颗粒物料定量称重及灌装控制系统设计方案

1 颗粒物料定量称重及 灌装控制系统设计方案 装机械的发展现状及现实意义 现代包装技术日益向着高度机械化和自动化方向发展，最初，在包装领域中所应用的第一代包装机械 构简单，是纯机械性的。由一台电机带动直线轴转动，并通过凸轮产生动力。采用可编程控制器（ 控制系统，结构也很简单，由操作人员直接控制机器。在大部分情况下，还没有采用人 之后，出现了第二代包装机械。此技术诞生于十年前，包装机械仍采用传动轴驱动，只是结构更复杂一些，因为由伺服电机来控制速度，所以可以向一些特殊的动作发出指令，而且也采用了更为复杂的 二代包装机械的可调性更好，但这一优点却需要付出更高的费用。这些费用包括更多的线路布置、更多的 输出（ I/O）装置，这些装置庞大而复杂，有更多的传感器和程序控制，甚至还包括更多的外围设备 ,而且对于故障的排除和处理也更加困难。 近年来，国内包装机械从技术、设计和制造等方面发展较快，从前期的由国外引进先进设备和技术并在此基础上进行消化吸收，到自行设计制造生产出较为先进的电子秤称量微机控制的各种型号种类的包装 机，基本满足了国内各行业散状物料产品包装的需要。 但开发研制经济实用的颗粒物料称重式包装机也是非常适时和必要的。 随着社会经济 、技术的快速发展，产品定量精度要求更加严格，产品规格种类繁多，颗粒物料定量称重 、灌装类设备需求量日益增加。 相比之下，农产品的包装机械发展稍有不足， 包装速度和精度偏低是阻碍其发展的主要原因。 本课题 根据这一要求并 结合谷物生产的实际情况 ,研制了颗粒物料的自动定量灌装控制系统 ,对如何提高灌装速度和称量精度提出了改进方案。 粒物料定量灌装控制系统的研究意义 随着市场经济的完善和发展，商 品流通的深度和广度进一步扩大，包装工业在国民经济中的作用和地位越来越高。商品包装是一个新兴的行业，是在商品经济日益繁荣，市场竞争日趋激烈的新形式下，逐步成长起来的。在商品流通中 ,人们对粉状、颗粒状小袋商品的包装要求主要有两个方面 ,一是要求包装美观 ,以 2 便吸引顾客 ,并保证商品在流通环节中包装袋不出现任何形式的破损。其二是要求包装袋内的商品计量准确 ,误差小（包装行业标准要求计量误差小于 5 ） ,以维护商品生产厂商的信誉、形象。因此商品包装的精确计量 ,是包装行业时刻关注的一项重要课题。 本设计中采用 电子 称重仪表进行称 重，显示物料的重量值，并以 称重传感器的输出信号为判断依据，二者结合完成物料的定量称重 ,同时用 配以相关的执行驱动器件，实现了颗粒物料喂料、定量称重、半自动灌装等环节的电气系统的控制。设计中阐述了具体的设计方案，并通过控制系统的电气图设计、元器件的选型和 现自动称重、定量给料等工作过程的自动控制。在物料灌装过程中，能自动实现夹袋、喂料、称重和松袋的加工操作过程，产品结构简单、操作方便、灌装速度快、精度高、工作稳定可靠，可用于大米等谷物类 和化工产品等行业内松散态颗粒物料的连续定量灌装。 装机械的设计任务 装机械的发展 方 向 从发达国家生产的包装机械水平来看，当代包装机械的发展动向具有以下几个特点： 准化和通用化水平，建立组合化、机电一体化的现代包装机械的结构体系仍是今后的一个重要的发展方向 。 包装机械发展到今天，其系列化、标准化和通用化水平不断提高。有些国家生产的包装机，通用件、标准件约占整机零部件的 70%，有的高达 90%，产品更新的速度很快。 动化和联合化 。 机械设备的 高速化是实现社会高速发展的根本措施，是提高设备生产率的主要途径，故包装机的工作速度是衡量其性能优劣的重要指标。包装机械的高速化，随之对相应设备的联动化和自动化提出了更高的要求。 包装机械的功能日趋先进可靠 。 而针对 本 课题 而言 ,定量 称量 灌装式 设备，其发展方向为，发展各种形式的称量 灌装 设备，着力提高 灌装 速度和精度以及稳定性和可靠性，并与自动包装设备配套。 装机械设计存在的问题 称重计量包装机由于包装机械动作复杂而频繁，执行元件比较多，若采用传统的继电器控制电路会导致设备 的故障率高、动作不准确、包装质量不稳定、灌装精度低、停机维修时间多等弊病。因此，研制和发展包装机时，重视高新技术 3 的应用，是提高其先进性、可靠性的主要途径。 另外，跟国外包装机械设计水平相比，我国的包装机设计虽然品种繁多，但是其适应面窄，基本上只是针对单一品种单一定量的产品包装，面对品种繁多的商品自动化包装要求，跟不上包装形式，同时，由于其标准化、通用化水平低，其生产成本相对偏高。这些都是需要在以后的包装机设计中着力解决的。 粒物料定量灌装控制系统的设计任务 要构思 简单介绍： 设计中 采 用 称重仪表进行称重，显示物料的重量值，并以 称重传感器的输出信号为判断依据， 称重仪表 和 称重传感器配合完成物料的定量称重 ,同时用 配以相关的执行驱动器件， 实现了 颗粒物料喂料、定量称重、半自动灌装等环节的电气 系统的 控制。 喂料系统、称重系统、夹袋排料系统由 制喂料电磁阀、排料电磁阀和夹袋电磁阀的通断，从而利用气动系统驱动料斗阀门的打开与关闭和物料袋子的夹紧与松开。 要工作任务及技术参数 一、工作任务 a. 确定灌装机电气控制的总体设计方案； b. 完成电气控 制系统设计，绘制相关电气图； c. 完成元器件的选型； d. 编写 制系统程序； e. 整理设计资料，撰写毕业设计说明准备答辩工作。 二、灌装机的主要技术参数 灌装物料：松散态颗粒物料； 灌装精度： 动态）； 灌装速度： 3 4 袋 /分钟，（灌装 10 5速度可达 4 8 袋 /分钟）实际灌装速度取决于供料速度及人工的操作速度； 灌装重量： 510调和 1025调； 温度湿度： 0 40 85%； 电 源： 20V 10% 50 气 源： P Q h； 外形尺寸： 720 670 19804 2 总体方案设计 装机的工作原理及特点 装机的工作原理 定量 称重灌装机工作原理在于，需 要 给定灌装规格，根据需要设定 的 称重值，将 灌装 重量 值与设定 称重 值作比较，进行灌装。 本系统以称重传感器的输出信号为判断依据， 利用 现对 颗粒灌 装机的控制 ,实现物料的自动定量灌装。其基本工作过程分为夹袋 称重 此类灌装机 适用于灌装流动性较好的 颗 粒状物料，如大米、小麦、尿素、玉米、饲料、白糖等 ， 并且 受外界环境影响小，灌装精度高 ， 性能稳定 。其工作原理框图如图 2示。 图 2作原理框图 装机的特点 主体结构由供料装置、称重装置、夹袋装置、机架、数控主板和气压传动系统组成。 供料装置采用了多次喂料的供料方式以保证灌装过程的稳定、准确。 计量装置采用了日本 司的电子称重式计量装置，确保了灌装的高计量精度。 具有高速 AD 转换和优异的数字抗干扰性能。 灵活的功能选择和设置，可随时显示皮重、目标重量、累计袋数和累计重量等。 操作简便。设备由按钮启动后即可投 入自动喂料、称重、卸料操作，操作人员只需做袋套、按夹袋开关、封袋口三种操作。 具有应急功能，可通过 “ 停止 ” 按钮使机器紧急停机。 具有料位检测功能。当料位低于规定高度时，机器自动停止灌装；待料 5 位达到规定高度时，又自动恢复连续定量灌装。 遇有特殊情况，具有 “ 手动排料 ” 功能。 装机的控制系统构成 本系统主要有主控单元、电子称重计量单元两大部分组成。主控单元是由其相应的控制执行回路组成，主要实现了定量称重包装系统各个工序的自动控制功能。电子称重计量单元是由称重仪表和称重传感器及相应的测量构成 ，实现了颗粒物料的称重分包和单包装质量数字显示。 体方案设计 在物料灌装过程中，要自动完成夹袋、供料、称重和排料等加工操作，所以由图 2示，本设计产品的主体结构由供料装置、称重装置、夹袋装置、机架、气压传动系统组成，由 制整个系统动作顺序。 制系统方案设计 （ 1）根据灌装机的工作原理确定总体方案的设计，本设计 从电气控制及机械结构方面都将称重过程分为两个阶段，即快喂料阶段和细喂料阶段。快喂料阶段保证称重的速度，细喂料阶段保证称重的精度。 采用两次喂料的供料方式来保证灌装过程的稳 定、准确。 系统控制图如图 2示： 图 2统控制图 （ 2）设备主控面板上设置运行启动按钮、停止按钮、夹袋按钮和手动排料按钮，由启动按钮启动后即可投入自动喂料、称重、夹袋排料等加工操作过程，操作人员只需按夹袋按钮，如遇到该袋称重不准或其它原因的需要单独排料时，按 “ 手动排料 ” 按钮、停止按钮即可。 （ 3）灌装机的电气控制主要由 称量斗两端安装称重传感器，称重传感器输出信号给 粗喂料阀门和细喂料阀门由 6 电磁阀控制，通过气动系统 在气缸作用下打开为排料，关闭为进料 和称量。 另外在供料斗上安装料位传感器，来检测料斗中物料的位置，即当料位低于规定高度时，机器自动停止灌装；待料位达到规定高度时，又自动恢复连续定量灌装。 （ 4）称 重装置采用日本 有设定、置零、去皮、净重 /毛重、输入、退出、紧急停止、置零清除、皮重清除、累计清除等显示功能，确保了灌装的高计量精度。按 “ 运行 ” 按钮键， 称重仪表 接收该运行信号后开始工作 ,重仪表 请求排料 ,称重仪表 接收到信号后，发出排料信号，系统进行排料。 称重仪表 发出排料完成信号给 该信号后，系统发出松袋信号，同时发出下一袋称重运行信号给 称重仪表 ，开始下一袋的自动称重过程。 中断程序的运行，发出停止运行指令给 称重仪表 ，让 称重仪表 停止工作。 总之，控制系统的设计具有良好的人机交互界面，通过按钮可选择几种生产线上常见的颗粒物料种类和灌装目标值 ,并通过修改程序实现其它品种的自动灌装。本系统通过 称重仪表 实现了称量结果的动态显示。 制电路图设计 给系统上电：两相 变压器转化为 称重仪表 、 时 为传感器、电磁阀等提供电源。 体控制设计 可编程控制器是在机电一体化产品中应用范围极广，发展非常迅速的工业自动化装置，具有工作可靠、可与工作现场信号直接输入输出连接、组合灵活、编程容易、安装简单、维修方便、运行迅速等特点。在工厂自动化 (计算机集成制造系统 (占重要地位。今天的 能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。目前 各行各业中己得到了广泛的应用，产品有从可以控制几十点小型 上千点的大型 且其总线与网络能力越来 越强，可方便地与上位 组成控制系统。 用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积少、功耗小，而且 谓 “ 软继电器 ” 实质上是存储单元的状态，所以 “ 软继电器 ” 的触点数量是无限的， 统的灵活性和扩展性好。而且， 用集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可根据需要在程序中设定的定时值，修改方便，不受环境的影响，且 有计数功能，而电器控制系统一般不具备计数功能。另外， 具有自诊断功能， 7 能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 本设计采用 制系统的夹袋 称重 计中包括 选型、 I/O 点分配表及外部接线、根据工作流程编写 8 3 电气控制系统设计 器件的选型 重仪表的选型 称重仪表一般由模拟电路和数字电路两部分组成。模拟电路包括电源、前置放大器、滤波器、 A D 转换等；数字电路包括主处理器、辅助处理器、各种存储器 、键盘和显示器等。根据仪表的功能和灵敏度本设计可以采用日本著名厂商司最新推出的高性能称重仪表 是当今世界上具有优良性能价格比的称重控制器。该表采用最新技术，它不仅汇聚了同类产品的优点，而且增加了许多重要功能，更加适合用户需要，广泛应用于定量包装秤、失重秤、流量秤及配料控制系统。其特点和规格参数如下： 一、主要特点 1）每秒 100 次采样处理速度； 2） A/D 内码百万个，显示分辩 1/16000； 3）采用内码（外码）比较监控称重配料更准确； 4）自动落差控制、模糊控制补偿 ； 5）自动累积显示； 6）输入输出控制功能用户可编程定义； 7） 10 台 过 85 与上位机联网； 8）数字校准功能 二、技术性能参数 （ 1）模拟与 A/D 转换部分 输入灵敏度 : 0.3 uv/d； 最大输入范围 : 36 零点调整范围 : 020 传感器供桥电源 : 105% 230 非线性度： S； A/D 分辨率： 1/1,000,000； A/D 采样次数： 100 次 /秒 （ 2）数字部分 主显示器： 7 段荧光管， 13，重量显示： 17 位； 辅助显示器： 7 段荧光管， 7， 8 位显示；皮重、定量值、累计值、累计次数、设定值 ； 9 显示分辩率： 1/16000； 最小分度： 1， 2， 5， 10， 20， 50； 最大显示值： 999950； 功 能 键：设定、置零、去皮、净重 /毛重、输入、退出、 F； F 用户定义键：紧急停止、置零清除、皮重清除、累计清除、打印、保持、启动； 输出输入控制（ I/O）用户自定义各端子功能： 输入： 14 种功能，选 6 位； 输出： 16 种功能选 8 位； 设 定：键盘设定或设定器设定； 设定内容：基本功能： 22 项； 输出输入： 14+18 项； 接 口： 3 项 （ 3）接口 标准串行接口（电流环）； 并行 继电器输出 串行接口 422/485 串行接口 232C 设定单元 模拟输出 （ 4 20 4）工作条件： 电源： 200 240V 50/60 工作温度： 5 40； 存放温度： 15 +70 ； 工作湿度：不大于 85%（无结霜）； 外形尺寸： 144（ W） 72(H) 197(D) 安装尺寸： 138 68 传感器的选型 称重传感器被称为电子衡器中的心脏部件，科学技术的飞速发展，由称重传感器制作的电子衡器也已广泛地应用到各行各业，实现了对物料的快速、准确的称量。 特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为 工业 控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、 10 生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。 一、称重传感器的选择 称重传感器是一种将 质量信号 转换为可测量的电信号的转换输出装置，是电子衡器中最重要的检测元件，只有称重传感器将秤体承受的重力准确地转换成电信号后，称重显示仪表才能正确地计算和显示重量值。 1要考虑称重传感器的实际工作环境 工作环境对称重传感器造成的影响主要有以下几个方面： (1) 称重传感器是一种电子器件，在易燃、易爆环境下工作，一旦发生问题不仅会造成人身、没备伤害，也会彻底破坏电子衡器。因此，在易燃、易爆环境下工作的称重传感器必须有很好的防爆性能，必须选用专用的防爆传感器，其密封外罩 不仅要考虑密闭性，还要考虑防爆强度。 (2) 高温会造成传感器外层防护材料熔化、内部焊点开焊、弹性体变形产生附加应力等，同时高温还会使传感器的输出信号产生温漂，造成称重信号的错误和不稳定。因此，在熔炼、铸造设备附近等高温环境下，必须选用耐高温传感器，并采用隔热、降温和温度补偿措施。 (3) 粉尘、潮湿及腐蚀性环境下，易造成传感器弹性体受损和内部短路。因此，应选用密闭性、抗腐蚀性能高的称重传感器，且防护等级应至少达 2. 要考虑称重传感器的适用范围，正确选择传感器形式，称重传感器有多种分类： (1) 按工作原理分类：电阻应变式、电容式、压磁式、压电式等 ; (2) 按物理机构分类：悬臂梁式、桥式、柱式、板式、 ; (3) 按弹性体材质分类：合金钢式、铝合金式等。 3称重传感器数量和量程的选择 (1) 传感器数量的选择 传感器数量的选择需要根据电子衡器的用途、秤体结构、支撑点数 (支撑点数应根据秤体的物理结构、取心确定 )来决定。一般来说，秤体有几个支撑点就应选用几个传感器。但有些特殊的电子衡器 (如电子吊秤、机电结合电子秤 )，应根据秤体特殊结构确定使用传感器的数量。 (2) 传感器的量程选择 传感器量程的选择是依据电子衡器的最大秤量、选用传感器的个数、秤体自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定的。 理论上说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲 11 击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。 传感器量程的计算经验公式 : 在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的验证而确定，公式如下： C )/ N （ 3 C 单个传感器的额定量程； W 秤体自重； 被称物体净重的最大值； N 秤体所采用支撑点的数量； 保险系数，一般取值在 间；冲击系数； 是根据以下使用条件确定的： a)当 N 个传感器均匀受载，且在无振动、无冲击条件下工作时， ； b)当偶尔有冲击振动的情况时，； c)当在有重复性的冲击振动条件下进行动态称重时， 根据偏载 可能形成的最大载荷乘以上述系数即可；秤体的重心偏移系数； 风压系数。 设计中被称重物料净重的最大值 10体自重 W 估算为 10计根据称体结构采用两个称重传感器，并根据当时的实际情况，选取保险系数击系数 心偏移系数 压系数 定传感器的量程。 根据传感器量程计算公式（ 3 C 1 3（ W） /N 可知： C 10 10） 2 16此，可选用量程为 20 S 型称重传感器（根据安装方式可选 传感器，其量程有 510203050100200300500如图 3示为 传感器，其特点和应用场合如下： 图 3 型称重传感器 （ 型号： S 型称重传感器 产品 特点： 1) 结构紧凑，安装方便； 2) 拉、压力均可； 12 3) 综合精度高，长期稳定性好； 4) 优质合金钢，表面镀镍； 适用于吊钩秤、机电结合秤、料斗秤、料罐秤、包装秤、配料称重控制、试验机、力的监控 及测量。 (3) 传感器准确度等级选择 传感器的准确度等级包括传感器的非线性、温度影响、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。在选用传感器的时候，不要单纯追求高等级的传感器，而是既要考虑满足电子衡器的准确度要求，又要考虑其成本。对传感器等级的选择必须满足仪表输入的要求。 称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、 A D 转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度值，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式，计算结果须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。 传感器和仪表的匹配公式： 传感器输出灵敏度激励电源电压秤的最大称量（秤的分度数传感器的个数传感器量程）仪表的输入灵敏度 (3本设计中称量 10定量称重斗，最大分度数为 2000 个分度；秤体采用 2只型号为 S 型称重传感器，灵敏度为 V，供桥电压为 15V；秤采用 重仪表。检验采用型号 S 型称重传感器能否与仪表匹配。 重仪表的输入灵敏度为 d，因此根据 传感器和仪表的匹配公式 (3得仪表的实际输入灵敏度为： 2000 V V 15 10 (2000 2 20) d d 所以，采用的 称重传感器满足 重仪表输入灵敏度的要求，能够与所选 重仪表匹配。 所选 称重传感器的准确度等级如表 3示。 二、料位传感器的选择 射频电容式物位限位开关（下称限位开关）是一种新型的物位仪表。可对块状、颗粒状、粉末状及液态物料料仓的料位及液位进行控制或上、下 限位报警，适用于高温、高 压、强腐蚀、多粉尘的恶劣环境；在冶金、石油、化 工、轻工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛 ,根据设计需要可采用此类功能 的限位开关。 1. 工作原理 当传感器安装于仓体上时，探极和仓壁分别相当于电容器的两个极板 ,由于 13 表 3称重传感器的准确度等级 额定载荷（ kg t 5, 10, 20, 30, 50, 100, 200, 300, 500 1, 2, 3, 5 额定输出 （ 2点平衡 合误差 %线性 %后 %复性 %变（ 30 分钟） %常工作温度范围 0 允许工作温度范围 0 温度对灵敏度影响 %10 度对零点影响 %10 荐激励电压 0 最大激励电压 5 输入阻抗 3805 输出阻抗 3503 绝缘阻抗 5000 安全过载 %150 极限过载 %300 弹性元件材料 金钢 防护等级 缆线长度 m 3m(5 5m(100接线方式 激励 红： 黑： 信号 绿： 白 ： 被测物料的介电常数与空气不同，所以仓内物位发生变化时会引起探极对仓壁间的电容量发生变化，当该电容量大于用户的设定值时，限位开关内的继电器动作，输出一个开关量达到控制（或报警）的目的。 2. 主要技术指标 仪表部分： 1） 工作环境：温度 60 / 85 湿度 90% 2） 电源电压： 20V 10% 50 4V 3） 功 耗： 3W 4） 输出信号：一组继电器接点输出（触点容量 A, ） 5） 输出延时：内部输出延时 3 秒 6） 安装结构：与传感器一体化结构 探级部分：分为棒式探极、缆式探极、同轴探极、平面探极 14 a) 普通型：仓内温度： 仓内压力：常压 仓内介质：无腐蚀性，一般粘度，一般冲击 b) 特殊型：仓内温度： 仓内压力：不大于 4内介质：强腐蚀，高粘度，强冲击 c) 安装接头： 螺纹 根据料仓容积和介质选用普通型的棒式探级。 3. 安装方法 如安装示意图 3示，限位开关通常采用侧装（在仓壁侧面安装）方式安装于仓体侧壁对料位高度进行上下限位置的检测，当仓体不便侧面开孔时可采用顶装（在仓的顶部安装）方式。本设计中可以选择侧装方式。 顶装时电极距仓壁距离应大于 200选择能避开进料时物料冲击的位置。 仓壁为混凝土时应使限位开关外壳接通钢筋，仓壁为非金属时应加装辅助探极（对于固体物料）或使用同轴探极（对于液体）。 注 :用户拆装限位开关时禁止用手抱住壳体拧动，应使用 扳手拧动六角螺栓。上限位（顶装） 上限位（侧装） 下限位 (侧装 ) 图 3位开关的安装方法 4. 调试方法 用户应在确定传感器探头未被物料埋没条件下进行标定，具体标定步骤如下： 第一步：确认探头未被物料埋没（空仓或物料距离探头 50上），上电15 分钟。 第二步：观察“频率显示值”并记录此数值。 第三步：用该“频率显示值”减去 50 便得出“动作频率值”；然后用小改锥将“动作频率值”设置到“动作频率设定”旋转数码开关上，至此标定结束。 15 注：如传 感器作为下限位检测，将“上 /下限位”选择开关置于下限位位置。 缸的选型 一、阀门驱动装置的特点和选择 （ 1） 阀门驱动方式的分类 按驱动结构，阀门驱动装置分 类如表 3示： （ 2） 各类阀门驱动装置的特点 ，如表 3示： 表 3门的驱动方式 手动驱动 手柄手轮式（包括通过中间齿轮减速） 弹簧杠杆式 电动驱动 电磁式 电动机式 气动驱动 1)隔膜式 2)气缸式 活塞气缸式 活塞齿条式 活塞连杆式 活塞拔叉式 活塞螺杆式 3)叶片式 4)空气发动机式 5)薄膜和棘 轮组合式 液动驱动 液压缸式 液压马达式 联动驱动 电液联动 根据表 3 3动装置的优缺点比较以及设计中需要，采用气动为主要的驱动装置。（即用气缸来进行驱动） 二、气缸的计算与选型 首先，根据对气缸的工作要求，选定气缸的规格：气缸和行程。按气缸的工作要求的行程加上适当余量，依此值选取相近的标准行程作为预选行程， 其次还应考虑：环境条件（温度、粉尘、腐蚀性等），安装方式，活塞杆的连接方式（内 外螺纹、球铰等）等。 1）缸径 D 的计算 由已知气缸所带的负载 、运动状态及工作压 力，就可以进行气缸缸径 D 的计算和选用了。缸径计算步骤如下： （ a） 根据气缸所带的负载，计算气缸的轴向负载力 F。 （ b） 由气缸的平均速度来选定气缸的负载率 。气缸的运动速度越高，负 16 载率应选得越低。 表 3门驱动装置的特点 电动装置 优点 1、适用性较强，不受环境温度影响 2、输出转矩范围广 3、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脉冲等各种信号，适于放大、记忆、逻辑判断和计算等工作 4、可实现超小型化 5、具有机械自锁性 6、安装方便 7、维 护检修方便 缺点 1、结构复杂 2、机械效率低，一般只有 25 60 3、输出转速不能太低或太高 4、易受电源电压、频率变化的影响 液动装置 优点 1、结构简单、紧凑、体积小 2、输出力大 3、容易获得低速或高速，能无级变速 4、能远距离自动控制 5、由于液压油的黏性而效率较高，有自润滑性能和防锈性能 缺点 1、油温变化引起油粘度的变化 2、液压元件和管道易渗漏 3、陪管，维修不方便 4、不适于对于信号进行各种运算 气动装置 优点 1、结构简单 2、气源容易获得 3、能得到较高的开关速度 4、可安装调速器，使开关速度按需要进行调整 5、气体压缩性大，关闭时有弹性 缺点 1、与液动装置相比结构较大，不适于大口径高压力的阀门 2、因气体有压缩性，所以速度不易均匀 （ c） 若系统工作压力为 ，是由于气缸工作时气缸腔室里的压力受到管路充放气以及气缸速度的影响，不可能达到系统工作压力。当然，系统工作压力低于 算时工作压力也作相应的调整。 （ d） 由气缸的理论输出力计算公式、负载率 及工作压力 p 即能算出缸径。由计算的缸径再圆整到标准缸径。 2）行程的选择 17 气缸行程应选择生产厂商提供的标准行程。但有的用户不是这样选的，而是根据实际计算值选择的，这样的选择是不合理的。若气缸用作推送重物或挤压工件，当气缸行程达到终点时，工作气压作用在活塞上的力完全有可能全部作用在气缸上，而不是通过活塞杆作用在重物或工件上。也就是说，由于制造公差或安装误差，气缸行程到达终点时，重物或工件没有受到气缸输出力的作用。当然，选用标准行程就避免了这种现象的发生。 3) 活塞杆的连接 活塞杆与工件之间的连接宜采用柔 性连接，用来补偿轴向或径向偏差一级与气缸在一个平面上实现摆动连接。可采用 Y 形带销接头 、关节轴承接头、自对中球铰接头。 4) 气缸安装方式 气缸的安装方式多种多样，以方便于不同的应用场合选用。按连接方式，气缸安装方式可分为固定式和非固定式两种。 采用脚架式 、法兰式安装时，应尽量避免安装螺栓本身直接受推力或拉力负载；同时，要使安装底座有足够的刚性，以避免安装底座因刚性不足受推力而发生的变形。采用尾部悬挂中间摆动式安装时，活塞杆顶端连接销位置与安装件轴的位置处于同一方向。采用中间轴销摆动式安装时，除注意活塞杆顶端 连接的位置外，还应注意气缸轴心线与轴支架的垂直度。气缸的中心应尽量靠近销轴的支点，以减小弯矩，使气缸活塞杆的导向套不致承受过大的径向载荷。缸体的中心高度比较大时，可将安装螺栓加粗或将螺栓的间距加大。 5) 工作环境 通常规定气缸的工作环境温度 5 60 气缸在 5下场合使用，有时会因压缩空气中所含的水分凝结给气缸动动作带来不利影响。此时，要求空气的露点温度低于环境温度 5下防止空气中的水蒸气凝结。同时要考虑在低温下使用的密封件润滑油。另外，在低温环境中的空气会在活塞杆上冻结。若气缸的工作频率度较低时，可在活塞杆上涂润滑脂，这样活塞杆上就不会结冰。在高温使用时可选用耐热气缸。同时注意，高温空气对行程开关、管件及换向阀的影响。 6) 气缸的使用注意事项 （ a）正常工作条件 工作起源压力在 围，环境温度在 0C 范围。 （ b）输出力的大小 气缸的输出力（推力或拉力）应根据外部负载的性质（阻抗 负载、惯性负载）、大小、活塞运动速度统一考虑。 （ c）行程一般不使用满行程，特别是在活塞杆伸出时，应避免活塞撞击缸 18 盖。气缸的行程应当精确地符合设计工况的要求。当需要对重负载缓冲时，这点是非常重要的。 （ d）安装形式的选择 由安装位置、使用目的等因素决定。在一般场合下，多用固定式气缸。在需要随同工作机构连续回转时（如车床、磨床等）应选用回转气缸。在既要求活塞杆做直线运动，又要求缸体本身做较大圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。有特殊要求时，可选用相适应的特种气缸。 （ e）活塞杆的运动速度 其影响因素很多，但气缸 进气管内径的大小影响较大。由于空气介质的压缩性，气缸速度一般控制在 50 500mm/s 之间。如果要求高速运动，应选用大内径的进气管道。对于行程中途有变动的情况，为使气缸速度平稳，可选用气 液阻尼缸。当要求行程终端无冲击时，则应选用缓冲气缸。 （ f）压缩空气必须经过净化处理，在气缸进气口前应安装油雾器（不供油气缸例外），以利气缸工作时相对运动部件的润滑。在灰尘大的场合，运动件应设防尘罩。 2、气缸的计算 1) 理论输出力 结合本次设计的需要，在这里只分析普通双作用气缸的计算方法，其它的气缸理论输出力 双作用气缸的理论推力为 20 4F D p （ N） (3式中 D 缸径 （ m）； P 气缸工作压力（ 其理论拉力0 220 4F D d p （ N） (3式中 d 活塞杆直径 ,估算时可令的 d= 表 3论输出力形式 双作用气缸 单作用气缸 预缩型 预伸型 推力 拉力 24 224 D d p 2 24 tD p F 122 24 tD d p F 19 2）实际输出力 气缸加载时实际所能输出的轴向力，受到气缸活塞和活塞杆本身的摩擦力影响，用气缸效率 表示，气缸的效率 与气缸的缸径 D 和工作压力 p 有关。缸径增大，工作压力提高 ，则气缸效率 增加。若气缸动态参数要求较高，且工作频率高，其载荷率一般取 =度高时取小值，速度小时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，可只考虑其总阻力，其载荷可取 =活塞运动速度 u m s 时取大值， u m s 时取小值。 普通双作用气缸的实际输出推力 24 p （ 3 实际输出拉力为 224 d p （ 3 3）负载率 从对气缸特性研究知道，要精确确定气缸的实际输出力是困难的，于是在研究气缸的性能和选择确定气缸缸径时，常用到负载率 的概念。 气缸负载率 的定义是： 0F= 1 0 0 %F 气 缸 的 实 际 负 载负 载 率 气 缸 的 理 论 输 出 力（ 3 气缸的实际负载是由工况所决定的。若确定了气缸负载率 ，则由定义就能确定气缸的理论输出力0F，从而可以计算出气缸的缸径。气缸负载率 的选择与气缸的气缸负载性能及气缸的运动速度有关，参见表 3 阻性负载是指不产生惯性力的静负载，如气 缸用作气动夹具夹持的负载就是阻性负载。而惯性负载是指产生惯性力的动负载，如气缸用来推送工件，负载将产生惯性力。 表 3缸的运动状态和负载率 阻行负载 （静负载） 惯性负载的运动速度 500mm/s ） 气缸 系列的选择 根据 列 铝合金迷你气缸 的特性与规格，符合设计使用要求。如图 3 20 图 3列 铝合金迷你气缸 列 铝合金迷你气缸 产品特性： 1. 免润滑：采用含油粉末治铜作轴心轴承，使活塞杆无需加油润滑； 2. 耐久性：气缸本体、前后盖经过彩色 装氧化处理，不仅具有耐磨性、耐腐蚀性，而且更显外观小巧、精美； 3. 耐高温性：气缸采用高温密封材料，使气缸在 150温下正常工作。 规格如表 3 3示： 表 3列 铝合金迷你气 缸 规格 内径 (20 25 32 40 动作型式 复动型 工作介质 空气 固定型式 基本型 使用压力范围 1 9证耐压力 gf/用温度范围 70 使用速度范围 30 800 接管口径 n n 表 3列 铝合金迷你气缸 行程 内径(标准行程 最大行程 容许行程 20 25 50 75 80 100 125 1250 160 175 200 250 300 500 800 25 25 50 75 80 100 125 1250 160 175 200 250 300 350 400 450 500 800 1200 32 25 50 75 80 100 125 1250 160 175 200 250 300 350 400 450 500 800 1200 40 25 50 75 80 100 125 1250 160 175 200 250 300 350 400 450 500 1200 1500 21 供料系统气缸计算与选择 由于这两个气缸主要承受物料的 重量和来自本身的自重，所以气缸所承受的力大约为 200N（物料的重量 15自重 5结合实际情况由表 3择负载率 =工作压力 P=公式（ 3： 20 4F D p D )(35 经查表 3 3选择 D=40 的普通标准气缸。再考虑到此气缸的活动行程范围，所以最终选择气缸的型号为： 75 称重系统气缸的计算与选择 由于这两个气缸主要承受物料的重量和来自本身的自重，所以气缸所承受的力大约为 150N（物料的重量 10自重 5结合实际情况由表 3择负载率 =工作压力 P=公式（ 3： 20 4F D p D )( 经查表 3 3选择 D=32普通标准气缸 ,即可满足要求。 再考 虑到此气缸的活动行程范围所以最终选择气缸的型号为： 50 夹袋系统气缸的计算与选择 夹袋系统因只需加紧袋子即可，经估算大约需要 100N 的力。 20 4F D p 622 0 0 0 . 6 1 04 D 64 2 0 00 0D 22 )( 经查表 3 3里选择标准气缸 D=25选择 D=25普通标准气缸就满足了。 再考虑到气缸的活动行程范围所以选择气缸的型号为： 50 磁阀 的 选型 电磁阀 可以作为气动、液动回路自动切换或顺序控制的执行元件，这 方面的应用 较 普遍。电磁阀的结构并不复杂，它由两个基本功能单元组成，一是电磁线圈 (电磁铁 )和磁芯，另一 个 是滑阀，即包含数个孔的阀体。电磁线圈带电或失电时，磁芯的运动导致流体通过阀体或被切断。 电磁阀的选择方法 : 1. 首先，选出阀门的接管口径与工作的气缸相吻合的电磁阀系列。 根据所选的工作气缸的参数选择电磁阀系列，根据 列参数如表 3选择 列，特点：适合空气用，体积小、轻；耐久性提高；耐尘、防喷流；配线方式多；可以集装，最多集装 10 位。 2. 按照控制气缸的动作，选出电磁阀的功能。 根据工作 原理只需驱动气缸让电磁阀门打开、关闭即可，所以 电磁阀只 需 开、关两个位置，控制精度要求 不 高 。选择二位二通的 列，直动式常闭型电磁阀。 3. 电气规格的选择： 1）选择使用的电流及电压如表 3示： 表 3流及电压使用表 电流种类 电压 标准 其它 流） 110V 220V 24V 48V 100V 200V 等 流） 24V 6V 12V 48V 等 根据需要选择 2）选择导线引出方式 一般情况下，小型电磁阀的导线引出方式是直接出线式及 L 或 M 型插座式，大型的电磁阀是 直接出线式及 插座式。 这里的电