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自动化设备设计1.自动化设备的概况和组成2.液压和气压传动基础知识3.机械传动方式简介4.伺服电机选型一、自动化设备的概况和组成•自动化设备的优点1.提高产品的性能和质量2.节约能源及材料消耗3.提高劳动生产效率4.改善劳动条件和减轻工人劳动强度5.能使企业摆脱员工对产品熟练程度的依赖性•自动化设备在实际生活中的应用1.用机械来代替人工做动力的自动化技术2.在生产过程及业务处理过程中由检测,控制,计算等环节产生的大量信息处理的自动化技术.•自动化设备的组成一、机械部分1.原动机主要包括电动机和内燃机等.2.传动机构要包括机械传动(带传动,链传动,齿轮传动等),气压传动和液压传动.在实际的自动化设计和应用中，是它们中两者或三者的结合.气压传动和液压传动在工业特别在轻工业中的应用越来越广泛，它是接下来要重点讨论的一个课题。3.定位机构和夹紧机构它能使工件在设备上的位置实现唯一性,使装配件与被装配件之间的自由度得到合理的控制,从而实现自动化生产和装配.它也是接下来要重点讨论的一个课题。4.控制和调节装置这里谈的控制与接下来电器中的控制是不一样的,这里主要是一些液压和气压控制回路，速度控制回路及方向控制回路5.执行元件主要包括气缸,马达,油缸,真空吸盘及机械手等6.辅助装置它们主要包括一些油箱,过滤器,蓄能器,消声器和油雾器,管路和管接头等.二、电气部分1.自动控制系统----汇编语言,单片机及PLC程序2.自动控制系统中常用的的检测和执行元器件•检测元件主要有传感器,接近开关,行程开关,编码器及磁感应开关等.•执行元器件主要包括步进电机,伺服电机,真空发生器及磁粉离合器等。二、液压和气压传动基础知识一.液压和气压传动的现状及应用1.液压传动有很多突出的特点,因此它的应用非常广泛,如一般工业的塑料加工机械,压力机械,机床等；行走机械中的工程机械,农业机械,汽车等；钢铁工业中的冶金机械,提升装置,轧辊调整装置等.2.气压传动的应用也相当普遍,许多机器设备中都有气压传动系统,在工业各领域,如机械,电子.钢铁,运输车辆及制造,橡胶,纺织,化工,食品,包装,印刷和烟草等领域气压传动技术已成为基本组成部分.•液压传动的特点1.与电动机相比,在同等体积下,液压装置能产生更大的动力,也就是说在同等的功率下,液压装置的体积小,重量轻.2.液压装置工作平稳,换向冲击小,便于实现频繁换向.3.液压装置很容易实现过载保护,能实现自润滑,使用寿命长.4.液压装置容易作到对速度的无级调节,并且对速度的调节还可以在工作中进行.5.液压装置易于实现自动化,很方便对液体的流动方向,压力和流量进行调节和控制,并能很容易地和电气,电子控制和气压控制结合起来,实现复杂的运动和操作.6.液压元件易于实现系列化,标准化和通用化,便于设计,制造和推广使用7.由于液压传动中的泄露和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比.8.液压传动有很多的能量损失(泄露损失,沿程压力损失,局部压力损失等),因此传动效率相对很低.9.液压传动对油温的变化比较敏感,不宜在较高或较低的温度下工作.10.液压传动在出现故障时不易诊断.•气压传动的特点1.气压传动的工作介质是空气,它取之不尽用之不竭,用后的空气可以排到大气中去,不会污染环境.2.气压传动的工作介质粘度很低,所以流动阻力很小,压力损失小,可以便于集中供气和远距离输送.3.气压传动对环境的适应性好,在易燃,易爆,多尘埃,强辐射,振动等恶劣工作环境下仍能可靠地工作.4.气压传动动作速度及反应快.液压油在管道中的流动速度一般为1~5m/s,而气体流速可以大于10m/s,甚至接近声速,因此在0.02~0.03s内即可以达到所要求的工作压力和速度.5.气压传动有较好的自保持能力.即使压缩机停止工作,气阀关闭,气压传动系统仍能维持一个稳定的气压.而液压传动要维持一定的压力,需要能源装置或在系统中增加蓄能器.6.气压传动在一定的超负载工况下也能保证系统安全工作,不易发生过热现象7.气压传动系统的工作压力低.工作气压一般在0.2-1Mpa之间,比较常用的0.4Mpa左右.8.由于空气的可压缩性大,因此气压传动的速度稳定性差,很难控制系统的位置精度.9.气压传动系统的噪声大,尤其是排气时,需加销声器.10.气压传动工作介质本身没有润滑性,需加油雾器进行润滑.二.液压和气动系统的基本组成1.液压系统的基本组成它由油箱,过滤器,液压泵,溢流阀,开停阀,节流阀,换向阀和液压缸组成.2.气压系统的基本组成•它由空气压缩机,后冷却器,除油器,干燥气,储气罐,过滤器,减压阀,压力表,油雾器,换向阀和气缸组成.•在实际的应用中,除油器,减压阀和油雾器做成一个整体,称为气源处理三联件.AIRTAC气动产品里的代号为AFR三.液压和气压传动的执行元件1.液压传动中的执行元件是油缸,气压传动中的执行元件是气缸.2.油缸和气缸的品牌•进口的:AIRTAC(台湾亚德克),SMC(日本),英国的诺冠,美国的派克等•国产的:佛山的实用,肇庆的方大等3.油缸和汽缸的基本参数•结构型式•缸径•行程•安装方式•双轴复动型气缸•单轴弹簧压出型气缸•气缸的工作条件如上图•气缸常用的缸径和行程如上图四.液压和气压传动的控制调节元件1.方向控制阀•单向阀•分为普通单向阀,液控单向阀,梭阀和双压阀.•换向阀•复动气缸常采用两位五通电磁换向阀,单动气缸常采用两位三通电磁换向阀,油缸的换向阀常采用三位五通阀,油缸的换向阀需要有中位功能.2.压力控制阀•主要有溢流阀,减压阀,顺序阀和压力继电器3.流量控制阀•主要有节流阀和调速阀等.•调速阀实际上是一个节流阀和等差减压阀的组合体五.液压和气压传动的辅助元件1.蓄能器和储气罐•液压传动系统一般采用蓄能器,气压传动系统一般采用储气罐.2.过滤器•主要分为粗过滤器,普通过滤器和精过滤器三种.3.油箱,热交换器,压力表,油雾器和销声器.六.液压和气压传动回路1.方向控制回路•它主要分为一般方向控制回路和复杂方向控制回路.•一般方向控制回路:一个换向阀控制一个汽缸或油缸.•复杂方向控制回路:时间控制制动式和行程控制制动式两种2.压力控制回路.•它主要分为调压回路,减压回路,增压回路,保压回路,卸荷回路,平衡回路和释压回路等组成.3.速度控制回路•它主要有节流式调速回路,调速阀式调速回路,容积式调速回路,容积节流式调速回路,快速回路和速度换接回路.•速度换接回路在后面的章节中介绍.4.多缸运动控制回路•它主要包括顺序运动回路,同步运动回路和运动互不干扰回路.•顺序运动回路在后面的章节中介绍.5.其他控制回路•主要有气压延时回路和气压往复运动回路.•气压延时回路是一个两位三通气控阀和一个单向节流阀组成.•气压往复运动回路在后面的章节中介绍.七.典型的气压回路案例分析1.行程阀控制的单往复回路•系统原理图见右图.•功能简介:按下手动换向1的手柄，气控换向阀3切换，气缸右行，当撞块碰下行程阀2，气控换向阀3复位，气缸自动退回.2.行程阀控制的连续往复动作回路•系统原理图见右图•功能简介:当按下手动换向阀1的手柄,气控换向阀4切换,气缸右行,此时由于二位二通机动换向阀3复位而将控制气路断开,气控换向阀4不能复位.当活塞继续前行到终点,撞块碰下二位二通机动换向阀2时,气控换向阀4中的空气经阀排出,气控换向阀4在弹簧的作用下复位,气缸自动返回.当活塞返回到终点时,压下机动换向阀3,气控换向阀4再次切换,重复上述循环动作,只有断开手动换向阀1,方可使连续往复动作的的活塞返回到原位置时停止.3.行程开关和电磁阀控制的顺序运动回路•系统原理图如上图•功能简介:电磁换向阀7通电后,左气缸按箭头①的方向右行,当它右行到预定的位置时,挡块压下行程开关2,发出信号使电磁阀8的电磁铁通电,右气缸按箭头②的方向右行.当它右行到预定的位置时,挡块压下行程开关4,发出信号使电磁阀7的电磁铁断电,左气缸按箭头③的方向左行,当它左行到原位时,挡块压下行程开关1,发出信号使电磁阀8的电磁铁断电,左气缸按箭头④的方向左行,当它左行到原位时,挡块压下行程开关3,发出信号表明整个工作循环结束.包括引导和支承执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆蜗轮副、链轮链条副、皮带传动副及其支承部件等。设计和选用机械传动结构时，必须考虑以下问题：(1)减少摩擦阻力如采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。(2)提高传动精度和刚度、消除传动间隙传动精度和刚度主要取决于丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副及其支承结构的刚度。传动间隙主要来自传动齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副等。(3)减小运动惯量传动元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有影响。在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的惯量。三、机械传动方式简介传动齿轮副一、设计传动齿轮副应考虑的问题进给系统采用齿轮传动装置，是为了使丝杠、工作台的惯量在系统中占有较小的比重；还可使高转速低转矩的伺服驱动装置的输出变为低转速大扭矩，以适应驱动执行件的需要。在设计齿轮传动装置时，应考虑的问题：1.应又足够的强度和精度；2.应综合考虑其速比分配及传动级数对传动件的转动惯量和执行件的转动的影响。增加传动级数，可以减小转动惯量。但级数增加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率，增大了噪声；同时也加大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。二、消除传动齿轮间隙的措施(一)存在间隙的危害：1.在开环系统中会造成进给运动的位移值滞后于指令值；反向时，会出现反向死区，影响加工精度。2.在闭环系统中，由于有反馈作用，滞后量可得到补偿，但反向时会使伺服系统产生振荡而不稳定。(二)调整方法1.刚性调整法刚性调整法是调整后齿侧间隙不能自动补偿的调整法。因此，齿轮的周节公差及齿厚要严格控制，否则影响传动的灵活性。这种调整方法结构比较简单，且有较好的传动刚度。(1)偏心轴调整法通过调整偏心套来改变齿轮1和齿轮2之间的中心距，从而消除了齿侧间隙。偏心调整法的原理图齿轮1齿轮2偏心套(2)轴向垫片调整法齿轮1齿轮2垫片轴向垫片调整法的原理图要改变垫片的厚度就能改变齿轮2和齿轮1的轴向相对位置，从而消除了齿侧间隙。2.柔性调整法(1)轴向压簧调整法用螺母来调节弹簧的轴向压力，使齿轮1和2的左、右齿面分别与宽斜齿轮齿槽的左右侧面贴紧。弹簧力需调整适当，过松消除不了间隙，过紧则齿轮磨损过快。薄斜齿轮1薄斜齿轮2弹簧键螺母轴宽斜齿轮轴向压簧调整法该法是调整之后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。一般采用调整压力弹簧的压力来消除齿侧间隙，但这种结构较复杂，轴向尺寸大、传动刚度低，传动平稳性也差。(2)周向压簧调整法转动螺母调整弹簧的拉力可以使薄片齿轮错位，即两片薄齿轮1、2的左、右齿面分别与宽齿轮齿槽的右、左贴紧，消除了齿侧间隙。凸耳弹簧凸耳螺钉螺母薄齿轮2薄齿轮1周向压簧调整法滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。一、工作原理与特点丝杠滚珠螺母滚珠回路滚珠丝杠工作原理图在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠螺母副特点：1.摩擦小，效率高，发热少；2.丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；3.运动平稳，不易产生低速爬行现象；4.磨损小、寿命长、精度保持性好；5.不能自锁，有可逆性，丝杠立式使用时，应增加制动装置。二、滚珠丝杠螺母副的循环方式常用的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称内循环。1．外循环插管式回珠器插管式回珠器外循环方式每一列钢珠转几圈后经插管回珠器返回。插管式回珠器位于螺母之外，称为外循环。外循环结构制造工艺简单，其滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。DCBA反向回珠器内循环方式DACB钢珠从A点走向B点、C点、D点然后经返向回珠器4从螺纹的顶上回到A点。螺纹每一圈形成一个钢珠的循环闭路。回珠器处于螺母之内，称为内循环。