氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

楊雅君+趙世英+陳永輝+張子林+孫如民+成挺

摘 要：為了滿足氣壓傳動(dòng)科研過(guò)程中“氣電一體化”控制實(shí)驗(yàn)的需求，本項(xiàng)目研制了多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)執(zhí)行元件的控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和實(shí)驗(yàn)曲線的輸出。與傳統(tǒng)的氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動(dòng)系統(tǒng)控制過(guò)程的自動(dòng)化、可視化、數(shù)字化，有效提高實(shí)驗(yàn)效率，顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：氣壓傳動(dòng)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；組合式

中圖分類號(hào)：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0092-02

Abstract： In order to meet the demand of "gas and electricity integration" control experiment in the process of pneumatic transmission research， a multifunctional combined test bench was developed in this project. The design of experimental operation data， the control of system execution element， the processing of experimental data and the output of experimental curve are realized by computer. Compared with the traditional pneumatic transmission test bench， it can realize the automation， visualization and digitization of the pneumatic system control process， effectively improve the experimental efficiency and significantly improve the students' interest in learning.

Keywords： pneumatic transmission； experimental bench； combined type

氣動(dòng)技術(shù)因?yàn)榫哂懈咝?、?jié)能、環(huán)保、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在各種生產(chǎn)線上都有廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，食品、醫(yī)藥等行業(yè)發(fā)展水平飛速提高，對(duì)高效率和自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求越來(lái)越高[1]。氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是應(yīng)用在氣壓與液壓傳動(dòng)技術(shù)實(shí)踐課程當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)裝置。氣壓與液壓傳動(dòng)技術(shù)實(shí)踐課程是許多高校機(jī)械專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐必修課，所以氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在高等院校專業(yè)教學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用非常廣泛。本文所介紹的是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)過(guò)程。與傳統(tǒng)氣壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的組合式多功能氣壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是開(kāi)放式的。在這個(gè)平臺(tái)上，學(xué)生們能夠自行設(shè)計(jì)和組裝氣動(dòng)控制電路。通過(guò)這種方式，學(xué)生們會(huì)更有動(dòng)力去學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力，通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)了解理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的和諧統(tǒng)一。不僅如此，本設(shè)計(jì)既可用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，更適合工業(yè)用閥組和控制元器件的組裝，實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng)化和可視化，達(dá)到教學(xué)科研二者兼顧[2]?？梢燥@著提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的工作原理

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的工作原理是：計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)控制該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架所在的氣動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)人為設(shè)置的數(shù)據(jù)，通過(guò)輸出模擬信號(hào)控制氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)設(shè)定的值自動(dòng)調(diào)節(jié)流量和壓力，并進(jìn)行閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝教學(xué)或研究相關(guān)傳感器，如壓力、流量、速度傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被傳送到到計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理，虛擬儀器直接輸出相關(guān)曲線，直觀顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架所在的氣動(dòng)系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)，收集氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、控制閥組、傳感器和繼電器等相關(guān)元器件的技術(shù)資料和設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架工作特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，確定整個(gè)機(jī)身的設(shè)計(jì)；應(yīng)用CAD/CAE機(jī)械設(shè)計(jì)和虛擬仿真軟件，進(jìn)行臺(tái)架的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各部分零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)；建立整機(jī)和零件的虛擬裝配，建立整個(gè)機(jī)器的三維模型，制作虛擬樣機(jī)顯示和工作流程仿真視頻。

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要由實(shí)驗(yàn)臺(tái)框架、電氣控制系統(tǒng)支架、升降機(jī)構(gòu)和底座等四部分組成，整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)外部框架如圖2所示。升降臺(tái)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)框架、電器控制系統(tǒng)支架和底座形成了內(nèi)外結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)成這種結(jié)構(gòu)的好處，一方面實(shí)現(xiàn)空間高效利用；另一方面把升降機(jī)構(gòu)放置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)部，能夠降低外界因素的干擾，有效提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。底座上的6根鋼條與電氣控制系統(tǒng)支架的頂部連接，實(shí)現(xiàn)了升降機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)外部平臺(tái)影響的減弱，顯著提高整個(gè)臺(tái)架的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架底座是整個(gè)臺(tái)架的全部承重部位，要用密度較大的材料以保證整個(gè)臺(tái)架的平衡，底座幾乎承載了整個(gè)機(jī)身的重量，所以它應(yīng)該具有較強(qiáng)的剛度。實(shí)驗(yàn)臺(tái)框架要放置實(shí)驗(yàn)輔助用具以及計(jì)算機(jī)，故它要有良好的承重性；同時(shí)它是整個(gè)臺(tái)架唯一可以與外界聯(lián)通的地方，為了方便日后的保養(yǎng)和維修，應(yīng)當(dāng)做到可以打開(kāi)并且材料密度不能太大。電氣控制系統(tǒng)支架支撐著整個(gè)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，為了防止升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)對(duì)支架造成拉伸和擠壓導(dǎo)致支架變形，該部分要有較強(qiáng)的剛度，且不易變形。升降機(jī)構(gòu)因?yàn)殚L(zhǎng)期經(jīng)受摩擦，故材料要有較強(qiáng)的耐磨性能；粗糙度低的材料能夠有效降低實(shí)驗(yàn)誤差；升降機(jī)頂部因?yàn)橐\(yùn)動(dòng)，所以材料的密度需要根據(jù)工作缸的工作特點(diǎn)測(cè)算之后選擇；另外因?yàn)楣ぷ鞲變?nèi)壓強(qiáng)大，工作缸的材料要有較強(qiáng)的剛度，不易變形。連接底座和電氣控制系統(tǒng)支架的六根鋼條起連接和支撐作用，故要有很好的剛度特性和韌性，不易變形。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺(tái)架要連接傳感器、計(jì)算機(jī)和信息采集卡，所以實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的外部不能完全封閉，要預(yù)留出接口線可以通過(guò)的圓孔。為了保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外部材料要有韌性，抗碰撞。為整個(gè)臺(tái)架的重量考慮，外壁應(yīng)選擇密度較小的材料，以便于運(yùn)輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架需要與計(jì)算機(jī)、傳感器和信息采集卡等儀器組合使用，所以在加工之前需要設(shè)計(jì)合理的尺寸，以便它們能夠最大限度的利用空間且有效的相互配合?？紤]到普及問(wèn)題，整個(gè)臺(tái)架要實(shí)現(xiàn)體積最小化，重量最輕化，以便于運(yùn)輸，節(jié)約空間。氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)多功能組合式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架滿足了氣壓傳動(dòng)科研過(guò)程中“氣電一體化”控制實(shí)驗(yàn)的需求，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)系統(tǒng)控制過(guò)程的自動(dòng)化、可視化、數(shù)字化，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣， 激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，有廣闊的前景。

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