沙发使用寿命测试系统设计.pdf

word 文档 可自由复制编辑 课 程 设 计 题 目：沙发使用寿命测试系统设计 学 院：专业班级：学生姓名：指导老师：学 号：时 间：2014 年 1 月 7 日 word 文档 可自由复制编辑 摘 要 最近几年，随着气动技术的飞速发展，气动控制系统得到了广泛的应用，它的功效给人们留下了深刻的印象。沙发使用寿命测试系统是利用气动控制原理进行的。它不但降低了公司成本，提高了工作效率，更解决了目前大气污染的环境问题，因为它的控制源取之于大气，空气是免费的且资源取之不尽用之不竭，排到大气中的气体只是经过空气压缩过，并没有受到任何的污染。气动控制系统的设计具有全自动性能好、稳定性好、可靠性高、效率高、使用寿命长以及外观美的特点。并且设计了计数器可以知道沙发坐多少次弹簧会出问题，实现了全自动化。本论文首先论述了气动控制的基础技术，其次对气动控制系统进行设计及回路设计，并利用气动控制系统的工作原理进行沙发使用寿命测试的设计，在进行气动控制系统设计时主要是对气动元件的计算及选型。最后进行计数器PLC 的设计来完成沙发使用寿命测试系统的设计。关键词：气动控制技术，寿命测试，PLC word 文档 可自由复制编辑 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 课题研究背景与意义.1 1.2沙发使用寿命测试气动控制系统的主要特征.1 1.3课题研究目的.2 1.4课题主要要求.2 第 2 章 沙发使用寿命测试气动控制系统的设计原理.3 2.1 引言.3 2.2气动控制系统的设计思路 .3 2.3 气动控制系统回路的设计 .3 2.3.1 换向回路.3 2.3.2 节流调速回路.4 2.4 沙发使用寿命测试气动控制系统的工作原理设计.5 2.5气动控制系统的控制电路设计.6 2.6本章小结.7 第 3 章 气动元件的选型.8 3.1 引言.8 3.2 气动元件的计算及选型.8 3.2.1 执行元件的计算及选型.8 3.2.2 换向阀的选型.10 3.2.3 单向节流阀的选型.11 3.2.4 管件、管接头的选择.11 3.2.5 气源装置及其辅助元件的选型.11 3.3本章小结.12 word 文档 可自由复制编辑 第 4 章 沙发使用寿命测试系统计数器的设计.13 4.1选用计数器.13 4.2计数器 PLC 的设计.13 4.3本章小结.14 第 5 章 结论.15 参考文献.16 word 文档 可自由复制编辑 第 1 章 绪论 气动技术是气动执行元件（气缸与气马达）和控制元件（各种控制阀）的工业实现和应用。气动技术是空气作为工作介质。由于气压传动具有能源便宜、防火防爆、能源损失小、适合于高速间歇运动、自爆持续能力强、可靠性高、寿命长、安全方便的优点，因此在自动化领域中具有广阔的发展前景。气压传动广泛应用于纺织、机械、汽车、电子、军事、钢铁、化工、食品、包装等行业中。随着原子能、空间技术、计算机技术等的发展，气压传动技术必将更加广泛地应用于各个工业领域。1.1 课题研究背景与意义 现代沙发使用寿命测试系统汇集了多种学科最先进的技术，检测不再是重复性的劳动，从技术的角度来看，这是为了能够更好地提供具有机械连接性、硬件、软件一致性的需求。而气动控制技术在包装机械运用越来越广泛，并且随着气动控制技术的节能化、小型电气一体化和集成化的发展，降低了气动系统的电力消耗和空气消耗，更易于控制，缩短了设计和调试周期。所以此课题开设的意义在于要求我们掌握气动技术从原理、元件至回路系统的气压传动技术所必需的基础知识和分析问题的方法，为我们进一步应用气压传动技术，设计气压传动系统打下坚实基础。1.2 沙发使用寿命测试气动控制系统的主要特征 气动控制系统是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的，控制和 驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的技术系统。它是流体传 动及控制学科的一个重要分支。因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点，所以 气动控制系统与液压、机械、电气和电互相补充，已发展成为实现生产过程自动 化的一个重要手段。气动控制与液压控制相主要特点比较：（1）没气压控制的使用压力一般为 0.21.0Mpa，因为它一般用于小动力的 场合；而液压控制可用于很高的压力（可达 32Mpa 甚至更高），可用于功率 word 文档 可自由复制编辑 大的 动力系统。（2）气压控制以空气为工作介质，取值不尽，用后可直接排入大气，不污染 环境，但噪音大，特别适于无线电元器件、食品、医药、服装等生产过程；液压 控制以液压油为工作介质，使机件在油中工作，润滑好，寿命长，但有污染。（3）气动控制动作速度及反应快，因液压油在管道中的流速一般为 15m/s，而气体流速可以大于 10m/s，因此气压控制能在 0.020.03s 内到达所要求的工 作压力及速度。（4）液压控制工作运动平稳；空气的压缩性远大于液压油的压缩性，导致气 压工作速度的平稳性较差，给系统的速度控制带来影响。（5）空气的粘性很小，在管路中的阻力损失远远小于液压传动系统，适于远 程传输及控制；而液压传动不宜进行远距离传动。（6）气压元件用与低压，元件的材料和制造精度较低，成本较低；液压元件 制造精度高，造价高，对油液的污染比较敏感。1.3 课题研究目的 熟悉脉冲电磁阀及其它元件原理及应用，掌握气动回路设计基本知识。1.4 课题主要要求（1）按动控制开关 S3(连续循环)以后，双作用气缸 Z1 的活塞杆伸出并且在到达前终端位置后自动返回。该循环过程重复进行取决于控制开关 S3 保持在“接通”状态上的时间。（2）附加要求：点动按钮 S0 后，气缸的活塞杆将伸出和退回一次（单循环）。（3）气缸活塞杆的伸出速度可以调节。（4）采用一个（5/2）二位五通脉冲式电磁还乡阀座位主控元件。气缸开关作为限位开关。（5）画出功能图和气动回路图。word 文档 可自由复制编辑 第 2 章 沙发使用寿命测试气动控制系统的设计原理 2.1 引言 气动控制是实现产品自动化控制易操作的重要元素，气动控制不仅降低的企业的生产成本，节省了大量的劳动力，降低了能源消耗且能快速、安全的实现测试的自动化。本文所设计的沙发使用寿命测试系统正是选用了气动控制系统的优势，采用以气动控制技术为基础，设计了一套基于沙发使用寿命测试的气动控制系统的装置。2.2 气动控制系统的设计思路 气动控制系统是有气压元件组成的控制系统，即执行元件能够自动、快速而 准确地按照输入信号的变化规律而动作。在气动控制系统中，气动发生装置一般 为空气压缩机，它将原动机供给的机械能转换为气体的压力能；气动执行元件则 将压力能转化为机械能，完成规定动作；在这两部分之间，根据机械或设备工作 循环运动的需求、按一定顺序将各种控制元件（压力控制阀、流量控制阀、方向 控制阀和逻辑元件）、传感元件和气动辅助件连接起来。2.3 气动控制系统回路的设计 2.3.1 换向回路 换向回路是指在动力元件和执行元件之间连接换向阀，以控制执行元件的 启动、停止和运动方向的回路。其主要控制元件是方向控制阀，方向控制阀是指 气压传动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件启 动、停止及运动。因气动控制动作要求循环往复运动，所以此次换向回 路选的是二位五通双电控电磁换向阀，如图 2-1 所示为利用二位五通电磁换向阀 来实现的换向回路。word 文档 可自由复制编辑 图 2-1 换向回路 2.3.2 节流调速回路 根据气动控制系统的速度的要求，此回路设计的是单向节流调速。节流调速回路是由定量空气压缩机和流量阀及单向阀组成的的调速回路，可 以通过调节流量阀通流面积来控制流入或流出执行元件的流量，从而调节执行元 件的运动速度。如图 2-2 所示，当接通换向阀左位时，压缩空气进入气缸左腔，气缸右腔的气流通过节流阀而不能通过单向阀经换向阀排 出，气缸活塞向右运动。B2 B1 Y1 Y2 word 文档 可自由复制编辑 图 2-2 换向调速回路 当给（5/2）二位五通脉冲式电磁换向阀（双稳元件）的电磁铁 Y1 一个脉冲信号时，气缸 Z1 的或是向前运动并感应气缸开关 B2。当给（5/2）二位五通脉冲式电磁换向阀（双稳元件）的电磁铁 Y2 一个脉冲信号时，脉冲阀换向，气缸 Z1 的活塞退回到后端终点位置并感应气缸开。气缸活塞杆的伸出速度可以由单向节流阀（15）进行无级调速。2.4 沙发使用寿命测试气动控制系统的工作原理设计 本系统通过气动控制系统来代替传统的机械设备中的人工操作，实现了产品包装的自动化。沙发使用寿命测试气动控制系统完成了从压到回整个的循环过程，首先，气源经过空气压缩机、冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器和气动三联件等气源装置及辅助元件后，气源通过换向回路和调速回路控制汽缸活塞杆的伸出与缩回。设计功能图如图 2-3所示 B2 B1 Y1 Y2 Y1 1 word 文档 可自由复制编辑 图 2-3 功能图（1）按动控制开关 S3(连续循环)以后，双作用气缸 Z1 的活塞杆伸出并且在到达前终端位置后自动返回。该循环过程重复进行取决于控制开关 S3 保持在“接通”状态上的时间。（2）附加要求：点动按钮 S0 后，气缸的活塞杆将伸出和退回一次（单循环）。（3）气缸活塞杆的伸出速度可以调节。（4）采用一个（5/2）二位五通脉冲式电磁还乡阀座位主控元件。气缸开关作为限位开关。2.5 气动控制系统的控制电路设计 根据功能图设计控制电路（1）当控制开关 S3 被置于“接通”时，+24V 电压通过被感应的限位开关 B1 加到继电器 K1 上。（2）在 5 条控制线路上长开触点 K1 闭合，使电磁铁 Y1 带电，脉冲阀换向，气缸的活塞杆伸出。（3）当活塞到达限位开关 B2 位置时，B2 被感应，继电器 K2 吸合，在弟 6 条控制线路上的常开触点 K2 被闭合，电磁铁 Y2 带电，气缸的活塞返回。（4）如果按钮 S3 仍处于“接通”的话那么，气缸开关 B1 再次被感应，气缸的10 1 SS0 B1 1 1 1 1 2 3B1 word 文档 可自由复制编辑 活塞杆再次伸出。（5）活塞杆的伸出速度应该能够无极地调节。如图 2-3 所示 图 2-4 电路图 2.6 本章小结 本章首先讲述了整个槟榔包装机气动控制系统的设计思路，重点介绍了本次设计系统的工作原理，换向回路，节流调速回路。0V S+24V SKKYYKKBB word 文档 可自由复制编辑 第 3 章 气动元件的选型 3.1 引言 气动控制系统是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备的。根据第二章沙发使用寿命测试气动控制系统工作原理的设计，本章主要对气动控制系统各元器件进行设计和分析，根据本课题的要求对气动系统做出基本的设计过程。3.2 气动元件的计算及选型 3.2.1 执行元件的计算及选型 1、气缸活塞杆上输出力和缸径的计算 双作用汽缸 单活塞杆双作用汽缸是使用最为广泛的一中普通汽缸，因其只在活塞一侧有 活塞杆，所以压缩空气总用在活塞两侧的有效面积不等。活塞右行时产生推力 F 1，活塞左行时活塞杆产生拉力 F 2，载荷率 。4=F12PD PdD224=F2 计入载荷率就能保证汽缸工作时的动态特性。对于本气动控制系统来说汽缸动态 参数要求一般，且工作频率较低，基本上是匀速运动，其载荷率可取 =0.70.85，现取 =0.8，p=0.7Mpa，F 1=1000N，F 2=700N 可求得汽缸直径D，当推力做功时D=)(41pF，D=pFd224 算出 D=47.170 mm，d=25.152 mm，取 D=50mm，d=25mm。2、活塞杆的计算 当活塞杆的长度(L 10d)，按强度条件计算活塞杆直径d dPF14 式中 F 汽缸的推力（N）；p活塞杆材料的许用应力（Pa），p=Sb；word 文档 可自由复制编辑 b材料的抗拉强度（Pa）；S 安全系数，S1.4。3、缸筒壁厚的计算 缸筒直接承受压力，需有一定厚度。由于一般汽缸筒壁厚与内径之比D101，所以通常可按薄壁筒公式计算 2tDp 式中 汽缸筒的壁厚（m）；D 汽缸筒内径（缸径）（m）;pt 汽缸试验压力，一般取pt=1.5p；p 汽缸工作压力（Pa）；缸筒材料许用应力（Pa），=Sb；b 材料抗拉强度（Pa）；S 安全系数，一般取S=68，取 S=7。算出壁厚=11.25 mm。4、耗气量的计算 一个汽缸的耗气量与其直径、行程、缸的动作时间及从换向阀到汽缸导气管道的容积等有关。在实际应用中，从换向阀到汽缸导气管道容积与汽缸容积相比往往很小，故可忽略不计。所以汽缸单位时间压缩空气消耗量可按下式计算 vq=1vq或vq=2vq 1vq=412tsD 2vq=4222)(tsdD 式中 vq每秒钟压缩空气消耗量（sm3），当是双作用汽缸无活塞杆腔工作是vq=1vq，当是汽缸有活塞杆腔工作时用vq=2vq；1vq缸前进是（杆伸出）无杆腔压缩空气消耗量（sm3）；D 汽缸内径（m）；d活塞杆直径（m）；word 文档 可自由复制编辑 1t汽缸前进（杆伸出）是完成全行程所需时间（s）；2t汽缸后退（杆缩回）是完成全行程所需时间（s）;s缸的行程（m）。因 双 作 用 汽 缸 的 速 度V=30 800smm，算 出 汽 缸 的 气 流 量1vq=0.00056520.015min3m。为了便于选用空气压缩机，可按下式将压缩空气消耗量换算为自由空气消耗量：vzq=avppq 式中 vzq每秒钟自由空气消耗量（sm3）；p汽缸的工作压力（绝对压力）（Pa）；pa标准大气压（绝对），pa=1.013*510Pa。另双轴汽缸与导向汽缸的计算参照迷你汽缸的算法，双轴汽缸速度 V=100 500sm m，导向汽缸速度 V=30 500sm m，算出汽缸的气流量分别为 0.001884 0.00942min3m和 0.0005652 0.00942min3m。3.2.2 换向阀的选型 换向阀顾名思义是用它来换向的，同一个执行元件在一个动作完成之后需完成另一个不同动作的时候就需要换向阀来控制执行元件。由选定的汽缸型号压力范围为 0.50.7Mpa，功率 查机械设计手册气压传动与控制此槟榔包装机气动控制系统所需的二位五通双电控电磁阀的型号为 SR540-P，材质为铸铁。二位二通直动式电磁换向阀的型号选为VCA21A，材质铝合金。图 3-1 电磁脉冲换向阀 Y1 Y2 word 文档 可自由复制编辑 3.2.3 单向节流阀的选型 节流阀是通过改变节流面积或节流长度以控制流体流量的阀门。将节流阀和单向阀并联则组成单向节流阀。单向节流阀在空气进入气缸腔时不起到节流的用，所以其活塞杆退回速度快。只有在压缩气体从气缸腔里排出的时候，节流阀才起到节流的作用。根据气缸的压强及功率，差机械设计手册气压传动与控制选定型号为 GRLA-1/8-B 的单向节流阀，其主要参数为：螺纹连接，公称通经为4mm，标准额定流量（节流阀方向）0380L/min，材质为合金钢。图 3-2 单向节流阀 3.2.4 管件、管接头的选择 管件是将管子联接成管路的零件，在管道系统中起连接、控制、变向、分流、密封、支撑等作用。管接头是连接管道的元件。对于金属管接头有螺纹接头、扩口式管接头和卡套式管接头。3.2.5 气源装置及其辅助元件的选型 根据气缸所需要求选定额定功率为 14.71KW、P=0.50.7Mpa、转速n=2500minr的容积式叶片气马达，空气压缩机的型号为TJ20。主要参数：额定排气量 18min3m，额定排气压力 0.7Mpa，压缩空气储气罐容积 163m。储气罐：2.9 米高，公称直径采用 DN1500mm，材料为 Q235-B。由此其他辅助元件的型号分别是冷却器的型号 LN25，其工作原理为：气态制冷剂（低沸点物质，以氨和氟里昂为例）在一定压力冲刷管束，向管内冷却水放出热量后温度下降，渐渐凝结为液态，汇集于集液管并排出；冷却水由端盖进水口部分进入冷却管，另一部分进入冷却管吸收热量经回程端盖后部分进入出水口，word 文档 可自由复制编辑 而另一部分冷却管继续吸收热量由端盖出水口排出。关内外介质互不接触。油水分离器的型号 QGL-10，主要参数：公称通经 DN65mm，最高使用压力1.00Mpa，过滤度 0.3m，过滤度 99%，工作温度 560C0，最大流量 20min3m。气动三联件的型号是QFLJWB-L10，主要参数：使用温度-2580C0，调压范围 0.050.8Mpa，水分离效率大于 80%，过滤精度 2550m，流量特性：进口压力 1.00Mpa，出口压力 0.63Mpa，空气流量（在标准状态下）1125min3dm；起雾流量：进口压力 0.63Mpa，起雾流量 210min3dm，润滑油 流量调节：输入工作压力 0.4Mpa，出口留 iangwei 给定值是，其滴油量应在 0120 滴每分钟均匀可调。3.3 本章小结 本章节主要是气动控制系统各气动元件的设计、计算及选型。首先从元器件的选择情况入手，介绍了所选气动元件的优点及由来，接着着重说明了各个元件的设计计算及选型情况。word 文档 可自由复制编辑 第 4 章 沙发使用寿命测试系统计数器的设计 4.1 选用计数器 根据设计要求沙发每被下压一次记一次数，当弹簧坏了时报警并停止计数。本次选用 PLC 做计数器因为 PLC 有以下特点：一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID 回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC 和 DCS 等，实现生产过程的综合自动化。二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。4.2 计数器 PLC 的设计 按照设计要求画出梯形图并列出指令表 图 4-1 梯形图 TMCTYRCK500 K327XMTX预警 word 文档 可自由复制编辑 0 LD X0 1 OUT M0 2 LDI M0 3 OUT T200 K500 4 OUT CO 5 LD CO 6 OUT Y0 7 LD XI 8 REST CO 指令表 图 4-1 的动作过程如下：X0 为限位开关当沙发弹簧正常伸长时 X0 为闭合状态，当沙发正常伸长时 X0敞开触点闭合状态当 M0 得电 M0 长闭触点断开，计数器处于断电不能计数。当沙发被压下时X0断开M0失电M0长闭触点闭合，计数器C0得电计数一次定时器T200开始记时设定时间为 5 分钟，通电时间不足 5 分钟 T200 自动复位。如此往复循环。当弹簧已坏回不到原位，限位开关 X0 长期处于断开状态 M0 长闭触点闭合T200 计时当到 5 分钟时 T200 常开触点闭合 Y0 得电报警。按动开关 X1 计数器复位，可以进行下一次测量。4.3 本章小结 本章主要选用 PLC 作为计数器，并对 PLC 编写了符合要求的程序。word 文档 可自由复制编辑 第 5 章 结论 沙发使用寿命测试系统是利用气动控制原理进行的。它不但降低了公司成本，提高了工作效率，更解决了目前大气污染的环境问题，因为它的控制源取之于大气，空气是免费的且资源取之不尽用之不竭，排到大气中的气体只是经过空气压缩过，并没有受到任何的污染。气动控制系统的设计具有全自动性能好、稳定性好、可靠性高、效率高、使用寿命长以及外观美的特点。并且设计了计数器可以知道沙发坐多少次弹簧会出问题，实现了全自动化。word 文档 可自由复制编辑 参考文献 1 胡竟湘主编，液压与气压传动。大连：大连理工大学出版社，2009,10 2 郑洪生主编，气压传动与控制（修订版）。北京：机械工业出版社，1988,9 3 成大先主编，机械设计手册（第五版）：单行本，气压传动。北京：化学 工业出版社，2010,1 4 机械设计手册编委会，机械设计手册气压传动与控制（第四版）。北京：机械工业出版社，2007,2 5 现代实用气动技术（第三版），SMC（中国）有限公司。北京：机械工业 出版社，2008,2 6 东北工学院机械零件设计手册编写组编，机械零件设计手册（第二 版）。北京：冶金工业出版社，1980,11 7 王阿根主编，电气可编程控制原理与应用 北京：清华大学出版社 2007,4 8 曹玉平 阎祥安 主编，气压传动与控制。天津大学出版社 9 梅荣娣主编，液压与气压传动控制技术。北京理工大学出版社 10 高位国主编，机械工程材料基础。湖南：中南大学出版社，2004.1 11 刘鸿文主编，材料力学第四版。北京：高等教育出版社，2004,1 12 尹章伟 毛中彦主编，包装机械。北京：化学工业出版社，2005,9 13 赵冬梅 郑万年主编，液压气动图形符号及其识别。北京：化学工业出 版社，2009.1 14 机械行业标准气动管接头通用技术条件 JB/T7056-1993。北京：机械科 学研究院出版发行机械科学研究院印刷，1994,5 15 王昆等主编，机械设计、机械设计基础课程设计。北京：高等教育出 版社，1996 word 文档 可自由复制编辑