基于 PLC 的全气动压药机系统设计气压传动及控制和电液伺服与比例控制系统课程设计.docx
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基于PLC的全气动压药机系统设计气压传动及控制和电液伺服与比例控制系统课程设计
课程设计说明书
（气压传动及控制和电液伺服与比例控制系统课程设计）
项目名称：
基于PLC的全气动压药机系统设计
摘要
压药作为压制特殊炸药元件的有效手段，工作过程的可靠性和稳定性直接影响了火工品的质量。
作为压药工艺实施载体的压药机，在我国有着广阔的应用范围。
但长久以来，由于压药机存在自动化程度低、稳定性差等问题，一直制约着我国火工品装配自动化水平的提高。
为了解决现有压药装配设备的不足，满足现代化生产的需要，保证火工品的质量和提高工作效率，研发生产可靠性好，自动化程度高的压药装配设备对提高我国火工品的生产水平有着非常重要的研究价值和实际意义。
关键词：
气动技术，PLC，压药机
第1章绪论
1.1课题背景
压药机是用于火工品类产品生产的关键设备。
火工品是装有火工药剂，在很小的外界冲能激发下，一次性燃烧和爆炸后，释放出大功率能量，起引燃、引爆或特种效应作用的元件或装置。
火工品作为工业生产、国防和航天工业中不可缺少的重要部件，广泛应用于民用引爆元件、国防工业弹药生产和航天飞行器上。
火工品的效果直接关系到各类装载有火工品产品的装置的效果。
所以火工品的生产质量与国民经济的发展、国防安全和航天科技的进步密切相关。
由于火工品生产的特殊性和涉及国防敏感技术，国外对于高性能的火工品生产采取了技术与设备的封锁，无法从国外直接采购引进高性能火工品技术与设备，火工品生产设备基本依靠我国科研人员的自主研发。
而我国的火工品压药工作很多是手工操作或由自动化程度很低的机械来辅助完成，要保证产品质量的可靠性，稳定性较为困难，同时留有不少安全隐患。
要解决这个问题，提高火工品压药质量与效率，保证科研和生产人员的安全，自主研发压药自动化装配设备有着非常重要的研究价值和实际意义。
1.2主要研究内容及意义
a.分析压药机工作的基本原理和施压对象的特性
b.完成全气动压药机的总体结构设计
c.设计了基于PLC控制的系统控制程序
第2章压药机原理及气动系统分析
2.1压药机工作原理
气动压药机总的来说是使用压缩空气为动力源，按照施压对象的压力和速度
要求，由气缸等执行机构输出压力，推动负载运动，使得模具内已定量填充的药
剂从松散的药粉压制成具有固定形状的特定密实药元件的一种机器设备。
它的原
理用一个有杆气缸的示意图简要说明，如图1所示。
图1压药机外形结构图
当气源通过换向阀向气缸的无杆腔内（A部分）充气时，腔内压力P1
上升。
当气缸内压力使得有杆腔（B部分）和无杆腔作用在活塞上的压力差（
P=P1-P2）能克服活塞的静摩擦力和运动阻力时，活塞开始运动，此后P1
继续增大。
而外部活塞杆顶端（一般安装有压头）就可以推动负载不断向下移动。
由于工作对象的特殊性，为满足特殊装药要求，当这种压力差达到工作设定要求时，要保持一定时间，使颗粒床应力有足够的时间发展到与外力平衡。
保持时间到达后，活塞退回到初始位置，称为复位。
往往在压制完成后还要采用退模装置使产品和模具脱离。
由于工作施压对象是易燃易爆的药剂，安全性能将是重中之重。
过压、冲击
或保压时间太长等故障都可能导致药剂爆炸，发生事故。
整个压力机工作工程，
除了模具的放置和取出由手工完成外，大部分的工作步骤由压药机自动完成。
所
以设备工作全过程不但要求严格的安全保障措施还要保证对设备故障诊断及时准
确，以确保操作人员和设备的安全。
2.2气动工作原理
一个典型气动系统主要包括三个部分：
气源，管道及控制阀，执行部件及负
载，气动系统如图2所示。
图2典型气动系统
通过控制换向阀的通断来控制气缸的伸出与缩回，以此来实现气缸的连续循环：
运动速度则由单项节流阀来调节，使气缸在运动过程中更加平稳。
气动压药机构的工作结构主要由压药、退模和安全防护等几部分组成，如图3所示。
1、压药机构：
加压结构采用上压式加压布局，气缸等执行元件安装在工作平台的上部，模具置于气缸下部，当气缸活塞杆下行伸出时，联结于活塞杆上的压药冲头向下运动，实现对火工品加压。
加压结构采用上压式加压布局，气缸等执行元件安装在工作平台的上部，模具置于气缸下部，当气缸活塞杆下行伸出时，联结于活塞杆上的压药冲头向下运动，实现对火工品加压。
2、退模装置：
全退模装置是在火工品压制工艺完成后，火工品产品与模具进行分离时使用。
退模动作利用档叉和拔叉的相对运动实现模具和已压实药剂的分离。
3、安全门：
工作区前方安装加厚型安全防护门。
启动设备运行后，安全门首先关闭，工作区域可形成相对封闭的空间，保护操作者的安全。
在工作区中设计有观察窗口，便于观察工作情况。
工作区域后方设计有泄爆窗口，在必要时泄去压力，保护设备的安全。
图3压药机工作机构
2.3系统优势分析
气动装置压力等级相对低，使用的安全性更好；成本低，排气处理简单，不污染环境；输出力及工作速度的调节非常容易；可靠性高，使用寿命长；压缩空气可集中供应，可实现远距离输送，可在高温场所使用。
火工品压药的生产对象为敏感性很高的药剂，设备的使用安全和可靠性理所当然成为首要要求，既要保证生产过程中的安全，也要保证在出现事故时操作者的人身安全得到保证，既要生产设备的使用可靠性优越，也要保证产品性能的可靠性。
第3章参数计算
3.1气动压药机的主要参数
气动压药机总的来说是使用压缩空气为动力源，按照施压对象的压力和速度要求，由气缸等执行机构输出压力，推动负载运动，使得模具内已定量填充的药剂从松散的药粉压制成具有固定形状的特定密实药元件的一种机器设备，它的主要参数有：
工作压力：
60-500N，行程：
150mm，压力精度：
，使用活塞速度
3.2系统压力及流量的计算
气压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统、选择液压元件的主要依据。
因为在实际工作中主要的负载缸只有一个故计算时只需计算它的缸是否满足要求即可。
标准双作用气缸的理论推力为：
式中D为缸径，单位mm；P为气缸的工作压力，单位Pa
实际上，要确定气缸的实际输出力是困难的，于是在对气缸性能选取和确定气缸的直径参数时，常用到负载率α的概念。
气缸的负载率α的定义是：
α的选取与气缸负载的性能及气缸的运动速度有关，一般气缸的负载率在0.4—0.8之间。
静负载
负载速度小于
负载速度
负载速度大于
气缸的运行速度越慢，负载率越大，选取缸径可以变小，但速度慢会引起气缸摩擦阻力变大，降低运行效率，即工作节拍的指标。
但如果选择大缸径的气缸，以提高气缸的运行速度，根据气缸耗气量的公式得使用耗气量也会相应增大。
式中q为气缸的耗气量，单位L/min；D为缸径，单位cm；
为气缸的运行速度，单位mm/s；p为使用压力，单位Mpa。
为了保证供气量，管路和气源空压机的选取也要增大，势必增大设计成本。
所以为保证系统气路执行指标同时又要经济合理，首先应该满足对气缸最大和最小工作压力的要求，其次在气路系统应增加对气体流量的可控调节阀，合理选取管路与气源系统。
从现有气缸产品参数来看，选择缸径范围在50~150mm之间，活塞速度在50~500mm/s之间时，标准行程可到180mm，采取下压提升运行状态的负载率大约为0.7，气缸效率为65%~75%。
我们选取缸径为100mm的气缸，气压范围为0.1—0.9Mpa，负载率为0.7
输出最大压力为：
最小输出压力为：
保压时间的大小可以在系统软件中使用定时方式确定，时间精度一般和控制器的定时器精度或压力到达后的波动有关。
一般现有控制的时间精度都能满足。
3.3气缸的主要参数
内径
活塞杆直径
活塞厚度
缸筒长度
导向滑动面长度
当B<80时，取
最小导向长度
活塞杆长度
气缸筒厚度由于所选材料为45钢且缸筒直径为100mm故取壁厚为8mm,进排气口直径取15mm。
根据上述参数以及能指标中工作压力范围和气缸行程要求，压药机推力主气缸选用SMC的标准型系列气缸，它比普通气缸工作稳定性高，更能保证压力精度。
气缸参数如下表一。
表一气缸参数
3.4其他元件的选择
1、阀类元件
气动回路是为了驱动用于与生产装置相连接的各种不同目的的气缸，最重要的三个控制内容是：
力的大小、运动方向和运动速度。
压药机上的执行元件是气缸，一般气缸与被控装置相连，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现上述三个量的控制，即：
压力控制阀——控制气缸输出力的大小；
方向控制阀——控制气缸的运动方向；
速度控制阀——控制气缸的运动速度。
要使气动回路能正常工作且可控，就必须选择合适的气控回路的控制元件；输出力大小控制，常采用减压阀，电气比例阀等；方向控制阀一般有电磁转换阀、气控换向阀；速度一般采用流量控制阀，典型的有单向节流阀，即由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，也称为速度控制阀。
其中对气缸输出力的大小是比较难控制的。
对气体压力的控制分为断续控制和连续控制。
断续控制即开关控制。
气动控制系统中使用动作频率较低的开关式换向阀来控制气路的通断。
靠减压阀来调节所需要的压力，节流阀调节流量。
这样可能会需要多个减压阀、节流阀及换向阀才能保证压力。
造成系统构成复杂，成本高，许多元件需要预先人工调节。
连续控制的特点是输出量随输入量的变化而变化，输出和输入有一定比例关系。
基本原理是由能量转换元件将输入的电信号转换为机械元件的位移，通过此位移来调节气动放大器，即放大元件的节流面积，从而控制通过气动放大器的气体压力或流量。
基于以上分析，连续控制更为适合本系统压力控制的特点。
压力控制阀选用SMC的先导式压力型电气比例阀。
2、其他气缸
对安全门辅助气缸的选择主要从安全性、安装空间和防尘的特点来考虑。
如果行程为L的有活塞杆的气缸，沿行程方向的实际占用安装空间约为2.2L。
若采用没有活塞杆，则占用安装空间约为1.2L，且行程缸径比可达50至200。
没有活塞杆，还能避免由于活塞杆及杆密封圈的损伤而带来的故障。
这对要求安全性为首要作用的安全门辅助气缸非常适合。
考虑以上，安全门辅助气缸选用无杆机械结合式气缸此种气缸特点为：
①可带磁性开关等检测元件。
元件及配线可设置在沟槽内，防止导线与运动滑台相互干涉，确保气缸安全可靠的工作。
②寿命长。
滑动部分内部构造可防止密封带两侧边缘部分的损伤。
③优良的安装性，省空间。
④可带保护罩及侧向密封，适合粉尘多的环境使用。
由于条件限制故采用普通有杆缸代替。
退模气缸的选择主要考虑导向稳定性好、承受偏心负载大，由于在设备内部安装还要考虑尺寸。
通过以上考虑，退模气缸选择SMC的带导杆气缸。
带导杆气缸是将与活塞杆平行的两根导杆与气缸组成一体。
带导杆气缸的特点为：
①气缸结构紧凑，尺寸小。
②导向精度高，不回转精度高。
③附加导杆，能承受较大的偏心负载和力矩。
其它气路元件如气源，除供气压力满足要求外，还要考虑压缩后空气污染物的多少，噪音大小等因素。
为了保证工作现场的防爆和安全特性，设备的启动、停止开关全部选用气动开关。
综上，阀和节流阀以及缸的选用见表二
表二阀和节流阀以及缸的选用
压药缸两位五通电磁阀
SYA5000
压药缸单向节流阀
4WEH10HA4X/6EG24NETK4/B10
其他两位五通电磁阀
SYA3000
其他单向节流阀
4WEH10HA4X/6EG12N9K4
压药气缸
MB系列（伸、缩）
安全门缸
MYIB系列
拔叉缸
CS2系列
第4章继电器控制回路设计
4.1绘制信号动作X—D图
A、B、C三缸分别代表拔叉、安全门开关、主气缸。
根据A1-B1-C1-C0-B0-A0动作顺序作出X-D如表三。
表三动作顺序X-D图
由X-D状态图判别障碍信号：
该程序中有四个障碍:
a1控制B1有障碍,b1控制C1有障碍,c0控制B0有障碍,b0控制A0有障碍,而且不能选用单个原始信号作为消除障碍的信号。
4.2主控电路
程序A1-B1-C1-C0-B0-A0的主回路图如图4所示
图4主回路
动作顺序如下：
1）当CTA1得电时，A缸伸出（A1）
2）当CTB1得电时，B缸伸出（B1）
3）当CTC1得电时，C缸伸出（C1）
4）当CTA0得电时，A缸退回（A0）
5）当CTB0得电时，B缸退回（B0）
6）当CTC0得电时，C缸退回（C0）
各开关、继电器分配见表四：
表四继电器分配
开关
名称
电器
功能
S0
手动自动转换开关
J1、J2、KM1、KM2
用于自动控制中消除障碍
S1
单循环全循环转换开关
KM3、KM4
用于手动控制时保护行程开关，防止反向击穿
n
单循环启动按钮
CTCX
电磁铁线圈
SB、X1、X0
控制X缸前进后退按钮
继电器控制如图5所示
图5继电器控制回路
表五液压系统动作顺序
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
6YA
拔叉松
-
+
-
-
-
-
安全门关
-
-
-
+
-
-
主气缸压
-
-
-
-
+
-
主气缸松
-
-
-
-
-
+
安全门开
-
-
+
-
-
-
拔叉退模
+
-
-
-
-
-
具体控制方法：
1）手动控制：
将开关并入各支路，采用继电器KM3、KM4来防止气缸形成末端的形成开关被反向击穿。
2）自动控制
按下开关n后，由于初始状态a0触发，c0未触发，继电器J1得电，
J2不得电，继电器KM1得电，KM1各回路常开触点闭合。
电磁铁CTA1得电，A缸伸出。
当A缸伸出触发行程开关a1时，电磁铁CTB1得电，B缸伸出。
当B缸伸出触发行程开关b1时，电磁铁CTC1得电，C缸伸出，此时，J2得电，J2常闭触点打开，KM1失电，同时KM2得电。
当C缸伸出触发行程开关c1时，电磁铁CTC0得电，C缸退回。
当C缸退回触发行程开关c0时，电磁铁CTB0得电，B缸退回。
当B缸退回触发形成开关b0时，电磁铁CTA0得电，A缸退回。
此时J1得电，J2不得电，KM1得电，KM2不得电。
由于开关n处于打开状态，电磁铁CTA1不再得电，完成一次循环。
消障方法：
根据XD线图，利用继电器J1，J2，KM1，KM2来模拟d0、d1信号，即可实现障碍的消除。
第5章PLC控制回路设计
5.1PLC编程及软件的使用
一查询实验台PLC固件版本号
操作工程如下：
●----以太网显示（如,192.168.1.101）
●两次
----固件显示
●---固件版本显示（如，03v01.02）。
二，开始编程：
（本软件部识别汉语）
IndraworksEngineering——————
弹出对话框：
完成文件名，存放路径的设置。
三、PLC硬件配置
选择目标，拖到项目中
弹出窗口
●
●弹出窗口：
进行固件版本的设置（上边查询结果）
----进行通信设置
●双击”本地及字段”
●设置为“192.168.1.10”
双击“Logic”----进入编程页面，即可开始编程。
5.2PLC接线图
表六PLC端口分配
图6plc接线图
5.3PLC仿真过程
1、初始状态：
2、按下启动按钮：
继电器DTA1得电，A缸伸出
3、A缸伸出后，碰行程开关a1：
电磁铁DTB1得电，B缸伸出
4、B缸伸出后，碰行程开关b1：
电磁铁DTC1得电，C缸伸出
5、C缸伸出后，碰行程开关c1：
电磁铁DTC0得电，C缸缩回
6、C缸缩回后，碰行程开关c0：
电磁铁DTB0得电，B缸缩回
7、B缸缩回后，碰行程开关b0：
电磁铁DTA0得电，A缸缩回，碰行程开关a0
5.4PLC梯形图
图7PLC梯形图
第6章实验接线
6.1继电器控制回路实验
图8实验电气控制回路连接图
6.2PLC控制回路实验
图9PLC控制回路接线图
心得
经过将近一个月的努力，课程设计就要结束了。
在整个过程中，我们组各成员都付出了努力与汗水，从中也学到了不少东西。
虽然过程不算顺利，但至少，我们都为了同一个目标而努力了，总之，在这其中的点滴值得我们铭记于心，记住这份热情，记住这种朝着目标不断努力的感觉。
姓名：
赵江奥
在第四周的设计实验进行中，遇到了很多困难，组内成员能够互相帮助，克服一个又一个的难题，最终成功地完成了实验，使我深刻地了解到团队合作的重要性。
在实验中，我们同样遇到了一些无法完成的问题，我们通过更换气动元件与修改原理图，使得在现有条件下完成实验，使我懂得了做学问要懂得变通。
姓名：
刘欢
在三维气缸图的制作中，经过学习，熟练掌握了三维图的制作，并尽自己努力基本完成三维图的制作，但是仍有一些部分不能够完成，这需要课下时间努力学习，为以后的设计制作做准备。
姓名：
田竟春
通过近一个月的项目设计制作，我不仅仅了解了气控压药机的结构及应用，更主要的是通过对该题目的设计制作使得气动部分以及电气控制的专业知识有了更深刻的了解，能够获得在书本中获得不到的知识，扩展了知识面，同时使得所学能够更加熟练地使用对今后学习工作有很大的帮助。
姓名：
吕杰
总结
随着我国科学技术的飞速进步，火工品压药设备的技术改造已变得迫切且可行。
本文以全气动方式的压药机系统设计为主线，在系统阐述压药工艺原理和气动技术发展研究的基础上，针对气动压药机系统的功能要求和性能指标，提出了系统的总体设计方案，并根据提出的方案，对全气动压药机系统的工作结构、器件选型和控制系统软硬件进行了合理设计通过上述工作，本文得到的主要结论如下：
①本文设计的全气动工作方式的压药结构，能够实现压药工艺的全部工作
流程，性能稳定
②控制系统采用PLC结合人机界面方式，结构简单、操作方便
今后要做的事
系统的设计工作还有许多可待改进之处。
如对PLC等元件的选择可以尝试技术越来越成熟的国产品牌；可增加气动伺服系统，实现对装药量的位置精度控制；设计多批次同时压药结构，进一步提高生产效率；可用现场总线连接多台压药机形成现场总线方式的控制系统，实现远程操作等等。
参考文献
1.周军主编：
电气控制及PLC；机械工业出版社
2.吴振顺主编：
气压传动与控制；哈尔滨工业大学出版社
3.SMC公司CS1系列气缸简介
4.韩晓娟主编：
机械设计课程设计指导手册北京，北京标准出版社
5.机械设计编委会：
机械设计手册；机械工业出版社（第四版）
6.机械设计编委会：
机械设计手册；机械工业出版社（第五版）
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语：
成绩：
指导教师：
年月日
答辩小组评语：
成绩：
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课程设计总成绩：
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