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机械毕业设计1134母导线参数检测机气压传动系统及步进驱动电路设计.doc
机械毕业设计1134母导线参数检测机气压传动系统及步进驱动电路设计
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机械毕业设计1134母导线参数检测机气压传动系统及步进驱动电路设计,机械毕业设计论文
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本科毕业设计（论文） 题目： 母导线参数检测机气压传动 系统及步进驱动电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 母导线的主要技术参数是指绝缘强度和导线电阻。测量这两个技术参数的检测系统包括控制电路部分和气压传动部分，本论文主要介绍母导线技术参数自动检测机运动机构控制中气压运动控制系统的设计和步进电机驱 动电路的设计。 本运动控制机构共有六个动作用气压传动装置控制，总共需要八只气缸， 两只气缸控制测量头横向定位；两只控制测量头的 伸缩； 两只气缸控制母导线长度方向定位；两只气缸控制母导线的升降。文中 另外还分别计算了各个气缸及辅助元件的相关尺寸，选择了控制回路中的各种气压元件，并设计了一只气缸结构，以及计算了其各个参数值。 本设计中除了设计了气缸以外，还设计了一个用于五相步进电动机的五相十拍驱动电路与运动控制系统相匹配。该 步进电机驱动电路 选择硬件环形分配，选择 89C2051 作为环形分配器，这种环行分配电路具有电路简 单，可靠性高，柔性好的特点。功率器件选用 VMOS 管，设计成恒流斩波电路，以保持电机绕组电流恒定。该电路经过进一步完善具有一定的实用价值。 关键词： 母导线；气压传动系统；驱动电路设计nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） II ABSTRACT Main technical parameters of the Bus bar include insulation strength and resistance. The parameter tester is consisted of two parts: control system and pneumatic apparatus. Design of the two parts is introduced in this paper. Six movements need to be controlled by Pneumatic system with eight cylinders. Two cylinders are used for the detection of the width. Another two are used for controlling the length. The last two are used for controlling the up and down of the Bus duct. The size of Cylinders and auxiliary pneumatic elements are also calculated. Elements of Cylinders control system are chosen. One of the Cylinders is designed and the parameters are calculated. Besides Cylinders control system， a driver of 5 phase 10 pat step motor are designed to match the motion control system. An 89C2051 microprocessor was used to realize the phase order conversion of the step motor so that the Loop allotter circuit is easy and flexible. The VMOS is adopted as power elements of the design. It is designed as a constant current circuit, so the current of Motor Winding can be kept constant. With further more improvement, the circuit developed could find its value in factual application. Key words： Bus bar； Pneumatic system； Driver nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 .1 1.2 选题的背景及意义 .2 1.3 研究现状 .2 1.4 本文结构 .2 第二章 检测系统的组成及控制流程 . 4 2.1 母导线简介 .4 2.2 检测内容 .5 2.3 自动检测系统的组成及控制流程 .6 第三章 气压传动系统设计与计算 . 11 3.1 气压传动系统控制对象 . 11 3.2 总气压传动系统回路设计 . 11 3.2.1 选择总气压回路的 控制方式 . 11 3.2.2 选择执行元件 . 11 3.2.3 选择控制元件 .13 3.2.4 设计总气压传动回路 .15 3.3 测量头动作控制气压传动回路设计与计算 .16 3.3.1 回路设计 .16 3.3.2 回路计算 .16 3.3.3 元件选择 .17 3.4 检测台侧向定位装置气压传动回路设计与计算 .18 3.4.1 回路设计 .18 3.4.2 回路计算 .18 3.4.3 元件选择 .20 3.5 检测台与包装台纵向定位装置气压传动回路设计与计算 .21 3.5.1 回路设计 .21 3.5.2 回路计算 .21 3.5.3 元件选择 .22 3.6 包装台升降机构气压传动回路设计与计算 .23 3.6.1 回路设计 .23 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） IV 3.6.2 回路计算 .24 3.6.3 元件选择 .25 3.7 气缸设计 .25 第四章 驱动电路设计 . 28 4.1 步进电机的种类以及工作原理 .28 4.1.1 步进电机的种类 .28 4.1.2 步进电机的工作原理 .28 4.2 控制方案拟定 .29 4.3 步进电动机相序分配电路 .30 4.3.1 相序分配电路 .30 4.3.2 相序分配软件 .32 4.4 步进电机驱动电路设计 .34 第五章 结论 . 37 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 A： 英文资料 .41 附录 B： 英文资料翻译 .49 附录 C： 驱动电路原理图和 PCB 图 .55 附录 D： 总气压传动图 .57 附录 E： 气缸装配图 .58 附件： 毕业论文光盘资料nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 引言 母导线 是一种 在 低压供电系统中 用于 传输电能、分配电能的 设备，也是一种应用在变压器和配电柜之间的连接以及由配电中心（配电盘、柜）开始至负载呈树干式布线方式的供电系统。母导线产品结构发展经历过三代：第一代 空气型，从上世纪 50 年代中 期起，将导电排用绝缘衬垫支撑在壳体内，靠 空气介质绝缘，其特点是加工工艺简单、成本较低，用出线盒可以很方便地进行分接，其最大的缺点是相间距大（一般为 50mm） ，因而导致阻抗大、载流量低、损耗大、散热差、温升高、不适用于大电流的传输，而且体积大、笨重、安装不方便 。 第二代 密集型 ， 从上世纪 80 年代中期开始，将导电排用绝缘材料覆盖后再与两侧紧固在一起，其优点是体积小、电抗小、散热好、温升低、热稳定性好，载流 量 大（在同等规格的导电排条件下，密集型比空气型约大一个电流等级），具有良好的节能效果。但密集型也有制作工艺较复杂，绝缘要求比较高等缺点；第三代 -复合绝 缘型从 1995 年开始，母导线除了导电排本身具有绝缘层外，各相线之间还有一定的空气绝缘；由于是复合绝缘方式，因此 防潮性能、 绝缘可靠性 散热性能、 比空气型和密集型都要好。 母导线经过半个多世纪的发展过程，已经得到了充分的发展。 母导线的主要技术参数是指绝缘强度和导线电阻。这两个技术参数的检测，目前在国内还是由人工完成，其自动检测技术在国内还是个空白。但是在国外这项技术已经应用于实际的生产过程当中。随着中国经济的不断发展发展，人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求，很多生产母导线的企业都希望采用自动检测技术来提高 企业的生产率，减少人员的投入，这样势必会给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益。正是由于这些原因，设计一套自动检测母导线技术参数的设备十分必要。 我这次主要设计的是母导线参数检测机运动机构气压传动系统和步进电机驱动电路。 1.2 选题背景与意义 本次毕业设计中所设计的母导线技术参数检测仪主要是用于检测母导线内部导电部分的电阻以及导电体之间绝缘材料的绝缘强度。母导线内部一般用铜片作为导体。铜片的电阻是影响母导线导电能力的重要因素。电阻越大，母导线在电传输过程中消耗就会越大，传输的效率就会越低。母导线作为导线 ，知道其内nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 2 部导电体的电阻是非常必要的。而母导线内部导电体之间的绝缘填充物的绝缘强度则是影响安全性的重要因素。但是在实际应用过程中并不是母导线内导电体的电阻越小越好，绝缘填充物的绝缘强度越大越好。由于受到成本因素的限制，母导线制造商必须制造出适合不同场合应用的母导线，这就需要准确知道母导线的两个参数指标。 检测技术是产品检验和质量控制的重要手段，只有有了好的检测技术才能保证产品的质量。检测技术在最近这几年的大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用，检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分，正是因为检测技术得到了这么广泛的应用，所以有必要大力发展自动检测技术。 在国内检测母导线技术参数都是采用人工检测，但是自动参数检测机在国外已经得到应用。人工检测就会带来很多的人为因素而造成检测结果的不精确。并且由于测量母导线绝缘参数时是采用高压测量，所以如果还是采用人工检测势必会给工人的人身安全造成威胁，采用了自动检测技术就能有效的保障工人的人身安全。 1.3 研究现状 目前，检测技术已经进入了以微处理器为核心的微机化和智能化检测技术阶段，传统的检测技术是包含两个方面，即为测量非电参数的传感器技术和应用电测量方法。但是随 着自动化技术以及信息技术的发展以及其在工业控制中的应用，检测技术已经发生了深刻的变革。传统的检测技术起到产品验收和废品剔出的作用传统检测技术基础发展起来的主动检测技术或称之为在线检测技术，使检测和生产加工同时进行，及时地用检测结果对生产工程主动地进行控制，使之适应生产条件的变化或自动地调整到最佳状态。这样检测的作用已经不只是单纯的检查产品的最终结果而且要过问和干预造成这些结果的原因，从而进入质量控制的领域。 1.4 本文结构 本文以气压传动和步进驱动在母导线技术参数自动检测机构中应用作为背景，对气压运动控 制系统以及步进电机驱动电路进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了本课题的所研究的检测技术的概念、特点与相关研究背景； 第二章简单介绍了母导线的一些基本类型，以及对最近工业生产中应用比较nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 3 广泛的母导线做一些简单的描述，还有对最近检测技术的发展以及在当今工业生产中的应用做了简要的说明，然后对检测系统的组成和工作流程也做了介绍； 第三章对气压传动系统进行了分析，给出了气压传动系统的控制方案，并讨论了气缸的设计方法，以及如何设计整个气压传动系统； 第四章介绍了步进电机的驱动电路设计，分析 了驱动电路的设计思路，设计出了驱动电路，并根据所设计的驱动电路原理图生成 PCB 图； 第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 第二章 检测系统的组成与控制流程 2.1 母导线简介 母导线是一种新型的输配电设备，是替代传统的电缆和电缆桥架输配电系统的更新换代产品，尤其在大电流输送电方面母导线居于主导地位。 在近几年的电气设计以及施工现场配合工作中， 母导线都已经成为了极其重要的一种输配电的设备。与传统的电缆配电方式比较，母导 线具有体积小、输送电流大、安全可靠、拆装方便、基建与配电施工互不相扰，一次投资可反复使用等优点，是一种理想的配电产品。 图 1.1 就是 共箱封闭母 导 线 的示意图。 母导线主要的类型有三相三线制、三相四线制和三相五线制，其中母导线 又有单通道和双通道之分。其按制造工 图 1.1 共箱式母导线 艺和用途，又可以分为：密集型母导线、空气型母导线、高性能型母导线、耐火型母导线、防水型母导线、绝缘型母导线等。一般的母导线都是用于高层建筑、多层工业工房、机床密集的车间、产品工艺多变的车间、老车间和厂房 的改造，以及各种实验室、展览馆、体育馆等对于输配电电流比较大的场所。其中 低压封闭母导线，其盖板和侧板用特制的槽形铝合金型材制作，在盖板槽底外侧面的纵向附设 2 4 根加强筋，侧板横截面中间呈大槽形，两头呈小槽形，且两个小槽形槽口与大槽形槽口的朝向相反。母导线的隔相块用耐高温的聚碳酸酯制作，上下隔相块为两两相向插接，每块隔相块呈矩形中空状，其顶部前后侧面设有瓦楞形眉帘 。 在最近的工业生产过程中，用的比较多的是封闭式母导线。 封闭式母导线与传统低压动力输配电方式的技术比较 ， 传统的中小容量低压电气动力输配电方式以电缆为 主，还要借助电缆沟、电缆桥架、钢管等设施。目前制造的电缆截面最大为 500 2mm ，因此，电缆的载流量最大为 800A（ IEC 标准也有此规定）。由于大截面电缆长度过长重量很大，为了不损伤电缆绝缘层，在垂直布置时中间固定装置的机械力不可过强，所以在高层建筑大截面电缆垂直敷设时，其超重滑脱及电缆截面变形一直是难以解决的施工问题。封闭式母导线则不存在这种问题，因其本身是刚性的，所以机械固定方式可以做得非常牢固。另外，封闭式母导线内导体的最大截面可超过 1000 2mm ，双导体可超过 2000 2mm 。加上母 导 线为矩nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 形，表面积大，其集肤效应较弱，散热面积较大，温升较低，这就意味着比同等截面的电缆载流量要高得多（可超过 1000A）。 对于单机负荷较小、分布均匀的大型厂房，如纺织企业的织布车间、针织车间，机械加工企业的小件加工车间等，可以利用封闭式母导线、插接箱的组合进行供电。在这种场合母导线与常规供电方式（电缆供电）相比，其优越性为：对用电负荷的均衡分布性要求不高，因此对负荷很不均衡的 情况适应性强。即使在封闭 式母导线线路已经完成设计或已安装完毕的情况下，也可以根据最新的负荷变动方案进行简单的调整，这一点常规供电方式（电缆供电）是无法与之相比的。另外，价格低廉的插接箱取代了昂贵的低压配电柜及动力箱，可以降低投资。同时插接箱内动力开关更接近用电设备，停、送电操作非常简便。 母导线 虽然在目前的电传输领域应用广泛，但 同样也存在着一些缺陷，例如依靠螺钉联接的部位过多，安装施工复杂；同时维护量大、维护费用高。在运行过程中常遇到电磁振动、热胀冷缩、膨胀系数 及 外力等因素的影响，这些都会造成螺钉的松动。 如 果 一只螺钉出现松动， 就 会出现故障点发热、高温等现象，影响整条母导线的运行稳定性。尤其是对五线母导线的不当使用，还会造成 PE 线接触电阻增大违反 国家规定。 但母导线在大容量的情况下，还是存在着其自身的优势的。因为当电流达到数千安培时，如果采用电缆，即使是单芯电缆也要多根进行敷设，否则达不到相应的大电流容量，此时母导线就体现出自身的优势。 2.2 检测内容 检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。 在 人类的各项生产活动和科学实验中，为了了解和掌握整个过程的进程的进展及其最后结果，经常需要对各种基本参数或物理量进行检 查和测量，从而获得必要的信息，作为分析判断和决策的依据，可以说检测技术是人们为了对被检测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。随着人类社会进入信息时代，以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术科学，在促进生产发展和科技进步的广阔内发挥着重要的作用。 检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。电力、石油、化工、机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运用，保证这些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。为此，通常设置 故障监测系统以对温度、压力、流量、转速、振动和噪声等多种参数进行长期动态监测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的目的。这样做可以避免严重的突发事故，保证设备和人员安全，提高检修质量。另外，在日常运行中，这种连续监测系统可以及时发现设备故障前兆，采取预防性检修。随着计 算机技nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 术的发展，这种监测系统已经发展到故障自诊断并自动报警。 或采取相应的对策。这次所设计的 检测装置的检测对象是母导线的两个技术参数。母导线内部一般用铜片作为导体。 本次设计的母导线技术参数检测控制机就是控制检测装置检测母导线内每一 个导电铜片的电阻及导电铜片之间的绝缘强度。 铜片的电阻是关乎母导线导电能力的一个重要的技术参数。不管对于何种类型的母导线，其检测过程都是一样的。在检测绝缘强度时，其中一个检测头固定于第一片导电片上，另外一个检测头从第二片导电片开始按照次序依次移动到各片导电片上。如此类推，对母导线内部导电片之间绝缘强度进行两两检测。在移动到每一片导电片上时，绝缘强度检测仪会检测出两个检测头所检测的两片导电片之间的绝缘强度。检测导电片电阻则比检测绝缘强度简单的多，只要控制两个检测头同时移动到同一片导电片的两端，微欧计即可测出此导 电片的电阻。测得的导电片电阻和绝缘强度自动传送到上位机。 绝缘强度和电阻的检测过程如图 2.1 所示。 图 2.1 绝缘度和电阻测量示意图 2.3 自动检测系统的组成及控制流程 母导线自动检测系统主要由一个上位机（ PC）、运动控制系统（或称下位机）、母导线参数检测系统、贴标机、气压系统、辅助动作执行结构、包装机构、定位PC 机 打印机 微欧计 绝缘强度 检测仪 待测母导线 待测母导线 气缸 1 气缸 2 气缸 3 气缸 4 标签 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 机构、步进驱动系统等组成，并配备了相关的传输机构、打印机等， 上位机控制下位机，下位机控制辅助动作控制系统，其执行 辅助动作执行结构，再经过包装机构，对标签对象实行包装。下位机启动运动控制系统，其控制运动启动结构，从而控制测试台 /母导线，辅助动作执行机构通过定位机构同样控制测试台 /母导线，把得到的数据通过测试系统传送到上位机。上位机通过打印机把检测到的数据打印出来，贴标机通过机械手粘贴标签， 母导线技术参数自动检测系统组成 如图 2.2 所示。 上位机（ PC）主要负责母导线自动检测系统的总体控制，控制下位机、接收检测系统检测数据、打印检测结 果及控制贴标机贴标。下位机由 8031 单片机构成，主要控制气缸传动系统和步进驱动系统，相应执行机构单元根据控制系统发出的控制信号动作。贴标机系统由 8031 及外围电路组成，接收上位机控制信号，控制贴标机械手，抓取打印机打印的标签并粘贴到母导线的外壳上。定位机构是由气缸驱动的。 这次所设计内容就是下位机气压传动部分，以及控制运动机构的驱动电路。下位机的主要工作是 对母导线内每一片导电材料的电阻的检测以及导电材料之间的绝缘强度的检测。下面具体描述 下位机的工作过程： 打印机 PC 机 贴标机 运动机构控制系统 （下位机） 测试系统 母导线 包装机构 定位机构 检测台 母导 线 辅助动作控制电路 辅助动作执行机构（气压传动） 功率放大系统 运动驱动机构 图 2.2 母导线技术参数自动检测系统组成 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 当检测平台传送电机启动时，母导线从生产线平移到检测台 上，左右端侧向定位缸启动，控制测量头运动，分别连接检测绝缘强度的检测仪和检测电阻的微欧计，并将结果送给上位机。然后把母导线从检测台送至包装台，对母导线进行贴标和包装。检测及包装台示意图如图 2.3 所示。 图 2.3 检测及包装台示意图 下位机的控制流程如图 2.4 所示。 开始 检测平台移送电机启动 检测台纵向定位缸升起 Y 母导线纵向到位？ N 接下页 1-检测平台； 2-母导线； 3-检测台纵向定位缸； 4-检测平台移送电机； 5-包装平台； 6-包装台纵向定位缸； 7、 9-母导线包装上升缸； 8-包装台移送电机； 10、 27-纵向到位检测传感器 11、 26-左右端侧向定位滑台； 12、 25-左右端测量头驱动气缸； 13、 24-X 轴及 U 轴滑台； 14、 23-X 轴及 U 轴步进电机； 15、 22-左右端侧向定位缸； 16、 21-左右端垂直升降台； 17、 19-Y 轴及 V 轴步进电机； 18、 20-左右端移动立柱 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 检测平台移送电机停止 左端侧向定位缸启动 右端侧向定位缸启动 连接绝缘强度检测仪 两检测头移动检测并将检测结果发送给上位机 检测完后回起点 连接检测电阻的微欧计 两检测头移动检测并将检测结果发送给上位机 左、右端侧向定位缸到位？ N Y 接上页 两个检测头回原点 接下页 左右端侧向定位缸 退回 检测台纵向定位缸退回 检测平台移送电机启动 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 图 2.4 下位机的控制流程 包装台移送电机启动 包装台纵向定位缸升起 母导线离开检测平台后检测平台移送电机停转 母导线到达包装平台后包装台移送电机停转 发信给上位机启动贴标机贴标 贴标结束后，母导线包装上升气缸升起 延时，包装 包装台纵向定位缸退回 母导线包装上升缸退回 接上页 结束 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 第三章 气压传动系统设计与计算 3.1 气压传动系统控制对象 本课题所要求设计八只气缸，分别控制六个动作。其中两只气缸控制母导线两端测量头的伸缩；两只气缸控制测量头横向定位；两只气缸控制母导线长度方向定位；两只气缸控制母导线升降（升起后对母导线两端进行包装）。 3.2 总气压传动系统回路设计 3.2.1 选择总气压传动回路的控制方式 常用的总气压传动回路中执行元件控制方式有气压控制、电磁控制、人力控制和机械控制四类。 本设计采用电磁控制方式。这种方式利用电磁线圈通电时，静磁铁对 动磁铁产生电磁吸力使电磁阀切换以改变气流方向。这种电磁控制方式易于实现电气联合控制，能实现远距离操作，在工程上得到广泛的应用。 3.2.2 选择执行元件 气动执行元件是以压缩空气为工作介质，将气体能量转化成机械能的能量转化装置。执行元件分为实现直线运动的气压缸和实现回转和摆动运动的气动马达两类。气缸用于直线往复运动或者摆动，而气缸是气动系统的执行元件之一，气马达用于实现连续回转运动。 气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业 部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动相比有以下特点。 1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通道，用之后可将其随时排 入 大气中，不污染环境； 2）空气的特性受温度影响小。在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能； 3）空气的粘度很小 （约为液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送； 4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需 0.2 0.3s 就可达nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 12 到工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为 1 5m s，而气体的流速最小也大于 10m s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速； 5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变； 6）气动元件可靠性高、寿命长。电气元件可运行百万次，而气动元件可运行 2000 4000 万次； 7）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越； 8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。 本系统完成的进给运动要求作直线往复运动，所以选择单活塞双作用气缸作为执行机构比较适合这个课题的要求。 所谓单活塞杆气缸就是在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受的气压作用面积不等，因而活塞杆伸出的速度小于活塞杆退回的速度，活塞杆伸出时的推力大于活塞 杆退回时的拉力。所谓双活塞杆气缸是在活塞的两端都有活塞杆，两侧承受的气压作用面积相等，因而活塞杆伸出的速度等于活塞杆退回的速度，活塞杆伸出时的推力等于活塞杆退回时的拉力。 图 3.1 所示为单活塞杆双作用气缸的职能符号。 所谓双作用气缸就是由两侧供气口交替供给气压使活 塞作往复运动。所谓单作用气缸就是由一侧供气口供 给气压驱动活塞运动，借助弹簧力、外力或自重等作 用返回。 气缸的工作特性：气缸的工作特性是指气缸的输 出力，气缸的内压力变化以及气缸的运动速度等静态和动态特性，由于他们的影响因素很多，下面简单的介 绍一下这些因素具体的参数。 1）气缸的输出力： 1 1 2 2 ()F p A p A f m a 1A 为活塞的工作面积， 1p 为作用于无杆腔活塞上的压力， 2A 有杆腔活塞上的工作面积， 2p 为作用于有杆腔活塞上的压力， f 为摩擦阻力， m 为运动构件质量，a 为运动构件加速度。 2） 气缸的压力特性： 气缸的有按理特性是指气缸内压力变化的情形，气缸在启动 、行程开始、行程终端各个时间段的气力特性是不一样的。特别是在行程终端时，由于气腔内压力急剧下降，直至大气压，进气腔压力再次急剧上升，直至气源压力，这种较大你 图 3.1 单活塞杆双 作用气缸 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 13 的压力差，很容易形成气缸的冲击，因而在气缸的设计时要考虑设置缓冲装置。 3） 气缸的速度： 通常，气缸的平均速度可按进气量的大小求出： AQv / v ：气缸的速度； Q ：压缩空气的体积流量； A ：活塞的有效面积 气缸在一般工作条件下面，其平均速度约为 0.5 /ms左右 3.2.3 选择控制元件 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，以便使执行机构按要求的程序和性能工作。控制元件分为压力控制阀、方向控制阀、流量控制阀和逻辑元件。 1.压力控制阀 压力控制阀主 要是用来控制系统中气体的压力，满足各种压力要求。压力控制阀可分为减压阀、溢流阀和顺序阀。为了使气源装置内的压力气体减压到每套装置实际需要的压力，本系统中采用了减压阀。减压阀的特点是将较高的输入压力调到规定的输出压力，并能保持输出压力稳定，不受空气流量变化及气源压力波动的影响。 减压阀调压方式有直动式和先导式两种。在减压阀调压方式的选择上，本设计选择了直动式调压阀。所谓直动式就是借助弹簧力直接操作的调压方式，这种方式比较适合减压阀直径小于 20 30mm ，输出压力在 0 1.0MPa 范围内。所谓先导式就是用预先调整好的气压来代替直动式 调压弹簧进行调压。图 3.2 所示为减压阀的职 能符号。 顺序阀是一种依靠回路中的压力变化来实 现各种顺序动作的压力控制阀，常用来控制气 缸的顺序动作。 减压阀调压其工作原理是压缩空气由进气口进入气缸后，作用在阀芯下面的环形活塞面积上，与调压的弹簧的力相平衡。当空气压力超过压力值时，阀芯被顶起，气压立即作用于阀芯的全面积上，使阀达到全开状态，压缩空气从出气口输出。 溢流阀和安全阀在结构上和功能上都极为相似， 它的作用是当气动回路和容器中的压力上升到超过固定值时，把气缸里面多余的气体排放到空气中，使得气缸内的压力符合要求。 2.方向控制阀 方向控制阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀。方向控制阀可分为单向阀和换向阀两种。为了使气流只沿着一个方向流动， 本设计的系图 3.2 减压阀 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 14 统中采用了单向阀。单向阀的特点是只允许 气流在一个方向流动，而在相反的方向上完全关闭。图 3.3 所示为单向阀的职能符号。 为了达到快速进给与退回的要求，本次设计的系统中采用二位四通换向阀。换向阀的特点是当换向阀的电磁铁通电吸合与断电释放时，直接 推动阀芯控制气流方向。电磁铁的换向阀按操纵方法，有直动式和先导式。 本设计的系统选择直动式操纵方法控制电磁阀。二位四通换向阀是电气系统与气压系统之间的信号的转换元件。 图 3.4 所示为 二位四通换向阀的 职能 符号。 3.流量控制阀 流量控制阀是通过改变阀的流通面积来实现流量控制。流量控制阀可分为单向节流阀、先导式速度控制阀、行程节流阀和排气节流阀。为了能够调节气缸活塞的移动速度，本设计的系统中采用了单向节流阀。图 3.5 所示为单向节流阀的职能符号。当气流由 PA 流动时，经节流阀 1 节流；而反向由 AP 流动时，单向阀 2 打开，不受节流阀的影响。 4.选择气压发生装置与辅助元件 气压发生装置即能源元件，它是获得压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转化成气体的压力能。本气压传动系统的压缩空气是由工厂空压站提供的 ，不需要另外设计气压发生装置。由于气压系统应用的各种气动元件，例如气阀、气缸等。如果没有润滑剂润滑，就会导致摩擦力增大，密封线圈很快被磨损，造 成密封失效，使系统不能正常工作。然而以压缩气体为图 3.4 二位四通换向阀 图 3.3 单向阀 1-节流阀 2-单向阀 图 3.5 单向节流阀 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 15 动力的气动元件都是密封气室，不能用一般方法去注油，只能以某种方式将润滑油注入气流中，带到需要润滑的地方，因此采用油雾器。它是一种特殊的注油装置，它使润滑油雾化，随着气流进入到需要润滑的部件上，实现润滑。 气压发生装置与辅助元件的职能符号如图 3.6 所示。 3.2.4 设计总气压传动回路 总气压回路由八个分气压回路组成，如图 3.7 所示。 本设计所要求的用六个动作控制八只气缸，如图 3.7 所示， 1、 2 是测量头动作控制气压传动回路，它们控制检测系统的测量头 的平移动作， 3、 4 是测量头横向定位装置气压传动回路，它们控制测量头的横向运动， 5 是测量台纵向定位装置气压传动回路， 6 则是包装台纵向定位装置气压传动回路， 7、 8包装台升降机构气压传动回路，这些气缸动作的完成都是由下一章介绍的驱动电路控制的电动机来完成的。 1、 2测量头动作控制气压传动回路； 3、 4测量头侧向定位装置气压传动回路； 5测量台纵向定位装置气压传动回路； 6包装台纵向定位装置气压传动回路； 7、 8包装台升降机构气压传动回路 a：减压阀 b：换向阀 c：单向节流阀 d：压力表 e：压力继电器 图 3.7 总气压回路 1-雾化器 2-气源 图 3.6 气压发生装置与辅助元件 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 16 3.3 测量头动作控制气压传动回路设计与计算 3.3.1 回路设计 图 3.8 所示是其中一个测量头的动作控制气压传动回路。 两个测量头动作控制气压传动回路是完全相同的，图 3.8 所示是其中一个测量头的动作控制气压传动回路。 1气源； 2雾化器； 3减压阀； 4单向阀； 5二位四通换向阀； 6单向节流阀； 7压力表； 8气缸 图 3.8 测量头动作控制气压传动回路 3.3.2 回路计算 1.初选气压缸的 工作压力 气源装置的压力 2 6 28 / 0 . 7 8 4 1 0 / 0 . 7 8 4P k g f c m N m M P a 。 减压阀的调压范围分为五档 ： 0.05 0.25 ； 0.05 0.4 ； 0.05 0.63 ； 0.05 0.8 ； 0 .0 5 1 .0 MPa。 气源装置的压力经减压阀减压后，选择调压范围为 0 .0 5 0 .8MPa。 设 定气压缸的压力 0.05p MPa 。 2.计算气压缸的尺寸 气缸克服的负载 F 主要为摩擦力和测量头的惯性力。根据厂方提供的数据，负载 5 0 1 0 0FN ，取负载 100FN 。 按下式计算气缸的内径 D ： 264 4 1
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