母线槽参数检测机构传动系统设计【含CAD图纸+机械毕业论文】

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母线槽参数检测机构传动系统设计

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关键词：: 母线槽参数检测机构传动系统设计 cad 图纸机械毕业论文

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摘要

母线槽是一种新型配电导线，它的两个主要技术参数是指绝缘强度和导线的电阻。论文根据自动检测母线槽导电片电阻和导电片之间绝缘强度的要求，主要介绍了母线槽参数检测机构中气压传动控制系统的设计方法、过程参数和结果等，另外还介绍了步进电机驱动电路的设计。
本传动机构共有六个动作需要由气压传动装置控制，需要八只气缸。其中，两只气缸控制母线槽两端测量头的伸缩；两只气缸控制测量头横向定位；两只气缸控制母线槽长度方向定位；两只气缸控制母线槽的升降（然后对其进行包装）。论文涉及到各个气压传动回路图的设计，各个气缸及辅助元件的相关尺寸的计算，接着是控制回路中的各种气压元件的选择。另外还计算出了普通型单活塞双作用气缸的各个参数值，并设计出了它的结构图。
设计五相十拍步进电动机驱动电路时选择了89C2051作为环形分配器，而功率器件选用电压型的VMOS管。该电路设计成恒流斩波电路，论文中大概介绍了步进电机的相关知识和基本工作原理，并详细介绍了斩波恒流细分驱动方案的原理。此外，本次设计还分别对相序分配的硬件接线和软件程序部分做了设计和说明。

关键词：母线槽；气压传动；步进电机驱动器

ABSTRACT

The Bus duct is a new kind of lead for electric conductivity,The two of main techniques of the Bus duct are Insulation Strength and Resistance of wires. According to the requirements of automatically detecting the resistance of conducting plates and the insulation strength between them, The design of Pneumatic Transmission system and Stepping Motor Drive Control Circuits for the Bus duct Parameter Detection machine are introduced in this thesis. In addition, the design of Step Motor Drive Control Circuits is introduced.
The Pneumatic Transmission setup has six actions which need to be controlled by Pneumatic Transmission. Eight Cylinders are needed. Two of them are used for controlling the flex of the detection. Two are used for controlling transverse orientation of the detection .Two are used for controlling orientation in length of the Bus duct. Another two are used for controlling the up and down of the Bus duct（preparing for packing it）. Then the thesis comes down to designing drawings of the loops in Pneumatic Transmission system ,and the size of Cylinders and device relationally are calculated in this thesis, with that devices of Cylinders control system are chosen. In addition, each parameter of the medium-sized Cylinder with sole piston are calculated, and it’s drawing of structure is designed.
When designing the step motor drive circuit of 5 phase 10 pat，89C2051 is adopted as the Loop allotter. The VMOS is adopted in power elements. It is designed as chopper-type constant current circuit. In the thesis the related knowledge and basic principle of the step motor drive are probably introduced , and a principle of a scheme is introduced in detail, which is of the chopper-type constant current subdivide.On top of that, In this design , the hardware connection and software program of the Phase Sequence allotter are design and elucidation respectively.

Key words: Bus duct；Pneumatic Transmission ；step motor driver

第一章绪论 1
1.1 引言 1
1.2 选题的背景及意义 1
1.3母线槽简介 2
1.4检测内容 3
1.5 自动检测系统的组成及控制流程 5
1.5.1 母线槽参数检测系统的组成 5
1.5.2 母线槽参数检测系统的工作流程 5
第二章气压传动系统设计与计算 9
2.1气压传动概述 9
2.1.1气动技术的应用 9
2.1.2气压传动的组成及工作原理 9
2.1.3气压传动的优缺点 10
2.2 气压传动系统控制对象 10
2.3 总气压传动系统回路设计 11
2.3.1选择总气压回路的控制方式 11
2.3.2选择气压发生装置与辅助元件 11
2.3.3选择执行元件 11
2.3.4选择控制元件 13
2.3.5设计总气压传动回路 15
2.4包装台纵向定位装置气压传动回路设计与计算 16
2.4.1 回路设计 16
2.4.2 回路计算 16
2.4.3 元件选择 18
2.5 检测台侧向定位装置气压传动回路设计与计算 19
2.5.1 回路设计 19
2.5.2 回路计算 19
2.5.3 元件选择 21
2.6 测量头动作控制气压传动回路设计与计算 22
2.6.1 回路设计 22
2.6.2 回路计算 22
2.6.3 元件选择 23
2.7 包装台升降机构气压传动回路设计与计算 24
2.7.1 回路设计 24
2.7.2 回路计算 25
2.7.3 元件选择 26
2.8 气缸设计 26
2.8.1 气缸的主要尺寸设计 26
2.8.2 气缸的主要结构设计 27
第三章驱动电路设计 30
3.1 步进电机的种类以及工作原理 30
3.1.1 步进电机的种类 31
3.1.2 步进电机的工作原理 31
3.2 控制方案拟定 32
3.3 步进电动机相序分配电路 33
3.3.1 相序分配电路 33
3.3.2 相序分配软件 35
3.4 步进电机驱动电路设计 38
第四章结论 41
4.1 论文总结 41
4.2 感想 42
致谢 43
参考文献 44
附录A：英文资料 45
附录B：英文资料翻译 60
附录C：驱动电路原理图和PCB图 72
附录D：总气压传动图 74
附录E：气缸装配图 75
附件：毕业论文光盘资料

第一章绪论

1.1 引言
随着现代化工程设施和装备的涌现，各行各业的用电量迅增，尤其是众多的高层建筑和大型厂房车间的出现，作为输电导线的传统电缆现在大电流输送系统中已不能满足要求，多路电缆的并联使用给现场安装施工连接带来了诸多不便。母线槽作为一种新型配电导线应运而生，与传统的电缆相比，在大电流输送时充分体现出了它的优越性。母线槽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、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，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，母线槽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，所以防潮性能、绝缘可靠性散热性能比空气型和密集型都要好。母线槽经过半个多世纪的发展过程，已经得到了充分的发展。
随着母线产品的广泛应用，母线槽技术参数的检测问题也就随之产生。母线的主要技术参数是导线电阻和绝缘强度，对这两个参数的检测在国内还是由人工完成的，其自动检测技术在国内还是个空白。检测人员手动控制检测头去检测母线槽的导线电阻和绝缘强度，手动定位很容易带来由于定位不准而产生的操作误差，这与我们对母线槽技术参数准确性的要求是相冲突的。另外，在检测母线槽的绝缘强度时，需要对母线槽通以高压，这无疑会威胁到检测人员的人身安全。随着社会的不断发展，人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求，开发

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内容简介：: 题目：母线槽参数检测机构传动系统设计设计地点： Graduation Design (Thesis)The design of Pneumatic Transmission system forthe Bus duct Parameter Detection machine摘要母线槽是一种新型配电导线，它的两个主要技术参数是指绝缘强度和导线的电阻。论文根据自动检测母线槽导电片电阻和导电片之间绝缘强度的要求，主要介绍了母线槽参数检测机构中气压传动控制系统的设计方法、过程参数和结果等，另外还介绍了步进电机驱动电路的设计。本传动机构共有六个动作需要由气压传动装置控制，需要八只气缸。其中，两只气缸控制母线槽两端测量头的伸缩；两只气缸控制测量头横向定位；两只气缸控制母线槽长度方向定位；两只气缸控制母线槽的升降（然后对其进行包装）。论文涉及到各个气压传动回路图的设计，各个气缸及辅助元件的相关尺寸的计算，接着是控制回路中的各种气压元件的选择。另外还计算出了普通型单活塞双作用气缸的各个参数值，并设计出了它的结构图。设计五相十拍步进电动机驱动电路时选择了89C2051作为环形分配器，而功率器件选用电压型的VMOS管。该电路设计成恒流斩波电路，论文中大概介绍了步进电机的相关知识和基本工作原理，并详细介绍了斩波恒流细分驱动方案的原理。此外，本次设计还分别对相序分配的硬件接线和软件程序部分做了设计和说明。关键词：母线槽；气压传动；步进电机驱动器49ABSTRACTThe Bus duct is a new kind of lead for electric conductivity,The two of main techniques of the Bus duct are Insulation Strength and Resistance of wires. According to the requirements of automatically detecting the resistance of conducting plates and the insulation strength between them, The design of Pneumatic Transmission system and Stepping Motor Drive Control Circuits for the Bus duct Parameter Detection machine are introduced in this thesis. In addition, the design of Step Motor Drive Control Circuits is introduced.The Pneumatic Transmission setup has six actions which need to be controlled by Pneumatic Transmission. Eight Cylinders are needed. Two of them are used for controlling the flex of the detection. Two are used for controlling transverse orientation of the detection .Two are used for controlling orientation in length of the Bus duct. Another two are used for controlling the up and down of the Bus duct（preparing for packing it）. Then the thesis comes down to designing drawings of the loops in Pneumatic Transmission system ,and the size of Cylinders and device relationally are calculated in this thesis, with that devices of Cylinders control system are chosen. In addition, each parameter of the medium-sized Cylinder with sole piston are calculated, and its drawing of structure is designed.When designing the step motor drive circuit of 5 phase 10 pat，89C2051 is adopted as the Loop allotter. The VMOS is adopted in power elements. It is designed as chopper-type constant current circuit. In the thesis the related knowledge and basic principle of the step motor drive are probably introduced , and a principle of a scheme is introduced in detail, which is of the chopper-type constant current subdivide.On top of that, In this design , the hardware connection and software program of the Phase Sequence allotter are design and elucidation respectively.Key words: Bus duct；Pneumatic Transmission ；step motor driver 目录第一章绪论1 1.1 引言1 1.2 选题的背景及意义1 1.3母线槽简介2 1.4检测内容31.5 自动检测系统的组成及控制流程51.5.1 母线槽参数检测系统的组成51.5.2 母线槽参数检测系统的工作流程5第二章气压传动系统设计与计算92.1气压传动概述92.1.1气动技术的应用92.1.2气压传动的组成及工作原理92.1.3气压传动的优缺点102.2 气压传动系统控制对象102.3 总气压传动系统回路设计112.3.1选择总气压回路的控制方式112.3.2选择气压发生装置与辅助元件112.3.3选择执行元件112.3.4选择控制元件132.3.5设计总气压传动回路152.4包装台纵向定位装置气压传动回路设计与计算162.4.1 回路设计162.4.2 回路计算162.4.3 元件选择182.5 检测台侧向定位装置气压传动回路设计与计算192.5.1 回路设计192.5.2 回路计算192.5.3 元件选择212.6 测量头动作控制气压传动回路设计与计算222.6.1 回路设计222.6.2 回路计算222.6.3 元件选择232.7 包装台升降机构气压传动回路设计与计算242.7.1 回路设计242.7.2 回路计算252.7.3 元件选择262.8 气缸设计262.8.1 气缸的主要尺寸设计262.8.2 气缸的主要结构设计27第三章驱动电路设计303.1 步进电机的种类以及工作原理303.1.1 步进电机的种类313.1.2 步进电机的工作原理313.2 控制方案拟定323.3 步进电动机相序分配电路333.3.1 相序分配电路333.3.2 相序分配软件353.4 步进电机驱动电路设计38第四章结论414.1 论文总结414.2 感想42致谢43参考文献44附录A：英文资料45附录B：英文资料翻译60附录C：驱动电路原理图和PCB图72附录D：总气压传动图74附录E：气缸装配图75附件：毕业论文光盘资料自动化学院本科毕业设计（论文）第一章绪论1.1 引言随着现代化工程设施和装备的涌现，各行各业的用电量迅增，尤其是众多的高层建筑和大型厂房车间的出现，作为输电导线的传统电缆现在大电流输送系统中已不能满足要求，多路电缆的并联使用给现场安装施工连接带来了诸多不便。母线槽作为一种新型配电导线应运而生，与传统的电缆相比，在大电流输送时充分体现出了它的优越性。母线槽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、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，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，母线槽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，所以防潮性能、绝缘可靠性散热性能比空气型和密集型都要好。母线槽经过半个多世纪的发展过程，已经得到了充分的发展。随着母线产品的广泛应用，母线槽技术参数的检测问题也就随之产生。母线的主要技术参数是导线电阻和绝缘强度，对这两个参数的检测在国内还是由人工完成的，其自动检测技术在国内还是个空白。检测人员手动控制检测头去检测母线槽的导线电阻和绝缘强度，手动定位很容易带来由于定位不准而产生的操作误差，这与我们对母线槽技术参数准确性的要求是相冲突的。另外，在检测母线槽的绝缘强度时，需要对母线槽通以高压，这无疑会威胁到检测人员的人身安全。随着社会的不断发展，人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求，开发母线槽参数检测机，可以完成对母线槽主要技术参数的自动检测，这可以有效地提高检测的自动化程度，提高检测精度，保证检测人员的安全。1.2 选题背景与意义母线槽内部一般用铜片作为导体。铜片的电阻是影响母线槽导电能力的重要因素。电阻越大，母线槽在电传输过程中消耗就会越大，传输的效率就会越低。母线槽作为导线，知道其内部导电体的电阻是非常必要的。而母线槽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线槽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，母线槽制造商必须制造出适合不同场合应用的母线槽，这就需要准确知道母线槽的两个参数指标。由于母线导电片的横截面积大、电阻小，再加上检测技术的落后。目前国内的母线生产厂家基本都不对导电片的电阻进行检测，而只是人工检测导电片之间的绝缘强度。在检测时，检测人员手持绝缘检测头对母线槽进行检测，若母线槽绝缘强度不够，绝缘强度检测仪就会报警，而且，检测过程中，检测头是通以高压的，对操作人员的人身安全也是个威胁。在国外，不仅能检测导线电阻，而且检测的自动化程度相当高，国内与之存在的差距十分巨大。因此，迫切希望设计一个控制系统对母线槽技术参数进行自动检测，这样就可以提高企业的生产效率，减少人员的投入，给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益。1.3 母线槽简介母线槽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线槽居于主导地位。在近几年的电气设计以及施工现场配合工作中，母线槽都已经成为了极其重要的一种输配电的设备。1母线槽的基本结构及特点一般的母线槽都是用于高层建筑、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。母线槽特点是具有系列配套、商品性生产、体积小、容量大、设计施工周期短、装拆方便、不会燃烧、安全可靠、使用寿命长、载流能力强、防护等级高、分配电能方便、传输安全可靠等特点，是一种理想的配电产品。母线槽产品适用于交流50Hz，额定电压380V，额定电流250A4000A的三相四线制供配电系统工程中。母线槽的结构如图1.1所示，在母线槽系统中一般由以下几个单元组成：馈电式母线（不带插口）或插接式母线（带插口）直线段单元；与变压器，配电柜等设备接口的进（出）线单元；换向单元有L形单元，T型单元，Z型单元；膨胀单元有膨胀节母线单元；插接单元有插接箱单元。所有单元通常均由母线槽制造商进行标准设计，也可以根据工程需要进行现场测量后采取非标设计，以满足用户及安装需要。 2.母线槽的种类及性能图1.1 母线槽母槽线主要的类型有三相三线制、三相四线制和三相五线制，其中母线槽又有单通道和双通道之分。其按制造工艺和用途，又可以分为：密集型母线槽、空气型母线槽、高性能型母线槽、耐火型母线槽、防水型母线槽、绝缘型母线槽等。母线槽按绝缘方式可分为空气式插接母线槽、密集绝缘插接母线槽和高强度插接母线槽三种母线槽是由金属板（钢板或铝板）为保护外壳、导电排、绝缘材料及有关附件组成的母线系统。它可制成每隔一段距离设有插接分线盒的插接型封闭母线，也可制成中间不带分线盒的馈电型封闭式母线。在高层建筑的供电系统中，动力和照明线路往往分开设置，母线槽作为供电主干线在电气竖井内沿墙垂直安装一趟或多趟。按用途一趟母线槽一般由始端母线槽、直通母线槽（分带插孔和不带插孔两种）、L型垂直（水平）弯通母线、Z型垂直（水平）偏置母线、T型垂直（水平）三通母线、X型垂直（水平）四通母线、变容母线槽、膨胀母线槽、终端封头、终端接线箱、插接箱、母线槽有关附件及紧固装置等组成。母线槽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，影响整条母线槽的运行稳定性。尤其是对五线母线槽的不当使用，还会造成PE线接触电阻增大违反国家规定。但母线槽在大容量的情况下，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，此时母线槽就体现出自身的优势。1.4 母线槽参数检测机的检测内容母线槽参数检测机的主要检测内容为：母线槽内各个导电片的电阻；母线槽内导电片之间的绝缘强度。导电片电阻和导电片之间的绝缘强度是母线槽的主要技术参数。导电片电阻是影响母线槽导电能力的主要因素。我们都知道，导线电阻的增大，会增加电能在传输过程中的电损耗，而母线槽也是如此。另外，导电片之间的绝缘强度则是影响母线槽安全性能的主要因素。因此，检测母槽线这两个技术参数是十分重要的，这可以帮助我们更加准确有效地把不同种类及型号的母线槽应用到最适合它们的场合。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，对母线槽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。微欧计绝缘强度检测仪(a) (b) 123导电片电阻和绝缘强度两个参数的检测如图1.2所示，其中图(a)检测的是导电片电阻，图(b)检测的是导电片之间的绝缘强度。1检测头 2气缸 3母线槽(a) 检测导线电阻 (b) 检测绝缘强度图1.2 母线槽参数检测示意图1.5 自动检测系统的组成及控制流程1.5.1 母线槽参数检测系统的组成上位机贴标机打印机检测系统功率放大系统气压传动系统步进驱动机构执行机构（气缸）包装机构母线槽定位机构运动机构控制系统（下位机）检测台母线槽母线槽参数检测系统主要由上位机、运动机构控制系统（下位机）、贴标机、打印机、包装机构、检测机构、气压传动机构等部分组成，其中母线槽参数检测机的控制系统主要由控制电路和气压传动两部分组成。图1.3为母线槽参数检测系统的组成简图。图1.3 母线槽参数检测系统的组成 1.5.2 母线槽参数检测系统的工作流程母线槽参数检测机控制系统的下位机部分控制的信号有：检测台上的传送电机，一个纵向定位气缸，两个横向气缸和这两个气缸上的压力继电器；包装台上的传送电机，一个纵向定位气缸，两个上升气缸；两个检测头的气缸；X、Y、U、V四轴的正反转； X、Y、U、V四个坐标方向的进给，X、Y、U、V的超程。检测台和包装台的传动机构如图1.4所示。 1检测平台 2母线槽 3检测纵向定位气缸 4检测平台移送电机 5包装平台 6包装台纵向定位气缸 7、9母线槽包装台升降气缸 8包装台移送电机 10、27纵向到位检测传感器 11、26左右端横向定位滑台 12、25左右端测量头驱动气缸 13、24X轴及U轴滑台 14、23X轴、U轴步进电机 15、22左右端横向定位气缸 16、21左右端垂直升降台 17、19Y轴及V轴步进电机 18、20左右端移动立柱图1.4 检测台和包装台的传动机构示意图参数检测系统工作过程如下：上位机（PC机）发送启动信号给下位机，然后，下位机开始工作。下位机控制检测台传送装置和气压传动定位机构传送及定位母线槽。之后，下位机通过运动机构控制检测系统检测导电片的电阻以及导电片之间的绝缘强度，并把结果传送给上位机。上位机接受到检测完毕的信号后，根据检测结果判断母线槽是否合格，若合格，则发送信号给打印机，打印机打印出所测母线槽的条码。然后，上位机发送信号给贴标机，并控制贴标机把条码贴到母线槽上。贴标机贴标完毕后发送信号给上位机，上位机接着发送信号给下位机，由下位机控制完成对母线槽的包装。其中，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线槽的外壳上。定位机构是由气缸驱动的。下面将按照工作过程给出母线槽参数检测机（下位机）控制系统的工作流程图（图1.5）。开始N检测台母线槽传送电机启动检测台纵向定位气缸升起母线槽纵向到位？Y检测台传送电机停止检测台左端侧向定位气缸启动检测台右端侧向定位气缸启动N左、右端侧向定位气缸到位？Y连接绝缘强度检测仪两检测头移动、定位、检测并将检测结果发送给上位机检测头检测完后回检测起点连接检测电阻的微欧计AA两检测头移动、定位、检测并将检测结果发送给上位机检测头检测完后回检测原点检测台左、右端侧向定位气缸退回检测台纵向定位缸退回检测台母线槽传送电机启动包装台母线槽传送电机启动包装台纵向定位缸升起母线槽离开检测台后检测台电机停转母线槽到达包装台后包装台电机停转发送信号给上位机，启动贴标机贴标贴标结束后，包装气缸升起延时，包装包装台纵向定位气缸退回包装气缸退回结束图1.5 母线槽参数检测机控制系统（下位机）的工作流程第二章气压传动系统设计与计算2.1气压传动概述2.1.1 气动技术的应用气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。气压传动与控制技术简称气动技术。远在两千多年前，人们就开始利用空气的能量完成各种工作。比如，希腊人利用压缩空气来增大石弩的射程。在近代，车辆的制动装置、采煤用的风钻等都应用了气动装置。到20世纪30年代，气动技术成功地应用于自动门的开闭以及各种机械的辅助动作上，但这些都还只是将气动技术作为传动的一种手段。进入到20世纪60年代及70年代，随着工业机械化的发展，气动技术广泛应用于生产自动化的各个领域，形成了现代气动技术1。 2.1.2 气压传动的优缺点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、电子、液压传动相比有以下特点。1气压传动的优点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人大气中，不污染环境，压力等级低，使用安全；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) 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；5) 相对液压传动和电气方式而言，气动动作迅速、反应快，正常只需0.020.3s就可达到工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为15ms，而气体的流速最小也大于10ms，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速。气缸动作速度一般为50500mm/s, 最低可在3mm/s平行运动，高速可达3m/s2；6) 气动元件可靠性高，使用寿命长。电气元件的有效动作次数约为数百万次，而气动元件可运行20004000万次；7) 气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护；8) 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。2气压传动的缺点1) 由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，气缸的动作速度易受负载变化的；2) 由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于1040kN；3) 气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；4) 噪声较大，在高速排气时要加消声器3。2.1.3 气压传动的组成及工作原理气压传动的原理是利用空压机把电动机或其他原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功4。由此可知，气压传动是由四部分组成的，它们是：（1）气源装置是获得压缩空气的装置。其主要部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；（2）控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环；（3）执行元件是将气体的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等；（4）辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。2.2 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线槽两端测量头的伸缩；两只气缸控制测量头横向定位；两只气缸控制母线槽长度方向定位；两只气缸控制母线槽升降（升起后对母线槽两端进行包装）。2.3 总气压传动系统回路设计2.3.1 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。2.3.2 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2.1所示。 1、雾化器 2、气源图2.1 气压发生装置与辅助元件2.3.3 选择执行元件气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的元件。它驱动机构作直线往复、摆动或回转运动，输出为力或转矩。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。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2.2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。图2.2 单活塞杆双作用气缸1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）气缸的输出力式中，活塞的工作面积，有杆腔活塞上的工作面积，作用于无杆腔活塞上的压力，作用于有杆腔活塞上的压力，摩擦阻力，运动构件质量，运动构件加速度。(2）气缸的压力特性气缸的压力特性是指气缸内压力变化的情形5。气缸在启动、行程开始、行程终端各个时间段的压力特性是不一样的，所以气缸的压力特性曲线变化过程比较复杂。因为排气腔中气体压力的下降速度要比进气腔中压力上升的速度缓慢得多，因此从换向阀换向到气缸启动是需要一定时间的。当气缸行程较长，且活塞杆上有负载时，会产生进排气速度与活塞速度相平衡的情况，这时压力特性曲线将趋于水平，活塞在两腔不变压力差的推动下匀速前进。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）气缸的速度由于活塞两侧压力、的变化比较复杂，因而推动活塞的力的变化也比较复杂，要使气缸保持准确的运动速度是比较困难的。通常，气缸的平均速度可按进气量的大小求出5：式中，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，其平均速度约为左右。(4）气缸的耗气量气缸的耗气量与气缸的活塞直径、活塞杆直径、活塞的行程以及单位时间往返次数有关。活塞杆伸出和退回行程的耗气量分别为所以，活塞往复一次所耗压缩空气量为若活塞每分钟往返次，则每分钟活塞运动的耗气量为 2.3.4 选择控制元件在气压传动系统中的控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号的重要元件，利用它们可以组成各种气动控制回路，使气动执行元件按设计的程序正常地进行工作。控制元件按功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类5。此外，尚有通过改变气流方向和通断实现各种逻辑功能的气动逻辑元件和射流元件等。1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。方向控制阀按其作用特点可以分为：单向型控制阀和换向型控制阀两种；按其控制方式不同可以分为：电磁换向阀、气动换向阀、机动换向阀和手动换向阀；按阀芯结构不同可分为：滑柱式、截止式、平面式、旋塞式和膜片式5。为了使气流只沿着一个方向流动，本设计中采用了单向阀。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2.3所示为单向阀的职能符号。图2.3 单向阀换向阀是电气系统与气压系统之间的信号的转换元件。为了达到快速进给和退回的要求，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。电磁控制换向阀有电磁铁控制部分和主阀两部分组成，按控制方式不同分为电磁铁直接控制（直动）式和先导式电磁阀两种。本设计采用了直动式控制方法控制电磁阀。图2.4所示为二位四通换向阀的职能符号。图2.4 二位四通换向阀2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，满足各种压力要求或用以节能。压力控制阀可以分为三类：一类是减压阀、定值器；一类是安全阀、限压切断阀；一类是顺序阀、平衡阀等5。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。安全阀、限压切断阀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。顺序阀、平衡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。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，输出压力在范围内。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2.5所示为减压阀的职能符号。图2.5 减压阀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的元件。流量控制阀可以分为节流阀、单向节流阀、排气节流阀和柔性节流阀等5。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2.6所示为单向节流阀的职能符号。当气流由流动时，经节流阀1节流；而反向由流动时，单向阀2打开，不受节流阀的影响。 1节流阀 2单向阀图2.6 单向节流阀2.3.5 设计总气压传动回路本次回路的设计由八个分气压回路组成，主要是换向回路的设计和节流调速回路的设计。换向回路选用双作用换向回路，换向阀是二位四通换向阀；而节流调速回路则根据各个分气压回路的要求而设计，包装台升降机构气压传动回路采用双向调速回路，其他的回路都采用单向调速回路。本设计所要求的用六个动作控制八只气缸，如图2.7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是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、6测量台、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减压阀 10换向阀 11单向节流阀 12压力表 13压力继电器图2.7 总气压传动图2.4 检测台与包装台纵向定位装置气压传动回路设计与计算2.4.1 回路设计检测台与包装台纵向定位装置气压传动回路是完全相同的，图2.8是其中检测台纵向定位装置气压传动回路。2.4.2 回路计算1.初选气压缸的工作压力气源装置的压力=。减压阀的调压范围分为五档：；。气源装置的压力经减压阀减压后，选择调压范围为。设定气压缸的压力。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2.8 检测台与包装台纵向定位装置气压传动回路2.计算气压缸的尺寸考虑到气压缸活塞克服的负载有活塞、活塞杆、定位挡块的重力、惯性力及摩擦力。取负载。按下式计算气缸的内径：按标准取气缸的内径。按下式计算活塞杆直径：按标准取活塞杆直径。普通单活塞双作用气压缸无杆腔（无活塞杆的腔）的面积（）：普通单活塞双作用气压缸有杆腔（有活塞杆的腔）的面积（）：3.求气压缸的最大流量已知母线槽纵向定位气缸活塞杆上升速度与下降速度分别为，由此得进入无杆腔的流量（）：进入有杆腔的流量（）：取最大流量。4.求管道内径根据气压系统管道内允许流速推荐值，选择流速（）：按下式计算管道内径：取。2.4.3 元件选择1）选择气缸型号：为了使气缸在行程终点不发生冲击，系统采用了缓冲气缸。缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果很明显。对于这个系统来说，气缸的速度要求不高，因此采用缓冲气缸。QGA、QGB系列气缸3单活塞杆双作用可调双向缓冲气缸，具有结构简单，重量轻，工作压力低，等特点。该系列中，QGA为无缓冲气缸，QGB为缓冲气缸。根据系统计算的结果，选用气缸型号为QGB，其内径为，杆径为，接管螺纹尺寸为。2）选择管道参数：当气缸选定后，可根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸查表对应气缸供气口的通径。此通径即为管道的通径。根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸，查表得气缸供气口的通径是和，选择气缸供气口通径为，即管道的通径为。在气压传动中，常选用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。根据系统的实际要求，选择钢管作为管路。钢管的特点是能承受较高的压力，价格低廉，但安装时弯曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。常用钢管是无缝钢管。查表得，选择钢管道公称通径为，钢管外径为，管接头连接螺纹，管子壁厚，推荐管道通过流量。3）选择单向节流阀2型号：根据查表，选择单向节流阀型号为：，通径为，联结螺纹为。4）选择单向阀2型号：根据查表，选择单向阀型号为，公称通径为，联结螺纹为。5）选择减压阀2型号：根据查表，选择减压阀型号为，公称通径为，接口螺纹为。6）选择换向阀3型号：根据查表，选择换向阀型号为，二位四通直动滑阀式电磁控制阀，单电控型，公称通径为。7）选择油雾器3型号：根据查表，选择油雾器型号为，公称通径，连接螺纹为，最高工作压力，起雾流量为。表示油雾气配号小一号时，最大流量约减少10%。2.5 检测台侧向定位装置气压传动回路设计与计算2.5.1 回路设计两个检测台侧向定位装置气压传动回路是完全相同的，图2.9是其中一个检测台侧向定位装置气压传动回路。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压力继电器；8压力表；9气缸图2.9 检测台侧向定位装置气压传动回路2.5.2 回路计算 1.初选气压缸的工作压力气源装置的压力。减压阀的调压范围分为五档：；。气源装置的压力经减压阀减压后，选择调压范围为。设定气压缸的压力。2.计算气压缸的尺寸根据气压缸活塞杆受力情况分析，两活塞杆在横向上负载之和应该小于母线槽受到的静摩擦力，保证横向定位时活塞杆不会因为受力过大而导致母线槽移动影响测量精度。设定母线槽质量，则取负载。按下式计算气缸的内径：按标准取气缸的内径。按下式计算活塞杆直径：按标准取活塞杆直径。普通单活塞双作用气压缸无杆腔（无活塞杆的腔）的面积（）：普通单活塞双作用气压缸有杆腔（有活塞杆的腔）的面积（）： 3.求气压缸的最大流量已知侧向定位气缸活塞杆伸出定位速度与退回速度分别为和，由此得进入无杆腔的流量（）：进入有杆腔的流量（）：取最大流量。4.求管道内径根据气压系统管道内允许流速推荐值，选择流速（）：按下式计算管道内径：取。2.5.3 元件的选择1）选择气缸型号：为了使气缸在行程终点不发生冲击，系统采用了缓冲气缸。缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果很明显。对于这个系统来说，气缸的速度要求不高，因此采用缓冲气缸，是合理的。QGA、QGB系列气缸3单活塞杆双作用可调双向缓冲气缸，具有结构简单，重量轻，工作压力低，等特点。该系列中，QGA为无缓冲气缸，QGB为缓冲气缸。根据系统计算的结果，选用气缸为：型号为QGB，内径为，杆径为，接管螺纹尺寸为。2）选择管道参数：当气缸选定后，可根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸查表对应气缸供气口的通径。此通径即为管道的通径。根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸，查表得气缸供气口的通径是和，选择气缸供气口通径为，即管道的通径为。在气压传动中，常选用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。根据系统的实际要求，选择钢管作为管路。钢管的特点是能承受较高的压力，价格低廉，但安装时弯曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。常用钢管是无缝钢管。查表得，选择钢管公称通径为，钢管外径为，管接头连接螺纹，管子壁厚，推荐管道通过流量。3）选择单向节流阀2型号：根据查表，选择单向节流阀型号为，通径为，联结螺纹为。4）选择单向阀2型号：根据查表，选择单向阀型号为，公称通径，联结螺纹为。5）选择减压阀2型号：根据查表，选择减压阀型号为，公称通径为，接口螺纹为。6）选择换向阀3型号：根据查表，选用换向阀型号为，二位四通直动滑阀式电磁控制阀，单电控型，公称通径为。7）选择油雾器3型号：根据查表，选用油雾器型号为，公称通径，接管为，最高工作压力，起雾流量为。8）选择压力继电器3型号：查表得，选压力继电器型号为HED 20A 20 2.5 L220。2.6 测量头动作控制气压传动回路设计与计算2.6.1 回路设计两个测量头动作控制气压传动回路是完全相同的，图2.10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2.10 测量头动作控制气压传动回路2.6.2 回路计算1.初选气压缸的工作压力气源装置的压力。减压阀的调压范围分为五档：；。气源装置的压力经减压阀减压后，选择调压范围为。设定气压缸的压力。 2.计算气压缸的尺寸气缸克服的负载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，取负载。按下式计算气缸的内径：按标准取气缸的内径。按下式计算活塞杆直径：按照标准取活塞杆直径。普通单活塞双作用气压缸无杆腔（无活塞杆的腔）的面积（）：普通单活塞双作用气压缸有杆腔（有活塞杆的腔）的面积（）： 3.求气压缸的最大流量已知检测头气缸活塞杆伸出速度与退回速度分别为和，由此得进入无杆腔的流量（）：进入有杆腔的流量（）：取最大流量。4.确定管道内径根据气压系统管道内允许流速推荐值，选取流速（）：按下式计算管道内径：取。2.6.3 元件选择1）选择气缸型号：为了使气缸在行程终点不发生冲击，系统采用了缓冲气缸。缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果很明显。对于这个系统来说，气缸的速度要求不高，因此采用缓冲气缸，是合理的。QGA、QGB系列气缸3单活塞杆双作用可调双向缓冲气缸，具有结构简单，重量轻，工作压力低，等特点。该系列中，QGA为无缓冲气缸，QGB为缓冲气缸。根据系统计算的结果，选用气缸型号为QGB，内径为，杆径为，接管螺纹尺寸为。2）选择管道参数：当气缸选定后，可根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸查表对应气缸供气口的通径。此通径即为管道的通径。根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸，查表得气缸供气口的通径是和，选择气缸供气口通径为，即管道的通径为。在气压传动中，常选用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。根据系统的实际要求，选择胶管的公称通径为，外径为，最小弯曲半径为。3）选择单向节流阀2型号：根据查表，选用单向节流阀型号为，通径为，联结螺纹为。4) 选择单向阀2型号：根据查表，选用单向阀型号为，公称通径为，联结螺纹为。5）选择减压阀2型号：根据查表，选用减压阀型号为，公称通径为，接口螺纹为。6）选择换向阀3型号：根据查表，选用换向阀型号为，二位四通直动滑阀式电磁控制阀，单电控型，公称通径为。7）选择油雾器3型号：根据查表，选用油雾器型号为，公称通径，接管为，最高工作压力，起雾流量为。2.7 包装台升降机构气压传动回路设计与计算2.7.1 回路设计1气源；2雾化器；3减压阀；4单向阀；5二位四通换向阀；6、7单向节流阀；8压力表；9气缸图2.11 包装台升降机构气压传动回路两个包装台升降机构气压传动回路是完全相同的，图2.11是其中一个包装台升降机构气压传动回路。2.7.2 回路计算 1.初选气压缸的工作压力气源装置的压力。减压阀的调压范围分为五档：；。气源装置的压力经减压阀减压后，选择调压范围。设定气压缸的压力。2.计算气压缸的尺寸根据气压缸活塞受力情况分析，气压缸活塞克服的负载有母线槽重力、摩擦力与受力损失。设定母线槽质量。按下式计算气缸的内径：按标准取气缸的内径。按下式计算活塞杆直径：按标准取活塞杆直径。普通单活塞双作用气压缸无杆腔（无活塞杆的腔）的面积（）：普通单活塞双作用气压缸有杆腔（有活塞杆的腔）的面积（）： 3.求气压缸的最大流量已知气缸活塞杆上升速度与下降速度分别为和，由此得进入无杆腔的流量（）：进入有杆腔的流量（）：取最大流量。4. 求管道内径根据气压系统管道内允许流速推荐值，选择流速（）：按下式计算管道内径：取。2.7.3 元件选择1）选择气缸型号：为了使气缸在行程终点不发生冲击，系统采用了缓冲气缸。缓冲气缸在阻力载荷且速度不高时，缓冲效果很明显。对于这个系统来说，气缸的速度要求不高，因此采用缓冲气缸，是合理的。QGA、QGB系列气缸3单活塞杆双作用可调双向缓冲气缸，具有结构简单，重量轻，工作压力低，等特点。该系列中，QGA为无缓冲气缸，QGB为缓冲气缸。根据系统计算的结果，选用气缸型号为QGB，内径为，杆径为，接管螺纹尺寸为。2）选择管道参数：当气缸选定后，可根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸查表对应气缸供气口的通径。此通径即为管道的通径。根据气缸的供气口的接管螺纹尺寸，查表得气缸供气口的通径是，即管道的通径为。在气压传动中，常选用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。根据系统的实际要求，选择钢管作为管路。查表得，选择管道公称通径为，钢管外径为，管接头连接螺纹，管子壁厚，推荐管道通过流量。3）选择单向节流阀2型号：根据查表，选择单向节流阀型号为，通径为，联结螺纹为。4）选择单向阀2型号：根据查表，选择单向阀型号为，公称通径，联结螺纹为。5）选择减压阀2型号：根据查表，选择减压阀型号为，公称通径为，接口螺纹为。6）选择换向阀3型号：根据查表，选择换向阀型号为，二位四通直动滑阀式电磁控制阀，单电控型，公称通径为。7）选择油雾器3型号：根据查表，选用油雾器型号为，公称通径，接管为，最高工作压力，起雾流量为。2.8 气缸设计2.8.1 气缸的主要尺寸设计1) 气缸筒直径（即为气缸内径）,可根据外负载F的大小来确定，当气源供气压力为时，气缸的内径为：2）活塞长度：长度根据实际需要来确定，一般取（0.55）。3) 气缸进、排气口直径，直径的确定可根据空气流经排气口的速度来计算，一般取=1025m/s，因而为式中，工作压力下输入气缸的空气流量。一般排气口直径的大小可根据气缸内径来选取。2.8.2 气缸的主要结构设计气缸的设计：在设计气缸的各个部分的机械结构时，主要是要确定各个部分的结构形式以及其主要尺寸。1气缸筒的结构尺寸设计气缸筒的主要作用是提供压缩空气的储存与膨胀的空间及对活塞实施导向，从而通过活塞将压力能转化为机械能。气缸筒一般为圆筒形状5，主要尺寸为：1）气缸筒直径和气缸内径一样可由以下式子计算2）气缸筒的长度：长度为活塞的行程和活塞宽度之和，即3）气缸筒的壁厚：壁厚可利用薄壁筒的强度计算公式来确定：式中，气缸所受压力（MPa）；气缸筒直径（mm）；活塞杆材料的许应力（MPa）；考虑到刚度、加工制造、腐蚀等要求所加的裕量。2.活塞的结构设计活塞的功用是将压缩空气的压力能转变为机械能，因此，它要提供足够的换能面积。由于活塞要频繁往复运动，又要间隔两腔空气，因而就必须保证其耐磨和密封，目前多采用铸铁活塞以及型或者型密封圈实现密封。活塞的外径即也是气缸的内径，两者的配合精度，取决于采用何种形式的密封圈，一般多采用配合，活塞表面粗糙度。活塞的宽度取决于密封圈的排数，一般采用两排密封圈。活塞上沟槽的深度和宽度根据所选用的密封圈来决定。3.活塞杆及其强度校核活塞杆的作用就是将活塞转换出的机械能以机械力的形式推动负载运动，对活塞杆，不仅仅要进行结构设计（与活塞和外接负载的连接方式等），还要进行强度校核。活塞杆在工作过程中，不仅要受到轴向力的拉伸，还要受到轴向压缩，因此要做强度校核和稳定性校核。对活塞杆的长度时，要进行强度校核，即活塞杆的直径为：式中，活塞所受的外力；活塞杆材料的许用应力。经计算出的活塞杆直径可按照直径表的系列选取标准值。4.气缸的缓冲结构为防止气缸在行程末端时，活塞以很大的速度（一般为左右）撞向端面，引起气缸震动的损坏5，常采用带有缓冲装置的缓冲气缸应用在工程实践中。在缓冲行程中，环行空间空气被活塞绝热压缩使压力升高形成气垫，以吸收活塞运动部件的能量，使活塞等运动部件达到减速的目的，即把运动部件的动能变成气体的压力能。为此，缓冲装置的设计就是要保证运动部件的动能被缓冲腔内的压缩空气所吸收，所以缓冲柱塞要有足够的行程长度和直径。5.气缸的其他结构设计在气缸的设计中，除了以上几个问题是特别要小心的以外，还有就是缸体与缸盖、活塞与活塞杆之间的连接。缸盖本身的结构等方面的问题在设计中都是需要充分考虑的几大因素。尤其要注意气缸内的几处密封结构的设计，不仅仅要保证其密封可靠，还要考虑到其使用寿命以及起动力等方面的因素。图2.12即是一只普通的单作用双活塞气缸的结构平面剖视图。单活塞双作用气缸由活塞分成两个腔室，有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔）。有活塞杆的称为有杆腔，无活塞杆的称为无杆腔。当压缩空气进入无杆腔时，压缩空气作用在活塞右端面上的力将克服各种反作用力，推动活塞前进，有杆腔内的空气排入大气，使活塞杆伸出；反之，当压缩空气进入有杆腔时，活塞便向右运动，活塞被退回。气缸无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，使活塞杆伸出和退回，气缸实现往复直线运动。为了减缓运动冲击，在活塞端部设置缓冲柱塞，在端盖上开有相应的缓冲柱塞孔，并装上缓冲节流阀和缓冲密封圈，组成气缸的缓冲装置，当活塞运动接近行程末端，缓冲柱塞进入缓冲柱塞孔，主排气管通道被堵死，排气腔内的剩余空气只能通过缓冲节流阀排出。排气腔内气体压力升高，使活塞的运动逐渐减慢，达到缓冲的目的。调节缓冲节流阀开度，可控制活塞的缓冲速度。这种设置缓冲装置的气缸称为缓冲气缸。设计的气缸如图2.12所示。1-后缸盖；2-密封圈；3-缓冲密封圈；4-活塞密封圈； 5-活塞；6-缓冲柱塞；7-活塞杆；8-缸筒； 9-缓冲节流阀；10-导向阀；11-前缸盖； 12-防尘密封圈；13-磁铁；14-导向阀图2.12 普通型单活塞双作用气缸结构图第三章驱动电路设计3.1 步进电机的种类以及工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为相应或直线位移,用电脉冲信号进行控制的特殊运行方式的同步电动机,它通过专用电源把电脉冲按一定顺序供给定子各相控制绕组,在气隙中产生类似于旋转磁场的脉冲磁场。电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，每输入一个脉冲信号，电机就移动一步。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.步进电机的相关术语1）相数:产生不同N,S对磁场的激磁线圈对数。2）拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。五相十拍运行方式: ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB。3）步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用表示。一般步进电机的精度为步距角为，且不累积。4）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。5）保持转距或静转距：是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距。6）定位转距：指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转距。一般定位转距远小于保持转距。2.步进电动机的主要特点1）步进电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；2）步进电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置；4）改变通电相序即可改变电动机转向；5）步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；6）步进电动机转动惯量小，起动、停止迅速。由于步进电动机有这些特点，使得在速度、位置等控制领域用它来控制变得非常的简单，所以步进电机在开环数控系统中获得广泛应用。3.1.1 步进电机的种类按力矩产生的原理分，步进电机可分为：反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行；激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。按输出力矩的大小分，可分为：伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载；功率式：输出力矩在 550 Nm 以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载。按定子数分为：单定子式；双定子式；三定子式；多定子式。按各相绕组分布方式不同可分为：径向分布式：电机各相按圆周依次排列；轴向分布式：电机各相按轴向依次排列。3.1.2 步进电机的工作原理步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。设矢量TA ，TB ，TC ，TD ，TE为步进电机 A，B，C，D，E 五相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量；TAB ，TBC ，TCD ，TDE ，TEA为步进电机中 AB，BC，CD，DE，EA两相同时通电产生的合成磁场矢量。当给步进电机的 A，B，C，D，E 五相轮流通电时，步进电机的内部磁场从TATBTCTDTE，即磁场产生了旋转。一般，当步进电机的内部磁场变化一周(360)时，电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角可表示为：式中，为相数、为转子的齿数、为通电方式(相邻两次通电相数一样，不同时，)。当电机以五相十拍方式运行时，步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角为36。和单五拍方式相比，相邻稳定磁场之间的夹角和步距角都减小了一倍，实现了步距角的二细分。按五相十拍通电方式工作，设齿数为40，则步距角为：但是在通常的步进电机驱动线路中，由于通过各相绕组的电流是个开关量，即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各相绕组产生的磁场也是一个开关量，只能通过各相的通电组合来减小相邻稳定磁场之间的夹角和步距角。五相步进电机十细分时的各相电流是以 1/5 的步距上升或下降的。由上可见，步进电机就是靠绕组轮流通电转动的。几个绕组就需要几个驱动，而驱动分别与单片机输出口相连。由于单片机的输出电压非常微弱（最高电压 5V ，最低电压 0V ），电流也非常小，不能直接驱动步进电机。本实验中，步进电机的驱动电压是直流 12V ，也就是说从单片机中输出的电压信号必须经过放大电路放大为 12V 后才可以驱动步进电机。因此，每个绕组都有一独立的驱动电路。3.2 控制方案拟订母线槽自动控制系统的运动机构是步进电机驱动的，步进电动机也是气缸运动系统中的执行元件。在驱动电路控制系统控制下，气缸按照指定的线路移动。步进电机的工作方式以转动一个齿距所用的相数来表示。选定步进电机与控制系统之间的驱动电路。步进电机采用五相十拍工作方式，通电方式为ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB按上述方式通电，步进电机正向转动。反之，如果通电方向与上述方向相反，步进电机反向转动。可见，步进电机的方向控制与内部绕组的通电顺序有关。结合翁霞同学设计的下位机控制系统设计一个介于步进电机与控制系统的驱动电路。步进电机相序分配分为软件环行分配器和硬件环行分配器。本设计选择硬件环行分配。而功率器件选用电压型的VMOS管。该电路设计成恒流斩波电路，以保持电机绕组电流恒定。设计的驱动电路简单，可靠性高。因此，步进电机的工作控制框图如图3.1所示，在图中脉冲分配回路中产生步进电机工作方式所需的各相脉冲信号，功率放大电路对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机工作所需的激磁电流。功率放大电路有多种形式，在后面的章节中会做介绍。从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此，需要对从环形分配器来的信号进行功率放大。功率放大器一般由两部分组成，即前置放大器和大功率放大器。前者是为了放大环形分配器送来的进给控制信号并推动大功率驱动部分而设置的。它一般由几级反相器、射极跟随器或带脉冲变压器的放大器组成。在以快速可控硅或可关断可控硅作为大功率驱动元件的场合，前置放大器还包括控制这些元件的触发电路。大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的电平信号放大，得到步进电机各相绕组所需要的电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起到功率放大的作用，因而是步进电机驱动电路中很重要的一部分。功率放大电路功率放大电路功率放大电路功率放大电路功率放大电路A相B相C相D相E相CWCCW步进电机脉冲分配图3.1 步进电机的工作控制框图3.3 步进电机相序分配电路3.3.1 相序分配电路选用89C2051作为环形分配器，89C2051是一种低功耗以及高性能的8位CMOS单片机，它提供以下标准功能：2KB的FLASH闪速存储器，128B内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路9。同时，89C2051可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。89C2051与MCS-51指令系统兼容9，片内FPEROM允许对程序在线重新编程，也可用常规的EPROM编程器编程。ATMEL的2051将具有多功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，是一性价比极其高的一种产品。用其作环形分配器电路比较简单，硬件成本低，并且可以根据应用系统的需要灵活地改变步进电机的控制方式。取89C2051的P1.6、P1.5、P1.4、P1.3、P1.2作相序脉冲输出口，直接与步进电机的E相、D相、C相、B相、A相驱动电路接口相连接，如图3.2所示。P3.2口采用第二功能INT0（外部中断0）接收系统产生的脉冲信号，方向信号接P3.3口。其他引脚的使用如图3.2。图3.2 步进电机相序分配电路Vcc ：电源；GND ：地；RST ：复位输入；当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便可完成复位，每个机器周期为12个时钟振荡周期；XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端；XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端；P1口：是一组8位双向I/O端口，P1.2P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1内部无上拉电阻；P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是内部带有上拉电阻的7个双向I/0口。P3.6没有引出,它作为一个通用I/O口不可访问,但可作为固定输入片内比较器的输出信号,P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口9。环形分配器的作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。如对于五相十拍步进电机，若“ 1” 表示通电， “0” 表示断电， A、B 、C 、D、E是其五相定子绕组，则经环形分配器后，每来一个进给脉冲指令， A 、B 、 C 、D、E应按（11100）=（01100）=（01110） =（00110）= （00111） = 的顺序改变一次。则五相十拍的通电顺序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB，按照五相十拍步进电机的通电方式和通电顺序，列出控制定子绕组通、断电的真值表，即相序分配脉冲分配表如表3.1所示。环形分配器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现。环形分配器用软件来实现更方便，也更简单。如对于五相十拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据表3.1所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将ABCDE的值输出即可。例如，若上一个进给脉冲指令来时，控制输出接口输出的ABCDE的值是 10001 ，则对于下一个正向进给脉冲指令控制输出接口输出的ABCDE的值应是 11001。表3.1五相十拍步进电机脉冲分配表步序P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0相序字模方向ABCDE10111000070H正转反转20011000030H30011100038H40001100018H5000111001CH6000011000CH7010011004CH80100010046H90110010066H100110000060H3.3.2 相序分配软件本设计相序分配采用中断方式，根据相序分配电路和步进电机脉冲分配表，设计相序分配根据流程图主程序流程图（图3.3）和中断程序流程图（图3.4），再编写相序分配程序。关中断开始图3.3相序分配主程序流程初始化开始等待中断NY 正转？YNYN首地址？末地址？指针+1指针置首址指针置末址指针-1取该指针对应相序字模输出相序字模开中断图3.4 步进电机相序分配中断流程图返回根据以上流程图，写出相序分配程序如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0 ORG 0030HMAIN: SETB EX0 ；允许外部中断0中断 SETB IT0 ；选择边沿触发方式 SETB EA ；CPU开中断 MOV 20H， #70H MOV 21H， #30H MOV 22H， #38H MOV 23H， #18H MOV 24H， #1CH MOV 25H， #0CH MOV 26H， #4CH MOV 27H， #46H MOV 28H， #66H MOV 29H， #60H MOV R0， #20HHERE: SJMP HEREINT0: CLR EAJB P3.3， ZRUNFRUN: CJNE R0， #20H， L2 ；反转 MOV R0， #29H SJMP U1L2: DEC R0 SJMP U1ZRUN: CJNE R0， #29H， L1 ；正转 MOV R0， #20H SJMP U1L1: INC R0SJMP U1U1: MOV A， R0 MOV P1， A SETB EA RETI3.4 步进电机驱动电路设计功率放大电路有单电压、双电、斩波型和细分型等型式的电路。母线槽检测机传动系统采用单电压恒流斩波电路，如图3.5所示，利用斩波方法使通过步进电机绕组的电流恒定在额定值附近，其运行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很强的实用性。图3.5 步进电机驱动电路如图3.5所示，当环形分配器输出信号为高电平时，假设与非门2端输入也为高电平，经过与非门A为低电平，经过非门NOT1出来为高电平，此时光电耦合器截止不导通，而T1导通。电机绕组上的电流从小变大，又由于环行分配器输出是高电平，T2也导通，L1、RL、T2、R9线路导通，所以比较器2端的电压越来越高，当比较器2端的电压高于3端的基准电压时，比较器1端输出为低电平，经过两个反相器以后，输出为低电平，这里加两个反相器的作用是消除波动，使得电压趋于稳定。所以当环形分配器输入高电平时，加在步进电机绕组L上的电源使绕组中的电流上升。当绕组中的电流升到额定值以上的时候，从电阻R9上产生的压降高于比较器U3A的正端基准电压，此时比较器输出低电平。这时与非门2端输入为低电平，环形分配器输出信号还是高电平时，经过与非门A后为高电平，经过非门NOT1出来为低电平，光电耦合器导通，而T1则截止，当T1截止时，电机绕组L1上的电流从大变小，由于环行分配器输出端还是为高电平，T2继续导通，取样电阻上面的电流也随之慢慢减小，所以比较器2端的电压越来越小，当比较器2端的电压低于3端的电压时，比较器1端输出为高电平，经过两个反相器以后，输出为高电平，如此循环。但是当环形分配器输出端转变为低电平时，与非门2端输入为低电平，经过与非门A为高电平，经过非门NOT1出来为低电平，光电耦合器导通，而T1则截止，L1是电机绕组，当T1截止时，L1上的电流从大变小，由于环形分配器输

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