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气动综合实训

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概 要
本文介绍气动系统的设计过程，各种气动元件的性能与使用方法，根据项目的工艺要求、控制要求和技术指标进行工况分析、气动元件的选择、气动回路图的设计，并进行系统软件仿真运行、安装与调试
目 录
前言 ………………………………………………………………………5
第一章 绪论 ……………………………………………………………6
1．1 气动技术的应用及特点 ……………………………………6
1．2 气动钻床的工作原理 ………………………………………6
1. 3 气动钻床的组成 ……………………………………………7
第二章 气动钻床气动系统设计总体方案设计 ………………………10
2．1 分析项目的工艺要求、控制要求和技术指标 ……………10
2．2 气动控制系统总体方案一 …………………………………11

第三章 气动钻床气动系统技术设计 …………………………………13
3．1. 项目的工艺要求、控制要求和技术指标进行工况分析 …13
3．1．1 明确工作要求 ……………………………………………13
3.1.2选择、设计执行元件 ………………………………………13
3．2. 运动分析 ……………………………………………………13
3．3．负载分析 ……………………………………………………14
第四章 气动钻床气动系统元器件的选型 ……………………………14
4．1. 空气压缩机 …………………………………………………14
4.1.1空气压缩机的选型 …………………………………………14
4.1.2空气压缩机的分类及选用原则 ……………………………15
4.1.3气压缩机的工作原理 ………………………………………15
4．2．气缸的选型 …………………………………………………15
4．3．据技术要求确定控制元件，气动辅助元件、确定管道直径 ………………………………………………………………………16
4.3.1选择控制元件 ………………………………………………16
4.3.2选择气动辅件 ………………………………………………17
4.3.3确定管道直径、计算压力损失 ……………………………18
第五章 气动钻床气动系统的安装调试. ……………………………19
5.1．安装、调试电气控制系统 …………………………………19
5.2．进行故障排除 ………………………………………………19
第六章 气动仿真软件——FluidSIM 3.6
6．1 认识FluidSIM 3.6………………………………………….20
结论………………………………………………………………………22
致谢………………………………………………………………………23
参考文献…………………………………………………………………24
附录………………………………………………………………………25

前言
气动传动的动力传递介质来自自然界取之不尽的空气，环境污染小，工程实现容易，所以气动传动是一种易于推广普及的实现工业自动化的应用技术。近年来，气动技术在各个制造行业，尤其在各种自动化生产装备和生产线得到了广泛的应用，气动行业已成为工业国家发展迅速最快的行业之一。课程指导给出了课程设计的一般步骤，实训老师可结合当地的实际情况另拟出设计题目、并指导学生完成课程设计，达到综合实训的目的，学生通过小组通过交流合作完成任务。

第一章 绪论
1.4气动技术的应用及特点
气压传动是以气体作为工作介质，依靠密封工作系统对气体挤压产生的压力能来进行能量转换、传递、控制和调节的一种传动方式。与液压相似，它也有压力和能量两种重要的参数。气压传动由于结构简单、成本低廉、使用方便，所以在各行业中都可以使用，例如，汽车制造、运输技术、航天、纺织、包装、印刷，以及机械制造等。
优点：
1. 气动装置结构简单、轻便、安装维护简。压力等级低，故使用安全。
2. 工作介质取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。
3. 输出力及工作速度的调节非常容易。汽缸动作速度一般为50—500㎜/s，比液压和电气方式的动作速度快。
4. 可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而smc的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。
5. 利用空气的可压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，已获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保能力。
6. 全气动控制具有防火、防爆。耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合人使用。
7. 由于气动控制损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。
缺点
1. 由于空气有压缩性，汽缸的动作速度易受负载的变化而变化。采用气液联动方式可以克服这一缺点。
2. 汽缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例较大，汽缸的低速稳定性不如液压汽缸。
3. 虽然在许多应用场合，汽缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压汽缸低。
综合气压传动的优缺点，若要适应工业自动化及成为柔性制造系统，要求气动系统提高其系统可靠性， 降低成本，研究和开发系统控制技术、机、电、气、液综合技术。气动元件的节能化，微型化，无油化是当前的发展特点。与电子技术相结合产生的自适应元件，如各类比例阀和电器伺服阀，使气动系统从开关控制到反馈控制，计算机的广泛应用为气动技术的发展提供了更加广阔的前景。
1.2 气动钻床的工作原理
启动→送料→夹紧→送料退、钻孔→钻孔退→松开→

1.3 气动钻床的组成
（1）压力控制阀的作用及分类
气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。而储气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。 因此需要用减压阀（调压阀）将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。
有些气动回路需要依靠回路中压力变化实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。
所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀（溢流阀）。
(2)节流阀
所示为圆柱斜切型节流阀的结构图。压缩空气由P口进入，经过节流后，由A口流出。旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。

A单向节流阀
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀。当气流沿着一个方向，流动时，经过节流阀节流；反方向流动时，单向阀打开。
B排气节流阀
排气节流阀是装在执行元件的排气口处，调节进入大气中气体流量的一种控制阀。它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声器件，所以也能起降低排气噪声的作用。
C快速排气阀
进气口P进入压缩空气，并将密封活塞迅速上推，开启阀口2，同时关闭排气口O，使进气口P和工作口A相通。快速排气阀常安装在换向阀和气缸之间。表示了快速排气阀在回路中的应用。它使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加速了气缸往复的运动速度，缩短了工作周期。

（3）方向控制阀
方向控制阀是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、停止及运动方向的气动阀。
根据方向控制阀的功能、控制方式、结构形式、阀内气流的方向及密封形式等，可将方向控制阀分为几类。
分类方式
形式
按阀内气体的流动方向
单向阀、换向阀
按阀芯的结构形式
截止阀、滑阀
按阀的工作位数及通路数
二位三通、二位五通、三位五通等
按阀的控制操纵方式分
气压控制、电磁控制、机械控制、手动控制
按阀的密封形式
硬质密封、软质密封

（4）电磁控制换向阀
A．直动式电磁换向阀
激励线圈不通电时，阀在复位弹簧的作用下处于上端位置。为A与T相通，A口排气。当通电时，电磁铁1推动阀芯向下移动，P与A相通，A口进气。
B．先导式电磁换向阀
直动式电磁阀是由电磁铁直接推动阀芯移动的，当阀通径较大时，用直动式结构所需的电磁铁体积和电力消耗都必然加大，为克服此弱点可采用先导式结构。
导式电磁阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，在由先导压力推动主阀阀芯，使其换向。

第二章动钻床气动系统设计总体方案设计
2．1 分析项目的工艺要求、控制要求和技术指标
（1）项目的工艺要求：
设计以前，必须了解主机或气动设备的工艺过程、动作循环、空间位置、结构、主要技术要求及自动化程度等内容。同时还要了解工作现场的温度、湿度、工件物料的状态，有无腐蚀性、可燃性、防尘的要求，了解动力源的的情况，最高和最低压力及管问供气流量变动范围等要求。
（2）控制要求及技术指标；
设计之前要弄清主机对控制的要求，包括以下几个方面：如主机的运动顺序、运动时间、运动速度和可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力以及连锁和自动化程度等。如温度及湿度变化范围、防震、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚。工作温度均为45到50度。和机、电、液控制相配合的情况，以及对气动系统的要求。
组别
参数
A
B
C
D
最大工作负载
1500N
700N
700N
550N
快退速度
3m/min
3.5m/min
3m/min
3.5m/min
工进速度
30mm/min
40mm/min
50mm/min
60mm/min
运动部件重量
2000N
1500N
1000N
800N
导轨形式
竖直铸铁导轨
其它
A、 C为热封气缸，B、D为切刀气缸
1. 进气管、回气管长度各为1米
2. 行程S均为150mm
3. 静摩擦系数：0.2 动摩擦系数：0.1
4. 启动、减速、制动时间：0.1S
5. 气缸负载效率：0.5

2．2 气动控制系统总体方案一
2．2．1气动回路草图

2．2．2气动回路原理图

第三章 气动钻床气动系统技术设计
3．1 目的工艺要求、控制要求和技术指标进行工况分析。
3．1．1 明确工作要求
设计之前要弄清主机对控制的要求，包括以下几个方面：
（一） 运动和操作力的要求
如主机的运动顺序、运动时间、运动速度和可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力以及连锁和自动化程度等。
工作要求：由气缸C送料，气缸A夹紧，气缸B钻孔

结构示意图：如图
钻孔气缸B先退出，夹紧气缸再退出。
运动要求： 缸行程S均为100mm,且启动、减速、制动时间t≤0.1s气缸活塞平均速度v=s/t=100/0.1=1000mm/s,要求行程末端平稳一些。
动作要求：为使执行元件正常工作，气流通过各种元件、辅件到执行元件的总压力损失，满足于∑△P≤〔∑△P〕验算时，车间内可近似于∑△Pt+∑△Pr≤〔∑△P〕,∑△P≤0.1—1.0
工作环境要求：
如温度及湿度变化范围、防震、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚。工作温度均为45到50度。
和机、电、液控制相配合的情况，以及对气动系统的要求。
3.1.2选择、设计执行元件
包括气缸和气马达的类型，气缸的安装形式及气缸的具体结构尺寸（如缸径、活塞杆直径、缸壁厚）和行程长度、密封形式、耗气量等。设计中要优先考虑选用标准缸的参数。
3.2运动分析
启动→送料→夹紧→送料退(C0)钻头退→松开→

C1 A1 钻头（B1） B0 A0
3.3 负载分析
以A缸为例
参数

最大工作负载
1500
快退速度
3m/min
共进速度
30m/min
运动部件重量
2000
静摩擦系数
0.2
动摩擦系数
0.1
工况
计算公式（外负载）
外负载（N）
工作负载N）
F=kFl (k的范围1.1-1.3)
启动
Fl=fs×Fn
fs: 静摩擦因数
Fn: 运动部件重量
Fl=0.2×2000=400
480
加速
Fl=fv×Fn+mΔv÷Δt
fv: 动摩擦因数
m: 运动部件质量
Δv÷Δt：加速度
Fl=0.1×2000+2000/10×3/60/0.1=300
360
快进
Fl=fv×Fn
Fl=0.1×2000=200
240
工进
Fl=fv×Fn+Ft
Ft: 最大工作负载
Fl=0.1×2000+1500=1700
2040
反向启动
Fl=－F启
Fl=－400
－480

反向加速
Fl=－F加
Fl=－300
－360
反向快进
Fl=－F快
Fl=－200
－240

第四章 气动钻床气动系统元器件的选型
4．1.空气压缩机
4.1.1空气压缩机的选型
（1） 要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。
（2） 要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。清洁度是指气源中含油量，含灰尘杂质的质量及颗粒大小都要控制在很低范围内。干燥度是指压缩空气中含水量的多少，气动装置要求压缩空气的含水量越低越好。
混在压缩空气中的油蒸汽可能聚集在贮气罐、管道、气动系统的容器中，有引起爆炸的危险或影响设备的寿命。
(3) 压缩空气中含有的饱和水分，在一定的条件下会凝结成水，并聚集在个别管道中。在寒冷的冬季，凝结的水会使管道及附件结冰而损坏，影响气动装置的正常工作。
(4) 压缩空气中的灰尘等杂质，对气动系统中作往复运动或转动的气动元件的运动副会产生研磨作用，使这些元件因漏气而降低效率，影响它的使用寿命。
因此气源装置必须设置一些除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥，提高压缩空气质量，进行气源净化处理的辅助设备。
压缩空气站的设备一般包括空气压缩机和使气源净化的辅助设备。如图所示

图
4.1.2空气压缩机的分类及选用原则
（1）分类 按其工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机，容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增大以提高压缩空气的压力。速度式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，然后使气体的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力。
（2）空气压缩机的选用原则 选用空气压缩机需用根据压力和流量两个参数。一般空气压缩机为中压空气压缩机，额定排气压力为1MPa。另外还有低压空气压缩机，排气压力0.2MPa；高压空气压缩机，排气压力为10MPa；超高压空气压缩机，排气压力100MPa。
4.1.3气压缩机的工作原理
气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式。

1-排气阀； 2-汽缸； 3-活塞； 4-活塞杆；
5、6-十字头与滑道； 7-连杆；8-曲柄 9-吸气阀 10-弹簧

当活塞3向右运动时，左腔压力低于大气压力，吸气阀9被打开，空气在大气压力作用下进入气缸2内，这个过程称为“吸气过程”。 当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用下关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为“压缩过程”。当气缸内空气压力增高到略高于输气管内压力后，排气阀1被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为“排气过程”。
4．2．气缸的选型
气缸是气动系统的执行元件之一。除几种特殊气缸外，普通气缸其种类及结构形式与液压缸基本相同。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。QGA系列为无缓冲普通气缸；QGB系列为有缓冲普通气缸。
其它几种较为典型的特殊气缸有气液阻尼缸、薄膜式气缸和冲击式气缸等。

4．3．据项目的技术要求确定控制元件，气动辅助元件、确定管道直径
4.3.1选择控制元件
由q=v×A=1.5×10^-4cm３/s
根据管道内径：d=10mm
查表确定通径d=10mm
一.换向阀 ：气动 选择双气控制二位五通换向阀 型号XQ251031
手动 二位三通 型号DFR5–L10推拉式
工作压力：0–1.0MP
使用温度：5–60摄氏度
介质温度：-10–60摄氏度
二.单向节流阀：型号QLA–L10
工作介质：经过净化，并有油雾的压缩空气。
使用温度：-20–80 摄氏度
工作压力：0.05–0.8MP
开启压力：《0.05MP》
4.3.2选择气动辅件
根据管道内径的d=10mm,则
1.空气过滤器：型号QSLAL10
工作介质：压缩空气
使用温度范围：-25–80 摄氏度（但在不冻结的情况下）
最高进口压力：1MP
2.油雾气：型号QYW–L10
工作介质：经过净化的压缩空气。
使用工作范围：-25–80摄氏度（但不在冻结的情况下）
最高进口压力：1MP
3.过滤减压阀：型号QFLJA–L10
工作介质：压缩空气
使用温度范围：-25–80摄氏度（但在不冻结的情况下）
最高进口压力：1MP
4.贮气罐
4.3.3确定管道直径、计算压力损失
管道直径：d^2=4Q/3.4V=(4×1.5×10^-4)/（3.14×3/60）=100mm
因为，工作压力不高，
温度低于70摄氏度，
是气动工具操作位置变化大
所以，选择软管
查表得 选PU软螺旋管
第五章 气动钻床气动系统的安装调试.
5.1安装、调试电气控制系统；

5.2进行故障排除
在FLUi—dSIM P-3．6中利用软件中的仿真可进行故障排除技术，将软件中的原理利用到接线图中就可以解除故障

6.1认识Fluid-SIM 3.6
Fluid-SIM 3.6是一个综合的软件为创造,模拟研究、教学和气压,电液和数字电路。
　FluidSIM软件由德国Festo公司和Paderborn大学联合开发，是专门用于液压与气压传动的软件[2]。FluidSIM软件可设计液压回路相配套的电气控制回路，。通过电气控制液压回路，能充分展现各种开关和阀的动作过程。FluidSIM软件将CAD功能和仿真功能紧密联系在一起。在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间连接是否可行，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，观察到各元件的物理量值，如气缸的运动速度、输出力、节流阀的开度、气路的压力等，这样我们就能够预先了解回路的动态特性，从而正确的估计回路实际运行时的工作状态。如图2，这样就使回路图绘制和相应液压系统仿真相一致，从而能够在设计完回路后，验证设计的正确性，并演示回路动作过程。
专业人士还获得他们的钱的价值:新型仿真核心不用担心比较特别课程较高。尽管复杂的物理模型和精确的数学程序模拟的速度快得惊人。

结论
虽然实训只有短短的两个星期，但是在这两个星期却学到了许多的新知识，对气动知识是有了初步的了解与认识。实训中以小组讨论的形式设计气动钻床的气动系统，大家分工合作，每个人认真完成各自的任务，体会到了合作的重要性，如何与别人更好的合作。相互合作可以大大提高工作的效率，遇到问题时可以集中大家的智慧，相互讨论，弥补个人的不足。气动实训与以前的实训有所不同，很大程度上要求学生独立完成实训，我们从学校图书馆查阅了许多资料，在大家的讨论中最后才完成任务，在完成任务的过程中，同时也体会到劳动成果带来的乐趣。在实训过程中，我对气产长生了较大的兴趣。老师在实训过程中对学生的指导作用是不容置疑的，对于同学解决疑难问题具有重要的作用。与以前的实训相比，这次的实训的难度要大一些，但收获也是很大的，一分耕耘一分收获。

致谢
本综合实训项目是在李金热老师和许德宏老师的悉心指导下完成的，他对本次实训工作倾注了大量的心血。许德宏老师和李金热老师深厚的专业背景、严谨的治学态度、平易宽厚的人格作风使我受益匪浅。在实训过程中，同学们相互交流，对完成实训帮了很大忙，在这里，我十分感谢那些对我帮助的同学，没有他们的热情的帮助我很难折磨容易的完成任务，提高学习的效率。
参考文献
1．液气压传动 黄涛勋 主编 国家职业资格培训教材编审委员会 编 机械工业出版社
2．液压与气压传动 张忠狮 主编 张春阳 主审 凤凰出版传媒集团 江苏科学技术出版社
3．气动元件样本
4．液压与气压传动
5．气动自动化系统的优化设计
6．机械设计手册
7．单行本 气压传动与控制
8．现代实用气动技术

附录
气动回路原理图

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