气动实验台的开发设计说明书.docx

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气动实验台的开发设计说明书

气动实验台的开发——电控

摘要

本文针对提出研制开放和多功能性气动综合实验台的设想，对现有实验台缺陷作相关分析和改进。

以可编程序控制器（PLC）为控制单元制作气动控制实验台，使学生学会正确设计、安装、调试气动控制系统，而且还能使学生熟悉气动系统与电子技术以及计算机系统的信号传递和控制功能。

该实验台是一个典型的机、电、气动、计算机一体化的实验装置。

文章介绍了实验台的构成器件、搭建结构及其工作原理。

同时,还设计了基于PLC控制的气动逻辑控制系统,通过控制4个气缸的顺序动作来演示气动顺序控制的实验。

关键词：

可编程控制器（PLC），气动控制，气动实验台，PLC控制

Pneumaticequipmentdevelopment----electroniccontrol

Abstract

Thispaperproposedthedevelopmentandversatilityofopenairtheideaofcomprehensiveexperimentalplatform,theexistingtestbedforrelateddefectanalysisandimprovement.Aprogrammablelogiccontroller（PLC）tocontroltheproductionofpneumaticcontrolunitbench,sothatstudentslearntheproperdesign,installation,commissioningandpneumaticcontrolsystems,butalsotofamiliarizestudentswithpneumaticsystemsandelectronictechnologyandcomputersystems,signalingandcontrolFunction.Theexperimentstationisatypicalmechanical,electrical,pneumaticandcomputerintegration,theexperimentaldevice.Thispaperintroducesthecompositionofthedevicetestbed,builtstructureandworkingprinciple.AlsodesignedbasedonPLCcontrolledpneumaticlogiccontrolsystem,bycontrollingtheorderof4cylinderactioninordertodemonstratetheaerodynamiccontrolexperiments.

Keywords:

Programmablelogiccontroller （PLC）， pneumaticcontrol，aerodynamic testbed，PLC control

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。

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。

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，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，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45×45L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、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，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。

图1-4针孔式面板

1.3课题目的和任务

气控实验台是机械大类专业进行实验教学的必要设备之一，随着近年来我国机械行业的高速发展，气压传动的PLC控制是必然的发展方向，因此，对本课题的设计研究具有一定的实际意义。

通过本次毕业设计，使学生对现代机械有一总体了解，采用新的方法对气控实验台进行综合分析和研究。

同时培养学生对大学所学知识的理解，收集、查阅文献资料的能力，提高发现、分析、解决问题的能力。

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。

课题的主要任务：

1.完成气控实验台设计；

2.完成一定的绘图工作量及设计说明书一份；

3.设计合理的控制系统；

4.进行模拟实际的实验；

5.选择并设计出一种合理的方案。

6.设计参数：

整体尺寸在1200mm×900mm以内；完成四项以上的实验实验项目。

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）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。

图2-2方案一固定装置

b）方案二，采用十五毫米厚的有机玻璃板作为安装面板，在其上根据各元件的安装尺寸打上安装孔再用如图的底板安装在面板上，以用作固定元件在面板上采用平式安装法，将各气动元件分别安装，再用做不同的实验可随即改变接线方式以完成不同的实验。

缺点是有机玻璃价格高昂，重量大，搬动不方便，且不易于在其面板上打孔。

功能。

各个元件的位置只能固定不变，缺少灵活性，在一定程度上减少了实验台的多功能性。

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，再在元器件上固定销，实现元器件的固定。

１——销孔　　　　２——面板

图2-3方案三面板

图2-4方案三固定装置

如图2-3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，采用轻质开口铝型材，在槽内安装弹簧螺栓固定自制的连接件，连接行程阀、换向阀、手动按钮。

再用弹簧螺栓固定气缸LB支架，将气缸固定在铝型材上，所有元件按照单元分组布局安装。

整体采用立式安装，将其垂直安放在实验桌面板上。

缺点是铝型材不可以承受过大的力，否则会发生轻微变形。

图2-5

所选铝合金型材如图2-6所示

图2-6铝合金型材

用于固定气缸的型材如图

图2-7

2.2方案比较

方案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。

图2-8固定凸台

方案二缺点是有机玻璃价格高昂，重量大，搬动不方便，且不易于在其面板上打孔。

功能。

各个元件的位置只能固定不变，缺少灵活性，在一定程度上减少了实验台的多功能性。

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。

面板为T型槽加工起来也较简单。

通过上述优缺点的简述，选择方案四。

3实验台的设计和制作

3.1元器件的选择

购买的亚德克（AIRTAC）公司的系列产品，其中包括：

单作用气缸（MAL20*50-CA）、二位五通双向电磁换向阀（4V12O-06）、接近开关（LJ12A3-42/BX）和气动三大件（分水滤气器）等，同时还购买了OMRONCPM1A可编程控制器。

3.1.1单作用气缸（MAL20*50-CA）

气缸行程参数可根据实验台面板尺寸而定。

设计参数要求实验台整体尺寸在1200mm×800mm以内，参考如下具体气缸参数，初步定气缸行程为50mm。

由于实验台尺寸有限，并且本实验台所使用的气压仅为0.5MPa，因此在气缸缸径的选择上则尽量小些，如MAL系列气缸，最小缸径为20mm，考虑到缸径20mm的气缸足以满足实验要求，因此选择MAL系列气缸2台，具体尺寸为20（缸径）×50（行程），具体型号为MAL20X50-CA。

此气缸可不必附磁环，可用接近开关为其位置的传感器。

图3-1双作用气缸

产品特性：

a）执行亚德客企业标准，采用铝圆管缸体；

b）前后盖与钢管采用螺纹连接；

c）活塞密封采用异型双向密封结构，尺寸紧凑，有储油功能；

d）前端盖采用自润滑轴承导向，润滑与导向性能好；

e）多种后盖型式，使气缸安装更方便；

f）多种规格的气缸及气缸安装附件可供客户选择使用。

图3-2单作用气缸规格

气缸可根据主机需要进行设计，但尽量直接选用标准气缸

a）安装形式的选择:

安装形式由安装位置、使用目的等因素决定。

在一般场合下，多用固定式安装方式：

轴向支座（MS1式）前法兰（MF1式）、后法兰（MF2式）等。

b）输出力的大小:

根据工作机构所需力的大小，考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力和拉力，从而确定气缸内径。

气缸由于其工作压力较小（0.4～0.6MPa），其输出力不会很大，一般在10000N（不超过20000N）左右，输出力过大其体积（直径）会太大，因此在气动设备上应尽量采用扩力机构，以减小气缸的尺寸。

c）气缸行程:

气缸（活塞）行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。

多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用来夹紧等机构，为保证夹紧效果，必须按计算行程多加10～20mm的行程余量。

气缸使用注意事项

a）一般气缸的正常工作条件：

环境温度为-35～80℃，工作压力为0.4～0.6MPa

b）安装前，应在1.5倍工作压力条件下进行试验，不应漏气。

c）装配时，所有密封元件的相对运动工作表面应涂以润滑脂。

d）安装的气源进口处必须设置气源调节装置：

过滤器-减压阀-油雾器。

e）安装时注意活塞杆应尽量承受拉力载荷，承受推力载荷应尽可能使载荷作用在活塞杆轴线上，活塞杆不允许承受偏心或横向载荷。

f）载荷在行程中有变化时，应使用输出力足够的气缸，并附设缓冲装置。

g）如前所述，尽量不使用满行程。

3.1.2双向电磁阀（4V12O-06）

根据实验台整体尺寸以及何其配套使用的气缸尺寸，综合来考虑电磁换向阀的尺寸。

亚德客电磁换向阀有4V100系列、4V200系列和4V300系列，而4V200系列和4V300系列的电磁阀尺寸过大，与实验台其它元件很不相称，影响美观，整体效果不好。

4V100系列电磁换向阀可以满足实验要求且尺寸适中，因此选其为本实验台电磁换向阀。

电磁阀位数的选择只要是选择两位五通还是三位五通，三位五通效果较好但较贵，经济性不好；而两位五通亦能完成本次要求，因此选用两位五通，如图3-4所示。

考虑到电磁阀将由PLC控制，考虑编程情况，则选用单电控较为适合，电压为AC220V。

综上，电磁换向阀的最终选择为亚德客4V100系列的单电控两位五通电磁换向阀，其具体型号为4V110-06。

电磁阀上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尺寸，以便我们做整体设计。

4V110-06电磁换向阀具体尺寸及安装尺寸如下图所示。

图3-3亚德客4V110-06单电控两位五通电磁换向阀

产品特性

a）先导方式：

外部与内部可选；

b）滑柱式结构，密封性好，反应灵敏；

c）三位置电磁阀有三种中央功能可供选择；

d）双头二位置电磁阀具有记忆功能；

e）内孔采用特殊工艺加工，摩擦阻力小，启动气压低，使用寿命长；

f）无需加油润滑；

g）可与底座集成阀组，节省安装空间；

h）附设手动装置，利于安装调试；

i、有多种标准电压等级可供选用。

产品规格及电性能参数：

图3-4电磁换向阀规格

3.1.3接近开关（LJ12A3-42/BX）

接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出信号。

它不需要外力施加，是一种无触点式的主令电器。

它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护。

接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触点式按钮等。

就目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型：

高频振荡型：

用以检测各种金属体

电容型：

用以检测各种导电或不导电的液体或固体

光电型：

用以检测所有不透光物质

超声波型：

用以检测不透过超声波的物质

电磁感应型：

用以检测导磁或不导磁金属

由于检测体是气缸柱头上的螺母为金属，我们选择与之对应的磁性感应型接近开关。

按其外型形状可分为园柱型、方型、沟型、穿孔（贯通）型和分离型。

园柱型比方型安装方便，但其检测特性相同，沟型的检测部位是在槽内侧，用于检测通过槽内的物体，贯通型在我国很少生产，而日本则应用较为普遍，可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。

处于安装方便的目的我们选择安装方便的圆柱型接近开关。

接近开关按供电方式可分为；直流型和交流型，按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。

两线制接近开关安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。

因此我们选用相对安全的直流三线制。

综上所述，本次电控多缸联动气动实验台开发我们选择直流三线圆柱型磁性感应接近快关，如图3-5。

图3-5接近开关

3.1.4欧姆龙PLC（CPM1A-30CDR-A-V1）

图3-6欧姆龙PLC本体

内置：

数字I/O:

10-40中断输入：

2-4高数计数：

1（5kHz）脉冲：

1（2kHz）CPU特展/扩展板：

内置DC或AC电源单元，2个模拟量设定最大数字I/O点：

10-100处理速度（位指令）：

0.72-1.72μs程序容量：

2K字数据容量：

1K字外部存储器：

n.a.模拟I/O:

最多6输入/3输出；8位、12位、13位分辨率特殊功能单元：

n.a.工业网络：

串行通信现场总线主站：

n.a.现场总线I/链接：

DeviceNetPROFIBUS-DPCompoBus/S

欧姆龙CPM1A-30CDR-A-V1的特点：

（1）CPM1A-30CDR-A-V1可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NTLink与PT之间进行高速通讯。

（2）CPM1A-30CDR-A-V1有30点CPU单元。

CPU单元与扩展I/O并用，可完成10点到100点的输入输出要求。

并有AC和DC两种电源型号可选择。

（3）CPM1A-30CDR-A-V1汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速计数功能、中断功能，还备有2个模拟量设定。

（4）CPM1A-30CDR-A-V1由充足的程序容量，具有2048字的用户程序存储器和1024字的数据存储器。

（5）CPM1A-30CDR-A-V1编程环境与CQM1及SYSMACA等机种相同。

由于原有SYSMAC支持软件及编程器都可继续使用，故而系统的扩展及维护都可简单进行。

（6）CPM1A在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，还尽可能使安装空间最小化，并实现了具有10点～100点输入输出点数的弹性构成，而且还可连接可编程控制终端，创造了尚无前例的灵活运用。

它不仅可以替代继电器控制柜，就是作为小型控制器或在传感器应用中，亦能适应生产现场不同的需求。

3.2元器件的固定

3.2.1电磁阀连接件

采用轻质铝型材小片，其面积38mm*72mm，在其面上打直径3mm、6mm的孔，攻丝，使其用弹簧螺栓固定在开凿铝型材面板上，在用两个螺栓将阀与连接件固定在一起。

参考图如下：

图3-7电磁阀连接件

图3-8电磁阀的固定

3.2.2气缸连接件

气缸的连接件是一个直径为22mm的气缸LB支架。

参考图如下：

图3-9气缸连接件

3.2.3接近开关连接件

采用轻质铝型材小片，在其面上打直径6mm、12mm的孔，攻丝，使其用弹簧螺栓固定在开凿铝型材面板上，在用两个螺栓将阀与连接件固定在一起。

参考图如下：

图3-10接近开关连接件

图3-11气缸与接近开关的固定

3.2.4PLC的连接

采用轻质铝型材小片，在其面上打直径6mm、12mm的孔，攻丝，使其用弹簧螺栓固定在开凿铝型