西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 1 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 論文題目：氣缸驅(qū)動的直線和擺動復合運動機構(gòu) 所屬系部：航空制造工程系 指導老師： 職 稱： 助教 學生姓名： 班級、學號 : 專 業(yè)： 機械制造與自動化 西安航空職業(yè)技術(shù)學院制 2012 年 11 月 17 日 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 2 西安航空職業(yè)技 術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書 題目： 氣缸驅(qū)動的直線和擺動復合運動機構(gòu) 任務與要求： 1.氣缸的行程為 300 500 毫米。 2. 時間： 年 月 日 至 年 月 日 共 周 所屬系部：航空制造工程系 學生姓名： 學 號： 專業(yè)： 機械制造與自動化 指導單位或教研室： 指導教師： 職 稱：助教 西安航空職業(yè)技術(shù)學院制 2012 年 11 月 17 日 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 3 題目 氣缸驅(qū)動的直線和擺動復合運動機構(gòu)的 PLC 控制 【摘要】 隨著科技的迅速發(fā)展，各種機械設(shè)備脫穎而出。氣缸驅(qū)動在人們的生活中占據(jù)了很重要的地位。氣缸驅(qū)動是實現(xiàn)機械傳動的機構(gòu)，它是由氣缸與換向閥組成。 氣缸驅(qū)動系統(tǒng)由于系統(tǒng)構(gòu)成簡單，易于獲得穩(wěn)定速度，而且元器件價格低廉，比較容易維護等特點在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到廣泛的應用。與電動機相比，氣缸更擅長做往復直線運動。而且僅僅調(diào)節(jié)安裝在氣缸兩側(cè)的單向節(jié)流閥就可簡單的實現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制。也成 為氣缸驅(qū)動系統(tǒng)最大的特征和優(yōu)勢?，F(xiàn)在，氣缸驅(qū)動系統(tǒng)已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的主流。這幾十年氣動技術(shù)的快速發(fā)展甚至也可以說很大程度上得益于氣缸的迅速普及。 本文闡述了由 PLC控制的氣動元件工作，一個氣動系統(tǒng)是由方向控制閥、氣動執(zhí)行元件、各種氣動輔助元件以及氣源凈化元件所組成。各個電磁閥用來作為相應動作單元上壓縮空氣通斷的控制，電磁閥則由 PLC控制器來實現(xiàn)邏輯上的控制，氣缸的選用根據(jù)具體機械動作的實現(xiàn)來確定，氣缸的運動速度根據(jù)相應的節(jié)流閥來進行調(diào)節(jié)。 關(guān)鍵詞： 氣缸驅(qū)動、 PLC控制、電磁閥 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 4 前言 近年來，氣動技術(shù)發(fā)展很迅速，是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。氣壓傳動得到介質(zhì)就是空氣，環(huán)境污染小，工程容易實現(xiàn)所以說傳動是一種易于推廣的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應用技術(shù)。氣動技術(shù)在機械、化工、電子、電氣、食品、包裝、輕工、汽車等各個制造行業(yè)。尤其是在各種自動化生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)線中得到廣泛的應用。 可編程控制器 (PLC)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)、自 動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點，近年來在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了越來越廣泛的應用。 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 5 目錄 1.PLC 控制系統(tǒng) 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 1 頁 1.氣缸的選擇 1.1 氣缸的分析 （ 1)氣缸根據(jù)作用方式不同可分為單作用式和雙作用式。單作用式氣缸只能利用氣體壓力單方向運動，而反方向運動則要依靠重力、彈簧力等外力來實現(xiàn) ；雙作用式氣缸的正、反兩個方 向的運動都由氣體壓力來實現(xiàn)。由于單作用氣壓缸僅有單放向運動，有外力使活塞反向運動。而雙作用單活塞氣壓缸在壓縮空氣的驅(qū)動下可以向兩個方向運動，但兩個方向的輸出力不同，所以該設(shè)計應選用雙作用式氣缸。 (2)首先應根據(jù)氣缸的工況特點，選用氣缸的類型以及安裝方式，然后根據(jù)動力和運動分析，確定氣缸的主要參數(shù)。氣缸的選用主要應考慮氣缸的輸出方式、工作行程大小、負載大小等。 1.2 氣缸的結(jié)構(gòu) 氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿、和密封件組成： （ 1）缸筒：缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小。活塞咬字缸筒內(nèi)做平穩(wěn)的 往復滑動，缸筒內(nèi)表面的表面粗糙度應達到 Ra0.8um。對鋼管缸筒，內(nèi)表面還應鍍硬鉻，以減小摩擦阻力和磨損，并能防止銹蝕。缸筒材質(zhì)除使用高碳鋼管外，還是用高強度鋁合金和黃銅。小型氣缸有使用不銹鋼管的。帶磁性開關(guān)的氣缸或在耐腐蝕環(huán)境中使用的氣缸，缸筒應使用不銹鋼、鋁合金或黃銅等材質(zhì)。 （ 2）端蓋：端蓋上設(shè)有進排氣通口，有的還在端蓋內(nèi)設(shè)有緩沖機構(gòu)。桿側(cè)端蓋上設(shè)有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內(nèi)。桿側(cè)端蓋上設(shè)有導向套，以提高氣缸的導向精度，承受活塞桿上少量的橫向負載，減小活塞桿伸出 時的下彎量，延長氣缸的使用壽命。導向套通常使用燒結(jié)含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過去常用可鍛鑄鐵，現(xiàn)在為減輕重量并防銹，常使用鋁合金壓鑄，微型缸有使用黃銅材料的。 （ 3）活塞：活塞是氣缸中的受壓力零件。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，設(shè)有活塞密封圈?；钊系哪湍キh(huán)可提高氣缸的導向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環(huán)長期使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。活塞的寬度由密封圈尺寸和必要的滑動部分長度來決定?；瑒硬糠痔?，易引起早 （ 4）活塞桿：活塞桿是氣缸中最重要的受力零件通常使用高碳鋼，表 面經(jīng)鍍 硬鉻處理，或使用不銹鋼，以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。 （ 5）密封圈：回轉(zhuǎn)或往復運動處的部件密封稱為動密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。 （ 6）氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 2 氣缸。 1.3 氣缸的設(shè)計計算 由設(shè)計任務知：要驅(qū)動的負載質(zhì)量為 100kg，取值 V=50mm/s,氣缸的行程為300 500mm，取最大值。在研究氣缸性能和氣缸缸徑時，常用到負載率 ： 由液壓與氣壓傳動技術(shù)表： 氣缸的運動狀態(tài)與負載率 阻性負載 （靜負載） 慣 性負載的運動速度 V 500mm/s =0.8 0.65 0.5 0.3 運動速度 V=50mm/s,取 0.6，所以氣缸的實際負載大小 為： F=F0/=1633.3N (1)氣缸內(nèi)徑的確定 缸徑的計算公式 D=1.27 = =66.26mm F 氣缸的輸出拉力 N； P 氣缸的工作壓力 Pa 按照 GB/T2348-1993標準進行圓整， D=80mm 氣壓缸內(nèi)徑系列（ 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 括號內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸 (2)活塞桿直徑的確定 由 d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=25 mm 活塞桿外徑尺寸 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） 缸筒長度的確定 缸筒長度 S=L+B+30 L為活塞行程； B為活塞厚度 活塞厚度 B=0.7D= 0.7錯誤 !未找到引用源。 80=56mm 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 3 由設(shè)計任務知氣缸的最大行程 L=500mm ,所以 S=L+B+30=586 mm 導向套 滑動面長度 A: 一般導向套滑動面長度 A，在 D80mm 時 , 可取 A=(0.6錯誤 !未找到引用源。 1.0)d。 所以 A=25mm 最小導向長度 H： 根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸的最大行程為 L，缸筒直徑為 D，最小導向長度為： H 錯誤 !未找到引用源。 代入數(shù)據(jù) 即最小導向長度 H=80/2=40 mm 活塞桿的長度 l=L+B+A+H=500+56+25+40=621mm （ 4） 氣缸筒的壁厚的確定 由液壓氣動技術(shù)手冊可查氣缸筒的壁厚 錯誤 !未找到引用源。 可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算： 式中 錯誤 !未找到引用源。 缸筒壁厚（ m）； D 缸筒內(nèi)徑（ m）； P 缸筒承受的最大工作壓力（ MPa）； 錯誤 !未找到引用源。 缸筒材料的許用應力（ MPa）； 實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的 7倍；重型氣缸約取計算值的 20倍，再圓整到標準管材尺碼。 參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核 錯誤 !未找到引用源。 ,我們的缸體的材料選擇 45鋼， 錯誤 !未找到引用源。=600 MPa， =錯誤 !未找到引用源。 =120 MPa n為安全系數(shù) 一般取 n=5； 錯誤 !未找到引用源。 缸筒材料的抗拉強度 (Pa) P 缸筒承受的最大工作壓力 MPa。當工作壓力 p 16 MPa 時， P=1.5p；當工作壓力 p 16 MPa 時， P=1.25p 由此可知工作壓力 0.6 MPa小于 16 MPa， P=1.5p=1.5 0.6=0.9 MPa =0.3mm 參照下表 氣缸筒的壁厚圓整?。?錯誤 !未找到引用源。 = 7 氣缸筒的壁厚表： 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 4 材料 氣缸直徑 50 80 100 125 160 200 250 320 壁厚 鑄鐵 HT15-33 7 8 10 10 12 14 16 16 鋼 A3 . 45 5 7 8 8 9 9 11 12 鋁合金 L3 8 12 12 14 14 17 （ 5） 氣缸耗氣量的計算 Q= StD42= =StD4=1.85/s （ 6） 氣缸進排氣口直徑 d0 V 空氣流經(jīng)排氣口的速度（可取 V=10 15）取 V=12m/s 由公式 d0= vQ / 代入數(shù)據(jù)得： d0=14.014mm 氣缸進排氣口直徑 氣缸內(nèi)徑（ D） 氣缸進排氣 口直徑 d0 40 50 63 80 100 125 140 160 180 8 10 15 20 所以取氣缸排氣口直徑為 15 mm Q 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（ m3/s） V 空氣流經(jīng)排氣口的速度 (7)活塞桿的校核 由于所選活塞桿的長度 L=10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇 45鋼。 參考機械設(shè)計手冊單行本 由 液壓氣動技術(shù)手冊 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 5 穩(wěn)定性校核： 由公式 Fp0 kKnF 式中 FP0 活塞桿承受的最大軸 向壓力（ N）； FP0=1633N FK 縱向彎曲極限力（ N）； nK 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取 1.5錯誤 !未找到引用源。 4。綜合考慮選取 2 K 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿 K=d/4 代入數(shù)據(jù) K =25/4=6.25mm 由于細長桿 L/K 85 m 即 FK = 22LmEJ 實心圓桿： J = 642d 式中 ： L 氣缸的安裝長度 ； m 末端系數(shù)；選擇固定 自由 m = 1/4 E 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 錯誤 !未找到引用源。 1011 Pa ； J 活塞桿橫截 面慣性矩（ m4）； d 活塞桿的直徑（ m）； 活塞桿計算長度 L 與系數(shù) m 安裝方式 m 鉸支 鉸支 1 固定 自由 1/4 固定 鉸支 2 固定 固定 4 L 氣缸的安裝長度就是活塞桿的長度等于 621mm； 代入公式： FK=1.3106N 因為 : kKnF=1.55104N； 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件 強度校核 : 由公式 d 4Fpo 西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 6 其中： =nb ， n 為安全系數(shù) 一般取 n=5； 錯誤 !未找到引用源。 缸筒材料的抗拉強度 (Pa) 45#鋼的抗拉強度， b =600MPa； =nb =120MPa 所 以： 4Fpo=1.92mmd 所以強度滿足要求； 綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求 。 1.4 氣缸的密封 氣缸常用密封 氣缸常用的密封元件有 O形密封圈、 QY形軸用和孔用密封圈、無骨架防塵圈。 ZHM 形組合圈、 C 形孔用密封圈和 CK 形軸孔防塵組合圈。 常用的密封材料是丁腈橡膠。 1、缸蓋和缸筒聯(lián)接的密封 一般采用 O 形密封圈，安裝在缸蓋和缸筒配合的溝槽內(nèi)，構(gòu)成靜密封。 2、 活塞的密封 活塞處有兩處地方需密封，一處是活塞與缸筒的動密封；另一處是活塞與活塞桿聯(lián)接處的靜密封，一般用 O形密封圈。 O形密封圈：密封可靠， 結(jié)構(gòu)簡單，對缸筒內(nèi)表面粗糙度要求不高，摩擦阻力小。使用壽命比 QY形密封圈短。 3、 活塞桿的密封 一般在缸蓋的溝槽里放置密封圈和防塵圈，保證活塞桿往復運動的密封和防塵。表 1為活塞桿的密封、防塵形式。 4、 緩沖密封 緩沖密封有兩種方法：一種是采用 QY形密封圈安裝在緩沖柱塞上；另一種是采用 SJM15系列氣缸專用密封圈，它是用橡膠和一個圓形鋼圈硫化成一個整體，安裝在缸蓋上作緩沖密封。 1.5 氣缸的使用注意事項 1、對空氣質(zhì)量的要求 ：要使用凈化處理后的清潔干燥的壓縮空氣。 空氣中不得含有有機溶劑的合成油、鹽分、腐蝕 性氣體等，以防缸、閥作用不良。安裝前，連接配管內(nèi)應充分吹洗，不要將灰塵、切屑末、密封帶碎片等雜物帶入缸、閥內(nèi)。 2、對使用環(huán)境的要求： 氣缸正常工作時的環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度為： 氣缸不帶磁性開關(guān)時： 10C 70C施。 3、關(guān)于氣缸的密封： 給油潤滑氣缸，應配置流量合適的油霧氣。 4、關(guān)于氣缸的負載 ：氣缸正常的工作壓力為 0.4 0.6aMP，普通標準氣缸西安航空職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設(shè)計論文 7 的運動速度為 50 500/mms。 活塞桿只能承受軸向負載?；钊麠U不允許承受徑向載荷及偏心負 載。 5、關(guān)于氣缸的安裝： 安裝固定式氣缸時，負載和活塞桿的軸線要一致。 在活塞桿端部旋入螺母或安裝附件時，活塞桿必需全部回縮才能進行。對桿不回轉(zhuǎn)型在活塞桿上安裝附件時，應避免在活塞桿上承受旋轉(zhuǎn)力矩。 擰緊配管螺紋時，用力要合適，以免損壞接口螺紋或漏氣。 6、氣缸的速度調(diào)整 ：氣缸安裝完畢后應空載往復運動幾次，檢查動作是否正常，然后