光機電一體化實訓臺氣動系統設計

胡瑞棣

（濱州市技術學院，山東 濱州 256600）

氣動技術因為具有高效、節能、環保、成本低、結構簡單等優點，被應用在大量的生產線及各種設備上。氣動技術比較成熟，在各種高等院校中已作為機電一體化等專業的核心課程來開設。氣動技術課程是一門實踐性很強的課程，必須作為實訓課程開設才能達到學習效果。

在實操過程中，氣動系統又往往與電氣控制技術相結合，達到以電控氣的自動化效果，氣動系統的工作狀態又往往由各類傳感器來檢測，所以，氣動技術的實操課程是包含了氣動技術、電氣控制技術、傳感器技術、機械知識與一體的一門綜合性課程。光機電一體化實訓設備是進行氣動技能實訓很好的平臺。本文介紹的是一臺光機電一體化實訓設備的氣動部分的設計，包括系統功能要求、氣動系統的原理設計、氣動元件的選型、電控部分的原理設計、電控元件選型等。本設計既可用于實訓教學，也可用于產品研發生產，達到了產教融合。

1 實訓臺氣動部分功能要求

本實訓臺設計的功能為物料分揀功能，可以檢測不同材質或者顏色的物料進行碼垛操作。當系統檢測到物料入口處有物料時，機械臂伸出夾起物料放置在傳動帶上，機械臂松開返回原位，傳送帶傳送過程中可在不同的位置進行物料屬性的判別，并由推桿推入到碼垛口反復循環。整個系統中需要氣動操作的有機械臂的旋轉伸縮，物料的夾緊放松，推桿的伸縮。

2 氣動元件的選擇

圖1

本系統設計初衷為教學用模擬系統實訓臺，整個工作臺尺寸為120cm×80cm×80cm，整個臺面要求簡單全面、小巧緊湊、不使用大型設備，能演示操作流程及原理即可。本系統中涉及的機械臂需要有以下幾個動作：左右搖擺、伸出縮回、下降升起、夾緊放松。左右搖擺要求機械臂動作時左右均要嚴格到位且穩定，可以選擇雙作用的擺動氣缸一個，型號CDRB2BW20-180SZ。伸出縮回氣缸由于橫向放置，單側夾持重物受力，穩定性要求高，并且伸出縮回位置要求準確到位，選擇單出雙桿雙作用氣缸一個，型號CXSM15-100。下降升起需要拉起重物，受力較大，并且兩端需要準確到位，由于物料形狀不確定，活塞桿要求不能旋轉，以便氣爪夾持位置準確，選擇單桿雙作用氣缸一個，型號CDJ2KB16-75。物料直徑約為12mm 左右統一形狀，采用夾持物料外側表面的方式進行夾持，物料重量最大100 克，選用型號為MHZ2-10D的氣爪1 個。本系統設計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，推動物料需要力度較小，但需要一定的推動距離，推桿伸出和縮回要求必須到位，否則，造成對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，型號CDJ2KB10-60。需要對所有氣缸往返動作進行速度調節，以防止撞擊損壞設備和動作時間不準確，加裝節流閥14 個，型號SC4-M5。要求所有動作最終采用電氣控制，3 個推料氣缸推出物料后必須馬上縮回，推桿不能持續在外部，機械臂所有動作都要求有保持功能，所有動作沒有中間位置。選擇型號為DC24V 4V110-06 的單電控二位五通電磁閥3 個，供3 個推桿氣缸使用，選擇型號為DC24V 4V120-06 的雙電控二位五通電磁閥四個供機械臂幾個動作氣缸使用。

3 氣路結構的設計

如圖1 所示，7 個二位五通電磁閥經過匯流板連接在一起，又經過兩個節流閥連接在各自的氣缸上。經過仿真運行可確定，初始狀態各氣缸不動作，處于縮回狀態，擺動氣缸在右側，可手動觸發相應電磁閥產生所需動作，使得機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

本系統應設置復位開關，上電后按復位開關確保氣動部分復位，復位要求為所有氣缸縮回，擺動氣缸置于左側，氣爪松開。

當設備檢測到物料后，機械臂應依序做如下連續動作：伸出——下降——夾緊——上升——右擺——下降——松開——上升——縮回——左擺。當各自氣缸檢測到物料時，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傳感器外，其他氣缸均需要兩個傳感器置于氣缸兩端。

5 電路設計

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

6 結語

本系統可根據需要擴展功能，如物料傳送、物料收集、啟動停止等，也可以根據需要調整元件進行設備的組裝生產和課堂學生的訓練。