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

中图分类号：TH138.9 文献标识码：A 文章编号：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×F0sinβ/b×sin（θ+α）。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×F0sinβcosα/b×sin（θ+α）。

设计条件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，当θ=1°时，机构的输出力F2高达136 353 N。在极限位置θ=α=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β=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，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

中图分类号：TH138.9 文献标识码：A 文章编号：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×F0sinβ/b×sin（θ+α）。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×F0sinβcosα/b×sin（θ+α）。

设计条件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，当θ=1°时，机构的输出力F2高达136 353 N。在极限位置θ=α=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β=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，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

中图分类号：TH138.9 文献标识码：A 文章编号：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×F0sinβ/b×sin（θ+α）。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×F0sinβcosα/b×sin（θ+α）。

设计条件下a=110 mm，b=37 mm，c=50 mm，当θ=1°时，机构的输出力F2高达136 353 N。在极限位置θ=α=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β=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，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。