光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡瑞棣

（濱州市技術(shù)學(xué)院，山東 濱州 256600）

氣動(dòng)技術(shù)因?yàn)榫哂懈咝А⒐?jié)能、環(huán)保、成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用在大量的生產(chǎn)線及各種設(shè)備上。氣動(dòng)技術(shù)比較成熟，在各種高等院校中已作為機(jī)電一體化等專業(yè)的核心課程來開設(shè)。氣動(dòng)技術(shù)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，必須作為實(shí)訓(xùn)課程開設(shè)才能達(dá)到學(xué)習(xí)效果。

在實(shí)操過程中，氣動(dòng)系統(tǒng)又往往與電氣控制技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到以電控氣的自動(dòng)化效果，氣動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)又往往由各類傳感器來檢測，所以，氣動(dòng)技術(shù)的實(shí)操課程是包含了氣動(dòng)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械知識(shí)與一體的一門綜合性課程。光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備是進(jìn)行氣動(dòng)技能實(shí)訓(xùn)很好的平臺(tái)。本文介紹的是一臺(tái)光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備的氣動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)功能要求、氣動(dòng)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)、氣動(dòng)元件的選型、電控部分的原理設(shè)計(jì)、電控元件選型等。本設(shè)計(jì)既可用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，也可用于產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，達(dá)到了產(chǎn)教融合。

1 實(shí)訓(xùn)臺(tái)氣動(dòng)部分功能要求

本實(shí)訓(xùn)臺(tái)設(shè)計(jì)的功能為物料分揀功能，可以檢測不同材質(zhì)或者顏色的物料進(jìn)行碼垛操作。當(dāng)系統(tǒng)檢測到物料入口處有物料時(shí)，機(jī)械臂伸出夾起物料放置在傳動(dòng)帶上，機(jī)械臂松開返回原位，傳送帶傳送過程中可在不同的位置進(jìn)行物料屬性的判別，并由推桿推入到碼垛口反復(fù)循環(huán)。整個(gè)系統(tǒng)中需要?dú)鈩?dòng)操作的有機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)伸縮，物料的夾緊放松，推桿的伸縮。

2 氣動(dòng)元件的選擇

圖1

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷為教學(xué)用模擬系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)，整個(gè)工作臺(tái)尺寸為120cm×80cm×80cm，整個(gè)臺(tái)面要求簡單全面、小巧緊湊、不使用大型設(shè)備，能演示操作流程及原理即可。本系統(tǒng)中涉及的機(jī)械臂需要有以下幾個(gè)動(dòng)作：左右搖擺、伸出縮回、下降升起、夾緊放松。左右搖擺要求機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)左右均要嚴(yán)格到位且穩(wěn)定，可以選擇雙作用的擺動(dòng)氣缸一個(gè)，型號(hào)CDRB2BW20-180SZ。伸出縮回氣缸由于橫向放置，單側(cè)夾持重物受力，穩(wěn)定性要求高，并且伸出縮回位置要求準(zhǔn)確到位，選擇單出雙桿雙作用氣缸一個(gè)，型號(hào)CXSM15-100。下降升起需要拉起重物，受力較大，并且兩端需要準(zhǔn)確到位，由于物料形狀不確定，活塞桿要求不能旋轉(zhuǎn)，以便氣爪夾持位置準(zhǔn)確，選擇單桿雙作用氣缸一個(gè)，型號(hào)CDJ2KB16-75。物料直徑約為12mm 左右統(tǒng)一形狀，采用夾持物料外側(cè)表面的方式進(jìn)行夾持，物料重量最大100 克，選用型號(hào)為MHZ2-10D的氣爪1 個(gè)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要分揀三種不同材料或顏色的物料，推桿在合適的位置將物料推出，物料輕盈，推動(dòng)物料需要力度較小，但需要一定的推動(dòng)距離，推桿伸出和縮回要求必須到位，否則，造成對(duì)物料阻擋或者不能推到要求位置，選擇單桿雙作用氣缸3 個(gè)，型號(hào)CDJ2KB10-60。需要對(duì)所有氣缸往返動(dòng)作進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，以防止撞擊損壞設(shè)備和動(dòng)作時(shí)間不準(zhǔn)確，加裝節(jié)流閥14 個(gè)，型號(hào)SC4-M5。要求所有動(dòng)作最終采用電氣控制，3 個(gè)推料氣缸推出物料后必須馬上縮回，推桿不能持續(xù)在外部，機(jī)械臂所有動(dòng)作都要求有保持功能，所有動(dòng)作沒有中間位置。選擇型號(hào)為DC24V 4V110-06 的單電控二位五通電磁閥3 個(gè)，供3 個(gè)推桿氣缸使用，選擇型號(hào)為DC24V 4V120-06 的雙電控二位五通電磁閥四個(gè)供機(jī)械臂幾個(gè)動(dòng)作氣缸使用。

3 氣路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖1 所示，7 個(gè)二位五通電磁閥經(jīng)過匯流板連接在一起，又經(jīng)過兩個(gè)節(jié)流閥連接在各自的氣缸上。經(jīng)過仿真運(yùn)行可確定，初始狀態(tài)各氣缸不動(dòng)作，處于縮回狀態(tài)，擺動(dòng)氣缸在右側(cè)，可手動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)電磁閥產(chǎn)生所需動(dòng)作，使得機(jī)械臂能夠正常抓取和推桿正常推出縮回。

圖2

4 電路功能要求

本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置復(fù)位開關(guān)，上電后按復(fù)位開關(guān)確保氣動(dòng)部分復(fù)位，復(fù)位要求為所有氣缸縮回，擺動(dòng)氣缸置于左側(cè)，氣爪松開。

當(dāng)設(shè)備檢測到物料后，機(jī)械臂應(yīng)依序做如下連續(xù)動(dòng)作：伸出——下降——夾緊——上升——右擺——下降——松開——上升——縮回——左擺。當(dāng)各自氣缸檢測到物料時(shí)，推桿氣缸推出到位后縮回。此過程中需要檢測各氣缸位置，除氣爪只需檢測夾緊位置需要一個(gè)傳感器外，其他氣缸均需要兩個(gè)傳感器置于氣缸兩端。

5 電路設(shè)計(jì)

本電路全部元器件工作電壓為24V，需要有1 個(gè)復(fù)位按鈕，考慮整個(gè)系統(tǒng)還需要啟動(dòng)與停止按鈕，選擇1 套三位按鈕盒。復(fù)位開關(guān)控制1 個(gè)繼電器KM18。需要檢測各氣缸位置的行程開關(guān)共13 個(gè)，選擇型號(hào)D-Z73 的磁性開關(guān)3 個(gè)，D-C73 的磁性開關(guān)8 個(gè)，LJ12A3-4-Z/EX 兩線接近開關(guān)2 個(gè)，控制KM1--KM13 共13 個(gè)中間繼電器。需要控制11 個(gè)電磁閥，分別由11 個(gè)接觸器Q1—Q11 控制。本系統(tǒng)為檢測物料，需要型號(hào)為G18-3A10PA 的漫反射光電傳感器1 個(gè)，E3X-NA11 的光纖放大器2 個(gè)，LJ12A3-4-Z/BY 的電感式接近開關(guān)1 個(gè)，4 個(gè)傳感器控制KM14—KM17 共4 個(gè)繼電器。需要其他中間繼電器13 個(gè)，有3 個(gè)使用觸點(diǎn)較多。最終本系統(tǒng)選擇JZC1-22Z 接觸式繼電器2 個(gè)，JZC1-31Z 接觸式繼電器1 個(gè)，NXJ-DC24V-2Z1（D）的8 腳繼電器21 個(gè)，NXJ-DC24V-4Z1（D）的14 腳繼電器4 個(gè)。本系統(tǒng)工作時(shí)應(yīng)先復(fù)位，否則不能啟動(dòng)，檢測到物料后會(huì)反復(fù)進(jìn)行物料抓取與釋放，各推桿檢測到各自物料后會(huì)推出和自動(dòng)縮回。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)可根據(jù)需要擴(kuò)展功能，如物料傳送、物料收集、啟動(dòng)停止等，也可以根據(jù)需要調(diào)整元件進(jìn)行設(shè)備的組裝生產(chǎn)和課堂學(xué)生的訓(xùn)練。