气动课程设计说明书.doc

南京工程学院
目录
一、 前言 ……………………………………………………………2
二、 设计任务 ………………………………………………………2
三、 总体方案计………………………………………………………3
四、机械系统设计 ……………………………………………………4
Ⅰ、进退刀缸设计计算 …………………………………………4
Ⅱ、夹紧缸设计计算： …………………………………………7
Ⅲ、抓料缸设计计算： …………………………………………9
Ⅳ、送料缸设计计算： …………………………………………8
五、控制系统组成 ……………………………………………………14
六、设计小结 …………………………………………………………17
七、参考文献 …………………………………………………………18

一、前言
气动技术是实现工业自动化的重要手段。气压传动的介质来自于空气，对环境污染小，工程容易实现，所以气压传动是一种易于推广普及的自动化应用技术。气动技术应用于机械、化工、电子、电气、纺织、食品、包装、印刷、轻工、汽车等多个行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了制造业的生产效率和产品质量。气动系统的应用，引起了世界各国产业界的普遍重视，气动行业已成为工业国家发展速度最快的行业之一。
可编程控制技器（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。
二、设计目的和任务
通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：
1、综合运用气压传动与控制课程和其它先修课程的知识，分析和解决气压系统设计的问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。
2、通过设计实践，逐步树立正确的设计思想，增强创新意识，理论联系实际，培养学生分析问题，解决问题的能力。
3、加强对设计方案分析选择、设计计算、元件结构设计、工艺设计、机械制图、运用标准和规范手册等有关设计资料的技术训练，为毕业设计及以后工作打好基础。
4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
设计要求：该机械手的功能是，先将棒料放在有滚轮的导轨上，然后进行机械手抓紧、送料、夹紧、进刀、退刀等动作；要求每一分钟落料3个工件；气源压力0.8Mpa。对气压的要求如下：工作环境为室内，要求运动平稳，工作可靠，操作方便，电控气动阀控制。
名称
抓紧
送料
夹紧
进刀
输出力/N
300
300
1200
1200
行程/mm
40
70
20
60

具体步骤如下：
（1）先根据参考资料，确定合适的设计方案。
（2）.通过计算、分析设计执行元件的参数：气缸的内径、壁厚，活塞杆的直径，耗气量的计算，验算设计结果，导向装置的设计，驱动元件的选择，管路设计，底座的设计
（3）.根据动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，完成机械系统的主要部件图。
（4）.应用启动原理图，设计控制电路，编写控制程序，绘制电气控制电路原理图。
三.总体方案设计
参阅各种气压设计书籍和论文，初步决定采用如下图所示的气动系统。

气动机械手液压控制系统
1.气压泵 2.油水分离器 3.分水过滤器 4.减压阀 5.气压表 6.油雾器 7.消声器 8.三位五通电磁换向阀 9.单向节流阀 10.双作用单活塞杆气缸 11. 双作用单活塞杆气缸 12. 双作用单活塞杆气缸 13. 双作用单活塞杆气缸

参考以上设计方案，对照设计任务要求，并通过对以前学习过的课程进行综合考虑，发现该机械手的动作过程类似于我们在博世力士乐教学一体化实验室看到的REXROTH教学生产线，所以可以仿照该生产线的结构布局进行机械手气压系统的设计。机械手的自由度为2个，因此用2个气缸控制，即横向移动气缸和纵向移动气缸，动作过程由PLC控制系统控制。
四 机械系统设计
本方案的机械设计中重在气缸的设计，气缸1的作用是实现物料的抓紧放松，气缸2的作用是实现物料横向输送，气缸3的作用是夹紧放松，气缸4的作用是控制进退刀。对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度 。
气缸按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞反向回程。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力完成。由于单作用液压缸仅向单向运动，有外力使活塞反向运动，而双作用单活塞气缸在压缩空气的驱动下可以像两个方向运动但两个方向的输出力不同，所以该方案采用单出杆双作用气缸。
由设计任务可以知道，进刀时的负载大小为1200N，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β=（气缸的实际负载F/气缸的理论输出力F）即
Ⅰ、进退刀缸设计计算：
由《液压与气压传动》P133表知，β=0.65，所以实际气压缸的负载大小为：
F理=F实/β==1846.15N
（1） 气缸内径
D= ==0.057m =57mm
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=63 mm
（2） 活塞杆直径的确定：
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18.9≈20mm
（3） 缸筒长度的确定：
缸筒长度 S=L+B+a
L——活塞行程；
B——为活塞厚度
a——密封圈等其它宽度
活塞厚度B=0.7·D==44.1mm
取a=5.9,由于气缸的行程L=60mm ,所以S=L+B+a=110 mm
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D==44.1mm
取伸出长度40.9mm，则活塞杆的长度为L+B+A+40=110+44.1+40.9=200mm
(4) 气缸筒的壁厚的确定:
50mm≦D≦80mm,由下表查得，取壁厚为6mm
气缸筒的壁厚
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
18
铜A3，45
5
7
8
8
9
9
11
12
铝合金
8～12
12～14
14～17
（4） 气缸耗气量的计算：

式中 ==
=9.477L/min
上式计算的耗气量为平均的每分钟耗气量，考虑到中间的停顿时间，取最大流量Q=50 L/min
（5） 气缸进排气口直径d0
d0 ==7.7mm
气缸进排气口直径
气缸内径D
进排气口直径
40
50 63
80 100 125
140 160 180
8
10
15
20

所以取气缸排气口直径为10mm。
Q——工作压力下输入气缸的空气流量
V——空气流经进排气口的速度 (可取v=10 ～25）
（6） 活塞杆的校核：
使活塞杆所承受的应力小于材料的许用应力，即

则

代入数据得，，所以强度满足要求。
Ⅱ、夹紧缸设计计算：
由《液压与气压传动》P133表知，β=0.65，所以实际气压缸的负载大小为：
F理=F实/β==1846.15N
（1） 气缸内径
D= ==0.057m =57mm
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=63 mm
（2） 活塞杆直径的确定：
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=18.9≈20mm
（3） 缸筒长度的确定：
缸筒长度 S=L+B+a
L——活塞行程；
B——为活塞厚度
a——密封圈等其它宽度
活塞厚度B=0.7·D==44.1mm
取a=5.9,由于气缸的行程L=20mm ,所以S=L+B+a=70 mm
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D==44.1mm
取伸出长度20.9mm，则活塞杆的长度为L+B+A+40=70+44.1+20.9=135mm
(4) 气缸筒的壁厚的确定:
50mm≦D≦80mm,由下表查得，取壁厚为6mm
气缸筒的壁厚
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
18
铜A3，45
5
7
8
8
9
9
11
12
铝合金
8～12
12～14
14～17
（4） 气缸耗气量的计算：

式中 ==
=3.159L/min
上式计算的耗气量为平均的每分钟耗气量，考虑到中间的停顿时间，取最大流量Q=15 L/min
（5） 气缸进排气口直径d0
d0 ==4.46mm
气缸进排气口直径
气缸内径D
进排气口直径
40
50 63
80 100 125
140 160 180
8
10
15
20

所以取气缸排气口直径为10mm。
Q——工作压力下输入气缸的空气流量
V——空气流经进排气口的速度 (可取v=10 ～25）
（6） 活塞杆的校核：
使活塞杆所承受的应力小于材料的许用应力，即

则

代入数据得，，所以强度满足要求。
Ⅲ、抓料缸设计计算：
由《液压与气压传动》P133表知，β=0.65，所以实际气压缸的负载大小为：
F理=F实/β==461.5N
（1） 气缸内径
D= ==0.028m =28mm
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=32 mm
（2） 活塞杆直径的确定：
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=9.6≈10mm
(3) 气缸筒的壁厚的确定:
D<50mm,由下表查得，取壁厚为4mm
气缸筒的壁厚
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
18
铜A3，45
5
7
8
8
9
9
11
12
铝合金
8～12
12～14
14～17
（4） 气缸耗气量的计算：

式中 ==
=1.632L/min
上式计算的耗气量为平均的每分钟耗气量，考虑到中间的停顿时间，取最大流量Q=8 L/min
（5） 气缸进排气口直径d0
d0 ==3.07mm
气缸进排气口直径
气缸内径D
进排气口直径
40
50 63
80 100 125
140 160 180
8
10
15
20

所以取气缸排气口直径为8mm。
Q——工作压力下输入气缸的空气流量
V——空气流经进排气口的速度 (可取v=10 ～25）
（6） 活塞杆的校核：
使活塞杆所承受的应力小于材料的许用应力，即

则

代入数据得，，所以强度满足要求。
Ⅳ、送料缸设计计算：
由《液压与气压传动》P133表知，β=0.65，所以实际气压缸的负载大小为：
F理=F实/β==461.5N
（1） 气缸内径
D= ==0.028m =28mm
按照GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=32 mm
（2） 活塞杆直径的确定：
由d=0.3D 估取活塞杆直径 d=9.6≈10mm
（3） 缸筒长度的确定：
缸筒长度 S=L+B+a
L——活塞行程；
B——为活塞厚度
a——密封圈等其它宽度
活塞厚度B=0.7·D==22.4mm
取a=5.6,由于气缸的行程L=70mm ,所以S=L+B+a=98 mm
导向套滑动面长度A:由于D<80mm 所以A=0.7·D==22.4mm
取伸出长度40.6mm，则活塞杆的长度为L+B+A+40=98+22.4+40.6=161mm
(4) 气缸筒的壁厚的确定:
D<50mm,由下表查得，取壁厚为4mm
气缸筒的壁厚
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
18
铜A3，45
5
7
8
8
9
9
11
12
铝合金
8～12
12～14
14～17
（4） 气缸耗气量的计算：

式中 ==
=2.856/min
上式计算的耗气量为平均的每分钟耗气量，考虑到中间的停顿时间，取最大流量Q=14 L/min
（5） 气缸进排气口直径d0
d0 ==2mm
气缸进排气口直径
气缸内径D
进排气口直径
40
50 63
80 100 125
140 160 180
8
10
15
20

所以取气缸排气口直径为8mm。
Q——工作压力下输入气缸的空气流量
V——空气流经进排气口的速度 (可取v=10 ～25）
（6） 活塞杆的校核：
使活塞杆所承受的应力小于材料的许用应力，即

则

代入数据得，，所以强度满足要求。

其它元器件选用：
元器件
型号
数量
厂家
单向节流阀
QLA-L6
4
广东省肇庆方大气动有限公司
三位五通电磁换向阀
3K35D2-L6
4
上海立新液压有限公司
消声器
QXS-L10
8
济南华能气动元器件公司
油雾器
QY2
1
济南华能气动元器件公司
气压表

1
上海力士乐
减压阀
QP3
1
济南华能气动元器件公司
分水过滤器
QL2
1
济南华能气动元器件公司
油水分离器
AFM20
1
济南华能气动元器件公司
气压泵
2V-0.4/10
1
北京小型压缩机厂

五、控制系统设计
1.PLC端口地址分配表如下：
输入
输出

现场信号
端口地址
说明

现场信号
端口地址
说明
1
SB0
X000
急停按钮
1
YA1
Y001
机械爪张开
2
SQ1
X001
判断有无工件
2
YA2
Y002
机械爪收紧
3
SQ2
X002
抓紧
3
YA3
Y003
输送到位
4
SQ3
X003
放松
4
YA4
Y004
输送缸归位
5
SQ4
X004
送料缸归位
5
YA5
Y005
夹紧缸夹紧
6
SQ5
X005
送料到位
6
YA6
Y006
夹紧缸放松
7
SQ6
X006
刀具回位
7
YA7
Y007
进刀
8
SQ7
X007
进刀到位
8
YA8
Y010
退刀
9
SQ8
X010
放松

10
SQ9
X011
夹紧

11
SB1
X012
开始按钮

12
SB2
X013
复位按钮

13
SA1-1
X014
自动选择

14
SA1-2
X015
复位选择

2、控制流程图如下：
梯形图：

源程序：

六.设计小结.
通过此次课程设计,使我了解到各门知识融会贯通的重要性！因为此次课程设计不仅涉及气压、CAD制图等基本知识，还涉及了机电控制、PLC编程以及一些很久以前学过的知识。以前的很多知识没有复习感觉记得不是很清除了，而我们是通过复习以前的教材并和同学之间相互讨论才一一解决了这些问题。“温故而知新”正如古人所说，在复习了旧知识的基础上也使我对所学习的新知识有了更加深刻的理解。只有经常复习,经常巩固,才能不知识真正的扎根在你的脑海中.

七.参考文献：
1. 气动取模机械手夹具的PLC控制 郭柏林,胡正义等 湖北工业大学学报
2. 基于PLC控制的气动机械手系统 张州，张广义等 机电产品与开发
3.《轻工业气压传动》
4.《机械设计手册 气压传动》单行本 成大先 化学工业出版社
5.《液压与气压设计手册》 张利平主编 机械工业出版社
6.《液压元件手册》 黎启百主编 冶金工业、机械工业出版
7.《机械设计师手册》 吴宗泽主编 机械工业出版社
8.《袖珍液压设计手册》 宋学义主编 机械工业出版社
9.《液压缸》 吴培起编 北京科学技术出版社
10．《液压气动系统设计运行禁忌470例》周士昌编 机械工业出版社
11．《中国机械设计大典·电子版》 王启义主编 中国机械工业学会
12.《机电控制及自动化》 肖兴明、丁保华、陈军编 中国矿业大学出版社
13.《Programmable Controller》 苗运江主编 中国矿业大学出版社
14.《机电一体化设计》 张建民主编 高等教育出版社
15.《液压与气压传动》 刘延俊主编 机械工业出版社
16. 气动机械手位置伺服控制系统的研究王秋菊 湖南大学硕士论文
17. 气动机械手的开发研究与实验 潘先耀 燕山大学硕士论文
18.《气动机械手的结构设计、分析及控制的研究》齐进凯 东华大学硕士论文
19.《物流自动化技术》 陈军洪晓华 主编 中国矿业大学
20. 还有大量资料来源于百度搜索，Google搜索.

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