带推料器的轴套压入装置设计.docx
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带推料器的轴套压入装置设计
课程设计（论文）
题目：
带推料器的轴套压入装置设计
学院：
机电工程学院
专业班级：
2011级机械工程及自动化03班
指导教师：
马训鸣职称：
教授
学生姓名：
张海锋
学号：
307
摘要
随着科学技术的快速发展和进步，气压传动已成为当今世界装备制造业等众多领域不可或缺的一部分。
气压传动的动力传递介质来自自然界取之不尽的空气，环境污染小，工程实现容易，所以气压传动是一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。
气压传动由于结构简单、成本低廉、使用方便，所以在各行业中都可以使用，例如，汽车制造、运输技术、航天、纺织、包装、印刷，以及机械制造等。
近年来，气动技术在各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线得到了广泛的应用，气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。
关键字：
PLC，轴套，气缸，继电器
第1章概述1
1.1气动技术的应用及前景1
1.1.1气动技术优缺点1
2
1.2带推料器的轴套压入装置工作过程3
1.3带推料器的轴套压入装置的实验任务3
1.4气动装置的组成及分类4
4
5
5
6
6
第2章带推料器的轴套压入装置总体方案设计7
2.1分析项目的工艺要求、控制要求和技术指标7
2.2气动控制系统总体方案8
8
9
第3章气缸的分析与设计计算9
3.1纵向气缸Z2的设计计算9
10
10
3.1.3缸筒长度的确定10
3.1.4气缸筒的壁厚的确定11
12
12
13
3.2横向气缸Z1，Z3的设计计算14
15
15
15
16
17
17
17
第4章带推料器的轴套压入装置元器件的选型18
4.1空气压缩机18
18
19
19
4.2气缸的选型20
20
21
21
4.2.4导向套21
4.2.5密封21
4.3控制元件，气动辅助元件确定22
22
24
第5章电器控制系统设计24
5.1电气控制系统组成25
5.2PLC程序控制系统设计25
25
5.2.2控制电路图25
5.2.3PLC接线图26
5.2.4PLC接线分配表27
5.2.5PLC程序（LD梯形图语言）28
5.2.6PLC程序（IL指令表语言）29
总结31
参考文献32
第1章概述
1.1气动技术的应用及前景
1.1.1气动技术优缺点
气压传动是以气体作为工作介质，依靠密封工作系统对气体挤压产生的压力能来进行能量转换、传递、控制和调节的一种传动方式。
与液压相似，它也有压力和能量两种重要的参数。
气压传动由于结构简单、成本低廉、使用方便，所以在各行业中都可以使用，例如，汽车制造、运输技术、航天、纺织、包装、印刷，以及机械制造等。
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。
优点：
气动装置结构简单、轻便、安装维护简。
压力等级低，故使用安全。
工作介质取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。
排气处理简单，不污染环境，成本低。
输出力及工作速度的调节非常容易。
汽缸动作速度一般为50—500㎜/s，比液压和电气方式的动作速度快。
可靠性高，使用寿命长。
电器元件的有效动作次数约为数百万次，而smc的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。
利用空气的可压缩性，可贮存能量，实现集中供气。
可短时间释放能量，已获得间歇运动中的高速响应。
可实现缓冲。
对冲击负载和过负载有较强的适应能力。
在一定条件下，可使气动装置有自保能力。
全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。
与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。
由于气动控制损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。
缺点：
由于空气有压缩性，汽缸的动作速度易受负载的变化而变化。
采用气液联动方式可以克服这一缺点。
汽缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例较大，汽缸的低速稳定性不如液压汽缸，且虽然在许多应用场合，汽缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压汽缸低。
综合气压传动的优缺点，若要适应工业自动化及成为柔性制造系统，要求气动系统提高其系统可靠性，降低成本，研究和开发系统控制技术、机、电、气、液综合技术。
气动元件的节能化，微型化，无油化是当前的发展特点。
与电子技术相结合产生的自适应元件，如各类比例阀和电器伺服阀，使气动系统从开关控制发展到反馈控制。
计算机的广泛应用为气动技术的发展提供了更加广阔的前景。
1.1.2气动技术的发展趋势
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2000~6000km；定位精度达0.5~0.1mm;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。
1.2带推料器的轴套压入装置工作过程
启动→送料→夹紧→轴套压入金属块→松开→推金属块入金属篮→返回
1.3带推料器的轴套压入装置的实验任务
1、将黄铜套压入到金属块中。
按动按钮S0后，金属块被夹紧，然后轴套被压入到金属块中。
2、当轴套被压入并且压入汽缸返回时，工件才可以被松开。
3、工件由推料器推到金属篮中。
4、为此只能使用带弹簧复位的（5/2）二位五通电磁换向阀。
5、附加要求：
在电路图（继电器图）中，启动取决于最后一个汽缸的运动。
在使用PLC时，只有当所有的气缸返回到各自的初始位置时，才可以启动。
自动运行（连续运行）可以用附加的控制开关来设置。
6、
第一步：
画出电路图，PLC连接图，写出用于PLC的分配表。
第二步：
用至少一种编程语言（IL指令表语言,LD梯形图语言）编写PLC用户程序并进行测试。
实验元件表：
位置号
数量
说明
位置号
数量
说明
04
3
带磁性活塞环的双作用气缸
51
1
PLC单元
15
2
单向节流阀
50
1
稳压电源
31
3
带弹簧复位的（5/2）二位五通电磁换向阀
42
1
接线端子盒
38
6
汽缸开关
01
1
压缩空气预处理单元
37
1
开关盒，1个控制开关，2个按钮
02
1
压缩空气分配器
附件：
实验室用导线，气管。
功能图：
1.4气动装置的组成及分类
1.4.1气压传动系统的组成
一般而言，气压传动系统的组成包含以下四部分：
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“或”、“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。
1.4.2压力控制阀
气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。
而储气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。
因此需要用减压阀（调压阀）将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。
有些气动回路需要依靠回路中压力变化实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。
顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。
所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀（溢流阀）。
1.4.3节流阀
所示为圆柱斜切型节流阀的结构图。
压缩空气由P口进入，经过节流后，由A口流出。
旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。
由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。
1、单向节流阀
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀。
当气流沿着一个方向，流动时，经过节流阀节流；反方向流动时，单向阀打开。
2、排气节流阀
排气节流阀是装在执行元件的排气口处，调节进入大气中气体流量的一种控制阀。
它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声器件，所以也能起降低排气噪声的作用。
3、快速排气阀
进气口P进入压缩空气，并将密封活塞迅速上推，开启阀口2，同时关闭排气口O，使进气口P和工作口A相通。
快速排气阀常安装在换向阀和气缸之间。
它使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加速了气缸往复的运动速度，缩短了工作周期。
1.4.4方向控制阀
方向控制阀是通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动阀。
根据方向控制阀的功能、控制方式、结构形式、阀内气流的方向及密封形式等，可将方向控制阀分为几类：
分类方式
形式
按阀内气体的流
动方向
单向阀、换向阀
按阀芯的结构形式
截止阀、滑阀
按阀的工作位数及
通路数
二位三通、二位五通、三位五通等
按阀的控制操纵
方式分
气压控制、电磁控制、机械控制、
手动控制
按阀的密封形式
硬质密封、软质密封
1、直动式电磁换向阀
激励线圈不通电时，阀在复位弹簧的作用下处于上端位置。
为A与T相通，A口排气。
当通电时，电磁铁1推动阀芯向下移动，P与A相通，A口进气。
2、先导式电磁换向阀
直动式电磁阀是由电磁铁直接推动阀芯移动的，当阀通径较大时，用直动式结构所需的电磁铁体积和电力消耗都必然加大，为克服此弱点可采用先导式结构。
先导式电磁阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，在由先导压力推动主阀阀芯，使其换向。
第2章带推料器的轴套压入装置总体方案设计
2.1分析项目的工艺要求、控制要求和技术指标
设计以前需先了解项目的各项要求
1、工艺要求：
设计以前，必须了解主机或气动设备的工艺过程、动作循环、空间位置、结构、主要技术要求及自动化程度等内容。
同时还要了解工作现场的温度、湿度、工件物料的状态，有无腐蚀性、可燃性、防尘的要求，了解动力源的的情况，最高和最低压力及管问供气流量变动范围等要求。
2、控制要求及技术指标：
设计之前要弄清主机对控制的要求，包括以下几个方面：
主机的运动顺序、运动时间、运动速度和可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力以及连锁和自动化程度等。
温度及湿度变化范围、防震、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚。
工作要求：
由气缸Z3送料，气缸Z1夹紧，气缸Z2轴套压入，钻孔气缸B先退出，夹紧气缸再退出，气缸Z3推入篮筐。
运动要求：
缸行程S均为600mm，且启动、减速、制动时间t≤0.1s。
气缸活塞平均速度v=s/t=600/0.1=6000mm/s,要求行程末端平稳一些。
动作要求：
为使执行元件正常工作，气流通过各种元件、辅件到执行元件的总压力损失，满足于∑△P≤〔∑△P〕验算时，车间内可近似于∑△Pt+∑△Pr≤〔∑△P〕,∑△P≤0.1~1.0
工作环境要求：
如温度及湿度变化范围、防震、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚。
工作温度均为45到50度。
和机、电、液控制相配合的情况，以及对气动系统的要求等情况必须调查清楚。
2.2气动控制系统总体方案
2.2.1气动回路草图
三个双作用汽缸的活塞上带有磁环。
汽缸所有的终点位置上都装有汽缸开关，分别为B1，B2，B3，B4，B5和B6。
带弹簧复位的（5/2）二位五通电磁换向阀作为主控元件。
电磁铁分别为Y1，Y2和Y3。
汽缸Z1和Z2的活塞杆伸出速度可以用单向节流阀进行无级调节。
2.2.2气动回路原理图
第3章气缸的分析与设计计算
3.1纵向气缸Z2的设计计算
由设计任务可以知道，要驱动的负载大小为500Kgf，即4900N，压力P=4~6Kgf/cm2，取P=5Kgf/cm2。
考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。
在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β：
β=气缸的实际负载F/气缸的理论负载F0×100%
由《液压与气压传动技术》表11-1：
汽缸的运动状态与负载率
阻性负载
（静负载）
惯性负载的运动速度v
<100mm/s
100~500mm/s
>500mm/s
β=0.8
≤0.65
≤0.5
≤0.3
运动速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.61，则理论液压缸的负载大小为：
F0=F/β=4900/0.61=8032.78N。
3.1.1气缸内径的确定
气缸内径：
D=
=
=144.47mm
F0—气缸的输出推力；P—气缸的工作压力。
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=160mm。
气缸缸径尺寸系列（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
3.1.2活塞杆直径的确定
由d=0.3D得活塞杆直径d=48mm，圆整后取d=50mm。
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
活塞杆直径系列（mm）
3.1.3缸筒长度的确定
缸筒长度S=L+B+30
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=0.8×160=128mm
汽缸行程的公差值表（mm）：
缸内径D
公称行程S
32
≤500
40
50
>500~1250
63
≤500
80
100
>500~1250
125
≤500
160
200
250
>500~1250
由于气缸的行程L=600mm,所以S=L+B+30=600+128+30=758mm
导向套滑动面长度A:
一般导向套滑动面长度A，在D<80mm时，可取A=（0.6~1.0）D；在D>80mm时,可取A=（0.6~1.0）d。
故取A=0.9×50=45mm
最小导向长度H：
根据经验，当气缸的最大行程为L，缸筒直径为D，最小导向长度为：
H=D÷2,代入数据，即最小导向长度H=160/2=80mm.
活塞杆的长度l=L+B+A+H=600+128+45+80=853mm.
3.1.4气缸筒的壁厚的确定
由《液压气动技术手册》查得气缸筒的壁厚
，可根据薄壁筒计算公式进行计算：
=
式中:
—缸筒壁厚（m）；
D—缸筒内径（m）；
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）；
—缸筒材料的许用应力（MPa）；
实际缸筒壁厚的取值对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。
参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核:
其中
为缸筒材料的抗拉强度（MPa），缸体的材料选择45钢，抗拉强度
=600Mpa；n为安全系数，一般取n=5；
所以取
=600÷5=120Mpa。
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）。
当工作压力p≤16MPa时，P=1.5p；当工作压力p＞16MPa时，P=1.25p。
由上可知工作压力0.49MPa小于16Mpa，故P=1.5p=1.5×0.49=0.735MPa
=
=
=0.49mm
参照下表气缸筒的壁厚圆整取
=9mm。
汽缸筒的壁厚（mm）
材料
气缸直径
50
80
100
125
160
200
250
320
壁厚
铸铁HT15~33
7
8
10
10
12
14
16
16
铜A3,45
5
7
8
8
9
9
11
12
铝合金ZL3
8~12
12~14
14~17
Q=
=0.046×16^2×50×（0.49+0.1）=347.4L/min
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）
v—空气流经进排气口的速度，可取v=（10~15），选取v=15m/s.代入数据得
=22.17mm。
汽缸进排气口直径（mm）：
汽缸内径D
进排气口直径d0
40
8
5063
10
80100125
15
140160180
20
所以取气缸排气口直径为20mm.
由于所选活塞杆的长度L>10d，所以要进行稳定性校核。
综合考虑活塞杆的材料选择45钢。
参考《机械设计手册单行本》，由《液压气动技术手册》进行
稳定性校核：
由公式
式中:
—活塞杆承受的最大轴向压力（N）；
—纵向弯曲极限力（N）；
—稳定性安全系数，一般取1.5到4。
综合考虑选取
=2；
由于细长杆比
≥85√m，即
=
式中：
K—活塞杆横截面回转半径，对于实心杆K=d/4代入数据K=50/4=12.5mm。
J—活塞杆横截面惯性矩（m4），对实心圆杆:
J=
；
L—气缸的安装长度；d—活塞杆的直径（m）；
m—末端系数，选择固定—自由m=1/4；
E—材料弹性模量，钢材E=2.1×
Pa；
L为气缸的安装长度即活塞杆的长度为853mm
代入数据得
=
N
所以
=1.09×
N
因为
，所以
＞
，活塞杆的稳定性满足条件。
3.2横向气缸Z1，Z3的设计计算
要驱动的负载大小为F=
×500×9.8N，压力P=4~6Kgf/cm2取P=5Kgf/cm2=0.49
。
考虑到气缸未加载时实际所能输出的力受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与负载之间的摩擦力的影响，取动摩擦系数
=0.17。
在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β：
β=气缸的实际负载F/气缸的理论负载F0×100%
由《液压与气压传动技术》表11-1：
汽缸的运动状态与负载率
阻性负载
（静负载）
惯性负载的运动速度v
<100mm/s
100~500mm/s
>500mm/s
β=0.8
≤0.65
≤0.5
≤0.3
取速度v=24m/min=400mm/s，取β=0.42，所以理论液压缸的负载大小为：
F0=F/β=500×9.8×0.17÷0.42=1984N。
气缸内径：
D=
=
=71.80mm
F0—气缸的输出推力；P—气缸的工作压力。
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=80mm.
气缸缸径尺寸系列（mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
由d=0.3D得活塞杆直径d=24mm，圆取后得d=25mm。
活塞杆直径系列（mm）
缸筒长度S=L+B+30
L为活塞行程；B为活塞厚度
活塞厚度B=（0.6~1.0）D=0.8×80=64mm。
汽缸行程的公差值表（mm）：
缸内径D
公称行程S
32
≤500
40
50
>500~1250
63
≤500
80
100
>500~1250
125
≤500
160
200
250
>500~1250
由于气缸的行程L=600mm,所以S=L+B+30=694mm
导向套滑动面长度A:
一般导向套滑动面长度A，在D<80mm时，可取A=（0.6~1.0）D；在D>80mm时,可取A=（0.6~1.0）d。
所以取A=25mm。
最小导向长度H：
根据经验，当气缸的最大行程为L，缸筒直径为D，最小导向长度为：
H=D/2,代入数据，即最小导向长度H=40mm.
活塞杆的长度l=L+B+A+H=600+64+25+40=729mm.
由《液压气动技术手册》可查气缸筒的壁厚
可根据薄壁筒计算公式进行计算：
=
式中：
—缸筒壁厚（m）；
D—缸筒内径（m）；
P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）；
—缸筒材料的许用应力（MPa）；
实际缸筒壁厚的取值对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。
参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核
其中
为缸筒材料的抗拉强度（MPa），缸体的材料选择45钢，抗拉强度
=600Mpa；n为安全系数，一般取n=5；则
=600/5=12
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