氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架的設計

楊雅君+趙世英+陳永輝+張子林+孫如民+成挺

摘 要：為了滿足氣壓傳動科研過程中“氣電一體化”控制實驗的需求，本項目研制了多功能組合式實驗臺架。通過計算機實現實驗操作數據的設計、系統執行元件的控制、實驗數據的處理和實驗曲線的輸出。與傳統的氣壓傳動實驗臺相比，能夠實現氣動系統控制過程的自動化、可視化、數字化，有效提高實驗效率，顯著提高學生學習興趣。

關鍵詞：氣壓傳動；實驗臺架；組合式

中圖分類號：TH138 文獻標志碼：A 文章編號：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

氣動技術因為具有高效、節能、環保、成本低、結構簡單等優點，在各種生產線上都有廣泛應用。隨著經濟和工業的發展，食品、醫藥等行業發展水平飛速提高，對高效率和自動化生產線的要求越來越高[1]。氣壓傳動實驗臺是應用在氣壓與液壓傳動技術實踐課程當中的實驗裝置。氣壓與液壓傳動技術實踐課程是許多高校機械專業學生的實踐必修課，所以氣壓傳動實驗臺在高等院校專業教學當中的應用非常廣泛。本文所介紹的是氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架的設計過程。與傳統氣壓實驗臺相比，本項目所設計的組合式多功能氣壓傳動實驗臺架是開放式的。在這個平臺上，學生們能夠自行設計和組裝氣動控制電路。通過這種方式，學生們會更有動力去學習，培養他們的實踐能力，通過實踐經驗了解理論知識，實現理論與實踐的和諧統一。不僅如此，本設計既可用于教學實驗，更適合工業用閥組和控制元器件的組裝，實現控制過程的數字化、自動化和可視化，達到教學科研二者兼顧[2]。可以顯著提高學生學習興趣，激發學生創造力，培養創新精神。

1 氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架的工作原理

氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架的工作原理是：計算機作為上位機控制該實驗臺架所在的氣動系統，根據人為設置的數據，通過輸出模擬信號控制氣動系統的執行機構，可以根據設定的值自動調節流量和壓力，并進行閉環控制。實驗臺安裝教學或研究相關傳感器，如壓力、流量、速度傳感器，通過數據采集卡，實驗數據被傳送到到計算機軟件進行處理，虛擬儀器直接輸出相關曲線，直觀顯示實驗結果。實驗臺架所在的氣動系統控制原理如圖1所示。

2 實驗臺架的總體結構設計

查閱國內外有關文獻，收集氣動系統實驗臺架、控制閥組、傳感器和繼電器等相關元器件的技術資料和設計參數，結合實驗臺架工作特點進行分析和研究，確定整個機身的設計；應用CAD/CAE機械設計和虛擬仿真軟件，進行臺架的整體結構設計和各部分零件的詳細設計；建立整機和零件的虛擬裝配，建立整個機器的三維模型，制作虛擬樣機顯示和工作流程仿真視頻。

氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架主要由實驗臺框架、電氣控制系統支架、升降機構和底座等四部分組成，整機機械結構外部框架如圖2所示。升降臺與實驗臺框架、電器控制系統支架和底座形成了內外結構。設計成這種結構的好處，一方面實現空間高效利用；另一方面把升降機構放置在實驗平臺的內部，能夠降低外界因素的干擾，有效提高實驗數據準確度。底座上的6根鋼條與電氣控制系統支架的頂部連接，實現了升降機運動對外部平臺影響的減弱，顯著提高整個臺架的穩定性。

3 實驗臺架結構詳細設計方案

氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架底座是整個臺架的全部承重部位，要用密度較大的材料以保證整個臺架的平衡，底座幾乎承載了整個機身的重量，所以它應該具有較強的剛度。實驗臺框架要放置實驗輔助用具以及計算機，故它要有良好的承重性；同時它是整個臺架唯一可以與外界聯通的地方，為了方便日后的保養和維修，應當做到可以打開并且材料密度不能太大。電氣控制系統支架支撐著整個氣壓傳動系統，為了防止升降臺上下運動對支架造成拉伸和擠壓導致支架變形，該部分要有較強的剛度，且不易變形。升降機構因為長期經受摩擦，故材料要有較強的耐磨性能；粗糙度低的材料能夠有效降低實驗誤差；升降機頂部因為要運動，所以材料的密度需要根據工作缸的工作特點測算之后選擇；另外因為工作缸內壓強大，工作缸的材料要有較強的剛度，不易變形。連接底座和電氣控制系統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。因為實驗臺架要連接傳感器、計算機和信息采集卡，所以實驗臺架的外部不能完全封閉，要預留出接口線可以通過的圓孔。為了保護內部結構，外部材料要有韌性，抗碰撞。為整個臺架的重量考慮，外壁應選擇密度較小的材料，以便于運輸。

4 結束語

由于氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架需要與計算機、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計合理的尺寸，以便它們能夠最大限度的利用空間且有效的相互配合。考慮到普及問題，整個臺架要實現體積最小化，重量最輕化，以便于運輸，節約空間。氣壓傳動系統多功能組合式實驗臺架滿足了氣壓傳動科研過程中“氣電一體化”控制實驗的需求，實現了氣動系統控制過程的自動化、可視化、數字化，有效提高學生學習興趣， 激發創新意識，培養創新能力，有廣闊的前景。

參考文獻：

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