《毕业设计论文料斗钻床的工艺流程及控制回路的设计》.docx
《《毕业设计论文料斗钻床的工艺流程及控制回路的设计》.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《毕业设计论文料斗钻床的工艺流程及控制回路的设计》.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《毕业设计论文料斗钻床的工艺流程及控制回路的设计》
摘要
装有料斗钻床的气动控制系统，其工作流程为：
首先是一个水平安装的双作用气缸（1.01A）在排气节流情况下将料斗中落下的工件推到钻头的下方，并将工件顶在固定台上夹紧。
当达到要求的夹紧压力P=400Kpa时，钻头在具有液压缓冲气缸（2.0B）的线性进给装置驱动下向前运动，并用压力调节阀设定最大的进给压力，压力设在P=500Kpa，当达到设置的攻钻深度时使进给停止，并在无节流的情况下回程。
当回程运动结束，双作用气缸（1.0A）快速回程，当回程结束，单作用气缸（3.0C）将加工完成的成品推出。
再延时一段时间t=3s后，单作用气缸迅速回程。
系统启动运行时用一个按钮开关，连续循环工作的选择使用一个定位开关。
设计总共有六大部分组成：
第一部分为工艺流程的分析；第二部分为系统分析；第三部分是回路设计；第四部分是选择和计算执行元件；第五部分是控制元件的选择；第六部分是选择气动辅助元件。
本次设计的实现可以使我们熟悉钻床的工艺流程，掌握气动回路设计方法和步骤，以及控制回路的设计，培养我们对所学电气自动化专业知识的综合应用能力。
关键词：
料斗钻床回路设计连续循环
Abstract
Equippedwithapneumaticdrillhoppercontrolsystem,itsworkprocessesasfollows:
Thefirstisastandardinstallationofdouble-actingcylinder（1.01A）intheexhaustthrottlecircumstanceshopperontoworkpiecefallingbelowthedrillbitandtheworkpiecetopoftheFixedtableclamp.WhenyoureachtherequiredclampingpressureP=400Kpa,thedrillbitinabufferwithahydrauliccylinder（2.0B）alinearfeedunitdrivenforwardmovement,andusethepressureregulatingvalvetosetthemaximumfeedpressure,pressureinP=500Kpa,Whenyoureachthesetdrillingdepthofattacksothatthefeedstops,andinthecaseofnon-cuttingreturn.Whenthereturnendoftheexercise,double-actingcylinder（1.0A）quickreturn,whenthereturntripovertheroleofasinglecylinder（3.0C）willcompleteprocessingofthefinishedproductintroduction.Furtherdelaytimet=3s,asingleroleintherapidcylinderreturn.
Thesystemstartsrunningwithabuttonswitch,acontinuouscycleofwork,choosetouseapositionswitch.
DesignAtotalofsixparts:
thefirstpartoftheprocessofanalysis;secondpartisdividedintosystemsanalysis;thirdpartofthecircuitdesign;fourthpartistheselectionandcalculationoftheimplementationcomponents;fifthpartisthechoiceofcontrolcomponents;Article6partisselectingthepneumaticauxiliarycomponents.
Thisdesignallowstherealizationoftheprocesswearefamiliarwithdrilling,masterpneumaticcircuitdesignmethodsandprocedures,aswellascontrolloopdesign,developourprofessionalknowledgelearnedElectricAutomationintegratedapplicationability.
Keywords：
HopperDrillingCircuitdesignContinuousCycle
1.绪论
1.1引言
气动技术是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。
由于它具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各种机械和生产线上。
过去汽车、拖拉机等生产线上的气动系统及其元件，都由各厂自行设计、制造和维修。
随着科学技术的发展，工业生产进入以信息技术、数控技术、液压传动与气压传动技术为主的发展阶段。
气压传动技术应用相当普遍，许多机器设备中装有气压传动系统。
气动技术包含气压传动与气动控制两方面的内容。
气动元件是组成气动系统实现气压传动与气动控制的基本单元。
由于气动技术具有一系列独特的优点，其应用领域正在不断扩大。
国外工业发达国家生产的现代化机械设备和自动生产线长，都大量的采用气动，并将应用气动技术的程度，视作衡量一个国家工业化水平的重要标志之一。
随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。
气压传动发展的动向,概括有以下几点:
1.节约能源,发展低能耗元件,提高元件效率;
2.发展新型气压元件;
3.注意环境保护,降低气压元件噪声;
4.进一步发展电气－气压控制，提高控制性能和操作性能;
5.其它方面，如元件微型化、复合化和系统集成化的趋势仍在继续发展，对气压系统元件的可靠性设计、逻辑设计，与电子技术高度结合，对故障的早期诊断、预测以及防止失效的早期警报等都越来越受到重视。
伴着我国改革开放的不断深入，在许多国产和引进设备中，气动技术的应用将会愈来愈广。
2.设计任务要求及参数
2.1设计任务
本次设计任务是熟悉钻床的工艺过程，掌握气动回路设计方法和步骤，以及控制回路的设计，培养学生对所学电气自动化专业知识的综合运用能力，设计出钻床的工艺流程，明确动作顺序和工作流程。
气动系统工作流程图，气动系统位移—步骤图，气动主回路和控制回路的设计，最后将控制元件及设备的选择一并设计出来。
2.2设计要求
工艺流程分析：
设计整个项目计划的流程图；
系统分析：
由流程图画出系统位移—步骤图，确定系统所用原件；
气动回路设计：
包括主回路、控制回路，并且分析验证，消除故障；
选择和计算执行元件：
确定执行元件的类型和数目；计算和确定执行元件运动参数；
选择控制元件：
确定控制元件的类型和数目，确定控制方式和安全保护回路；
选择气动辅助元件：
选择空压机及净化装置的类型及容量。
设计参数：
执行元件的速度、行程、缸径；
空压机及净化装置的容量。
2.3设计参数
执行元件的速度、行程、缸径；
空压机及净化装置的容量。
3.工艺流程
3.1装有料斗钻床的工艺流程
料斗中的方形刚快被送到钻床上，然后夹紧，进行加工，加工完成以后从钻床上推到成品箱中
首先是一个水平安装的双作用气缸（1.01A）在排气节流情况下将料斗中落下的工件推到钻头的下方，并将工件顶在固定台上夹紧。
当达到要求的夹紧压力P=400Kpa时，钻头在具有液压缓冲气缸（2.0B）的线性进给装置驱动下向前运动，并用压力调节阀设定最大的进给压力，压力设在P=500Kpa，当达到设置的攻钻深度时使进给停止，并在无节流的情况下回程。
当回程运动结束，双作用气缸（1.0A）快速回程，当回程结束，单作用气缸（3.0C）将加工完成的成品推出。
再延时一段时间t=3s后，单作用气缸迅速回程。
系统启动运行时用一个按钮开关，连续循环工作的选择使用一个定位开关。
装有料斗钻床的工艺流程
工作流程图简略的符号表达式：
A+B+B-A-C+tC-
图3-1装有料斗钻床的工作流程图
4.系统分析
4.1由流程图画出系统位移—步骤图
图4-1装有料斗钻床的系统位移—步骤图
说明：
三个汽缸的唯一情况如图所示，执行机构的动作顺序是：
气缸A伸出，将工件夹紧，当夹紧压力P=400Kpa时，钻头在具有液压缓冲气缸B的进给装置下向前运动，当达到设置攻钻时停止，气缸B回程，回程结束后，气缸A快速回程，当回程结束后，单作用气缸将成品推出，延时t=3s后，单作用气缸回程。
4.2确定系统所用元件（列出明细表及说明）
根据系统的要求，选择气缸见表4-1
气缸选择
表4-1
元件代号
元件描述
说明
1.0（A）
双作用气缸
排气节流，水平安装
2.0（B）
双作用气缸
缓慢平稳，气液阻尼
3.0（C）
单作用气缸
压缩空气，一个面上
主要元件见下表4-2
主要元件
表4-2
标识
元件描述
标识
元件描述
标识
元件描述
A
双作用气缸
气源
0Z1.2
气源
0Z1.3
气源
B
双作用气缸
2Z2
压力表
可调单向节流阀
可调单向节流阀
0V2
双压阀
3V2
快速排气阀
2Z1
压力顺序阀
3Z
延时阀，常开式
0Z4
带压力表的减压阀
0V3
梭阀
0z1.1
气源
0Z3
压力表
1S1
n位三通换向阀
3V1
n位三通换向阀
2V1
n位五通换向阀
n位三通换向阀
C
单作用气缸
1V1
n位五通换向阀
n位三通换向阀
1V3
可调单向节流阀
n位三通换向阀
0V1
n位五通换向阀
2V3
可调单向节流阀
n位三通换向阀
1S2
n位三通换向阀
选择气缸的控制方式，见表4-3
气缸的控制方式
表4-3
元件代号
元件描述
说明
1A
5/2双气控阀
双作用气缸A
2A
5/2单气控阀
双作用气缸B
3A
5/2双气控阀
单作用气缸C
5.回路设计
5.1气动主回路设计
一般的气动系统主要可分为两个回路：
主回路和控制回路。
主回路一般主要包括执行元件，主控换向阀等元件，装有料斗钻床的气动主回路如图5—1图所示：
图5-1系统主回路
5.2气动控制回路设计
控制回路一般包括动作信号元件（输入/输出信号）、位置检测（控制信号）元件、速度调节元件等。
当然，每个部分都必须要有能量源（气源）和管路（气路）等辅助元件装置。
在气缸运动控制系统中，只有一端出现气控信号时，5/2记忆阀才能改变位置，如果气控信号同时出现，即两个气孔信号同时作用在5/2阀上，就会出现信号重叠的问题。
借助换向阀消除信号时一种常用的方法。
用这种方法，各个换向阀所消除的信号可以被保持下来，这种方法在运行中是相当可靠的。
它的基本思路是：
在需要使记忆阀动作时，才允许控制信号起作用，这可通过换向阀切断信号元件的供气输入来达到目的，即仅仅在需要有信号时，才向信号元件供气。
脉冲阀被用于其换向作用，但是主要的难点是怎样选择换向阀的信号。
办法是；缩短信号起作用的时间，即除非这一步骤上需要这个信号，否则就关闭这两个阀门的气源，此法又称为脉冲回路消障法，它是利用脉冲回路或脉冲阀将有障碍信号变为脉冲信号。
在设计过程中发现，如果位置检测行程阀2S2和1S3的进气口（1口）在系统的整个工作周期总是一直连到气源的，就会导致5/2双气控阀1V1和3V1在一个工作周期的某个时刻，出现它们的两个气控口14/12口同时有信号（重叠）的故障。
因此，设计的思路是，避免位置检测行程阀2S2和1S3的进气口（1口）在系统整个工作周期一直连到同一个气源。
可以用下述方法来实现：
分别将5/2双气控阀1V1、2V1和3V1连入相互排斥（一路有气时，另一路无气的气源管路上）。
假设两条管路标记为M和K,其中管路K是有压缩空气的，管路M初始无压缩空气。
那么，对于5/2双气控阀（1V1,2V1和3V1）的14口，可以直接或通过其他控制阀连到管路M，而对于5/2双气控阀（1V1,2V1和3V1）的12口，可以直接或通过其他的控制阀连到管路K,是排斥的（一路有气时，另一路无气）；所以5/2双气控阀（1V1,2V1和3V1）的14口和12口不会同时又控制信号。
利用一个5/2双气控阀解决如何实现管路M和管路K的相互排斥特性。
参见图5-2
图5-2
那么，在系统执行元件前向冲程时，让管路M接通气源，可以让图中的5/2双气控阀的14口有信号即可，在系统执行元件作反向回程时，让管路K接通进气源，这可以让图的5/2双气控阀的12口有信号即可。
接下来，逐步添加元件，以管路M，管路，管路，作为分界线；在其上方主要布置“主回路”及其气缸前向/反向冲程的位置检测阀。
一般第一个动作（工部）不需要加条件，可以得到下图所示的动作（工部）与其对应的条件
图5-3系统流程图
5.2.1系统前向冲程分析
用于系统第一个动作（工步）是气缸1A1作前向冲程，所以阀1V1的14口直接连到管路M。
而系统第二个动作（工步）是气缸2A1作前向冲程，其动作前提是：
气缸1A1将工件加紧的压力达到P=400Kpa时，即压力调节阀2Z1的压力达到P=500pa时，所以阀2V1的14口通过压力阀2Z1连到管路M上。
1S1阀为启动信号，主要是让管路M有压缩空气。
那么，就可以将其布置在管路下方，去控制5/2双气控阀OV5要切换管路和管路），和5/2双气控阀OV1（主要切换管路K和管路M）。
状态下，管路K有缩气源，所以将按钮1S1的进气口间接与管路M相连，为系统启动做好准备。
气缸3A1前向冲程的动作前提是双作用气缸1A程结束，所以阀3V1的14口应接到管路N上，同时阀1V1的12口也应接到管路N上。
图5-4前向冲程的回路图
5.2.2系统反向回程分析
首先，系统执行元件作反向回程时，必须要切换管路M和管路K，管路N和管路K中的压缩气源，也就是需要切换OV1和OV5的工位，切换的条件是：
气缸2A1驱动的钻头达到设置的工钻深度时使进给停止，并在无节流的情况下回程，气缸1A1在气缸2A1回程结束后，快速回程，气缸3A1在完成将工件成品推出后延时三秒后，单作用气缸3A1迅速回程。
要注意的是：
行程阀2S1的进气口连接，由于在管路M和管路K切换前，管路M是有压缩气源的，所以，将行程阀2S1的进气口连到管路M上，这样，有两个好处：
第一，为切换阀OV1做准备。
第二，当阀OV1切换后，管路M中无压缩气源，管路K有压缩气源，这样，可以确保阀OV1的12口受到的控制信号是短暂的，为下一次切换做好准备。
图5-5反向回程的布局图
5.2.3画出控制回路图
图5-6控制回路图
5.3进行分析验证，消除故障
对于控制回路图，原理上是行得通的，但在实际操纵中，发现以下问题：
如果作用在按钮阀1S的信号时瞬时（短暂）的，那么系统是可以正常运行的。
但是，如果，但是由于某种原因（如机械结构卡死等），使得其信号较长，那么，当气缸和气缸作完前向冲程后，阀OV1导通阀切换至有工位；但是，如果此时按钮阀1S1导通，阀OV1切换至左工位。
这样导致管路和管路频繁切换，系统无法继续工作。
（一）根据工作的情况，该系统时无法进行“连续”的。
（二）当系统在运行过程中，如果出现故障，系统无法恢复。
5.3.1故障解决
对于上述三种的
（1）和
（2），主要是阀OV5的14口一直是有气信号的，所以，在运行中，当阀OV1或OV5的12口上有气信号时，OV5就不能正常工作。
那么，解决的问题是：
将阀OV5的14口的气控信号变为瞬时信号；这可以加一个限制条件即可。
在该系统中，用一个与阀OV4，就可以解决
（1）和
（2）的问题。
对于故障（3），也可以在阀OV5的14口通道中加一个限制条件即可。
为了防止气缸1A1和2A1还有3A1中在一个前向冲程中，另一个气缸误动作，加入了行程检测阀2S2和1S3和3S1，相当于起到互锁的作用。
6.选择和计算执行元件
元件包括执行元件和控制元件。
气动执行元件时以压缩空气为动力源，将气体的压力能在转换为机械能的装置，用来既定的动作。
它主要有气缸和气马达。
前者作直线运动，后者作旋转运动。
气缸的工作原理：
一、单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。
其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。
单作用气缸的特点是：
1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。
2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输力。
3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。
4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。
由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。
其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。
单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。
二、双作用气缸
工作原理图
双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。
其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。
此类气缸使用最为广泛。
1）双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。
缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。
安装所占空间大，一般用于小型设备上。
2）活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。
适用于中、大型设备。
三、缓冲气缸缓冲气缸对于接近行程末端时速度较高的气缸，不采取必要措施，活塞就会以很大的力（能量）撞击端盖，引起振动和损坏机件。
为了使活塞在程末端运动平稳，不产生冲击现象。
在气缸两端加设缓冲装置，一般称为缓冲气缸。
图缓冲气缸
1—活塞杆；2—活塞；3—缓冲柱塞；4—柱塞孔；5—单向密封圈；6—节流阀；7—端盖；8—气孔
缓冲气缸见上图，主要由活塞杆1、活塞2、缓冲柱塞3、单向密封圈5、节流阀6、端盖7等组成。
其工作原理是：
当活塞在压缩空气推动下向右运动时，缸右腔的气体经柱塞孔4及缸盖上的气孔8排出。
在活塞运动接近行程末端时，活塞右侧的缓冲柱塞3将柱塞孔4堵死、活塞继续向右运动时，封在气缸右腔内的剩余气体被压缩，缓慢地通过节流阀6及气孔8排出，被压缩的气体所产生的压力能如果与活塞运动所具有的全部能量相平衡，即会取得缓冲效果，使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击。
调节节流阀6阀口开度的大小，即可控制排气量的多少，从而决定了被压缩容积（称缓冲室）内压力的大小，以调节缓冲效果。
若令活塞反向运动时，从气孔8输入压缩空气，可直接顶开单向阀5，推动活塞向左运动。
如节流阀6阀口开度固定，不可调节，即称为不可调缓冲气缸。
气缸所设缓冲装置种类很多，上述只是其中之一，当然也可以在气动回路上采取措施，达到缓冲目的。
四、薄型气缸
特点：
缸筒与无杆侧端盖压铸成一体，杆盖用弹性挡圈固定，缸体为方形。
用途：
常用于固定夹具和搬运中固定工件等。
类型
数目
代号
双作用气缸
1
1A
双作用气缸
1
2A
单作用气缸
1
3A
6.1确定执行元件的种类和数目,参见下表
表6-1
6.2计算和确定执行元件的运动参数（速度、行程、缸径）
执行元件的运动参数：
A缸：
我们取A气缸的速度为v=0.4m/s，则β=0.6。
令A气缸的动作时间为0.2s，则A气缸的行程s=νt=0.08m=80mm。
取工件质量为30Kg，工件与安装面的滑动摩擦因数µ=0.3，由题知A气缸的工作压力=0.4，则，A气缸的负载力F=µ㎎=0.3×30×9.8=88.2Ν
理论输出力F0=F/β=88.2/0.6=147Ν
由于是双作用气缸，所以其缸径D=
=
=21mm
故选取A气缸的直径为21mm，则d=0.3D取6mm
双作用气缸的输出推力公式：
F=（P1A1–P2A2）η=π/4[（P1–P2）D²+P2d²]η
则A气缸的输出推力F=π/4[（0.7–0.4）21²+0.4×4²]×0.8=93Ν
B缸：
该气缸为双作用气缸：
F=（P1A1-P2A2）η,其中P1=0.7Mpa，P2=0.5Mpa,A1=6cm,A2=3cm.
η一般取0.7-0.95，取η=0.8，则F=2.96N
我们取B气缸的速度为v=0.4m/s，则β=0.6。
令B气缸的动作时间为0.2s，则B缸的行程s=νt=0.08m=80mm。
则理论输出力F0=F/β=2.96/0.6=4.93Ν
由于是双作用气缸，所以其缸径D=
=
=3.56mm
所以双作用气缸选4mm。
7.选择控制元件
7.1控制元件分类及原理
在气动系统中，用来控制与调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号，使气动执行元件能按控制要求工作的元件称为气动控制元件。
以下是此次设计回路中用到的一些控制元件。
快速排气阀的工作原理：
如上图所示，它有三个阀口<1>、<2>、<3>。
<1>接气源，<2>接执行元件，<3>通大气。
当<1>有压缩空气输入时，推动阀芯右移、<1>与<2>通，给执行元件供气；当<1>无压缩空气输入时，执行元件的气体通过<2>使阀芯下移，堵住<1><2>通路，同时打开<2><3>通路，气体通过<3>快速排出。
快速排气阀常装在换向阀和气缸之间，使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出。
从而加快了气缸往复运动的速度，缩短了工作周期。
一般情况下，快速排气阀直接安装在气缸上，或应靠近气缸安装。
可调单向节流阀工作原理
可调单向节流阀能够调节压缩空气流量，带锁定螺母，即对其开口度锁定。
可调单向节流阀只能在一个方向上对流量进行控制。
可调单向节流阀应尽可能靠近气缸安装。
这种阀带锁定螺母，可实现流量无级调节，通过锁定螺母保持其开口度不变
减压阀的工作原理
减压阀是气动调节阀的一个必备配件，主要作用是将气源的压力减压并稳定到一个定值，以便于调节阀能够获得稳定的气源动力用于调节控制。
上图所示
升级会员 