光机电一体化气动系统设计研究

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摘要：本文介绍的是一台光机电一体化实训设备的气动部分设计，包括系统功能要求、气动系统的原理设计、气动元件的选型、电控部分的原理设计、电控元件选型等。本设计既可用于实训教学，也可用于产品研发生产，实现达到了产教融合。

关键词：气动系统；机电一体化；电气控制气动技术

因为具有高效、节能、环保、成本低、结构简单等优点，被应用在大量的生产线及各种设备上。气动技术比较成熟，在各种高等院校中已作为机电一体化等专业的核心课程来开设。气动技术课程是一门实践性很强的课程，必须作为实训课程开设才能达到学习效果。在实操过程中，气动系统又往往与电气控制技术相结合，达到以电控气的自动化效果，气动系统的工作状态又往往由各类传感器来检测，所以，气动技术的实操课程是包含了气动技术、电气控制技术、传感器技术、机械知识与一体的一门综合性课程。光机电一体化实训设备是进行气动技能实训很好的平台。本文介绍的是一台光机电一体化实训设备的气动部分的设计，包括系统功能要求、气动系统的原理设计、气动元件的选型、电控部分的原理设计、电控元件选型等。本设计既可用于实训教学，也可用于产品研发生产，达到了产教融合。

1实训台气动部分功能要求

本实训台设计的功能为物料分拣功能，可以检测不同材质或者颜色的物料进行码垛操作。当系统检测到物料入口处有物料时，机械臂伸出夹起物料放置在传动带上，机械臂松开返回原位，传送带传送过程中可在不同的位置进行物料属性的判别，并由推杆推入到码垛口反复循环。整个系统中需要气动操作的有机械臂的旋转伸缩，物料的夹紧放松，推杆的伸缩。

2气动元件的选择

本系统设计初衷为教学用模拟系统实训台，整个工作台尺寸为120cm×80cm×80cm，整个台面要求简单全面、小巧紧凑、不使用大型设备，能演示操作流程及原理即可。本系统中涉及的机械臂需要有以下几个动作：左右摇摆、伸出缩回、下降升起、夹紧放松。左右摇摆要求机械臂动作时左右均要严格到位且稳定，可以选择双作用的摆动气缸一个，型号CDRB2BW20-180SZ。伸出缩回气缸由于横向放置，单侧夹持重物受力，稳定性要求高，并且伸出缩回位置要求准确到位，选择单出双杆双作用气缸一个，型号CXSM15-100。下降升起需要拉起重物，受力较大，并且两端需要准确到位，由于物料形状不确定，活塞杆要求不能旋转，以便气爪夹持位置准确，选择单杆双作用气缸一个，型号CDJ2KB16-75。物料直径约为12mm左右统一形状，采用夹持物料外侧表面的方式进行夹持，物料重量最大100克，选用型号为MHZ2-10D的气爪1个。本系统设计需要分拣三种不同材料或颜色的物料，推杆在合适的位置将物料推出，物料轻盈，推动物料需要力度较小，但需要一定的推动距离，推杆伸出和缩回要求必须到位，否则，造成对物料阻挡或者不能推到要求位置，选择单杆双作用气缸3个，型号CDJ2KB10-60。需要对所有气缸往返动作进行速度调节，以防止撞击损坏设备和动作时间不准确，加装节流阀14个，型号SC4-M5。要求所有动作最终采用电气控制，3个推料气缸推出物料后必须马上缩回，推杆不能持续在外部，机械臂所有动作都要求有保持功能，所有动作没有中间位置。选择型号为DC24V4V110-06的单电控二位五通电磁阀3个，供3个推杆气缸使用，选择型号为DC24V4V120-06的双电控二位五通电磁阀四个供机械臂几个动作气缸使用。

3气路结构的设计

如图1所示，7个二位五通电磁阀经过汇流板连接在一起，又经过两个节流阀连接在各自的气缸上。经过仿真运行可确定，初始状态各气缸不动作，处于缩回状态，摆动气缸在右侧，可手动触发相应电磁阀产生所需动作，使得机械臂能够正常抓取和推杆正常推出缩回。

4电路功能要求

本系统应设置复位开关，上电后按复位开关确保气动部分复位，复位要求为所有气缸缩回，摆动气缸置于左侧，气爪松开。当设备检测到物料后，机械臂应依序做如下连续动作：伸出——下降——夹紧——上升——右摆——下降——松开——上升——缩回——左摆。当各自气缸检测到物料时，推杆气缸推出到位后缩回。此过程中需要检测各气缸位置，除气爪只需检测夹紧位置需要一个传感器外，其他气缸均需要两个传感器置于气缸两端。

5电路设计

本电路全部元器件工作电压为24V，需要有1个复位按钮，考虑整个系统还需要启动与停止按钮，选择1套三位按钮盒。复位开关控制1个继电器KM18。需要检测各气缸位置的行程开关共13个，选择型号D-Z73的磁性开关3个，D-C73的磁性开关8个，LJ12A3-4-Z/EX两线接近开关2个，控制KM1--KM13共13个中间继电器。需要控制11个电磁阀，分别由11个接触器Q1—Q11控制。本系统为检测物料，需要型号为G18-3A10PA的漫反射光电传感器1个，E3X-NA11的光纤放大器2个，LJ12A3-4-Z/BY的电感式接近开关1个，4个传感器控制KM14—KM17共4个继电器。需要其他中间继电器13个，有3个使用触点较多。最终本系统选择JZC1-22Z接触式继电器2个，JZC1-31Z接触式继电器1个，NXJ-DC24V-2Z1（D）的8脚继电器21个，NXJ-DC24V-4Z1（D）的14脚继电器4个。本系统工作时应先复位，否则不能启动，检测到物料后会反复进行物料抓取与释放，各推杆检测到各自物料后会推出和自动缩回。

6结语

本系统可根据需要扩展功能，如物料传送、物料收集、启动停止等，也可以根据需要调整元件进行设备的组装生产和课堂学生的训练。

参考文献：

[1]杨雅君，赵世英，陈永辉等.气压传动系统多功能组合式实验台架的设计[J].科技创新与应用，2018（3）：92-93.

[2]乔永昌，弋景刚，袁永伟等.海湾扇贝剥壳机气动系统的设计与试验[J].机床与液压，2019（5）：27-30.

[3]徐锴.关于气动系统在客车工装夹具上的应用探讨[J].汽车实用技术，2019（16）：182-183.

作者:胡瑞棣 单位:滨州市技术学院