上海海洋大学气动实验讲解.docx
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上海海洋大学气动实验讲解
上海海洋大学
研究生课程实验
课程名称：
任课教师：
完成日期：
年月
姓名：
水草切割力测量实验设计---------------------------------------------------------------------------2
小型可拆卸水草切割装置性能测试实验设计-------------------------------------------------4
基于PLC的气动安装搬运机械手设计----------------------------------------------------------6
基于PLC的气动冲切机的设计---------------------------------------------------------------------8
气动实验补充------------------------------------------------------------------------------------------11
波浪能发电装置转换效率的测试实验---------------------------------------------------------17
水草切割力测量
一、实验目的：
测量水草切割力
二、实验设备：
摆动式茎秆切割试验台，数字游标卡尺
三、实验原理：
摆动式茎秆切割试验台如图1所示。
动刀安装在摆锤末端,改变摆锤的摆角即可获得不同的切割速度,定刀通过悬臂梁称量传感器固定在支架上,支架可以移动以调整刀片间隙。
由于切割面和切割方向都垂直于茎秆轴线,属于双支撑横断切割。
动刀采用齿刃刀片,定刀可安装光刃或齿刃刀片。
图1摆动式切割试验台结构示意图
1.支座2.悬臂梁称量传感器3.定刀4.刻度盘5.指针6.摆锤7.动刀8.移动支架9.数据采集卡10.工控机
悬臂梁称量传感器量程为10kg,输出信号经过专用滤波放大器后,整定为±5V标准电压信号,测量误差小于0.1%,响应时间小于10s。
采用研华812PG采集卡进行高频采集,采样频率可达30kHz。
工控机软件用LabView编写,可以对切割力变化过程进行实时显示和数据存储,采样频率在0～30kHz范围内连续可调。
四、实验步骤：
将水草茎秆水平放置在移动支架上,并与定刀刀刃垂直接触,通过指针在刻度盘上位置控制摆锤提升角度,在重力作用下作单摆切割运动。
已知当切割速度为1～2m/s时,根据水草茎秆直径计算得到切割时间为3～8ms。
采样频率过高,切割周期内采集的数据过多,会增加数据处理的工作量;采样频率过低,则会造成较大测量误差。
试验设定切割力采样频率为4kHz,在一个切割周期中至少可以采集12个点,从而绘制得到连续的切割力变化曲线。
茎秆的直径和壁厚均采用数字游标卡尺测量,分辨率为0.01mm。
由于水草茎秆不是规则的圆柱形,茎秆节两端截面的外径、壁厚以及力学特性存在明显差异,因此试验分别测量茎秆外径的最大值和最小值,在截面对称位置上取4个位置测量壁厚,取壁厚的平均值,采用椭圆环计算茎秆截面积。
试验过程中,也避免直接切割茎秆节位置。
为了减小水草个体差异的影响,每组参数重复试验10次。
五、实验结果：
表1.不同品水草峰值切割力测量结果
切割位置/mm
苦草
轮叶黑藻
伊绿藻
平均峰值切割力/N
标准差
平均峰值切割力
标准差
平均峰值切割力
标准差
50
100
150
200
250
表2.不同品种水草单位面积峰值切割力和切割功耗测量结果
水草
品种
单位面积峰值切割力/N*mm-2
单位面积切割功耗/Mj*mm-2
最大值
最小值
平均值
标准差
最大值
最小值
平均值
标准差
苦草
轮叶
黑藻
伊绿藻
表3割刀对切割功耗的影响
切割速度/m*s-1
单位面积切割功耗/Mj*mm-2
功耗减小比例/%
齿刃和光刃
双齿刃
1.0
1.5
2.0
六、思考
1、绘制切割速度与峰值切割力的关系曲线；
2、描述切割位置对切割力和切割功耗的影响；
3、简述双齿刃割刀的优势在哪里。
小型可拆卸水草切割设备性能测试
一、实验目的：
1.测量割刀与刀盒的碰撞力2.水草切割设备的传递效率
二、实验设备：
小型可拆卸水草切割装置，测速仪，压电式力传感器，扭矩测试仪
三、实验原理：
1.压电式力传感器是以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。
它的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。
它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：
加速度和压力。
它有很多优点：
重量较轻、工作可靠、结构很简单、信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。
2.根据P=
分别测定汽油机和偏心轮的扭矩和转速,求出水草切割设备的传递效率
四、实验步骤：
1.将压电式力传感器感应片贴在割刀与刀盒碰撞部位，汽油机油门由小到大调节，测试碰撞力并绘制速度-碰撞力曲线；
2.汽油机油门由小到大调节,分别测的不同转速条件下切割装置的传递效率。
因为切割装置中汽油机与加速器已经做成一体，所以汽油机输出转速和偏心轮转速基本一致。
五、实验结果：
表1不同转速下割刀与刀盒碰撞力
汽油机输出转速
r/min
碰撞点1
碰撞点2
碰撞点3
200
300
400
500
600
表2割深400mm、不同转速下切割装置的传递效率
汽油机输出转速
r/min
汽油机输出转矩
Nm
偏心轮转速
r/min
偏心轮转矩
Nm
传递效率
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
表3汽油机输出500r/min、不同割深情况下切割装置的传递效率
割深/mm
汽油机输出转矩
Nm
偏心轮转速
r/min
偏心轮转矩
Nm
传递效率
80
160
240
320
400
六、思考：
1.绘制速度-碰撞力曲线，检测碰撞力异常值，提出偏心轮尺寸改进方案；
2.观察传递效率和转速因素、传动长度因素的关系，并尝试解释其原因。
气动实验部分
我们使用的是温州巨林机械设备有限公司的QDA-1型气动PLC控制综合教学实验装置，先后完成了换向回路、同步回路、顺序回路、互锁、计数、延时等25个实验。
使用时压力调在0.6-0.8Mpa之间，回路中出现问题时，首先是关闭泵，等待释压后重新进行实验。
在实验三杆联动回路和高低压转换回路中，需要用到双出杆双作用缸，试验柜中缺少该元件，我们用单出杆缸代替，并没有影响到实验原理的理解。
因为本实验装置采用PLC主控方式，在实验九速度换接回路中，第一次安装接近开关时出现问题，随后通过尝试顺利解决这一问题。
在实验过程中要思考实验与实际应用的联系，例如速度回路、变速回路和顺序回路：
1．速度回路的实际应用
速度调节回路时气压传动系统的重要组成部分，依靠它来控制工作机的运动速度，例如在机床中我们经常需要调节工作台（或刀架）的移动速度，以适应加工工艺要求。
2．变速回路的实际应用
机床工作部件在现实自动工作循环过程中，往往需要不同速度（快进→第一工进→第二工进→快退→卸荷），图自动刀架先带刀具快速接近工件，后以Ⅰ工进速度（有时慢速有二档速度）对工件进行加工，加工完迅速退回原处，在泵不停转情况下，要求泵处与卸荷状态。
这种工作循环，是机床中最重要的基本循环。
因此在液压或气压系统中，需用速度换接回路来实现这些要求。
3．顺序回路的实际应用
在机床及其它装置中，往往要求几个工作部件按照一定顺序依次工作。
如组合机床的工作台复位、夹紧，滑台移动等动作，这些动作间有一定顺序要求。
先加紧后才能加工，加工完毕先退出刀具才放松。
又例磨床上砂轮的切入运动，一定要周期性在工作台每次换向时进行，因此，采用顺序回路。
以实现顺序动作。
按控制方式不同可分为压力控制式、行程控制式和时间控制式。
实验拓展
1．基于PLC的气动安装搬运机械手设计
气动机械手作为机械手的一种，具有结构简单、重量轻、动作迅速、工作可靠、节能和环保等优点而被广泛应用。
由于操作的对象和信息输入输出的元件都是实际生产中采用的，所以非常适合作为专业综合实践和专业课程综合实训平台，培养学生的专业知识综合应用能力和创新能力。
1夹钳2升降气缸3安装工作位4加工站取料位5支架6左气缸7右气缸8分类站分类位
图1安装搬运站结构图
图2安装搬运机械手气动控制回路
图3.关键PLC程序
可以利用PLC对安装机械手实现自动控制，很好地实现了安装搬运的取料、放料、安装和联络等功能。
控制系统在实训装置上运行，经实践检验，设备动作顺畅、性能稳定、可靠性高。
我们在实验台上搭建气路，进行模拟，深入理解实验原理如何应用与实际。
2基于PLC的气动冲切机的设计
表1冲切机解的形态矩阵表
图1工作原理示意图
图2气动系统原理图
1空气过滤器2减压阀3油雾器4、8电磁阀5、7、9、11单向节流阀6送料气缸10切料气缸SQ1、SQ2、SQ3、SQ4-限位磁性开关
图3.PLC输入、输出接线图
首先，对众多方案进行“收敛”粗筛选，把与设计要求不符或各功能元解不相容的方案去除，并根据实际经验，选择切实可行的解，组成几个初选方案。
再对初选方案进行定性分析或定量评价，确定最优方案。
根据冲切机的设计要求，综合考虑机械传动与气压传动、辊轮式送料与夹钳式送料、机械切断与加热熔断、PLC控制与单片机控制的特点，以及加工坯料的材质、形状等因素，确定采用气压传动、辊轮式送料（超越离合器驱动）、机械切断、PLC控制的组合方案为最佳方案。
图1为气动冲切机工作原理图，其工作原理为：
送料气缸1的活塞杆通过铰链与齿条连接，当活塞杆往复运动时，通过齿条齿轮机构2使齿轮往复摆动，经过超越离合器3，使送料辊.作单向间歇转动，利用送料辊与坯料之间的摩擦力，带动坯料向前（右）移动。
送料停止后，冲切气缸7的活塞杆向下运动，带动冲头8也向下运动，从而实现对坯料的冲切。
然后送料气缸和冲切气缸依次返回，准备开始新的循环。
通过调节螺杆4，改变送料气缸活塞杆的行程，可实现送料长度的调节。
基于PLC控制的气动冲切机具有结构简单，工作效率高，使用维修方便，无污染，噪声低等优点。
我们根据自已设定的工作要求，设计、搭接气路、电路。
然后自已编制相应程序、调试程序，检验实验运行结果是否达到设计要求。
在实验过程中机、电、气结合，学以致用，提高了动手能力和综合运用所学气、电、计算机知识的能力，也激发了我们的学习兴趣。
四、实验结论
通过气动实验加深了我们对气动元件、气动控制回路和自动控制系统的理解，加强理论与实际应用的紧密结合，培养了我们正确设计、安装、调试气动控制系统的工程实践能力和综合运用知识的能力。
按照气动实验指导书完成基本实验后，我们进行了拓展。
我们在该实验台上完成的气动实验有手动式、机动式、全气控式的气动回路以及电控式的气动回路，多功能，灵活多变。
通过实践拓展了我们创新思维，我们通过实验学会正确地设计、安装、调试气压传动系统。
尤其是通过电控气动系统的组装和实验，我们还能学会采用电子技术和计算机技术实现气动系统自动化的先进的机电一体化技术。
气动换向阀流量特性实验研究
计划搭建气动换向阀流量特性实验台，对数台台三位五通电磁换向阀的流量特性进行测试，绘制流量特性曲线。
可是实验器材中缺少流量测量仪，计划用Q=Av，已知气缸横截面积，测出气缸速度来求出流量，这样误差对是实验影响很大，最关键的是换向阀进口处流量无法测定。
实验五、单作用气缸的速度调节回路
一、单向调速回路
一）、实验原理图：
二）、实验步骤：
1、根据实验原理图选择实验所用的元件（弹簧回位缸，单向节流阀，两位三通单电磁阀换向阀，三联件，连接软管），并检验元件实用性能是否正常。
2、在看懂原理图后，搭接实验回路。
3、将二位三通单电磁换向阀的电源输入口插入相应的控制板输出口。
4、确认连接安装正确稳妥，把三联件的调压旋钮旋松，通电开启气泵。
待泵工作正常后，再次调节三联件的调压旋钮，使回路中的压力在系统工作压力以内。
5、当电磁阀得电时右位接入，气体经过三联件经过电磁阀的右位，再经过回路中的单向节流阀进入气缸的左腔，气缸活塞向右伸出。
电磁阀失电后在弹簧的作用下活塞回位。
6、在实验的过程中调节回路中单向节流阀来控制活塞的运动速度。
7、实验完毕后，关闭泵，切断电源，待回路压力为零时，拆卸回路，清理元器件并放回规定的位置。
三）、实验数据记录：
不同条件下活塞速度记录
气源压强/Mp
单向节流阀开口
活塞速度/m*s-1
0.8
全开
0.2
0.8
7/8开
0.175
0.8
3/4开
0.15
0.8
1/2开
0.1
0.8
1/4开
0.05
0.8
1/8开
0.025
0.8
全闭
0
0.6
全开
0.2
0.6
7/8开
0.175
0.6
3/4开
0.15
0.6
1/2开
0.1
0.6
1/4开
0.05
0.6
1/8开
0.025
0.6
全闭
0
从实验结果可以得出，活塞速度与节流阀调节旋钮成正比，与气源压强无关系，验证了Q=Av，活塞的速度完全由节流阀控制，与节流阀流量控制大小成正比。
实验九、速度换接回路
一）、实验原理图：
二）、实验步骤：
1、据实验的需要选择元件（单杆双作用气缸、单向节流阀、二位三通单电磁换向阀、二位五通单电磁换向阀、三联件、接近开关、连接软管）。
并检验元件的实用性能是否正常。
2、看懂原理图之后，搭建实验回路。
3、将二位五通单电磁换向阀和二位三通单电磁换向阀以及接近开关的电源输入口插入相应的控制板输出口。
4、确认连接、安装正确稳妥后，把三联件的调压旋钮旋松，通电开启气泵。
待泵工作正常后，再次调节三联件的调压旋钮，使回路中的压力在系统工作压力以内。
5、电磁换向阀得电时，压缩空气经过三联件、电磁换向阀、单向节流阀进入缸的左腔，活塞在压缩空气的作用向右运动，此时缸的右腔空气经过二位三通电磁阀再经过二位五通电磁阀排出。
6、当活塞杆接触到接近开关时，二位三通电磁阀失电换位，右腔的空气只能从单向节流阀排出，此时只要调节单向节流阀的开口就能控制活塞运动的速度。
从而实现了一个从快速运动到较慢运动的换接。
7、而当二位五通电磁阀右位接入时可以实现快速回位。
8、实验完毕后，关闭泵，切断电源，待回路压力为零时，拆卸回路，清理元器件并放回规定的位置。
三）、实验数据记录
0.8Mp气源，二位三通换向阀上位，活塞速度记录
进气路单向节流阀开口
出气路单向节流阀开口
活塞向右速度/m*s-1
全开
全开
0.2
全开
7/8开
0.175
全开
3/4开
0.15
全闭
1/2开
0.1
全闭
1/4开
0.05
全闭
1/8开
0.025
全开
全闭
0
进气路单向节流阀开口
出气单向节流阀开口
活塞向左速度/m*s-1
全开
全闭
0.2
7/8开
全闭
0.175
3/4开
全闭
0.15
1/2开
全开
0.1
1/4开
全开
0.05
1/8开
全开
0.025
全闭
全闭
0
实验数据显示，活塞向右速度与出气路单向节流阀开口大小成正比；活塞向左速度与进气路单向节流阀开口大小成正比。
验证了实验设计原理。
波浪能发电装置转换效率的测试实验
试验目的：
测定波浪能发电装置转换效率
试验设备:
液压试验台,液压马达,小型发电机,万用表,测速仪
试验原理:
图1.浮子受到的波浪力
图2.模拟流体冲击液压马达发电
试验步骤:
按照图2连接线路，马达进出口分别安装流量压力测试仪，启动后用测速仪测量马达转速，用万用表测量发电机线电压。
试验结果:
图1.接法尚未实现
按照图2接法
液压马达工况
发电机工况
进口流量Q1/L*s-1
进口压力
P1/Mp
马达转速
v/m*s-1
出口流量Q2/L*s-1
出口压力P2/Mp
线电压
U/V
线电流
I/A
0.9
1.5
300
0.8
1
32
1
2
350
0.9
1.6
37
1.2
2.5
400
1.1
2.2
40
1.4
3
420
1.2
2.8
45
1.6
3.25
440
1.3
3.1
45
1.7
3.5
460
1.4
3.4
47
2.1
3.75
480
1.5
3.6
50
2.2
4
500
1.6
3.8
50
变阻设备还未到位，线电流还未测量，绘制马达工况曲线，可得马达容积损失约为18%，其他数据尚在进一步测量中。
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