制作和实验开发.doc

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1、I 气动实验台的制作和实验开发 摘 要 本文针对提出研制开放性和多功能性气动实验台的设想，论述了气动实验台的制 作和实验开发过程。提出了四种可行性方案，通过多方面的对比，选择出最佳方案进 行设计和加工。在实验开发阶段，利用 festo 软件对全气动控制和继电器控制回路进 行仿真，针对控制过程编制 PLC 控制程序，用组态王进行了初步仿真。由于加工零件 数量有限，在实验面板上连接了一简单气动控制回路，验证面板的功能，通过该实验 能够初步验证实验台的功能。 关键词：气动实验台，设计加工，实验仿真 II The Production Of Aerodynamic Test-bed And Exper

2、imental Development ABSTRACT This article mainly introduced the development of openness and versatility of the idea of pneumatic test-bed , pneumatic test on the production and experimental development.we put forward four options and compare all of them, then choose the best design. In the experimen

3、tal stages of development, the use of software for all festo pneumatic control and relay control loop simulation, the control process for the preparation of PLC control program, with a preliminary Kingview simulation.The help of three aspects of the above experiment, we can make a desicion that this

4、 bed meet our expect. KEY WORDS: Pneumatic board，Design and processing，Experimental simulation III 目 录 1 绪论 1 1.1 设计背景和目的.1 1.2 国内外发展现状 2 1.3 课题目的和任务 4 2 总体方案设计.5 2.1 方案设计 5 2.2 方案比较 9 3 实验台的设计和制作 .11 3.1 元器件原始参数 .11 3.2 实验台设计 .12 3.2.1 元器件装配图12 3.2.2 推杆的设计13 3.2.3 气动控制阀底板的设计14 3.2.4 限位开关、电磁换向阀、手动开关

5、底板的设计15 3.2.5 固定销的设计15 3.2.6 垫板的设计16 3.2.7 气缸支架的设计16 3.2.8 推杆旋转辅助件的设计17 3.2.9 面板的设计17 3.2.10 其他辅助零件 .18 3.2.11 面板支架的设计 .19 3.3 实验台加工制作 .20 3.3.1 推杆的加工20 3.3.2 面板的加工20 4 实验开发 .23 4.1 FESTO软件的辅助设计 23 4.2 实验开发内容 .24 4.3 气动控制回路设计 .25 4.4 继电器控制回路设计 .26 4.5 PLC 控制回路设计 .29 IV 4.5.1 PLC 程序 29 4.5.2 组态王的仿真31

6、 5 总结 .34 5.1 总结 .34 5.2 心得体会 .34 致谢 .37 参考文献 .38 气动实验台的制作和实验开发1 1 绪论 1.1 设计背景和目的 液压和气压传动统称为流体传动，他们都是以流体（如压力油或空气）为传动介 质，利用各种控制元件组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组成能完成一 定控制功能的传递系统来进行能量的传递、转换与控制。液压传动所用的工作介质为 液压油或其他合成液体，气压传动所用的工作介质为空气，由于这两种流体的性质不 同，所以液压传动与气压传动各自具备不同的特点。液压传动传递动力大，运动平稳， 但由于液体粘性大，在流动过程中阻力损失大，因而不适于做远距

7、离传动和控制；气 压传动由于空气的可压缩性大，且工作压力低，所以传递动力不大，运动也不如液压 传动平稳，但空气粘性小，传递过程中阻力小、速度快、反应灵敏，所以广泛应用于 远距离的传动和控制15。 随着科学技术的发展和我国现代化进程，清洁环保、能耗低的仪器设备越来越备 受青睐，气压传动由于其使用空气作为传动介子，来源广泛、成本低；在传动过程中 废气可以直接排泄，不会产生二次污染；一个气压站可供多台仪器使用，在传递过程 中噪音低等特点，不仅有逐步取代液压传动在工程技术中运用的趋势，而且也将在新 动力能源的开发方面越来越彰显其主导地位，如气动扳手、气动夹具、气动滑槽、空 气锤、组合机床等。 现代教学

8、体制的改革对学生要求和社会对人才的需要，已不仅仅局限于知道课内 的相关理论知识和实验参考书上的实验要求，而是要具备知识的灵活应用和解决实际 问题的能力。为了满足这一要求，学生在校不仅要养成积极思考的习惯，学校也要给 学生提供良好的知识引用和思维发展的空间。为了满足诸多因素的要求，我们提出了 设计多功能开放性气动实验台的的设想。 液压与流体传动是我们专业开设的基础课程，主要讲授流体传动的基本理论和常 见应用。在理论学习过程中，很多元器件不能直观了解他的结构和功能；而在实践学 习中，我校配备的相关仪器设备由于购买时间较早，只能完成几个预定的实验，已不 再适应于现代化教学的需要和学生对知识的渴望。

9、实验台设计的目的主要是为了用于液压与气动课程实验教学使用，因此，必 须首先满足教学的基本实验要求，应能涵盖教学中涉及到的主要实验：其次，为了培 养学生的创新能力，提供一个便于元件固定和连接的操作平台，各元件位置、系统组 成不固定，可由实验者自行选择元件和组成回路，保证系统具有良好的开放性；第三， 充分发挥机、电、气一体化的特点，充分考虑到微电子技术及先进控制技术在液压与 气动系统中的应用,采用多种控制方式，提供几种技术结合的接口和设备条件；第四， 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2 应充分考虑到实验设备还要为科研工作服务，实验台的功能和性能参数应能满足一般 性科研工作的要求，使本实验台具有广

10、泛的适应性。 1.2 国内外发展现状 开放性实验台的设计和应用在国外已经很娴熟，气动实验台也不例外。他们将现 代的先进科学技术与实验台相接和，使得实验台不仅功能完善，而且操作简单。现在 国际上比较流行的设备主要有德国的乐力士和 festo 公司的产品。乐力士产品的主要 特点是面板为双面，可同时供两组学生进行实验；配备了快速插口，可以方便的插接； 实验台充分考虑了各种需要，辅助设备完善，如书写垫板、抹布挂钩、计算机扩展插 口等；元器件种类丰富，能够模拟基本实验和开发型实验。如图 1-1 所示为 DS3 系列 的乐力士产品24。 图 1-1 德国乐力士产品 从图可见，实验面板的上端为电气控制模块，

11、包括继电器控制单元，PLC 控制单元， 电源分路单元、计算机接口等，中部位 4545L 带 10mm 槽宽的铝合金型材框架，用于 元器件的安装，下部为孔距为 25mm 用于存放元件的板件。 与乐力士产品相似，festo 的产品功能也很完善。首先，该实验台配备了多种的气 动元件,灵活的快换接头和软管,各元件的安装和固定都非常容易,并且密封性非常好； 其次，元件可以根据需要任意组合,搭成所需的实验回路；第三，该实验台还配备了液 压和气动仿真软件 FluidSIM 利用该软件，可以方便的绘制出符合工业标准的气动和液 压回路图,制图的同时，FluidSIM 软件还可以检查回路图结构的正确性。由于该软件

12、中 的元件参数的调节范围与实际设备完全一致，所以可对设计的回路进行准确的系统模 拟。学生可以充分发挥自己的想象力，利用该软件设计所需的气动回路，然后通过实 验台，现场安装、调试、检测所设计的回路，验证回路的正确性。 在国内，开放性实验台在各高校和教学仪器生产厂商也有研制。比如秦川机床厂 气动实验台的制作和实验开发3 生产的气动实验台如图 1-2 所示由图可见该产品的电气控制布局于右边面板，气缸与 元器件的位置分开布局，这样一方面可以方便操作，也节约了实验面板的空间。 图 1-2 秦川机床厂产品 图 1-3 为高联机床厂的产品。该气动-液压-PLC 综合控制实验台是根据高校机电一 体化对气、电、

13、液控制的教学大纲要求，在专利产品 YY-18 透明液压传动演示系统的 基础上，综合了气动-PLC 与液压-PLC 控制实验设备的优点，采用了开放型综合实验 台结构，广泛征求专家教授与老师的意见，经不断创新改进研制而成的。是目前集气 动控制技术、液压传动控制技术以 PLC 可编程序控制器控制技术于一体的理想的综合 性实验设备。实验时，它们可以相辅相成，交叉控制。可以让学生直观、感性地、了 解气、电、液各自具有的特点、特色、优点及缺点等。其基本配置为一个实验台配有 一套气动控制实验元件和一套液压控制实验元件，且各自配有独立的一套 PLC 电气控 制设备。 图 1-3 高联机床厂的产品 国内的研究机

14、构对各类实验台也有深入研究，在元器件控制方面，部分高校提出 了将面板设计为孔型，用三点定位的方法实现元器件的定位，硕博机床厂将其变为了 现实，如图 1-4 所示。也有研究机构提出真空吸盘的方案，其原理是利用真空发生器： 真空发生器主要由拉瓦尔管、扩压管和气体吸入室组成。拉瓦尔管和扩压器这两个部 件组成了一条断面变化的特殊气流管道，压缩空气通过拉瓦尔管喷嘴将压力能转变成 动能进行抽气，而混合气流通过扩压器又将动能转变压力能从而进行排气。供气口的 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4 供气压力高于一定值后，喷管射出超声速射流。由于气体的粘性,高速射流卷吸走吸入 室内的气体,使该腔形成很低的真空度，

15、将该腔与真空吸盘相连,便能吸住盘子。其特 点是：二次真空发生器具有无机械运动部件，不需润滑，抗振动，结构简单，工作稳 定可靠，使用寿命长等特点，完全适用吸盘对真空度的要求。更多的是部分高校对开 放性实验台控制部分的改进。比如使用 LabWindows/CVI 开发的虚拟仪器软件平台，将 其与实验台连接，使该系统能够在不同惯性负载和推力负载下，分别采用不同算法完 成位置伺服控制，并绘制相应的实验曲线，对实验面板进行模块化改进等23。 图 1-4 针孔式面板 1.3 课题目的和任务 通过分析其上国内外产品，现可将开放性实验台满足功能概括如下：将实验台上 分为继电器模块、PLC 控制模块和实验面板模

16、块三部分，在实验面板上，可灵合布局元 器件，自由组装回路实现气动控制。同时可以设计继电器回路和 PLC 控制程序，实现 继电器控制和 PLC 控制26。 设计开发的开放性气动实验台集气控、继电器控制以及 PLC 控制于一体，是一种 技术比较先进、综合性强的多功能实验设备。它把机、电、气、控、测等技术有机结 合在一起，不仅可以使学生对机电一体化产品及相关技术有较好的感性认识，而且还 可以让学生通过自己动手设计、操作、调试等过程的训练,加深对机电一体化技术理论 知识的理解，同时一机多能的开放性特征培养了学生的动手能力和综合应用知识的能 力，提高了学生的综合素质。该实验台对实践环节教学起到很好的作用

17、，这样利用一 个实验台，就能完成包括气动控制、继电器控制和 PLC 控制的多门课程实验设计要求。 气动实验台的制作和实验开发5 2 总体方案设计 2.1 方案设计 设计的气动实验台应具备以下特点:实现气动系统快速装卸和电路系统的快速装卸。 管路的连接采用气动专用快速接头和聚胺脂材料的软管。从而实现气动回路和系统的 快速安装和拆卸。学生能够根据所学书本知识自行设计回路,然后自行组装、实验、调 试、理论和实践充分地结合。而且气路走向,气动元件的作用以及气动回路的功能清晰 明了、直观,有利于理解教学内容。 a）方案一 ，方案主要借鉴于现有仪器设备后进行的参考设计。图中是德国乐力 士（Rexroth）

18、公司生产的 DS3synergy 系列产品，该产品同一实验台上可供两组同学 同时实验，并且配备有相互独立的控制系统，其布局如图 2-1 所示，元器件固定装置 如图 2-2 所示。 图 2-1 方案一面板 其上部主要是各种电气控制盒，包括继电器控制盒，PLC 控制盒和插班；中部位实 验区，可以随意布局元器件设计回路。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）6 图 2-2 方案一固定装置 面板采用燕尾槽，其是根据元器件定位机构确定的。配合原理如图 2-3 所示，固 定楔块 2 和活动楔块 3 为配合面，同时与面板的燕尾槽相配合，弹簧具有自动复位功 能，即当安装元器件时，活动楔块 3 在外力作用下沿固定

19、楔块 2 的沟槽向下运动，弹 簧受力压缩，达到预定位置后，弹簧恢复原长，使固定楔块 2 的外边缘夹紧在燕尾槽 内，活动楔块斜面与燕尾槽斜面相配合，实现加紧作用。螺杆 1 既可以定位弹簧在垂 直方向上，也可以将固定楔块 2 定位在元器件底板上。 1螺杆 2固定楔块 3活动楔块 4弹簧图 图 2-3 方案一装配图 b）方案二，本方案是借鉴于一种杆机构，并作了相应的改进。要使连个面之间比 较好的发生配和有两种方法：思路一，一步到位，即像方案一一样，借助于弹簧的压 缩和自动恢复功能，实现两个面间的配合；思路二，逐步到位，即在夹紧过程中，用 其他机构替代弹簧，如凸轮机构、螺旋机构、四杆机构等来实现元器件

20、与面板的渐进 气动实验台的制作和实验开发7 夹紧。使用弹簧必须给于其压力，还要考虑变形量对机构的影响，所以本方案将四杆 机构与螺旋机构相结合，采用第二条思路。如图 2-4 所示。 由于是逐步实现配合的过程，为了便于控制配合极限位置，所以选者使用楔形面 配合，即燕尾槽型面板。元器件安装在底板的背面，在旋转螺杆 1 上安装一辅助旋转 机构，当要固定元器件时，活动楔块 2 与固定楔块间处于近端，放入到两槽内，旋转 螺杆 1，杆机构会围绕回转点旋转，使得活动楔块 2 与固定楔块间的距离逐渐增大，从 而实现楔紧。 1螺杆 2活动楔块 3连杆（共四个）4底板（含一个楔形面）5连杆（带螺孔，共两个） 图 2

21、-4 方案二装配图 c）方案三，本方案是根据部分参考文献所提出的将面板设计为孔型26，再在元器 件上固定销，实现元器件的固定。 销孔 面板 图 2-5 方案三面板 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8 图 2-6 方案三固定装置 如图 2-5 所示，在面板上加工出一系列的点即可。配合原理为该方案将各种元件 都安装底座上，通过底座上的长销（可以是一个或多个）插入安装面板上的小孔内， 这样保证能让所有元件在安装面板上随意布置而不受限制。 d）方案四，该方案是对国产气动液压实验台作的参考设计。其面板布局如图 2-7 所示。 图 2-7 方案四面板 同市面流行的气动实验台面板模块化设计相当，其上部为继

22、电器控制模块、PLC 控 制模块、电源模块和程序模块，中间为 T 形槽实验面板。如图 2-8、2-9 所示，其为元 器件定位的前视图。 气动实验台的制作和实验开发9 图 2-8 电磁换向阀装配图 图 2-9 限位开关装配图 元器件固定在底板上，底板上同时还装有推杆和固定销，在推杆上附件有弹簧、 弹性档环和轴端档环。当要夹紧时，推动推杆到 T 型槽内，旋转推杆，使图 2-9 的两 大边卡入 T 型槽内，再由弹簧的回复力保证元器件在实验面板上位置固定。 2.2 方案比较 方案一、方案三和方案四都是已采用的比较成熟的元器件地位机构，方案二是由其 他机构蜕变而来，他们各有各的优缺点，现简述如下： 方案

23、一的元器件定位机构首先在设计上很巧妙，活动楔块的上升和下降依靠的是 与活动楔块伸出段相配合的平面凸轮，回复依靠的是弹簧的回复力。其次装夹简单、 方便，当要将元器件固定在面板上时，只需将其推入燕尾槽内即可，并不需要太大的 外力，欲拆卸元器件时，通过辅助机构（即平面凸轮）使活动楔块下降即可实现。但 是设计巧妙也是我们加工的一大难点，首先活动楔块由于尺寸较小，用一般的刀具不 能达到工艺要求；其次凸轮的加工，虽然该凸轮并不复杂，但是还是由于尺寸过小； 第三，各部分结构都较复杂。如图 2-10 所示。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10 图 2-10 固定凸台 方案二机构原理比较简单，使用杆机构和螺

24、纹机构相结合，杆件和螺纹的加工工 艺简单，并且螺纹机构具有自锁功能，夹紧容易实现。但是存在的缺陷也较多。第一， 杆件较多，杆件较多必然引起机构的总体尺寸较大，这样使得燕尾槽的间距也会变大 浪费材料；第二，螺杆旋转的辅助机构可能存在干涉；第三，杆机构自身的缺陷会影 响机构功能，杆机构有死点位置，在运动过程中可能会出现卡死现象。 方案三的机构原理也很简单，面板为一系列盲孔，元器件定位机构为插销，但是 该方案在定位过程中两元器件的位置不能任意改动。如果存在干涉现象，不能方便的 移动元器件，但如果是槽时水平移动元器件即可，而需要相应改变多个元器件位置和 插管。 方案四的元器件固定装置辅助元件也较多，但

25、是大多数都是标准件，可以根据国 标尺寸选择即可，装夹过程也较简单。同样，使用了弹簧，必须考虑弹簧的受力情况； 面板为 T 型槽加工起来也较简单。 通过上述优缺点的简述，方案一首先在加工上就是一大难题，与相关老师沟通了 解到，我校实验室现有的设备单件生产可以达到要求，但耗时较多，如果加工数量较 多时就比较困难；方案二的设计并不成熟，还有待多方面的改进，比如杆机构的自身 缺陷的改进。如前所述，方案三和方案四由于加工工艺较为简单，尤其是面板的加工， 方案三为孔加工，可以用钻床实现，元器件定位由销实现，都比较简单，方案四为 T 型槽，可以在铣床上用 T 型槽铣刀完成。但是方案三存在孔加工必须较精确，元

26、器件 定位后不能任意移动等缺点。 气动实验台的制作和实验开发11 3 实验台的设计和制作 3.1 元器件原始参数 购买的亚德克（AIRTAC）公司的系列产品，其中包括：手动换向阀（S3HS-08） 、 气动换向阀（4A220-06） 、限位开关（S3R-06） 、单作用气缸（MAL20X50-CA） 、气动三 大件电磁换向阀等。 每个元器件都有定位的螺纹孔或是通孔，这样为我们的定位装置设计提供了可靠 的依据，同时在公司网站上也给出了相应的 CAD 图示，现归结如下：图 3-1 为手动换 向阀，图 3-2 为单作用气缸，图 3-3 为气动换向阀。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12 图 3-

27、1 手动换向阀 图 3-2 单作用气缸 图 3-3 气动换向阀 气动实验台的制作和实验开发13 3.2 实验台设计 3.2.1 元器件装配图 在元器件固定装置设计过程，根据公司体购得元器件定位孔的不同，可以将底板 设计分类为两种：即气动换向阀为一种,其提供的螺纹孔直径为 M5，孔间距为 20mm， 手动换向阀、限位开关、电磁换向阀为一种，其提供的螺纹孔直径为 M5,其他的如推杆、 固定销、螺钉等多可以统一设计。另外，气缸在固定过程中，其没有定位孔，所以给 他附加支架，限位开关同气缸配合，气缸高度增加，所以设计一垫块满足要求。绘制 如图 3-4 为气动换向阀装配图，图 3-5 为限位开关装配图。

28、 1固定销 2推杆 3底板 4弹簧 5轴端档圈 6弹性档圈 7气动换向阀 图 3-4 气动换向阀装配图 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）14 1推杆 2固定销 3底板 4垫片 5限位开关 6轴端档圈 7弹性档圈 8弹簧 图 3-5 限位开关装配图 3.2.2 推杆的设计 如图 3-6 所示，其为设计的最终图纸。详细尺寸请见推杆工程图。 图 3-6 推杆 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）左端有 8mm 的正方形平面，用于添加辅助机构，帮助推杆旋转，实现加紧。 气动实验台的制作和实验开发15 b）有宽度为 1mm 的槽到大端之间为弹簧位置，其中宽度为 3mm 的键槽会与螺钉配 合，控制

29、推杆旋转的极限位置。 c）直径为 14mm 的大端与 T 型槽相配。 材料选择5： 表 3-1 推杆材料比较 名称含义特征用途价格 45# 含碳量 0.45%左右, 属中碳钢 硬度不高，韧性 较好 轴件,连轴器,模 具模板等等 较高 Q235 屈服强度为 235强度较高转件，心轴，拉 杆，摇杆等等 低 如表 3-1 所示，一方面推杆受力不大，另一方面考虑成本，所以选择 Q235。 3.2.3 气动控制阀底板的设计 图 3-7 气动换向阀底板 如图 3-7 所示，其为设计的最终图纸，详细尺寸请见气动控制阀工程图。 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）左端的两个通孔用于安装推杆，其中侧面的螺

30、纹孔安装螺钉与推杆 3mm 键槽配 合。 b）右端 M6 螺纹孔用于安装固定凸台。 c）右端两小螺纹孔即是元器件的气动元件的定位孔，其根据亚德克公司所提供的 CAD 图尺寸设计。 作为底板，可以选者塑料和有机玻璃，考虑美观性，选择了有机玻璃。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）16 3.2.4 限位开关、电磁换向阀、手动开关底板的设计 图 3-8 限位开关底板 由于限位开关、电磁换向阀、手动换向阀的定位尺寸是相同的，所以在设计过程 中，将他们统一定位限位开关的底板设计。其与气动换向阀存在不同有两个： a）元器件定位孔的布局方式不同； b）定位孔的尺寸不同。 如图 3-8 所示，其为设计的最终图

31、纸，详细尺寸请见限位开关工程图。 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）左端的两个通孔用于安装推杆，其中侧面的螺纹孔安装螺钉与推杆 3mm 键槽配 合。 b）右端 M6 螺纹孔用于安装固定凸台。 c）右端两小螺纹孔即是元器件的气动元件的定位孔，其根据亚德克公司所提供的 CAD 图尺寸设计。材料选择有机玻璃。 3.2.5 固定销的设计 如图 3-9 所示，其为设计的最终图纸，详细尺寸请见固定销工程图。 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）左端与面板相配合，要达到配合深度 8mm. b）右端通过螺纹固定在面板上，螺纹需要与面板厚度相当。 气动实验台的制作和实验开发17 图 3-9 固定销

32、 3.2.6 垫板的设计 限位开关的功能是当气缸与达到限位开关的预定位置时，拨动限位开关，限位开 关给气动换向阀或其他控制元件一个信号，控制信号控制气缸的动作。 如图 3-10 所示，其为设计的最终图纸，详细尺寸请见限位开关工程图。 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）其尺寸为了不影响元器件应该小于元器件尺寸。 b）其目的为抬高限位开关的高度，应考虑气缸推杆的高度，设计合适尺寸。 材料选择硬聚氯乙烯。 图 3-10 垫板 3.2.7 气缸支架的设计 气缸的定位不像各元器件，有相应的螺纹孔，但是在气缸的两端都有螺纹，可以 借助其设计其他辅助件，实现气缸的定位。 如图 3-11 所示，其为设

33、计的最终图纸，详细尺寸请见限位开关工程图。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）18 图 3-11 气缸支架 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）底面两螺纹孔可与底板相配合。 b）侧面的通孔与气杆两端面的螺纹现配合，在外加螺母实现预定目的。 c）其尺寸要充分考虑底板的尺寸。 3.2.8 推杆旋转辅助件的设计 要想将元器件比较稳定的固定在面板上，需要旋转推杆使其大端与 T 型槽相配合， 但推杆尺寸不大，长度也较短，所以需要在推杆轴端附加一个辅助件，使推杆旋转容 易实现。 在推杆辅助件设计过程中，我们也考虑了几种方案： a)方案一，本方案来源于水龙头开关。一般户外水龙头开关都有上锁，而且他的

34、开合采用的辅助机构就可以应用到本方案中。 b)方案二，在机床定位装置中，有一种夹具叫虎钳，虎口对工件的夹紧也采用了 辅助旋转机构，本方案也可借用。 c)方案三，同样是辅助推杆的旋转，本方案可借用方向盘，即设计一圆形辅助件。 在设计过程中主要考虑了如下几个因素： a）辅助件不得干涉元器件。 b）中心方孔与推杆轴端相配合。 c）加工工艺简单可行。 综合以上三点，最后选择了方案三。 3.2.9 面板的设计 如图 3-12、3-13 所示，其设计的最终图纸，详细尺寸请见面板工程图。 气动实验台的制作和实验开发19 图 3-12 面板整体布局 图 3-13 面板局部视图 在设计过程中主要考虑了如下几个因

35、素：a）面板 T 型槽深度需要考虑方便推杆的 上升和下降。b）面板两 T 型槽间的间距由底板定位孔间距确定。 c）考虑为了完成较 复杂实验的需要，将面板尺寸设计较大，共包括了 18 个 T 型槽。 材料选择。 表 3-2 面板材料比较 名称性能种类 通用塑料价格低，产量高，性能较差聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯 工程塑料强度高，刚性大，韧性好，耐腐蚀，磨损ABS，聚甲醛，聚苯醚 特种塑料专指特殊性能的塑料氟塑料，有机硅树脂 由表 3-2，选择通用塑料中的聚氯乙烯。 3.2.10 其他辅助零件 标准件选择如表 3-3。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）20 表 3-3 标准件列表 名称国标备注(单位

36、 mm) 弹性档环 GB894-1986d=5 H=1 轴端档环 GB892-1986D=20 H=4 一字开槽沉头螺钉 GB/T68-2000M2 弹簧 GB/T1358-1993d=1 H=14 十字沉头螺钉 GB/T819.1-2000M4 3.2.11 面板支架的设计 将面板固定在支架上，再将支架安装在实验桌上可以采用两种方式，第一种是支 架只满足面板的固定要求，再将支架固定在桌面上；第二是支架既可以固定面板也能 满足平稳要求，即直接放置在地面上，为了节约成本和合理利用实验室资源，选择方 法一。 如图 3-14 所示，其为设计的最终图纸。 图 3-14 实验台支架 设计所需材料说明如表

37、 3-4。 表 3-4 面板固定材料列表 名称长度数量备注 35 毫米导轨 1000mm1 用于安装继电器盒、PLC 控制盒、电源 直角彩钢条 1200mm2 面板侧面固定 直角彩钢条 500mm2 面板固定件 直角彩钢条 1000mm4 面板上下面固定和结构固定件 气动实验台的制作和实验开发21 3.3 实验台加工制作 产品的设计和加工是机械设计的两个重要方面，而加工工艺的确定直接决定着产 品质量和性能要求。对所有加工零件制订了加工工艺，下面对主要零件的加工工艺进 行分析。 3.3.1 推杆的加工 在推杆加工过程中遇见了如下问题： 问题一：由于推杆尺寸设计较小，还要在其上加工一宽度为 3mm

38、 的槽， ，不宜装夹 和对刀，给加工带来了困难。 解决方案：a）加大推杆的尺寸；b）加长推杆的尺寸； 方案比较：如果加大推杆的尺寸，推杆直径变大，这样就必须加大其他元器件上 配合孔的直径，已加工的产品就成为废品。而加长推杆长度，使装夹容易，下刀也可 满足要求，还不会造成不必要的废品，加工出键槽后，再将多于尺寸切除，所以选择 使用方案二。 问题二：在铣削平面和槽的过程中，由于其伸出长度较大，导致工件振动厉害， 尤其在加工槽时，震动使槽的加工不成直线。 解决方案：附加一顶针和 V 型块。 加工工艺过程见推杆加工工艺卡片。 3.3.2 面板的加工 在加工过程中遇见如下问题： 问题一：面板尺寸较大，超

39、过机床加工范围 解决方案：先将面板切割为两块板，分别加工，加工完成后，再将它们拼接在一 起。 问题二：没有润滑油刀具磨损严重 解决方案：在加工过程中，适时的向刀具喷水。 备注：面板材料为塑料，如果用润滑油，一方面会污染润滑油，塑料混入润滑油； 另一方面可能对塑料也有一定的腐蚀。 加工工艺过程见推杆加工工艺卡片。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）22 气动实验台的制作和实验开发23 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）24 4 实验开发 设计完成的实验台具有开放性的特征，所以在实验前为了验证和安全考虑，我们 可以利用一些仿真软件进行模拟开发，比如 MCGS、组态王、Festo 公司提供 Flui

40、dSIM 等软件。本实验开发主要利用了 FluidSIM 的仿真功能，现对其进行简单介绍。 4.1 Festo 软件的辅助设计 Festo 公司不仅有自己的气动实验台并且提供 FluidSIM 仿真软件。该软件包括气 动仿真和液压仿真两部份，利用该软件，可以方便的绘制出符合工业标准的气动和液 压回路图，制图的同时，FluidSIM 软件还可以检查回路图结构的正确性。由于该软件 中的元件参数的调节范围与实际设备完全一致,所以可对设计的回路进行准确的系统模 拟。学生可以充分发挥自己的想象力，利用该软件设计所需的气动回路，然后通过实 验台，现场安装、调试、检测所设计的回路,验证回路的正确性22。 F

41、luidSIM 软件的主要特征就是其可与 CAD 功能和仿真功能紧密联系在一起。 FluidSIM 软件符合 DIN 电气气动回路图绘制标准，且可对基于元件物理模型的回路 图进行实际仿真，这样就使回路图绘制和相应气动系统仿真相一致。FluidSIM 软件 CAD 功能是专门针对流体而特殊设计的，例如在绘图过程中，FluidSIM 软件将检查各 元件之间连接是否可行。 FluidSIM 软件的另一个特征就是其系统学习概念：FluidSIM 软件可用来自学、教 学和多媒体教学气动技术知识。气动元件可以通过文本说明、图形以及介绍其工作原 理的动画来描述；各种练习和教学影片讲授了重要回路和气动元件的使

42、用方法。 图 4-1 为 festo 仿真软件的界面，其主要提供了如下功能： a）丰富的元器件库，能够完成气动回路图设计； b）可自动生成元器件列表； c）在仿真过程中有自纠错功能； d）可显示回路中的流量、压力等参数值； e）可自动生成功能图，显示某一元件的状态图； f）在元器件库中没有的元器件可以通过手工绘制，然后定义属性； g）还提供继电器控制仿真和回路控制； 气动实验台的制作和实验开发25 图 4-1 festo 仿真界面 4.2 实验开发内容 题目：无障碍信号的两个双作用气缸顺序动作回路实验。所谓无障碍信号，就是 指在两气缸的运动过程中不会出现相互干涉的现象。 如图 4-2 所示，这

43、是一个传送机构。工件 3 在辊轮 2 上随其一起运动，当工件到 达气缸 1 中心位置时，气缸 1 伸出，将工件运送到与辊轮 5 平行，到达极限位置时， 气缸 4 开始伸出，将工件推到辊轮 5 上，继续传输，气缸 1 缩回，缩回到初始位置时， 气缸 4 缩回，完成一次动作。 气缸 传送带一 工件 气缸 传送带二 图 4-2 双气缸示意图 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）26 要求：分别用气动控制、继电器控制和 PLC 控制实现上图的动作过程。 符号规定： a）将所用气缸分别标号为 A、B，用下标“1”表示气缸活塞杆伸出，下标“2”表 示气缸活塞杆缩回。 b）a、b 表示限位开关发出的信号，下标

44、“1”表示活塞杆伸出，下标“2”表示活 塞杆缩回。 c）q 表示手动控制阀发出的信号。图 4-3 为气缸运动流程图，图 4-4 为功能图。 图 4-3 气缸运动流程图 图 4-4 功能图 4.3 气动控制回路设计 所谓气动控制回路，即回路中气缸的伸出和缩回依靠的是气动换向阀的控制23。 元器件清单如表 4-1。 如图 4-5 所示为全气动控制回路，空气压缩机将空气转换成具有压力能的高压空 气,经过滤后通过管路进入各控制阀入口，两个二位五通换向阀 c、d 处于静止位置。 实验时，首先启动二位三通旋钮式手动阀 i 的旋钮开关,使得管路导通,触动限位开关 e，二位五通换向阀 c 右边接通，左边气缸伸

45、出，到达极限位置，触动限位开关 g，二 位五通换向阀 d 左边接通，右边气缸伸出，到达极限位置触动限位开关 f，二位五通换 向阀 c 右边接通，气缸 a 缩回，到达极限位置触动限位开关 h，二位五通换向阀 d 右边 气动实验台的制作和实验开发27 接通，气缸 b 缩回。 表 4-1 元气件列表 名称数量备注 双作用气缸 2 二位五通气动换向阀 2 双气孔 节流阀 2 单向 手动二位三通换向阀 1 按钮式 限位开关 4 滚轮式 a、b气缸 c、d二位五通换向阀 e、f、g、h限位开关 i手动换向阀 图 4-5 全气动控制回路 4.4 继电器控制回路设计 继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗

46、的意义上来说就是开关，在条件 满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制 系统中得到广泛的应用。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回 路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）28 继电气控制与全气动控制相比，在满足气缸动作的前提条件下，可以减少元器件 数目。如图 4-6 所示，其与 4-5 相比，首先没有气动换向阀，取而代之的电磁换向阀； 其次没有了限位开关，使得回路图简单明了。在气动回路中，两个气缸间的顺序动作， 依靠的是气缸运动到极限位置时，触动限位开关，限位开关控制相应的气动换向阀，

47、 使气缸完成动作。在继电器控制回路中，依靠的是图 4-7 中的控制电路，即线圈间的 断点和得电过程，控制电磁换向阀的位置，进而实现气缸的动作。 表 4-2 为元器件清单。 表 4-2 元气件列表 名称数量备注 双作用气缸 2 节流阀 2 单向 电磁换向阀 2 继电器控制回路图如图 4-6 所示。 图 4-6 继电器控制回路 气动实验台的制作和实验开发29 表 4-3 为继电器清单。继电器连接电路如图 4-7 所示。 表 4-3 继电器名称 名称代号名称代号 常开触点 A0 继电器线圈 KA1 常开触点 A1 继电器线圈 KA2 常开触点 B0 继电器线圈 KA3 常开触点 B1 按钮开关 O

48、电磁线圈 KAA0 电磁线圈 KAB0 电磁线圈 KAA1 电磁线圈 KAB1 图 4-7 继电器连接电路 在设计继电器控制过程中也是借助于 festo 软件的仿真功能，然后设计联动控制。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）30 4.5 PLC 控制回路设计 4.5.1 PLC 程序 多年来，可编程控制器（以下简称 PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储 逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小 到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的 跨越。今天的 PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅 提

49、高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。PLC 与 继电器控制系统比较有以下几个方面的不同： a） 控制方式：继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的 串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。 PLC 采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只 需改变程序即可，称软接线。 b） 控制速度：继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低， 毫秒级，机械触点有抖动现象。 PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖 动。 c） 延时控制：继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时 间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。 PLC 用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间 方便，不受环境影响。 市面上现有的 PLC 有西门子、欧姆龙和三菱，相比较而言：西门子，价格昂贵， 模拟量精确度高，编程复杂。模拟量简单，主要用于高精密设备；三菱，价格一般， 编程简单，模拟量复杂，模拟量精确比西门子差，主要用于一般设备;欧姆龙 ，价格 一般，编