多功能气动压力机的设计

1、    多功能气动压力机的设计    金樟源摘要：设计一种多功能气动压力机，该机通过plc控制内部气缸的伸缩状态，从而实现压头的上、下伸缩，完成冲孔、铆合、轴承压入等作业。介绍多功能气动压力机的结构与工作原理，说明主要零部件的设计，并利用pro/e软件完成整机装配与检验。关键词：压力机；气动；pro/e；优化设计：th138.9 ：a ：1674-1161（2014）01-0026-04目前我国的铆接设备大多采用简易气体驱动方式，其中最典型的是气动压力机。现有气动压力机精度低、输出力有限、功能单一且安全度不高，工人在操作时工作强度较大、易疲劳、有一定的危

2、险。为此，对简易气动压力机进行改进，设计一种多功能气动压力机。在功能方面进行强化，以实现圆柱面的过盈联接（可压入轴承、冲孔、铆合等）；同时，在结构上加入plc控制面板，以实现对气动压力机的实时控制，并在plc内加入计数器，便于工人计算产量。1 多功能气动压力机的结构与原理多功能气动压力机主要由支架、驱动气缸、连杆1、连杆2和标准直线滚动导轨副等构件组成（如图1所示）。当气缸杆伸出时，气缸接头推动连杆2。由于连杆2、气缸与支架之间是固定铰链连接，连杆2与连杆1之间、接头和连杆2之间为铰链连接，因此连杆2可推动连杆1。连杆1与连接螺栓之间也为铰链连接，所以连杆1可以推动连接螺栓作直线运动，实现圆柱

3、面的过盈联接。图1中的气缸为缩回状态。气缸伸出状态如图2所示。2 主要零部件的设计2.1 连杆连杆是多功能气动压力机的主要零件，它是组成机构的关键。连杆1和连杆2的形状尺寸如图3和图4所示。2.2 气缸机构运动简图如图5所示。计算气缸的输出力：1） 设气缸工作时的输出力为f0，其大小可以根据气缸的缸径查询相关气动手册得出。例如，设计时选用缸径为80 mm的气缸，查阅相关手册，在0.6 mpa压缩空气压力下气缸的工作输出力f0为1 510 n。2） 设机构工作时构件2的压力为f1，以构件1为分析对象，在气缸输出力f0及构件2推力f1的作用下构件1处于平衡状态，根据力矩平衡原理可以计算出：f1=a

4、×f0sin/b×sin（+）。3） 设构件在铆接位置时输出力为f2，以构件3为分析对象，在构件2压力f1及负载f2的作用下构件3处于力学平衡状态，根据力学的平衡原理得出：f2=a×f0sincos/b×sin（+）。设计条件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，当=1°时，机构的输出力f2高达136 353 n。在极限位置=0时，机构的输出力理论上为无穷大，所以应选择该位置作为机构工作点。在该位置机构不仅具有非常大的工作输出力，而且还能实现自锁。同时，在设计气缸的安装尺寸时，使该位置=90°，即气缸的输出力方向近乎垂直

5、于构件1的力臂，这样可使气缸的工作效率最高。根据上述结果，确定多功能气动压力机采用sc标准气缸。sc标准气缸具有结构简单、成本低廉、维修方便、使用寿命长等诸多优点，调速和启动特性好，被广泛应用于各种传动装置。本设计中sc标准气缸的工作压力为0.6 mpa，型号为100×75。气缸的三维示意图如图6所示。2.3 回路气缸的工作状态有伸和缩两种，这两种状态都需要通过气动回路来实现。气动回路主要由气压源、截流阀、两位三通电磁换向阀、气缸等零件组成（如图7所示）。截流阀可以调节气体的流速，从而调节气缸的伸缩速度。两位三通电磁换向阀可控制气体流动方向，即控制气缸的伸缩状态。当两位三通电磁换向阀

6、左位得电时，气缸的工作状态为伸出；当两位三通电磁换向阀右位得电时，气缸的工作状态为缩回。2.4 控制系统控制系统设计为plc控制。通过plc控制电磁换向阀的得失电子，从而控制电磁阀的工作状态；通过编制t型图来达到控制电磁阀换向的目的，且可以通过plc编程改善其功能和安全性；cu端有脉冲输入时，计数器当前值自增1，当前值达到预设值pv时，计数器置1。本设计选用高速计数器预设值pv=7fff=32767，不会溢出。复位输入r有效，计数器状态复位，当前计时器值清零。t型图如图8所示。定义i0.0为电源总开关，m0.0为plc内部中间继电器，i0.1和i0.2为两个启动按钮，q0.0为电磁阀，i0.3

7、为自动开关，i0.4为清除计数器内数据的开关，i0.6为停止开关，c0为增计数器。当电源总开关通电后，中间继电器m0.0通电并自锁，同时按住i0.1和i0.2的按钮使q0.0得电（同时按住两个按钮可起到保护作用），q0.0得电会使电磁阀到左位，气缸伸出，压头对工件进行铆接，同时计数器加1，数字显示在面板上（如果需要清除增计数器数据需要按下i0.4）。松开按钮i0.1和i0.2后q0.0失电，q0.0失电会使电磁阀到右位，气缸缩回，压头跟着缩回，结束工作。依次反复。按下停止开关i0.6气缸即停止工作。2.5 工作台为配合铆接工作，将工作台置于支架底板上，通过螺钉安装在支架上。工作台采用燕尾槽设计

8、，可以把夹具用螺栓固定在燕尾槽导轨下。工作台如图9所示。2.6 导向装置导向装置（如图10所示）采用直线滚动导轨副进行导向，并设有调整螺母，用于调整导轨副的间隙。2.7 支架支架（如图11所示）的作用是安置气缸、连杆、导向装置、plc面板、工作台等重要零件。作为主要承力构件，支架承受的是弯曲应力，在机构工作时支架极容易产生弯曲变形而直接影响机构工作精度，而本设计采用的气缸运动方式使机构工作时支架承受拉伸应力，避免了该问题的出现。2.8 后盖与上盖后盖（如图12所示）的作用是方便气缸的安装和安装好后将气缸固定在支架上。上盖（如图13所示）的作用是方便连杆的安装，上盖上还留有行程粗调螺孔。3 整机

9、装配利用pro/e软件将多功能气动压力机的零部件图组装在一起，完成整机装配三维建模（如图14所示）。并通过装配爆炸（如图15所示）来进一步检验各零件的结构设计是否合理，能否满足装配要求，能否顺利装配在一起。4 结论多功能气动压力机在机构上设计巧妙，具有精度高、输出力大、结构简单、调整方便、制造成本低等特点，同时还增加了计算产量的功能，并设置了安全旋钮，提高了安全性，完全可以替代现有的压力机，具有广阔的市场前景。 摘要：设计一种多功能气动压力机，该机通过plc控制内部气缸的伸缩状态，从而实现压头的上、下伸缩，完成冲孔、铆合、轴承压入等作业。介绍多功能气动压力机的结构与工作原理，说明主要零部件的设

10、计，并利用pro/e软件完成整机装配与检验。关键词：压力机；气动；pro/e；优化设计：th138.9 ：a ：1674-1161（2014）01-0026-04目前我国的铆接设备大多采用简易气体驱动方式，其中最典型的是气动压力机。现有气动压力机精度低、输出力有限、功能单一且安全度不高，工人在操作时工作强度较大、易疲劳、有一定的危险。为此，对简易气动压力机进行改进，设计一种多功能气动压力机。在功能方面进行强化，以实现圆柱面的过盈联接（可压入轴承、冲孔、铆合等）；同时，在结构上加入plc控制面板，以实现对气动压力机的实时控制，并在plc内加入计数器，便于工人计算产量。1 多功能气动压力机的结构与

11、原理多功能气动压力机主要由支架、驱动气缸、连杆1、连杆2和标准直线滚动导轨副等构件组成（如图1所示）。当气缸杆伸出时，气缸接头推动连杆2。由于连杆2、气缸与支架之间是固定铰链连接，连杆2与连杆1之间、接头和连杆2之间为铰链连接，因此连杆2可推动连杆1。连杆1与连接螺栓之间也为铰链连接，所以连杆1可以推动连接螺栓作直线运动，实现圆柱面的过盈联接。图1中的气缸为缩回状态。气缸伸出状态如图2所示。2 主要零部件的设计2.1 连杆连杆是多功能气动压力机的主要零件，它是组成机构的关键。连杆1和连杆2的形状尺寸如图3和图4所示。2.2 气缸机构运动简图如图5所示。计算气缸的输出力：1） 设气缸工作时的输出

12、力为f0，其大小可以根据气缸的缸径查询相关气动手册得出。例如，设计时选用缸径为80 mm的气缸，查阅相关手册，在0.6 mpa压缩空气压力下气缸的工作输出力f0为1 510 n。2） 设机构工作时构件2的压力为f1，以构件1为分析对象，在气缸输出力f0及构件2推力f1的作用下构件1处于平衡状态，根据力矩平衡原理可以计算出：f1=a×f0sin/b×sin（+）。3） 设构件在铆接位置时输出力为f2，以构件3为分析对象，在构件2压力f1及负载f2的作用下构件3处于力学平衡状态，根据力学的平衡原理得出：f2=a×f0sincos/b×sin（+）。设计条件下

13、a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，当=1°时，机构的输出力f2高达136 353 n。在极限位置=0时，机构的输出力理论上为无穷大，所以应选择该位置作为机构工作点。在该位置机构不仅具有非常大的工作输出力，而且还能实现自锁。同时，在设计气缸的安装尺寸时，使该位置=90°，即气缸的输出力方向近乎垂直于构件1的力臂，这样可使气缸的工作效率最高。根据上述结果，确定多功能气动压力机采用sc标准气缸。sc标准气缸具有结构简单、成本低廉、维修方便、使用寿命长等诸多优点，调速和启动特性好，被广泛应用于各种传动装置。本设计中sc标准气缸的工作压力为0.6 mpa，型号为100

14、×75。气缸的三维示意图如图6所示。2.3 回路气缸的工作状态有伸和缩两种，这两种状态都需要通过气动回路来实现。气动回路主要由气压源、截流阀、两位三通电磁换向阀、气缸等零件组成（如图7所示）。截流阀可以调节气体的流速，从而调节气缸的伸缩速度。两位三通电磁换向阀可控制气体流动方向，即控制气缸的伸缩状态。当两位三通电磁换向阀左位得电时，气缸的工作状态为伸出；当两位三通电磁换向阀右位得电时，气缸的工作状态为缩回。2.4 控制系统控制系统设计为plc控制。通过plc控制电磁换向阀的得失电子，从而控制电磁阀的工作状态；通过编制t型图来达到控制电磁阀换向的目的，且可以通过plc编程改善其功能和安

15、全性；cu端有脉冲输入时，计数器当前值自增1，当前值达到预设值pv时，计数器置1。本设计选用高速计数器预设值pv=7fff=32767，不会溢出。复位输入r有效，计数器状态复位，当前计时器值清零。t型图如图8所示。定义i0.0为电源总开关，m0.0为plc内部中间继电器，i0.1和i0.2为两个启动按钮，q0.0为电磁阀，i0.3为自动开关，i0.4为清除计数器内数据的开关，i0.6为停止开关，c0为增计数器。当电源总开关通电后，中间继电器m0.0通电并自锁，同时按住i0.1和i0.2的按钮使q0.0得电（同时按住两个按钮可起到保护作用），q0.0得电会使电磁阀到左位，气缸伸出，压头对工件进行

16、铆接，同时计数器加1，数字显示在面板上（如果需要清除增计数器数据需要按下i0.4）。松开按钮i0.1和i0.2后q0.0失电，q0.0失电会使电磁阀到右位，气缸缩回，压头跟着缩回，结束工作。依次反复。按下停止开关i0.6气缸即停止工作。2.5 工作台为配合铆接工作，将工作台置于支架底板上，通过螺钉安装在支架上。工作台采用燕尾槽设计，可以把夹具用螺栓固定在燕尾槽导轨下。工作台如图9所示。2.6 导向装置导向装置（如图10所示）采用直线滚动导轨副进行导向，并设有调整螺母，用于调整导轨副的间隙。2.7 支架支架（如图11所示）的作用是安置气缸、连杆、导向装置、plc面板、工作台等重要零件。作为主要承

17、力构件，支架承受的是弯曲应力，在机构工作时支架极容易产生弯曲变形而直接影响机构工作精度，而本设计采用的气缸运动方式使机构工作时支架承受拉伸应力，避免了该问题的出现。2.8 后盖与上盖后盖（如图12所示）的作用是方便气缸的安装和安装好后将气缸固定在支架上。上盖（如图13所示）的作用是方便连杆的安装，上盖上还留有行程粗调螺孔。3 整机装配利用pro/e软件将多功能气动压力机的零部件图组装在一起，完成整机装配三维建模（如图14所示）。并通过装配爆炸（如图15所示）来进一步检验各零件的结构设计是否合理，能否满足装配要求，能否顺利装配在一起。4 结论多功能气动压力机在机构上设计巧妙，具有精度高、输出力大

18、、结构简单、调整方便、制造成本低等特点，同时还增加了计算产量的功能，并设置了安全旋钮，提高了安全性，完全可以替代现有的压力机，具有广阔的市场前景。 摘要：设计一种多功能气动压力机，该机通过plc控制内部气缸的伸缩状态，从而实现压头的上、下伸缩，完成冲孔、铆合、轴承压入等作业。介绍多功能气动压力机的结构与工作原理，说明主要零部件的设计，并利用pro/e软件完成整机装配与检验。关键词：压力机；气动；pro/e；优化设计：th138.9 ：a ：1674-1161（2014）01-0026-04目前我国的铆接设备大多采用简易气体驱动方式，其中最典型的是气动压力机。现有气动压力机精度低、输出力有限、功

19、能单一且安全度不高，工人在操作时工作强度较大、易疲劳、有一定的危险。为此，对简易气动压力机进行改进，设计一种多功能气动压力机。在功能方面进行强化，以实现圆柱面的过盈联接（可压入轴承、冲孔、铆合等）；同时，在结构上加入plc控制面板，以实现对气动压力机的实时控制，并在plc内加入计数器，便于工人计算产量。1 多功能气动压力机的结构与原理多功能气动压力机主要由支架、驱动气缸、连杆1、连杆2和标准直线滚动导轨副等构件组成（如图1所示）。当气缸杆伸出时，气缸接头推动连杆2。由于连杆2、气缸与支架之间是固定铰链连接，连杆2与连杆1之间、接头和连杆2之间为铰链连接，因此连杆2可推动连杆1。连杆1与连接螺栓

20、之间也为铰链连接，所以连杆1可以推动连接螺栓作直线运动，实现圆柱面的过盈联接。图1中的气缸为缩回状态。气缸伸出状态如图2所示。2 主要零部件的设计2.1 连杆连杆是多功能气动压力机的主要零件，它是组成机构的关键。连杆1和连杆2的形状尺寸如图3和图4所示。2.2 气缸机构运动简图如图5所示。计算气缸的输出力：1） 设气缸工作时的输出力为f0，其大小可以根据气缸的缸径查询相关气动手册得出。例如，设计时选用缸径为80 mm的气缸，查阅相关手册，在0.6 mpa压缩空气压力下气缸的工作输出力f0为1 510 n。2） 设机构工作时构件2的压力为f1，以构件1为分析对象，在气缸输出力f0及构件2推力f1

21、的作用下构件1处于平衡状态，根据力矩平衡原理可以计算出：f1=a×f0sin/b×sin（+）。3） 设构件在铆接位置时输出力为f2，以构件3为分析对象，在构件2压力f1及负载f2的作用下构件3处于力学平衡状态，根据力学的平衡原理得出：f2=a×f0sincos/b×sin（+）。设计条件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，当=1°时，机构的输出力f2高达136 353 n。在极限位置=0时，机构的输出力理论上为无穷大，所以应选择该位置作为机构工作点。在该位置机构不仅具有非常大的工作输出力，而且还能实现自锁。同时，在设计气缸的安

22、装尺寸时，使该位置=90°，即气缸的输出力方向近乎垂直于构件1的力臂，这样可使气缸的工作效率最高。根据上述结果，确定多功能气动压力机采用sc标准气缸。sc标准气缸具有结构简单、成本低廉、维修方便、使用寿命长等诸多优点，调速和启动特性好，被广泛应用于各种传动装置。本设计中sc标准气缸的工作压力为0.6 mpa，型号为100×75。气缸的三维示意图如图6所示。2.3 回路气缸的工作状态有伸和缩两种，这两种状态都需要通过气动回路来实现。气动回路主要由气压源、截流阀、两位三通电磁换向阀、气缸等零件组成（如图7所示）。截流阀可以调节气体的流速，从而调节气缸的伸缩速度。两位三通电磁换向

23、阀可控制气体流动方向，即控制气缸的伸缩状态。当两位三通电磁换向阀左位得电时，气缸的工作状态为伸出；当两位三通电磁换向阀右位得电时，气缸的工作状态为缩回。2.4 控制系统控制系统设计为plc控制。通过plc控制电磁换向阀的得失电子，从而控制电磁阀的工作状态；通过编制t型图来达到控制电磁阀换向的目的，且可以通过plc编程改善其功能和安全性；cu端有脉冲输入时，计数器当前值自增1，当前值达到预设值pv时，计数器置1。本设计选用高速计数器预设值pv=7fff=32767，不会溢出。复位输入r有效，计数器状态复位，当前计时器值清零。t型图如图8所示。定义i0.0为电源总开关，m0.0为plc内部中间继电器，i0.1和i0.2为两个启动按钮，q0.0为电磁阀，i0.3为自动开关，i0.4为清除计数器内数据的开关，i0.6为停止开关，c0为增计数器。当电源总