多功能气动试验台设计与研制
多功能气动试验台设计与研制
1 引言
1.1 概述
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。
气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
随着气压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可靠性技术的发展，新的气压实验台已朝着高速、高效、智能化、多功能化、多样化的气压计算机辅助测试CAT方向发展，早期按照“传感器模拟二次仪表”的模式组成气压设备试验系统己停产或停止使用，基于虚拟仪器技术的气压 CAT 系统广泛应用于新的气压实验台制造及应用。采用的计算方法有平均值滤波法、中值滤波算法、自适应滤波算法、新型 PID 算法等。采用有vB6 等应用软件开发气压 CAT 实验软件。由于原有设备的陈旧或故障面积太大，仅发现用 MCS一 51 单片机技术对旧式气压实验台重新开发与利用，因此，很少发现采用气压计算机辅助测试CAT对旧式气压实验台重新开发与利用，对旧式气压实验台重新开发与利用有一定的推广应用价值
例如图1.2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。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
这些设备均有其各个方面的优势，不足之处在于气动元件安装上后，位置作用基本固定，一台设备只能做固定的实验，即实验装置互换性较差。
所以，如果能设计出一台通过同一型号材料搭建的实验台，对于气动教学与实验都是极有好处的。
2 气动实验台的设计步骤
2.1 设计目的及意义
综合性、设计性实验是实验教学的一项重要改革，对培养和提高学生的创新精神和实践能力有着重要意义。为了适应当前教学和实验改革的需要我们设计了一种新型的气动实验台。该实验台功能多灵活多变为学生开展创新思维、创新设计提供了良好的实践条件。学生通过实验学会了设计、安装和调试气压传动系统。通过电控气动系统的组装和实验学生还能学会采用电子技术和计算机技术实现气动系统自动化的机电一体化技术。要求实验设备的灵活性较好，可以组装多种PLC控制的以气动元件为主要执行机构的自动化装置。
本课题是工学院立项的自制设备项目的一个部分，计划有4个学生参与，2个参与机械部分的设计和研制，2人参与电控部分设计和研制，要求每人有不同方案。本说明书说明的为机械设计方案中的一种。
2.2设计要达到的要求
1 要求使用三维制图软件进行设计并完成模拟装配，完成必要的装配图及零件图
2 完成方案的研制和调试工作。
3 参与电控部分方案的设计和调试。
2.3 设计步骤
2.3.1 调查研究
研究学生对气动实验台的使用要求，然后检索有关资料。其中包括预测、实验研究成果、发展趋势以及相应的图纸资料等。查阅所需要气动元件及材料的规格参数，通过对上述资料的分析研究，拟订适当的方案，以保证气动实验台的质量和可行性，方便学生使用。
2.3.2拟定方案
通常可以拟定出方案进行分析。方案包括的内容有：主要技术参数、材料选择、气动系统、整体布局，主要部件的示意及尺寸图，改进内容等。
在制定方案时应注意以下几个方面：
（1）当使用和制造出现矛盾时，应先满足使用要求，其次才是尽可能便于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构；
（2）设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案，必须经过实验证明可靠后才能用于设计；
（3）继承与创造相结合，尽量采用实验室现有的设备加工，迅速提高生产效率，吸取经验 ，并在此基础上有所创造和发展。
2.3.3 工作图设计
在选定工艺方案并确定实验台配置形式、结构方案基础上，进行方案图纸的设计。包括：所用零件的零件图，零件间装配的尺寸关系链图，实验台系统的装配图，气动系统的原理图。整理所需零部件的明细表，最后对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。
3 气动实验台桌体部分设计
3.1 材料选材
3.1.1 材料选材要求
材料的选材应满足以下要求
（1）材料的外观、质地要求：所选择的材料应美观大方，质地较轻，整体重量不大。
（2）材料的加工要求：材料材质不能过硬，便于切割、钻铣加工。
（3）材料的质量要求：材料的应具有一定的承受力，能够承受较大重量。
（4）材料的互换性要求：所选择的的材料应具有统一的尺寸，方便拆卸安装。
3.1.2 材料选材及具体尺寸
经过比较筛选，最终选用工业铝型材，其重量轻且承载能力较高，材质不硬方便切割、钻铣加工，规格统一且自带T型沟槽，方便安装、拆卸元件，能满足实验台选材要求。材料具体几种尺寸如下图所示
30x30截面尺寸图 30X60截面尺寸图
15x60截面尺寸图 30x60截面尺寸图 30x90截面尺寸图
为了方便材料与材料及材料与元件间的尺寸配合，以及方便材料拆卸后能够在装配其他方案时重复利用，实现实验设备灵活性好的要求，故统一规定所有铝型材切割长度为30mm的倍数。
3.2 桌体的整体尺寸
实验台的桌体设计尺寸为长1200mm，宽600mm，高615mm（含桌面面板厚度）如图3.1所示
图3.1 桌体设计尺寸
其中桌腿材料为4根30x60x600mm铝型材，原用60x60x600mm铝型材，经过试验60x60x600mm铝型材作为桌腿外形不美观，笨重不堪，故改用30x60mm规格铝型材。
桌腿连接件材料为2根30x30x480mm,2根30x30x1140mm铝型材。
桌面铺设材料为20块15x60x60mm铝型材。
3.3 桌体的连接
3.3.1 桌腿与连接件间的连接
在铝型材上打通孔，绞螺纹，用螺钉连接，如图3.2所示
图3.2打通孔及绞螺纹示意图
3.3.2桌面与连接件间的连接
方案一 在15x60铝型材上打φ12沉孔深13mm，在30x30连接件的T型槽中放置M6螺母，用M6x12十字槽型螺纹连接，具体连接及连接效果图如图3.3
图3.4 十字槽型连接图及截面效果图
方案二 在15x60铝型材上打Φ12沉孔，在30x30连接件的T型槽中放置M6螺母，用M6x10内六角槽型螺纹连接，具体连接及连接效果图如图3.5
3.5内六角型连接图及截面效果图
结论：经过试验，方案一用十字槽型螺钉连接后，铺设板材与板材之间略有不牢靠，且螺钉材料为普通材质，十字槽易磨花，不利于大批量长期反复使用；方案二内六角螺钉材料为喷漆处理的钢，连接较稳定，且花纹为内六角型，利于长期反复使用。
3.4桌体的改进
3.4.1 打孔
考虑到以后人员设计其他方案或改进时需要，在桌体上某些部位另打些许Φ12的沉孔，方便放入螺丝螺母等。如图3.6所示
图3.6桌面部分打孔图 图3.7桌腿及连接部分打孔图
3.4.2 添加连接件加强固定
为了使实验台桌体更加稳定，在如图3.8所示位置添加连接件加强固定
图3.8添加连接件加强固定图
所用材料为2根30x30x480mm和2根30x30x1140mm铝型材。铝型材与桌腿之间用一个如图所示90度连接件（小）加内六角螺钉，铝型材T型槽嵌螺母连接
图3.9 90度连接件（小）示意图及主要尺寸
4 气动实验台气动部分设计
4.1 整体方案设计
为实现纸盒的自动成型，试验台上的机械装置的全部动作由气缸以及机械手执行，气缸由相应的电磁阀控制。试验台三维图如图4.1所示，试验台使用的气缸共有7个，分别是：水平横梁气缸1、旋转气缸2、机械手垂直气缸3、水平气缸4、气缸5、气缸6、水平气缸7，图2-1中给出了每个气缸所在的位置。使用机械手一个，用于定位和纸盒侧壁成型两种用途。试验台中共用电磁阀8个，其中二位四通电磁阀5个，分别控制水平气缸4、气缸5、气缸6、水平气缸7以及机械手，三位五通电磁阀3个，分别控制水平横梁气缸1、旋转气缸2、机械手垂直气缸3。
由于纸盒自动成型过程中，对纸盒位置精度要求高，所以采用机械手用于纸盒定位，保证纸盒的位置保持不变，以配合其它气缸进行成型。机械手同时还用做纸盒侧边成型，机械手的左右移动通过水平横梁气缸1带动，机械手的垂直移动由机械手垂直气缸3带动。纸盒的前后两侧边由固定在旋转平台上的钢板直接固定，以减少气缸的使用，节约成本。只在旋转工作平台前方设置水平气缸4和气缸5实现纸盒一侧成型，并通过旋转气缸2，使纸盒旋转180°，实现纸盒另一侧边成型，以减少气缸的使用。纸盒盖由与特殊结构设计的钢板相连的水平气缸7实现成型，水平气缸7的升降由气缸6带动。
1 引言
1.1 概述
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。
气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
随着气压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可靠性技术的发展，新的气压实验台已朝着高速、高效、智能化、多功能化、多样化的气压计算机辅助测试CAT方向发展，早期按照“传感器模拟二次仪表”的模式组成气压设备试验系统己停产或停止使用，基于虚拟仪器技术的气压 CAT 系统广泛应用于新的气压实验台制造及应用。采用的计算方法有平均值滤波法、中值滤波算法、自适应滤波算法、新型 PID 算法等。采用有vB6 等应用软件开发气压 CAT 实验软件。由于原有设备的陈旧或故障面积太大，仅发现用 MCS一 51 单片机技术对旧式气压实验台重新开发与利用，因此，很少发现采用气压计算机辅助测试CAT对旧式气压实验台重新开发与利用，对旧式气压实验台重新开发与利用有一定的推广应用价值
例如图1.2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。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
这些设备均有其各个方面的优势，不足之处在于气动元件安装上后，位置作用基本固定，一台设备只能做固定的实验，即实验装置互换性较差。
所以，如果能设计出一台通过同一型号材料搭建的实验台，对于气动教学与实验都是极有好处的。
2 气动实验台的设计步骤
2.1 设计目的及意义
综合性、设计性实验是实验教学的一项重要改革，对培养和提高学生的创新精神和实践能力有着重要意义。为了适应当前教学和实验改革的需要我们设计了一种新型的气动实验台。该实验台功能多灵活多变为学生开展创新思维、创新设计提供了良好的实践条件。学生通过实验学会了设计、安装和调试气压传动系统。通过电控气动系统的组装和实验学生还能学会采用电子技术和计算机技术实现气动系统自动化的机电一体化技术。要求实验设备的灵活性较好，可以组装多种PLC控制的以气动元件为主要执行机构的自动化装置。
本课题是工学院立项的自制设备项目的一个部分，计划有4个学生参与，2个参与机械部分的设计和研制，2人参与电控部分设计和研制，要求每人有不同方案。本说明书说明的为机械设计方案中的一种。
2.2设计要达到的要求
1 要求使用三维制图软件进行设计并完成模拟装配，完成必要的装配图及零件图
2 完成方案的研制和调试工作。
3 参与电控部分方案的设计和调试。
2.3 设计步骤
2.3.1 调查研究
研究学生对气动实验台的使用要求，然后检索有关资料。其中包括预测、实验研究成果、发展趋势以及相应的图纸资料等。查阅所需要气动元件及材料的规格参数，通过对上述资料的分析研究，拟订适当的方案，以保证气动实验台的质量和可行性，方便学生使用。
2.3.2拟定方案
通常可以拟定出方案进行分析。方案包括的内容有：主要技术参数、材料选择、气动系统、整体布局，主要部件的示意及尺寸图，改进内容等。
在制定方案时应注意以下几个方面：
（1）当使用和制造出现矛盾时，应先满足使用要求，其次才是尽可能便于制造。要尽量用先进的工艺和创新的结构；
（2）设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案，必须经过实验证明可靠后才能用于设计；
（3）继承与创造相结合，尽量采用实验室现有的设备加工，迅速提高生产效率，吸取经验 ，并在此基础上有所创造和发展。
2.3.3 工作图设计
在选定工艺方案并确定实验台配置形式、结构方案基础上，进行方案图纸的设计。包括：所用零件的零件图，零件间装配的尺寸关系链图，实验台系统的装配图，气动系统的原理图。整理所需零部件的明细表，最后对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。
3 气动实验台桌体部分设计
3.1 材料选材
3.1.1 材料选材要求
材料的选材应满足以下要求
（1）材料的外观、质地要求：所选择的材料应美观大方，质地较轻，整体重量不大。
（2）材料的加工要求：材料材质不能过硬，便于切割、钻铣加工。
（3）材料的质量要求：材料的应具有一定的承受力，能够承受较大重量。
（4）材料的互换性要求：所选择的的材料应具有统一的尺寸，方便拆卸安装。
3.1.2 材料选材及具体尺寸
经过比较筛选，最终选用工业铝型材，其重量轻且承载能力较高，材质不硬方便切割、钻铣加工，规格统一且自带T型沟槽，方便安装、拆卸元件，能满足实验台选材要求。材料具体几种尺寸如下图所示
30x30截面尺寸图 30X60截面尺寸图
15x60截面尺寸图 30x60截面尺寸图 30x90截面尺寸图
为了方便材料与材料及材料与元件间的尺寸配合，以及方便材料拆卸后能够在装配其他方案时重复利用，实现实验设备灵活性好的要求，故统一规定所有铝型材切割长度为30mm的倍数。
3.2 桌体的整体尺寸
实验台的桌体设计尺寸为长1200mm，宽600mm，高615mm（含桌面面板厚度）如图3.1所示
图3.1 桌体设计尺寸
其中桌腿材料为4根30x60x600mm铝型材，原用60x60x600mm铝型材，经过试验60x60x600mm铝型材作为桌腿外形不美观，笨重不堪，故改用30x60mm规格铝型材。
桌腿连接件材料为2根30x30x480mm,2根30x30x1140mm铝型材。
桌面铺设材料为20块15x60x60mm铝型材。
3.3 桌体的连接
3.3.1 桌腿与连接件间的连接
在铝型材上打通孔，绞螺纹，用螺钉连接，如图3.2所示
图3.2打通孔及绞螺纹示意图
3.3.2桌面与连接件间的连接
方案一 在15x60铝型材上打φ12沉孔深13mm，在30x30连接件的T型槽中放置M6螺母，用M6x12十字槽型螺纹连接，具体连接及连接效果图如图3.3
图3.4 十字槽型连接图及截面效果图
方案二 在15x60铝型材上打Φ12沉孔，在30x30连接件的T型槽中放置M6螺母，用M6x10内六角槽型螺纹连接，具体连接及连接效果图如图3.5
3.5内六角型连接图及截面效果图
结论：经过试验，方案一用十字槽型螺钉连接后，铺设板材与板材之间略有不牢靠，且螺钉材料为普通材质，十字槽易磨花，不利于大批量长期反复使用；方案二内六角螺钉材料为喷漆处理的钢，连接较稳定，且花纹为内六角型，利于长期反复使用。
3.4桌体的改进
3.4.1 打孔
考虑到以后人员设计其他方案或改进时需要，在桌体上某些部位另打些许Φ12的沉孔，方便放入螺丝螺母等。如图3.6所示
图3.6桌面部分打孔图 图3.7桌腿及连接部分打孔图
3.4.2 添加连接件加强固定
为了使实验台桌体更加稳定，在如图3.8所示位置添加连接件加强固定
图3.8添加连接件加强固定图
所用材料为2根30x30x480mm和2根30x30x1140mm铝型材。铝型材与桌腿之间用一个如图所示90度连接件（小）加内六角螺钉，铝型材T型槽嵌螺母连接
图3.9 90度连接件（小）示意图及主要尺寸
4 气动实验台气动部分设计
4.1 整体方案设计
为实现纸盒的自动成型，试验台上的机械装置的全部动作由气缸以及机械手执行，气缸由相应的电磁阀控制。试验台三维图如图4.1所示，试验台使用的气缸共有7个，分别是：水平横梁气缸1、旋转气缸2、机械手垂直气缸3、水平气缸4、气缸5、气缸6、水平气缸7，图2-1中给出了每个气缸所在的位置。使用机械手一个，用于定位和纸盒侧壁成型两种用途。试验台中共用电磁阀8个，其中二位四通电磁阀5个，分别控制水平气缸4、气缸5、气缸6、水平气缸7以及机械手，三位五通电磁阀3个，分别控制水平横梁气缸1、旋转气缸2、机械手垂直气缸3。
由于纸盒自动成型过程中，对纸盒位置精度要求高，所以采用机械手用于纸盒定位，保证纸盒的位置保持不变，以配合其它气缸进行成型。机械手同时还用做纸盒侧边成型，机械手的左右移动通过水平横梁气缸1带动，机械手的垂直移动由机械手垂直气缸3带动。纸盒的前后两侧边由固定在旋转平台上的钢板直接固定，以减少气缸的使用，节约成本。只在旋转工作平台前方设置水平气缸4和气缸5实现纸盒一侧成型，并通过旋转气缸2，使纸盒旋转180°，实现纸盒另一侧边成型，以减少气缸的使用。纸盒盖由与特殊结构设计的钢板相连的水平气缸7实现成型，水平气缸7的升降由气缸6带动。
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