气动实验台的开发设计说明书 - 图文

气动实验台开发——电控 1

1 绪 论

1.1设计背景和目的

液压和气压传动统称为流体传动，他们都是以流体（如压力油或空气）为传动介质，利用各种控制元件组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组成能完成一定控制功能的传递系统来进行能量的传递、转换与控制。液压传动所用的工作介质为液压油或其他合成液体，气压传动所用的工作介质为空气，由于这两种流体的性质不同，所以液压传动与气压传动各自具备不同的特点。液压传动传递动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在流动过程中阻力损失大，因而不适于做远距离传动和控制；气压传动由于空气的可压缩性大，且工作压力低，所以传递动力不大，运动也不如液压传动平稳，但空气粘性小，传递过程中阻力小、速度快、反应灵敏，所以广泛应用于远距离的传动和控制。

随着科学技术的发展和我国现代化进程，清洁环保、能耗低的仪器设备越来越备受青睐，气压传动由于其使用空气作为传动介子，来源广泛、成本低；在传动过程中废气可以直接排泄，不会产生二次污染；一个气压站可供多台仪器使用，在传递过程中噪音低等特点，不仅有逐步取代液压传动在工程技术中运用的趋势，而且也将在新动力能源的开发方面越来越彰显其主导地位，如气动扳手、气动夹具、气动滑槽、空气锤、组合机床等。

现代教学体制的改革对学生要求和社会对人才的需要，已不仅仅局限于知道课内的相关理论知识和实验参考书上的实验要求，而是要具备知识的灵活应用和解决实际问题的能力。为了满足这一要求，学生在校不仅要养成积极思考的习惯，学校也要给学生提供良好的知识引用和思维发展的空间。为了满足诸多因素的要求，我们提出了设计多功能开放性气动实验台的的设想。

液压与流体传动是我们专业开设的基础课程，主要讲授流体传动的基本理论和常见应用。在理论学习过程中，很多元器件不能直观了解他的结构和功能；而在实践学习中，我校配备的相关仪器设备由于购买时间较早，只能完成几个预定的实验，已不再适应于现代化教学的需要和学生对知识的渴望。

实验台设计的目的主要是为了用于《液压与气动》课程实验教学使用，因此，必须首先满足教学的基本实验要求，应能涵盖教学中涉及到的主要实验：其次，为了培养学生的创新能力，提供一个便于元件固定和连接的操作平台，各元件位置、系统组成不固定，可由实验者自行选择元件和组成回路，保证系统具有良好的开放性；第三，充分发挥机、电、气一体化的特点，充分考虑到微电子技术及先进控制技术在液压与气动系统中的应用,采用多种控制方式，提供几种技术结合的接口和设备条件；第四，应充分考

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虑到实验设备还要为科研工作服务，实验台的功能和性能参数应能满足一般性科研工作的要求，使本实验台具有广泛的适应性。

1.2 国内外发展现状

开放性实验台的设计和应用在国外已经很娴熟，气动实验台也不例外。他们将现代的先进科学技术与实验台相接和，使得实验台不仅功能完善，而且操作简单。现在国际上比较流行的设备主要有德国的乐力士和festo公司的产品。乐力士产品的主要特点是面板为双面，可同时供两组学生进行实验；配备了快速插口，可以方便的插接；实验台充分考虑了各种需要，辅助设备完善，如书写垫板、抹布挂钩、计算机扩展插口等；元器件种类丰富，能够模拟基本实验和开发型实验。如图1-1所示为DS3系列的乐力士产品[24]。

图1-1 德国乐力士产品

从图可见，实验面板的上端为电气控制模块，包括继电器控制单元，PLC控制单元，电源分路单元、计算机接口等，中部位45×45L带10mm槽宽的铝合金型材框架，用于元器件的安装，下部为孔距为25mm用于存放元件的板件。

与乐力士产品相似，festo的产品功能也很完善。首先，该实验台配备了多种的气动元件,灵活的快换接头和软管,各元件的安装和固定都非常容易,并且密封性非常好；其次，元件可以根据需要任意组合,搭成所需的实验回路；第三，该实验台还配备了液压和气动仿真软件FluidSIM利用该软件，可以方便的绘制出符合工业标准的气动和液压回路图,制图的同时，FluidSIM软件还可以检查回路图结构的正确性。由于该软件中的元件参数的调节范围与实际设备完全一致，所以可对设计的回路进行准确的系统模拟。学生可以充分发挥自己的想象力，利用该软件设计所需的气动回路，然后通过实验台，现场安装、调试、检测所设计的回路，验证回路的正确性。

在国内，开放性实验台在各高校和教学仪器生产厂商也有研制。比如秦川机床厂生

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产的气动实验台如图1-2所示由图可见该产品的电气控制布局于右边面板，气缸与元器件的位置分开布局，这样一方面可以方便操作，也节约了实验面板的空间。

图1-2 秦川机床厂产品

图1-3为高联机床厂的产品。该气动-液压-PLC综合控制实验台是根据高校机电一体化对气、电、液控制的教学大纲要求，在专利产品YY-18透明液压传动演示系统的基础上，综合了气动--PLC与液压--PLC控制实验设备的优点，采用了开放型综合实验台结构，广泛征求专家教授与老师的意见，经不断创新改进研制而成的。是目前集气动控制技术、液压传动控制技术以PLC可编程序控制器控制技术于一体的理想的综合性实验设备。实验时，它们可以相辅相成，交叉控制。可以让学生直观、感性地、了解气、电、液各自具有的特点、特色、优点及缺点等。其基本配置为一个实验台配有一套气动控制实验元件和一套液压控制实验元件，且各自配有独立的一套 PLC电气控制设备。

图1-3 高联机床厂的产品

国内的研究机构对各类实验台也有深入研究，在元器件控制方面，部分高校提出了将面板设计为孔型，用三点定位的方法实现元器件的定位，硕博机床厂将其变为了现实，如图1-4所示。也有研究机构提出真空吸盘的方案，其原理是利用真空发生器：真空发

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生器主要由拉瓦尔管、扩压管和气体吸入室组成。拉瓦尔管和扩压器这两个部件组成了一条断面变化的特殊气流管道，压缩空气通过拉瓦尔管喷嘴将压力能转变成动能进行抽气，而混合气流通过扩压器又将动能转变压力能从而进行排气。供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出超声速射流。由于气体的粘性,高速射流卷吸走吸入室内的气体,使该腔形成很低的真空度，将该腔与真空吸盘相连,便能吸住盘子。其特点是：二次真空发生器具有无机械运动部件，不需润滑，抗振动，结构简单，工作稳定可靠，使用寿命长等特点，完全适用吸盘对真空度的要求。更多的是部分高校对开放性实验台控制部分的改进。比如使用LabWindows/CVI开发的虚拟仪器软件平台，将其与实验台连接，使该系统能够在不同惯性负载和推力负载下，分别采用不同算法完成位置伺服控制，并绘制相应的实验曲线，对实验面板进行模块化改进等。

图1-4 针孔式面板

1.3 课题目的和任务

气控实验台是机械大类专业进行实验教学的必要设备之一，随着近年来我国机械行业的高速发展，气压传动的PLC控制是必然的发展方向，因此，对本课题的设计研究具有一定的实际意义。通过本次毕业设计，使学生对现代机械有一总体了解，采用新的方法对气控实验台进行综合分析和研究。同时培养学生对大学所学知识的理解，收集、查阅文献资料的能力，提高发现、分析、解决问题的能力。

通过分析其上国内外产品，现可将开放性实验台满足功能概括如下：将实验台上分为继电器模块、PLC控制模块和实验面板模块三部分，在实验面板上，可灵合布局元器件，自由组装回路实现气动控制。同时可以设计继电器回路和PLC控制程序，实现继电器控制和PLC控制。