多功能氣動壓力機的設計

金樟源

摘要：設計一種多功能氣動壓力機，該機通過PLC控制內部氣缸的伸縮狀態，從而實現壓頭的上、下伸縮，完成沖孔、鉚合、軸承壓入等作業。介紹多功能氣動壓力機的結構與工作原理，說明主要零部件的設計，并利用PRO/E軟件完成整機裝配與檢驗。

關鍵詞：壓力機；氣動；PRO/E；優化設計

中圖分類號：TH138.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0026-04

目前我國的鉚接設備大多采用簡易氣體驅動方式，其中最典型的是氣動壓力機。現有氣動壓力機精度低、輸出力有限、功能單一且安全度不高，工人在操作時工作強度較大、易疲勞、有一定的危險。為此，對簡易氣動壓力機進行改進，設計一種多功能氣動壓力機。在功能方面進行強化，以實現圓柱面的過盈聯接（可壓入軸承、沖孔、鉚合等）；同時，在結構上加入PLC控制面板，以實現對氣動壓力機的實時控制，并在PLC內加入計數器，便于工人計算產量。

1 多功能氣動壓力機的結構與原理

多功能氣動壓力機主要由支架、驅動氣缸、連桿1、連桿2和標準直線滾動導軌副等構件組成（如圖1所示）。當氣缸桿伸出時，氣缸接頭推動連桿2。由于連桿2、氣缸與支架之間是固定鉸鏈連接，連桿2與連桿1之間、接頭和連桿2之間為鉸鏈連接，因此連桿2可推動連桿1。連桿1與連接螺栓之間也為鉸鏈連接，所以連桿1可以推動連接螺栓作直線運動，實現圓柱面的過盈聯接。

圖1中的氣缸為縮回狀態。氣缸伸出狀態如圖2所示。

2 主要零部件的設計

2.1 連桿

連桿是多功能氣動壓力機的主要零件，它是組成機構的關鍵。連桿1和連桿2的形狀尺寸如圖3和圖4所示。

2.2 氣缸

機構運動簡圖如圖5所示。

計算氣缸的輸出力：1） 設氣缸工作時的輸出力為F0，其大小可以根據氣缸的缸徑查詢相關氣動手冊得出。例如，設計時選用缸徑為80 mm的氣缸，查閱相關手冊，在0.6 MPa壓縮空氣壓力下氣缸的工作輸出力F0為1 510 N。2） 設機構工作時構件2的壓力為F1，以構件1為分析對象，在氣缸輸出力F0及構件2推力F1的作用下構件1處于平衡狀態，根據力矩平衡原理可以計算出：F1=a×F0sinβ/b×sin（θ+α）。3） 設構件在鉚接位置時輸出力為F2，以構件3為分析對象，在構件2壓力F1及負載F2的作用下構件3處于力學平衡狀態，根據力學的平衡原理得出：F2=a×F0sinβcosα/b×sin（θ+α）。

設計條件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，當θ=1°時，機構的輸出力F2高達136 353 N。在極限位置θ=α=0時，機構的輸出力理論上為無窮大，所以應選擇該位置作為機構工作點。在該位置機構不僅具有非常大的工作輸出力，而且還能實現自鎖。同時，在設計氣缸的安裝尺寸時，使該位置β=90°，即氣缸的輸出力方向近乎垂直于構件1的力臂，這樣可使氣缸的工作效率最高。

根據上述結果，確定多功能氣動壓力機采用SC標準氣缸。SC標準氣缸具有結構簡單、成本低廉、維修方便、使用壽命長等諸多優點，調速和啟動特性好，被廣泛應用于各種傳動裝置。本設計中SC標準氣缸的工作壓力為0.6 MPa，型號為100×75。氣缸的三維示意圖如圖6所示。

2.3 回路

氣缸的工作狀態有伸和縮兩種，這兩種狀態都需要通過氣動回路來實現。氣動回路主要由氣壓源、截流閥、兩位三通電磁換向閥、氣缸等零件組成（如圖7所示）。

截流閥可以調節氣體的流速，從而調節氣缸的伸縮速度。兩位三通電磁換向閥可控制氣體流動方向，即控制氣缸的伸縮狀態。當兩位三通電磁換向閥左位得電時，氣缸的工作狀態為伸出；當兩位三通電磁換向閥右位得電時，氣缸的工作狀態為縮回。

2.4 控制系統

控制系統設計為PLC控制。通過PLC控制電磁換向閥的得失電子，從而控制電磁閥的工作狀態；通過編制T型圖來達到控制電磁閥換向的目的，且可以通過PLC編程改善其功能和安全性；CU端有脈沖輸入時，計數器當前值自增1，當前值達到預設值PV時，計數器置1。本設計選用高速計數器預設值PV=7FFF=32767，不會溢出。復位輸入R有效，計數器狀態復位，當前計時器值清零。

T型圖如圖8所示。定義I0.0為電源總開關，M0.0為PLC內部中間繼電器，I0.1和I0.2為兩個啟動按鈕，Q0.0為電磁閥，I0.3為自動開關，I0.4為清除計數器內數據的開關，I0.6為停止開關，C0為增計數器。

當電源總開關通電后，中間繼電器M0.0通電并自鎖，同時按住I0.1和I0.2的按鈕使Q0.0得電（同時按住兩個按鈕可起到保護作用），Q0.0得電會使電磁閥到左位，氣缸伸出，壓頭對工件進行鉚接，同時計數器加1，數字顯示在面板上（如果需要清除增計數器數據需要按下I0.4）。松開按鈕I0.1和I0.2后Q0.0失電，Q0.0失電會使電磁閥到右位，氣缸縮回，壓頭跟著縮回，結束工作。依次反復。按下停止開關I0.6氣缸即停止工作。

2.5 工作臺

為配合鉚接工作，將工作臺置于支架底板上，通過螺釘安裝在支架上。工作臺采用燕尾槽設計，可以把夾具用螺栓固定在燕尾槽導軌下。工作臺如圖9所示。

2.6 導向裝置

導向裝置（如圖10所示）采用直線滾動導軌副進行導向，并設有調整螺母，用于調整導軌副的間隙。

2.7 支架

支架（如圖11所示）的作用是安置氣缸、連桿、導向裝置、PLC面板、工作臺等重要零件。作為主要承力構件，支架承受的是彎曲應力，在機構工作時支架極容易產生彎曲變形而直接影響機構工作精度，而本設計采用的氣缸運動方式使機構工作時支架承受拉伸應力，避免了該問題的出現。

2.8 后蓋與上蓋

后蓋（如圖12所示）的作用是方便氣缸的安裝和安裝好后將氣缸固定在支架上。上蓋（如圖13所示）的作用是方便連桿的安裝，上蓋上還留有行程粗調螺孔。

3 整機裝配

利用PRO/E軟件將多功能氣動壓力機的零部件圖組裝在一起，完成整機裝配三維建模（如圖14所示）。并通過裝配爆炸（如圖15所示）來進一步檢驗各零件的結構設計是否合理，能否滿足裝配要求，能否順利裝配在一起。

4 結論

多功能氣動壓力機在機構上設計巧妙，具有精度高、輸出力大、結構簡單、調整方便、制造成本低等特點，同時還增加了計算產量的功能，并設置了安全旋鈕，提高了安全性，完全可以替代現有的壓力機，具有廣闊的市場前景。

摘要：設計一種多功能氣動壓力機，該機通過PLC控制內部氣缸的伸縮狀態，從而實現壓頭的上、下伸縮，完成沖孔、鉚合、軸承壓入等作業。介紹多功能氣動壓力機的結構與工作原理，說明主要零部件的設計，并利用PRO/E軟件完成整機裝配與檢驗。

關鍵詞：壓力機；氣動；PRO/E；優化設計

中圖分類號：TH138.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0026-04

目前我國的鉚接設備大多采用簡易氣體驅動方式，其中最典型的是氣動壓力機。現有氣動壓力機精度低、輸出力有限、功能單一且安全度不高，工人在操作時工作強度較大、易疲勞、有一定的危險。為此，對簡易氣動壓力機進行改進，設計一種多功能氣動壓力機。在功能方面進行強化，以實現圓柱面的過盈聯接（可壓入軸承、沖孔、鉚合等）；同時，在結構上加入PLC控制面板，以實現對氣動壓力機的實時控制，并在PLC內加入計數器，便于工人計算產量。

1 多功能氣動壓力機的結構與原理

多功能氣動壓力機主要由支架、驅動氣缸、連桿1、連桿2和標準直線滾動導軌副等構件組成（如圖1所示）。當氣缸桿伸出時，氣缸接頭推動連桿2。由于連桿2、氣缸與支架之間是固定鉸鏈連接，連桿2與連桿1之間、接頭和連桿2之間為鉸鏈連接，因此連桿2可推動連桿1。連桿1與連接螺栓之間也為鉸鏈連接，所以連桿1可以推動連接螺栓作直線運動，實現圓柱面的過盈聯接。

圖1中的氣缸為縮回狀態。氣缸伸出狀態如圖2所示。

2 主要零部件的設計

2.1 連桿

連桿是多功能氣動壓力機的主要零件，它是組成機構的關鍵。連桿1和連桿2的形狀尺寸如圖3和圖4所示。

2.2 氣缸

機構運動簡圖如圖5所示。

計算氣缸的輸出力：1） 設氣缸工作時的輸出力為F0，其大小可以根據氣缸的缸徑查詢相關氣動手冊得出。例如，設計時選用缸徑為80 mm的氣缸，查閱相關手冊，在0.6 MPa壓縮空氣壓力下氣缸的工作輸出力F0為1 510 N。2） 設機構工作時構件2的壓力為F1，以構件1為分析對象，在氣缸輸出力F0及構件2推力F1的作用下構件1處于平衡狀態，根據力矩平衡原理可以計算出：F1=a×F0sinβ/b×sin（θ+α）。3） 設構件在鉚接位置時輸出力為F2，以構件3為分析對象，在構件2壓力F1及負載F2的作用下構件3處于力學平衡狀態，根據力學的平衡原理得出：F2=a×F0sinβcosα/b×sin（θ+α）。

設計條件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，當θ=1°時，機構的輸出力F2高達136 353 N。在極限位置θ=α=0時，機構的輸出力理論上為無窮大，所以應選擇該位置作為機構工作點。在該位置機構不僅具有非常大的工作輸出力，而且還能實現自鎖。同時，在設計氣缸的安裝尺寸時，使該位置β=90°，即氣缸的輸出力方向近乎垂直于構件1的力臂，這樣可使氣缸的工作效率最高。

根據上述結果，確定多功能氣動壓力機采用SC標準氣缸。SC標準氣缸具有結構簡單、成本低廉、維修方便、使用壽命長等諸多優點，調速和啟動特性好，被廣泛應用于各種傳動裝置。本設計中SC標準氣缸的工作壓力為0.6 MPa，型號為100×75。氣缸的三維示意圖如圖6所示。

2.3 回路

氣缸的工作狀態有伸和縮兩種，這兩種狀態都需要通過氣動回路來實現。氣動回路主要由氣壓源、截流閥、兩位三通電磁換向閥、氣缸等零件組成（如圖7所示）。

截流閥可以調節氣體的流速，從而調節氣缸的伸縮速度。兩位三通電磁換向閥可控制氣體流動方向，即控制氣缸的伸縮狀態。當兩位三通電磁換向閥左位得電時，氣缸的工作狀態為伸出；當兩位三通電磁換向閥右位得電時，氣缸的工作狀態為縮回。

2.4 控制系統

控制系統設計為PLC控制。通過PLC控制電磁換向閥的得失電子，從而控制電磁閥的工作狀態；通過編制T型圖來達到控制電磁閥換向的目的，且可以通過PLC編程改善其功能和安全性；CU端有脈沖輸入時，計數器當前值自增1，當前值達到預設值PV時，計數器置1。本設計選用高速計數器預設值PV=7FFF=32767，不會溢出。復位輸入R有效，計數器狀態復位，當前計時器值清零。

T型圖如圖8所示。定義I0.0為電源總開關，M0.0為PLC內部中間繼電器，I0.1和I0.2為兩個啟動按鈕，Q0.0為電磁閥，I0.3為自動開關，I0.4為清除計數器內數據的開關，I0.6為停止開關，C0為增計數器。

當電源總開關通電后，中間繼電器M0.0通電并自鎖，同時按住I0.1和I0.2的按鈕使Q0.0得電（同時按住兩個按鈕可起到保護作用），Q0.0得電會使電磁閥到左位，氣缸伸出，壓頭對工件進行鉚接，同時計數器加1，數字顯示在面板上（如果需要清除增計數器數據需要按下I0.4）。松開按鈕I0.1和I0.2后Q0.0失電，Q0.0失電會使電磁閥到右位，氣缸縮回，壓頭跟著縮回，結束工作。依次反復。按下停止開關I0.6氣缸即停止工作。

2.5 工作臺

為配合鉚接工作，將工作臺置于支架底板上，通過螺釘安裝在支架上。工作臺采用燕尾槽設計，可以把夾具用螺栓固定在燕尾槽導軌下。工作臺如圖9所示。

2.6 導向裝置

導向裝置（如圖10所示）采用直線滾動導軌副進行導向，并設有調整螺母，用于調整導軌副的間隙。

2.7 支架

支架（如圖11所示）的作用是安置氣缸、連桿、導向裝置、PLC面板、工作臺等重要零件。作為主要承力構件，支架承受的是彎曲應力，在機構工作時支架極容易產生彎曲變形而直接影響機構工作精度，而本設計采用的氣缸運動方式使機構工作時支架承受拉伸應力，避免了該問題的出現。

2.8 后蓋與上蓋

后蓋（如圖12所示）的作用是方便氣缸的安裝和安裝好后將氣缸固定在支架上。上蓋（如圖13所示）的作用是方便連桿的安裝，上蓋上還留有行程粗調螺孔。

3 整機裝配

利用PRO/E軟件將多功能氣動壓力機的零部件圖組裝在一起，完成整機裝配三維建模（如圖14所示）。并通過裝配爆炸（如圖15所示）來進一步檢驗各零件的結構設計是否合理，能否滿足裝配要求，能否順利裝配在一起。

4 結論

多功能氣動壓力機在機構上設計巧妙，具有精度高、輸出力大、結構簡單、調整方便、制造成本低等特點，同時還增加了計算產量的功能，并設置了安全旋鈕，提高了安全性，完全可以替代現有的壓力機，具有廣闊的市場前景。

摘要：設計一種多功能氣動壓力機，該機通過PLC控制內部氣缸的伸縮狀態，從而實現壓頭的上、下伸縮，完成沖孔、鉚合、軸承壓入等作業。介紹多功能氣動壓力機的結構與工作原理，說明主要零部件的設計，并利用PRO/E軟件完成整機裝配與檢驗。

關鍵詞：壓力機；氣動；PRO/E；優化設計

中圖分類號：TH138.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0026-04

目前我國的鉚接設備大多采用簡易氣體驅動方式，其中最典型的是氣動壓力機。現有氣動壓力機精度低、輸出力有限、功能單一且安全度不高，工人在操作時工作強度較大、易疲勞、有一定的危險。為此，對簡易氣動壓力機進行改進，設計一種多功能氣動壓力機。在功能方面進行強化，以實現圓柱面的過盈聯接（可壓入軸承、沖孔、鉚合等）；同時，在結構上加入PLC控制面板，以實現對氣動壓力機的實時控制，并在PLC內加入計數器，便于工人計算產量。

1 多功能氣動壓力機的結構與原理

多功能氣動壓力機主要由支架、驅動氣缸、連桿1、連桿2和標準直線滾動導軌副等構件組成（如圖1所示）。當氣缸桿伸出時，氣缸接頭推動連桿2。由于連桿2、氣缸與支架之間是固定鉸鏈連接，連桿2與連桿1之間、接頭和連桿2之間為鉸鏈連接，因此連桿2可推動連桿1。連桿1與連接螺栓之間也為鉸鏈連接，所以連桿1可以推動連接螺栓作直線運動，實現圓柱面的過盈聯接。

圖1中的氣缸為縮回狀態。氣缸伸出狀態如圖2所示。

2 主要零部件的設計

2.1 連桿

連桿是多功能氣動壓力機的主要零件，它是組成機構的關鍵。連桿1和連桿2的形狀尺寸如圖3和圖4所示。

2.2 氣缸

機構運動簡圖如圖5所示。

計算氣缸的輸出力：1） 設氣缸工作時的輸出力為F0，其大小可以根據氣缸的缸徑查詢相關氣動手冊得出。例如，設計時選用缸徑為80 mm的氣缸，查閱相關手冊，在0.6 MPa壓縮空氣壓力下氣缸的工作輸出力F0為1 510 N。2） 設機構工作時構件2的壓力為F1，以構件1為分析對象，在氣缸輸出力F0及構件2推力F1的作用下構件1處于平衡狀態，根據力矩平衡原理可以計算出：F1=a×F0sinβ/b×sin（θ+α）。3） 設構件在鉚接位置時輸出力為F2，以構件3為分析對象，在構件2壓力F1及負載F2的作用下構件3處于力學平衡狀態，根據力學的平衡原理得出：F2=a×F0sinβcosα/b×sin（θ+α）。

設計條件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，當θ=1°時，機構的輸出力F2高達136 353 N。在極限位置θ=α=0時，機構的輸出力理論上為無窮大，所以應選擇該位置作為機構工作點。在該位置機構不僅具有非常大的工作輸出力，而且還能實現自鎖。同時，在設計氣缸的安裝尺寸時，使該位置β=90°，即氣缸的輸出力方向近乎垂直于構件1的力臂，這樣可使氣缸的工作效率最高。

根據上述結果，確定多功能氣動壓力機采用SC標準氣缸。SC標準氣缸具有結構簡單、成本低廉、維修方便、使用壽命長等諸多優點，調速和啟動特性好，被廣泛應用于各種傳動裝置。本設計中SC標準氣缸的工作壓力為0.6 MPa，型號為100×75。氣缸的三維示意圖如圖6所示。

2.3 回路

氣缸的工作狀態有伸和縮兩種，這兩種狀態都需要通過氣動回路來實現。氣動回路主要由氣壓源、截流閥、兩位三通電磁換向閥、氣缸等零件組成（如圖7所示）。

截流閥可以調節氣體的流速，從而調節氣缸的伸縮速度。兩位三通電磁換向閥可控制氣體流動方向，即控制氣缸的伸縮狀態。當兩位三通電磁換向閥左位得電時，氣缸的工作狀態為伸出；當兩位三通電磁換向閥右位得電時，氣缸的工作狀態為縮回。

2.4 控制系統

控制系統設計為PLC控制。通過PLC控制電磁換向閥的得失電子，從而控制電磁閥的工作狀態；通過編制T型圖來達到控制電磁閥換向的目的，且可以通過PLC編程改善其功能和安全性；CU端有脈沖輸入時，計數器當前值自增1，當前值達到預設值PV時，計數器置1。本設計選用高速計數器預設值PV=7FFF=32767，不會溢出。復位輸入R有效，計數器狀態復位，當前計時器值清零。

T型圖如圖8所示。定義I0.0為電源總開關，M0.0為PLC內部中間繼電器，I0.1和I0.2為兩個啟動按鈕，Q0.0為電磁閥，I0.3為自動開關，I0.4為清除計數器內數據的開關，I0.6為停止開關，C0為增計數器。

當電源總開關通電后，中間繼電器M0.0通電并自鎖，同時按住I0.1和I0.2的按鈕使Q0.0得電（同時按住兩個按鈕可起到保護作用），Q0.0得電會使電磁閥到左位，氣缸伸出，壓頭對工件進行鉚接，同時計數器加1，數字顯示在面板上（如果需要清除增計數器數據需要按下I0.4）。松開按鈕I0.1和I0.2后Q0.0失電，Q0.0失電會使電磁閥到右位，氣缸縮回，壓頭跟著縮回，結束工作。依次反復。按下停止開關I0.6氣缸即停止工作。

2.5 工作臺

為配合鉚接工作，將工作臺置于支架底板上，通過螺釘安裝在支架上。工作臺采用燕尾槽設計，可以把夾具用螺栓固定在燕尾槽導軌下。工作臺如圖9所示。

2.6 導向裝置

導向裝置（如圖10所示）采用直線滾動導軌副進行導向，并設有調整螺母，用于調整導軌副的間隙。

2.7 支架

支架（如圖11所示）的作用是安置氣缸、連桿、導向裝置、PLC面板、工作臺等重要零件。作為主要承力構件，支架承受的是彎曲應力，在機構工作時支架極容易產生彎曲變形而直接影響機構工作精度，而本設計采用的氣缸運動方式使機構工作時支架承受拉伸應力，避免了該問題的出現。

2.8 后蓋與上蓋

后蓋（如圖12所示）的作用是方便氣缸的安裝和安裝好后將氣缸固定在支架上。上蓋（如圖13所示）的作用是方便連桿的安裝，上蓋上還留有行程粗調螺孔。

3 整機裝配

利用PRO/E軟件將多功能氣動壓力機的零部件圖組裝在一起，完成整機裝配三維建模（如圖14所示）。并通過裝配爆炸（如圖15所示）來進一步檢驗各零件的結構設計是否合理，能否滿足裝配要求，能否順利裝配在一起。

4 結論

多功能氣動壓力機在機構上設計巧妙，具有精度高、輸出力大、結構簡單、調整方便、制造成本低等特點，同時還增加了計算產量的功能，并設置了安全旋鈕，提高了安全性，完全可以替代現有的壓力機，具有廣闊的市場前景。