气缸驱动的直线和摆动复合运动机构的PLC控制

西安航空职业技术学院 毕业设计论文 1 西安航空职业技术学院 毕 业 设 计（论 文） 论文题目：气缸驱动的直线和摆动复合运动机构 所属系部：航空制造工程系 指导老师： 职 称： 助教 学生姓名： 班级、学号 : 专 业： 机械制造与自动化 西安航空职业技术学院制 2012 年 11 月 17 日 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 2 西安航空职业技 术学院 毕业设计（论文）任务书 题目： 气缸驱动的直线和摆动复合运动机构 任务与要求： 1.气缸的行程为 300 500 毫米。 2. 时间： 年 月 日 至 年 月 日 共 周 所属系部：航空制造工程系 学生姓名： 学 号： 专业： 机械制造与自动化 指导单位或教研室： 指导教师： 职 称：助教 西安航空职业技术学院制 2012 年 11 月 17 日 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 3 题目 气缸驱动的直线和摆动复合运动机构的 PLC 控制 【摘要】 随着科技的迅速发展，各种机械设备脱颖而出。气缸驱动在人们的生活中占据了很重要的地位。气缸驱动是实现机械传动的机构，它是由气缸与换向阀组成。 气缸驱动系统由于系统构成简单，易于获得稳定速度，而且元器件价格低廉，比较容易维护等特点在工业自动化领域得到广泛的应用。与电动机相比，气缸更擅长做往复直线运动。而且仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单的实现稳定的速度控制。也成 为气缸驱动系统最大的特征和优势。现在，气缸驱动系统已成为工业生产领域中的主流。这几十年气动技术的快速发展甚至也可以说很大程度上得益于气缸的迅速普及。 本文阐述了由 PLC控制的气动元件工作，一个气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件以及气源净化元件所组成。各个电磁阀用来作为相应动作单元上压缩空气通断的控制，电磁阀则由 PLC控制器来实现逻辑上的控制，气缸的选用根据具体机械动作的实现来确定，气缸的运动速度根据相应的节流阀来进行调节。 关键词： 气缸驱动、 PLC控制、电磁阀 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 4 前言 近年来，气动技术发展很迅速，是实现工业自动化的重要手段。气压传动得到介质就是空气，环境污染小，工程容易实现所以说传动是一种易于推广的实现工业自动化的应用技术。气动技术在机械、化工、电子、电气、食品、包装、轻工、汽车等各个制造行业。尤其是在各种自动化生产装备和生产线中得到广泛的应用。 可编程控制器 (PLC)是以微处理器为基础，综合计算机技术、自 动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，他具有机构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点，近年来在工业生产过程的自动控制中得到了越来越广泛的应用。 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 5 目录 1.PLC 控制系统 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 第 1 页 1.气缸的选择 1.1 气缸的分析 （ 1)气缸根据作用方式不同可分为单作用式和双作用式。单作用式气缸只能利用气体压力单方向运动，而反方向运动则要依靠重力、弹簧力等外力来实现 ；双作用式气缸的正、反两个方 向的运动都由气体压力来实现。由于单作用气压缸仅有单放向运动，有外力使活塞反向运动。而双作用单活塞气压缸在压缩空气的驱动下可以向两个方向运动，但两个方向的输出力不同，所以该设计应选用双作用式气缸。 (2)首先应根据气缸的工况特点，选用气缸的类型以及安装方式，然后根据动力和运动分析，确定气缸的主要参数。气缸的选用主要应考虑气缸的输出方式、工作行程大小、负载大小等。 1.2 气缸的结构 气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆、和密封件组成： （ 1）缸筒：缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞咬字缸筒内做平稳的 往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到 Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。 （ 2）端盖：端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出 时的下弯量，延长气缸的使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。 （ 3）活塞：活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长期使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早 （ 4）活塞杆：活塞杆是气缸中最重要的受力零件通常使用高碳钢，表 面经镀 硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。 （ 5）密封圈：回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。 （ 6）气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑西安航空职业技术学院 毕业设计论文 2 气缸。 1.3 气缸的设计计算 由设计任务知：要驱动的负载质量为 100kg，取值 V=50mm/s,气缸的行程为300 500mm，取最大值。在研究气缸性能和气缸缸径时，常用到负载率 ： 由液压与气压传动技术表： 气缸的运动状态与负载率 阻性负载 （静负载） 惯 性负载的运动速度 V 500mm/s =0.8 0.65 0.5 0.3 运动速度 V=50mm/s,取 0.6，所以气缸的实际负载大小 为： F=F0/=1633.3N (1)气缸内径的确定 缸径的计算公式 D=1.27 = =66.26mm F 气缸的输出拉力 N； P 气缸的工作压力 Pa 按照 GB/T2348-1993标准进行圆整， D=80mm 气压缸内径系列（ GB/T2348-1993） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （ 90） 100 （ 110） 125 （ 140） 160 （ 180） 200 220 （ 250） （ 280） 320 （ 360） 400 450 500 括号内为优先选取尺寸 (2)活塞杆直径的确定 由 d=0.3D 估取活塞杆直径 d=25 mm 活塞杆外径尺寸 系列（ GB/T2348-1993） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 （ 3） 缸筒长度的确定 缸筒长度 S=L+B+30 L为活塞行程； B为活塞厚度 活塞厚度 B=0.7D= 0.7错误 !未找到引用源。 80=56mm 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 3 由设计任务知气缸的最大行程 L=500mm ,所以 S=L+B+30=586 mm 导向套 滑动面长度 A: 一般导向套滑动面长度 A，在 D80mm 时 , 可取 A=(0.6错误 !未找到引用源。 1.0)d。 所以 A=25mm 最小导向长度 H： 根据经验，当气缸的最大行程为 L，缸筒直径为 D，最小导向长度为： H 错误 !未找到引用源。 代入数据 即最小导向长度 H=80/2=40 mm 活塞杆的长度 l=L+B+A+H=500+56+25+40=621mm （ 4） 气缸筒的壁厚的确定 由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚 错误 !未找到引用源。 可根据薄避筒计算公式进行计算： 式中 错误 !未找到引用源。 缸筒壁厚（ m）； D 缸筒内径（ m）； P 缸筒承受的最大工作压力（ MPa）； 错误 !未找到引用源。 缸筒材料的许用应力（ MPa）； 实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的 7倍；重型气缸约取计算值的 20倍，再圆整到标准管材尺码。 参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核 错误 !未找到引用源。 ,我们的缸体的材料选择 45钢， 错误 !未找到引用源。=600 MPa， =错误 !未找到引用源。 =120 MPa n为安全系数 一般取 n=5； 错误 !未找到引用源。 缸筒材料的抗拉强度 (Pa) P 缸筒承受的最大工作压力 MPa。当工作压力 p 16 MPa 时， P=1.5p；当工作压力 p 16 MPa 时， P=1.25p 由此可知工作压力 0.6 MPa小于 16 MPa， P=1.5p=1.5 0.6=0.9 MPa =0.3mm 参照下表 气缸筒的壁厚圆整取： 错误 !未找到引用源。 = 7 气缸筒的壁厚表： 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 4 材料 气缸直径 50 80 100 125 160 200 250 320 壁厚 铸铁 HT15-33 7 8 10 10 12 14 16 16 钢 A3 . 45 5 7 8 8 9 9 11 12 铝合金 L3 8 12 12 14 14 17 （ 5） 气缸耗气量的计算 Q= StD42= =StD4=1.85/s （ 6） 气缸进排气口直径 d0 V 空气流经排气口的速度（可取 V=10 15）取 V=12m/s 由公式 d0= vQ / 代入数据得： d0=14.014mm 气缸进排气口直径 气缸内径（ D） 气缸进排气 口直径 d0 40 50 63 80 100 125 140 160 180 8 10 15 20 所以取气缸排气口直径为 15 mm Q 工作压力下输入气缸的空气流量（ m3/s） V 空气流经排气口的速度 (7)活塞杆的校核 由于所选活塞杆的长度 L=10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择 45钢。 参考机械设计手册单行本 由 液压气动技术手册 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 5 稳定性校核： 由公式 Fp0 kKnF 式中 FP0 活塞杆承受的最大轴 向压力（ N）； FP0=1633N FK 纵向弯曲极限力（ N）； nK 稳定性安全系数，一般取 1.5错误 !未找到引用源。 4。综合考虑选取 2 K 活塞杆横截面回转半径，对于实心杆 K=d/4 代入数据 K =25/4=6.25mm 由于细长杆 L/K 85 m 即 FK = 22LmEJ 实心圆杆： J = 642d 式中 ： L 气缸的安装长度 ； m 末端系数；选择固定 自由 m = 1/4 E 材料弹性模量，钢材 E = 2.1 错误 !未找到引用源。 1011 Pa ； J 活塞杆横截 面惯性矩（ m4）； d 活塞杆的直径（ m）； 活塞杆计算长度 L 与系数 m 安装方式 m 铰支 铰支 1 固定 自由 1/4 固定 铰支 2 固定 固定 4 L 气缸的安装长度就是活塞杆的长度等于 621mm； 代入公式： FK=1.3106N 因为 : kKnF=1.55104N； 所以活塞杆的稳定性满足条件 强度校核 : 由公式 d 4Fpo 西安航空职业技术学院 毕业设计论文 6 其中： =nb ， n 为安全系数 一般取 n=5； 错误 !未找到引用源。 缸筒材料的抗拉强度 (Pa) 45#钢的抗拉强度， b =600MPa； =nb =120MPa 所 以： 4Fpo=1.92mmd 所以强度满足要求； 综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求 。 1.4 气缸的密封 气缸常用密封 气缸常用的密封元件有 O形密封圈、 QY形轴用和孔用密封圈、无骨架防尘圈。 ZHM 形组合圈、 C 形孔用密封圈和 CK 形轴孔防尘组合圈。 常用的密封材料是丁腈橡胶。 1、缸盖和缸筒联接的密封 一般采用 O 形密封圈，安装在缸盖和缸筒配合的沟槽内，构成静密封。 2、 活塞的密封 活塞处有两处地方需密封，一处是活塞与缸筒的动密封；另一处是活塞与活塞杆联接处的静密封，一般用 O形密封圈。 O形密封圈：密封可靠， 结构简单，对缸筒内表面粗糙度要求不高，摩擦阻力小。使用寿命比 QY形密封圈短。 3、 活塞杆的密封 一般在缸盖的沟槽里放置密封圈和防尘圈，保证活塞杆往复运动的密封和防尘。表 1为活塞杆的密封、防尘形式。 4、 缓冲密封 缓冲密封有两种方法：一种是采用 QY形密封圈安装在缓冲柱塞上；另一种是采用 SJM15系列气缸专用密封圈，它是用橡胶和一个圆形钢圈硫化成一个整体，安装在缸盖上作缓冲密封。 1.5 气缸的使用注意事项 1、对空气质量的要求 ：要使用净化处理后的清洁干燥的压缩空气。 空气中不得含有有机溶剂的合成油、盐分、腐蚀 性气体等，以防缸、阀作用不良。安装前，连接配管内应充分吹洗，不要将灰尘、切屑末、密封带碎片等杂物带入缸、阀内。 2、对使用环境的要求： 气缸正常工作时的环境温度和介质温度为： 气缸不带磁性开关时： 10C 70C施。 3、关于气缸的密封： 给油润滑气缸，应配置流量合适的油雾气。 4、关于气缸的负载 ：气缸正常的工作压力为 0.4 0.6aMP，普通标准气缸西安航空职业技术学院 毕业设计论文 7 的运动速度为 50 500/mms。 活塞杆只能承受轴向负载。活塞杆不允许承受径向载荷及偏心负 载。 5、关于气缸的安装： 安装固定式气缸时，负载和活塞杆的轴线要一致。 在活塞杆端部旋入螺母或安装附件时，活塞杆必需全部回缩才能进行。对杆不回转型在活塞杆上安装附件时，应避免在活塞杆上承受旋转力矩。 拧紧配管螺纹时，用力要合适，以免损坏接口螺纹或漏气。 6、气缸的速度调整 ：气缸安装完毕后应空载往复运动几次，检查动作是否正常，然后