【文章內(nèi)容簡介】 選擇 氣泵是氣動系統(tǒng)的動力源，它把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣壓能輸送給氣動系統(tǒng)。 氣壓傳動的壓力一般都在 ~ MP 范圍內(nèi)， 因?yàn)?CQ2 系列的氣缸最高使用壓力為 并且此次設(shè)計(jì)中所需要的使用的壓力為 ，所以此次選用的氣泵輸出的最高壓力必須大于 ，并小于 ，這樣 既能滿足設(shè)計(jì)要求，又能保證即使壓力達(dá)到最大時也不會對氣缸造成損害。 氣缸的 選擇 氣缸是氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通氣缸其種類及結(jié)構(gòu)形式與液壓缸基本相同。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 氣缸是氣動系統(tǒng)中使用最多的一種執(zhí)行元件，根據(jù)使用條件不同 ， 其結(jié)構(gòu)、形狀也有多種形式， 氣缸也有不同的分類方式。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的需要，重點(diǎn)討論以一下兩種分類： (1)按壓縮空氣對活塞端面作用力的方向分 1)單作用氣缸 單作用氣缸只有一個方向的運(yùn)動是氣壓傳動 ， 活塞的復(fù)位靠彈 簧力或自重和其他外力。 2)雙作用氣缸 雙作用氣缸的往返運(yùn)動全靠壓縮空氣來完成。 (2)按氣缸的功能分 1)普通氣缸 包括單作用式和雙作用式氣缸。常用于無特殊的場合。 2)緩沖氣缸 氣缸一端或兩端帶有緩沖裝置，以防止和減少活塞運(yùn)動到端點(diǎn)時對氣缸缸蓋的沖擊。 3)氣 —液阻尼缸 氣缸與液壓缸串聯(lián)，可控制氣缸活塞的運(yùn)動速度，并使其速度相對穩(wěn)定。 4)擺動氣缸 用于要求氣缸葉片軸在一定角度內(nèi)繞軸線回轉(zhuǎn)的場合，如夾具轉(zhuǎn)為、閥門的啟閉等。 5)沖擊氣缸 是一種以活塞桿高速運(yùn)動形成沖擊力的高速缸， 可以用于沖壓、切斷等。 6)進(jìn)步氣缸 是一種根據(jù)不同的控制信號，使活塞桿伸出不同的相應(yīng)位置的氣缸 [3] 。 本次設(shè)計(jì) 中需要使用氣缸活塞的往返運(yùn)動來 控制門的自動開閉，由于氣壓傳動受負(fù)載的影響較大，為了實(shí)現(xiàn)門的平穩(wěn)開啟，所選用的氣缸需要 帶有 緩沖裝置 。所以此次設(shè)計(jì)選擇雙作用緩沖氣缸。 在此次設(shè)計(jì)中，由于自動門分為左右兩扇相同的玻璃門，因此需要選用兩個相同的氣缸。自動門的材質(zhì)為玻璃，門的高為 m2 ；寬為 m1 ；厚為 ；每扇 8 門的重量為 kg17 。門與固定支座之間的摩擦因數(shù)為 ?? 。傳動機(jī)構(gòu)齒輪的齒數(shù)為 40?Z ，模數(shù)為 3?m 。根據(jù)以上的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 氣缸主要尺寸的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)氣缸氣缸時，只有保證氣缸的下邊幾個主要尺寸，才能實(shí)現(xiàn)氣缸的功能。 (1)氣缸的直徑 D 氣缸的直徑也就是氣缸的內(nèi)徑，可根據(jù)外負(fù)載 F 的大小來確定，當(dāng)氣源提供氣壓為 p 時，氣缸的內(nèi)徑 D 為 pFD ?4? （ 4— 1） 所求的 D 值，一般要提高 %20 再圓整到系列標(biāo)準(zhǔn)值。氣缸的內(nèi)徑系列 如 表 2 所示 。 表 2 氣缸的 內(nèi)徑系列 氣缸直徑 mm/D 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 活塞桿直徑mm/d 12 14 16 18 20 25 32 40 50 63 70 80 90 100 在此設(shè)計(jì)中氣缸的活塞與齒條聯(lián)接，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而使自動門實(shí)現(xiàn)開閉。 齒輪的齒數(shù)為 40?Z ；模 數(shù)為 3?m ；則由此可以計(jì)算出分度圓的直徑為mm120??? zmd ；又易知齒輪轉(zhuǎn)動 ?90 便可以實(shí)現(xiàn)自動門的完全開閉 ， 自動門與固定支座間的摩擦力為 ： Nmgf ????? ? 令齒輪的傳動力為 F ，則根據(jù)理論力學(xué)中有關(guān)力矩的知識可得出 50060 ??? fF 從而求得 NF 708? ；那么氣缸的推動力至少應(yīng)為 N708 ，考慮到氣缸運(yùn)功過程中的誤差的存在，取 NF 750? ； 取氣源的供氣壓力為 MPap ? ；根據(jù)公式（ 4— 1）可知?dú)飧椎闹睆綉?yīng)滿足 7504 ????D；所求的 D 值，一般要提高 %20 再圓整到系列標(biāo)準(zhǔn)值。即 %)201( ????D ；經(jīng)圓整查表 2 可得氣缸的直徑為mm50?D ；活塞桿直徑 mm16?d ； (2)活塞的行程 L 9 活塞的行程 L 一般根據(jù)實(shí)際需要來確定，通常 L 的值取 D）（ 5~ 。 (3)氣缸進(jìn)、排氣口直徑 。d 的大小，直接決定了氣缸進(jìn)氣速度，亦決定了活塞的運(yùn)動速度。設(shè)計(jì)中，應(yīng)予以充分的 重視，直徑 。d 的確定可根據(jù)空氣流經(jīng)排氣口的速度 ][v 來計(jì)算，一般取 smv /25~10][ ? ，因而 。d 為 ][4vqd ??。 （ 4— 2） 式中， q 為工作壓力下輸入氣缸的空氣量。 一般情況下進(jìn)氣口直徑 。d 根據(jù)氣缸的內(nèi)徑 D 的大小來選取。如表 3 所示 。 表 3 排氣口直徑與氣缸內(nèi)徑的關(guān)系 氣缸內(nèi)徑 mm/D 進(jìn)排氣口直徑 mm/d 40 50， 63 80,100,125 140,160,180 8 10 15 20 因?yàn)楦椎闹睆綖?mm50?D ，所以查表 3 可得進(jìn)排氣口的直徑 mm10?d 。 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)氣缸各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)時，主要要確定各部分的結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸。 氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 氣缸筒的的主要作用是提供壓縮空氣的儲存與膨脹空間及對活塞實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，從而通過活塞將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。氣缸筒均為圓筒形狀，要確定的主要尺寸為 ： (1)氣缸的直徑 D 已求出。 (2)氣缸筒的壁厚 ? 壁厚 ? 可利用 薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算公式來確定 CpD?? ][2?? （ 4— 3） 式中 ： p —— 氣缸工作壓力 )(MPa ； D —— 氣缸內(nèi)徑 )mm( ； ? —— 氣缸材料的許用拉應(yīng)力 )(MPa ； nb/][ ?? ? ， b? —— 缸體材料的抗拉強(qiáng)度 )(MPa ， n —— 安全系數(shù)，一般取 8~6 ； C —— 考慮到剛度、加工制造、腐蝕等要求所加的裕量。 氣缸的材料的許用拉應(yīng)力通常取下來數(shù)據(jù)； 鑄鐵 150HT 和 200HT ，10 MPa30][ ?? ； 235Q 鋼管， MPa60][ ?? ； 45 鋼管， MPa120][ ?? ； 鑄造鋁合金203ZL ， MPa30][ ?? 。 常用氣缸直徑、材料和壁厚的關(guān)系如表 4 所示 。 表 4 氣缸直徑、材料和壁厚的關(guān)系 材 料 氣缸直徑 mm/D 50 80 100 125 160 200 250 320 壁厚 mm/? 鑄鐵 150HT 7 8 10 10 12 14 16 16 45 鋼， Q235 5 7 8 8 9 9 11 12 鋁合金 ZL203 12~8 14~12 17~14 本次設(shè)計(jì)中材 料選用 23545 Q鋼， ；缸的直徑為 mm50?D ，查表 4 可得缸的壁厚為 mm5?? 。 氣缸的選擇 目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。本設(shè)計(jì)中所使用的氣缸選擇 SMC(中國 )有限公司生產(chǎn)的氣缸系列 [5] 。 (1)氣缸系列的選擇 SMC 氣缸的部分系列如表 5 所示 。 表 5 SMC 氣缸的部分系列 氣缸系列 氣缸缸徑 mm 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 CJ2 系列 小型不銹鋼缸筒系 列 √ √ √ CM2 系列 輕型不銹鋼缸筒系列 √ √ √ √ CG1 系列 鋁制缸筒、輕型 √ √ √ √ √ √ √ √ CA2 系列 拉桿型中缸系列 √ √ √ √ √ MB 系列 √ √ √ √ √ √ C85 符合 CETOP 標(biāo)準(zhǔn)的氣缸 √ √ √ √ √ √ C95 √ √ √ √ √ √ CQ2 系列 薄壁 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ CQS 系列 緊湊，薄型 √ √ √ √ 11 因?yàn)樗x用的氣缸的直徑應(yīng)為 mm50 ；所以查表 5 中確定本設(shè)計(jì)選用 2CQ 系列的氣缸。 (2)氣缸安裝的形式選擇 不同氣缸有不同的安裝形式，而各系列亦有多種不同的安裝形式可供選擇，應(yīng)根據(jù)氣缸的不同用途來選擇安裝形式。安裝形式可分為：普通型、腳座型、法蘭型、耳環(huán)型、耳軸型。 本設(shè)計(jì)中氣缸選擇腳座型安裝形式。 (3)氣缸的緩沖方式選擇 本設(shè)計(jì)中需 要實(shí)現(xiàn)自動門的平穩(wěn)開閉，故選擇橡膠緩沖的形式。 氣缸的緩沖方式選擇如表 6 所示。 表 6 氣缸的緩沖方式 氣缸系列 緩沖形式 CJ2 CM2 CG1 CA2 MB C95 CQ2 CQS 無緩沖 √ √ 橡膠緩沖 √ √ √ √ √ 氣緩沖 √ √ √ √ √ √ 液壓緩沖 (4)活塞桿端配件的選擇 活塞桿端的接頭形式 如表 7 所示。 表 7 活塞的接頭形式 肘接頭 I 型單肘節(jié)頭 Y 型雙肘節(jié)頭 浮動接頭 標(biāo)準(zhǔn)型 法蘭型 腳座型 浮動接頭可避免工件與活塞軸向偏心的問題，故選用浮動接頭的法蘭型。 (5)CQ 氣缸的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，可確定本設(shè)計(jì)中選用的氣缸型號為 DCLCQ 125502 ? ，其中2CQ 表示氣缸的系列， L 表示氣缸的安裝方式為腳座式， 50 表示缸的直徑， 125表示氣缸的行程， D 表示氣缸的動作方式為雙作用方式， C 表示緩沖方式為添加緩沖墊 。 12 其它氣動元件的選擇 (1)控制元件的選擇 1)二位四通電磁換向閥的選擇 選用 SMC(中國 )有限公司生產(chǎn)的 單電控二位四通電磁換向閥 ，其型號為：551121 MLVQD ?? ；為單體式直接配管型 ； 2)排氣 節(jié)流閥的選擇 節(jié)流閥依靠改變閥口的通流面積的大小或通流通道的長短來控制空氣流量的。 SMC(中國 )公司生產(chǎn)的節(jié)流閥和氣缸是配套使用的，因此根據(jù)氣缸的型號便可以選出節(jié)流閥的型號。設(shè)計(jì)中選 用 SMC(中國 )有限公司生產(chǎn)的 排氣 節(jié)流閥，其型號為： SSFAS 08022 3 0 1 ?? 。 (2)其他氣動元件的選擇 其它氣動元件也全部選擇 SMC(中國 )有限公司生產(chǎn)的 系列產(chǎn)品。 消聲器選用消聲效果為 30 分貝的 8200 KMAN — 消聲器；氣動三元件 FRL 單元空氣組合元件； 配管選用外徑為 8? 的配管；選用浮動接頭的型號為 1501063 ??JB 。 5 可編程控制器（ PLC）的選擇 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展 PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲器，用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過 數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充的原則設(shè)計(jì)。 PLC 的產(chǎn)生可追溯到上世紀(jì) 70 年代， 1969 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（ DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應(yīng)用在 GM 公司的生產(chǎn)線上。其后日本、原聯(lián)邦德國等相繼引入，使其迅速發(fā)展起來。但這一時期它主要用于順序控制，雖然也采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但當(dāng)時只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱 PLC（ programmable logic controller） 。 PLC 從誕生至今，其發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段：從 20 世紀(jì) 70 年代至 80 年代中期，以單機(jī)為主發(fā)展硬件技術(shù)，為取代傳統(tǒng)的繼電器 —接觸器控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)各種型號的 PLC。到 80 年代末期，為適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)的 (FMS)的發(fā)展，在提高單片機(jī)功能的同時，加強(qiáng)軟件的開發(fā)，提高同通信能力。 90 年代以來，為適應(yīng)計(jì)算