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1、利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统的设计与制作摘 要某水表公司采用以标准水表作为“母表”，单片机控制光电反射式自动多水表检定系统。检定系统中“母表”在使用一段时间后机芯容易出现机械磨损，影响检定精度。随着时代不断进步，采用非接触或无磨损流量计替代标准水表作为“母表”，已经成为一种趋势，建立一个以非接触或无磨损流量计为“母表”的水表检定系统能够很好的解决机芯机械磨损带来检定精度不足的问题。公司采用电磁流量计来替代标准水表作为“母表”，在水表检定过程中，“母表”的稳定性显特别的重要，影响“母表”稳定性的因素是多方面的，包括水流稳定性、水压稳定性、检定平台水平度、开关阀门速度、电磁流量计电压等。
2、为减少某些影响因素对电磁流量计稳定性的影响，提出设计利用电磁流量计容积比对式的水表检定系统来减少开关阀门速度、水压稳定性给电磁流量计稳定性造成的影响。利用电磁流量计容积比对式的水表检定系统，是建立在机械技术、单片机技术、驱动技术和接口技术等基础上的综合技术。采用LPC9401单片机控制电磁阀得电和失电来控制气缸的伸缩。系统在水流稳定后，按键控制电磁阀得电来控制气缸活塞杆动作推动水管，让水管入水口到达计量桶上方，水流入计量桶内，同时电磁流量计开始脉冲计数，当电磁流量计脉冲计数达到预设值时，发送信号给单片机控制电磁阀失电，气缸推动水管到计量桶外，比对计量桶内水量和电磁流量计预设流量，计算误差，完成
3、一次工作。本次设计包括机械部分和电控部分两大块。机械部分包括气缸推动水管部分机构设计和气缸固定部分机构设计。电控部分包括单片机和传感器等硬件的选择，换向机构电路部分的设计和软件设计。针对电磁流量计稳定性不好，需要做大量的实验，研究在各种流量下使用电磁流量计进行检定存在的规律并找出合适的检定方法。同时对容积比对式水表检定系统进行程序调试和实验，找出影响电磁流量计稳定性的主要因素，提出整改方案。关键词：检定，容积式，单片机，电磁流量计Volume ratio using electromagnetic flow-meters for water meter calibration system d
4、esign and manufactureAbstractA water meter adopt reflected photoelectric automatic multiple water meter calibration system based on micro-controller with standard water meter as the matricesHowever，the matrices are damaged after using a period of time，thus affecting the accuracy of the calibrationWi
5、th the continuous progress of the era，the use of non-contact or no wear and tear flow-meters instead of the standard meter as the matrices is a new trend and the establishment of an non-contact or no wear and tear flow-meter as the matrices to a meter verification system not only can be a good solut
6、ion to the problem of mechanical wear，but also increase the detected precisionThe meter calibration system stability of the matrices is of the most importanceIn order to reduce these -impact on the stability of the electromagnetic flow-meter，the meter calibration system with the design of electromag
7、netic flow-meter volume comparison reduce stability of electromagnetic flow-meterThis kind of water meter calibration system about electromagnetic flow-meter volume comparison base on the integrated technology such asmechanical technology，sensor technology，single-chip microcomputer technology，drive
8、technology and interface technologyMore， it uses LPC9401 SCM to control solenoid valve so as to control the pros and cons of electric telescopic cylindersThe buttons to control SCM make solenoid valve gain power，while water pipe to get water run into measuring tank when water flow is stableelectroma
9、gnetic flowmeter begin to count when the electromagnetic flow meter reaches the design flow，it sends a signal to the SCM to control solenoid valve to loss power the cylinder push forward water pipe to get out of the measuring tank and make comparison between the water volume and the design flow to g
10、et computational errorThe design of this product is the reversing mechanism about cylinder to promote water，including mechanical parts and electric control partsElectric control sections include the choice of SCM and sensors etc and the design of the circuit and software design about control systema
11、lso need to do a lot of experiments，research using electromagnetic flow-meter verification under various traffic rule and find out the appropriate test method To volume ratio on water meter calibration system at the same time often program debug and experimentfind out main factors，puts forward impro
12、vement schemeKeywords: calibration, displacement, microcontroller, electromagnetic flow-meter目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 研究背景11.3主要研究内容2第2章 稳定性与流量关系实验32.1电磁流量计简介22.2 稳定性与流量关系实验数据分析42.2.1 各种流量测量实验数据分析52.2.1.1 各种流量同一装夹下多次测量52.2.1.2 各种流量重新装夹下测量52.2.1.3 大流量多工位测量62.2.2 影响因素的分析6第3章 换向机构机械部分设计83.1 换向机构简介83.2 机械部分
13、的执行元件确定83.3 换向机构方案确定83.3.1 水管两点布局分布83.3.2 连杆推动方案103.3.3 杠杆推动方案113.3.4 气缸摆动推动方案133.3.5 间隙法气缸直接推动方案143.4 气缸固定方案的确定153.4.1 在计量桶外固定气缸方案153.4.2 在计量桶上固定气缸方案153.5 机械部份的计算与设计选型163.5.1 水管移动速度与所需力的计算163.5.2 气缸的选型173.5.3 气缸连接件的设计173.5.4 螺栓强度校核18第4章 换向机构电路控制部分设计194.1 控制方案194.2 电子元件的选择194.2.1单片机的选用194.2.2 电磁阀的选用
14、204.2.3 继电器的选用214.2.4 光电耦合器的选用214.2.5 稳压器的选用214.3 换向机构电路设计部分224.3.1 继电器控制电路224.3.2 脉冲采集电路234.3.3 电源电路234.4 程序设计编写及调试与实验244.4.1 主程序介绍及其流程框图244.4.2 键盘中断程序介绍及其流程框图254.4.3 脉冲采集中断程序介绍及其流程框图274.4.4 模拟程序的编写284.4.5 程序调试与容积实验284.4.5.1 程序调试284.4.5.2 容积比对实验29总 结30参考文献31谢 辞32附录一：稳定性与流量关系实验数据33附录二：控制程序40附录三：容积比对
15、式实验数据42附录四：实物照片45第1章 绪论1.1 引言近年来，随着水资源的日益匮乏，人们对于合理的使用水资源愈加重视。无论是城市还是大多数农村都使用自来水，并且按使用量来收费，因此需要一个准确的计量器来计量水的使用量，这不仅关系到提供自来水的公司的利益，这也关系到许许多多自来水使用的家庭和企业的切身利益，所以自来水表能否进行准确计量非常重要。所以在生产水表过程中，要对水表进行检定，水表计量准确度的检定就显得很重要，在能够保证精度的前提下，又能够保证企业高效率的生产。自动水表检定装置是由一套完整的水路系统（试验台、水表固定连接机构），包括：流量计数（玻璃转子流量计、流量控制阀），计量桶系统（
16、玻璃管液位标尺），电器控制系统（水泵、气泵），电控系统（电磁阀）。检定方法使用容积法，即水流经管道，通过水表进入计量桶，水位静止后，比较水表计量器（电磁流量计）与计量桶中的读数，求出示值误差 1。1.2 研究背景某水表公司现在的检定水表方法有单个水表检定法，每一台水表均在大流量Q3，分界流量Q2，和小流量Q1这三个流量点进行检定，公司现在所采用的水表为15mm口径水表，通常规定大流量Q3为2.5m3/h；根据检定规则Q3/Q1为160，则小流量Q1为0.016 m3/h，Q2/Q1为1.6，所以Q2为0.025m3/h。在这三个流量点下采用容积比对法进行检定，当流过一定水量到计量桶时，读出水表
17、的水量和计量桶内的水量，计算出误差，从而进行校准。这个方法误差较大，水表在进行分界流量和小流量检定时，水流小，效率低。公司为改变这种检定方法存在的不足采用由单片机控制的以标准水表作为“母表”的光电反射式自动多水表检定系统，来对水表进行分界流量和小流量的检定。采用该系统能够很好的提高企业的生产效率和检定精度。但是这个检定系统的“母表”在使用一段时间后，内部机芯容易出现机械磨损，从而影响到检定精度。随着时代的不断进步，采用非接触或无磨损流量计来替代标准水表作为“母表”已经成为一种趋势，建立一个以电磁流量计为“母表”的水表检定系统能够很好的解决机械磨损的问题。在水表的检定系统中，“母表”稳定性显得尤
18、为重要。若“母表”存在一个固定误差在检定中可以采用正负抵消，而当“母表”误差存在跳动时，则无法取得一个合理的值来进行正负抵消，这就无法进行水表检定。在使用电磁流量计进行的大量实验中发现，电磁流量计不稳定，存在的跳动较大。产生不稳定的因素是多方面的，包括水流稳定性、水压稳定性、平台水平度、开关阀门速度、电磁流量计的电流不稳定等因素。为了减少这些因素对电磁流量计稳定性带来的影响，设计电磁流量计容积比对式的水表检定系统来减少由水流稳定性、水压稳定性、开关阀门速度给电磁流量计稳定性测量带来的影响。1.3 主要研究内容利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统主要由水管换向机构、气缸及其驱动模块、P89LP
19、C9401单片机控制系统等模块组成。研究的主要内容为通过单片机控制电磁阀来实现气缸推动水管换向，实现水流在不同需要的情况下进入到不同的位置。本文各章内容安排如下：第一章：介绍毕业论文的主要研究内容，某水表公司采用电磁流量计替代标准水表作为“母表”，进行单片机控制的光电反射多水表检定，但是在试验中发现电磁流量计在不稳定，为找出不稳定因素需要进行大量的实验，并设计利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统来减少水流稳定性和开关阀门对电磁流量计稳定性的影响。第二章：主要对电磁流量计做一个简介，同时进行流量与电磁流量计稳定性关系实验，及实验数据分。为了找出影响电磁流量计稳定性的因素，需要进行大量实验，同时
20、分析因素和提出解决方案。第三章：主要介绍了机台实际情况，并针对任务要求和实际情况提出各种机构方案介绍，然后介绍了气缸的几种固定方案，接着对设计的机构零件进行强度校核，进行气缸的选择。第四章：这一章首先介绍一些元器件的选择，接下去介绍电路图的设计，包括电磁阀控制电路、电磁流量计脉冲采集电路和控制P89LPC9401单片机电源电路，接着介绍程序设计部分，最后还介绍了程序调试和进行的容积比对式实验及数据分析。最后是对全文进行总结。第2章 稳定性与流量关系实验2.1 电磁流量计简介电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，在电磁流量计内部有一个磁场，水流经过磁场与磁场方向垂直，做切割磁场运动，磁场
21、的两端将产生感应电动势，感应电动势的大小与水流运动速度及磁场强度大小成正比2。如图2-1所示，当水流以平均速度，通过内径为的绝缘管子流动时，这绝缘管子放在一个均匀磁感应强度为的磁场中，在电极上就会有感应出电动势产生，表示为,则 （2-1）水流流量表示为： （2-2） 感应电动势示为： （2-3）设： （2-4）则： （2-5）可见，流量与电动势成正比。 本设计需要采集到电磁流量计的脉冲，电磁流量计的脉冲输出方式有两种，频率的输出是一个连续的方波；或者脉冲的输出是矩形波，其接线电路如图2-2所示，接两根线P+连接脉冲输出正极，其旁边的COM为脉冲输出接地2。图 2-1 电磁流量计原理图图 2-2
22、 电磁流量计接线图2.2 稳定性与流量关系实验数据分析为研究电磁流量计在各种流量下进行检定，存在的规律和找出合适的检定方法，需要进行大量的实验。通过实验数据分析来发现其中存在的误差、跳动，通过不同的实验找出最佳测量方法，并发现存在的影响稳定性的因素，做出判断和改正。针对电磁流量计在某水表公司实验存在稳定性较差的问题，进行了多种实验。实验中采用电磁流量计作为母表，在各个工位上安装15mm口径的不同编号的水表，6个编号分别为60108、60103、60131、60165、60185、60104，分别采用，样表一、样表二、样表三、样表四、样表五、样表六来表示。实验数据见附录1。实验分为三组，第一组实
23、验，各样表在一次装夹后，大流量连续测量30次，分界流量和小流量各测量5次。第二组实验为同一工位下每测完一次，样表进行重新装夹，大流量测量21次，分界流量测量5次，小流测量3次。第三组实验采用的不同工位下的测量，即样表一在第一工位测量5次后进行轮换，将第一工位的样表放到第二工位，第二工位的样表放到第三工位，一次类推，最后一个工位的样表放到第一工位。测量5次后进行一次轮换，直到每个样表表在每个工位下都测量5次。2.2.1各种流量测量实验数据分析2.2.1.1各种流量同一装夹下多次测量实验中样表一放置在第一工位，样表二放置在第二工位，样表三放置在第三工位，样表四放置在第四工位，样表五放置在第五工位，
24、样表六放置在第六工位。从表2-1大流量一栏实验数据中可以看出，大流量30次实验数据显示电磁流量计的跳动为0.6，各样表都采用标准水表的误差较小跳动也较小，样表一跳动为0.15，样表二跳动为0.24，样表三跳动为0.08，样表四跳动为0.18，样表五跳动为0.11，样表六跳动为0.2。从表2-1分界流量一栏实验数据可以看出，电磁流量计误差较大，跳动变大为4.4，其余工位的误差相对于大流的跳动有了普遍的提高，具体为样表一跳动为1，样表二跳动为1，样表三跳动为1，样表四跳动为1，样表五跳动为0.6，样表六跳动为1.19。从表2-1小流量一栏实验数据可以看出，其跳动比大流更大。电磁流量计跳动为6，样表
25、一跳动为1.6，样表二跳动为0.4，样表三跳动为0.8，样表四跳动为2.4，样表五跳动为3.18，样表六跳动为1.7。小流后面各个工位上的标准水表的跳动相对于分界流有的变大有的变小。从实验数据的分析上可以明显的看出，在大流量测量下电磁流量计的稳定性最好，但还是无法满足要求，正常要求流量计的跳动在0.5以内，在这个要求内，小流量和分界流量的测量中电磁流量计的稳定性不好，无法满足水表检定要求。表 2-1 各种流量同一装夹下多次测量值跳动表 型号流量电磁流量计样表一样表二样表三样表四样表五样表六大流量0.60.150.240.080.180.110.2分界流量4.411110.61.19小流量61.
26、60.40.42.43.181.7 2.2.1.2各种流量重新装夹下测量本重新装夹下测量指每完成一次实验将各个水表拆下在装上，实验中样表一放置在第一工位，样表二放置在第二工位，样表三放置在第三工位，样表四放置在第四工位，样表五放置在第五工位，样表六放置在第六工位。从表2-2大流量一栏的实验数据看出在误差和跳动上和同一装夹下多次测量实验上相近，具体跳动为电磁流量计跳动为0.71，样表一跳动为0.27，样表二跳动为0.18，样表三跳动为0.18，样表四跳动为0.18，样表五跳动为0.19，样表六跳动为0.12。在分界流量一栏中数据可以看出重新装夹下测量中电磁流量计的动变大，但是这个变化小于同一装夹
27、下多次测量的测量数据，具体跳动为电磁流量计跳动为2.2，样表一跳动为1，样表二跳动为0.2，样表三跳动为0.4，样表四跳动为0.2，样表五跳动为0.4，样表六跳动为1。在小流量一栏实验数据中可以看出重新装夹下测量的电磁流量计的跳动很小，后面各个工位的水表的跳动变大具体为电磁流量计跳动为0.2，样表一跳动为1.6，样表二跳动为5.82，样表三跳动为0.4，样表四跳动为4.2，样表五跳动为0.46，样表六跳动为2.4。从数据可以看出，电磁流量和各个型号在大流量下测量还是比分解流量和小流量测量稳定性更好，分界流量下跳动变大，小流量则出现比较异常的跳动数据，总体可以看出对于电磁流量计来说，重新装夹下测
28、量跳动变化比同一装夹下多次测量更小。表 2-2 各种流量重新装夹下测量值跳动表型号流量电磁流量计样表一样表二样表三样表四样表五样表六大流量0.710.270.180.180.180.190.12分界流量2.210.20.40.20.41小流量2.81.65.820.44.20.62.4 2.2.1.3大流量多工位测量从表2-3大流量多工位测量跳动表可以看出，电磁流量计的跳动比较小，控制在0.5以内，各个型号的水表的跳动也比较小。从以上的分析可以得出一点结论就是大流量的测量比小流和分界流的测量稳定性好。但是在大流量下电磁流量计的总体跳动还是无法满足要求，需要找出影响稳定性的因素，提出改进方案。表
29、 2-3大流量多工位测量值跳动表型号流量电磁流量计样表一样表二样表三样表四样表五样表六第一工位0.330.110.040.110.200.060.10第二工位0.210.060.100.110.160.210.08第三工位0.170.040.030.070.080.120.15第四工位0.490.270.020.040.080.160.13第五工位0.490.270.020.040.080.160.13第六工位0.50.090.180.050.100.040.102.2.2影响因素的分析对于多水表检定平台采用的以“母表”为基准，测出被测水表的误差从而进行修正，比如当“母表”有一个较固定的误差时
30、，可以采用抵消法来调整被测水表。所以“母表”的误差影响不大，而“母表”的误差跳动较大大将导致无法进行水表检定，所以需要将电磁流量计的误差跳动要控制在0.5以内。从上述数据看，所得实验数据跳动不在0.5以内。但是公司使用的这个电磁流量计在福建省计量科学研究院检定满足要求。分析影响稳定性的因素可能原因包括：（1） 水流紊流的影响，尤其在小流量检定时受影响最大，故稳定性较差；（2） 实验中开关阀门带来的影响；（3） 电压的不稳定带来的影响；（4） 检定平台水平度的影响。针对上述可能的存在的影响因素公司提出了一些解决方案：（1） 对于水流的不稳定和开关的影响，因为在检定系统中，采用的反射式脉冲采集来做
31、比对，所取的水流段是在开关开启后水流稳定是的水流段，同时针对这个影响公司还正在做容积比对式水表检定系统和称重式水表检定系统。（2） 对于电压造成的不稳定，可采取的措施包括加一个整流器和采用多点接地。（3） 对水流管道增加整流器，减少紊流带来的影响。第3章 换向机构机械部分设计3.1 换向机构简介换向机构是整个利用电磁流量计的容积比对式水表检定系统的基础机械部分，用于实现将气缸的直线运动转换为水管的圆周运动，设计中采用间隙法来实现直接推动。气缸的动作受单片机控制，在不同的需要时完成不同动作，带动换向机构实现水管的两点移动，设计中采用单片机控制继电器得电和失电，继电器连接电磁阀，达到控制电磁阀的得
32、电和失电，从而控制气缸动作。3.2机械部分的执行元件确定机械部分执行元件是指受控制器的控制信息来完成对控制对象的控制作用的元件，它能够将电能或流体等能量转变成机械能或其他形式的能量，根据控制要求改变控制对象的机械动作状态或者一些其他状态（如温度、压力等），能够直接作用于控制对象，起到“手”和“脚”的作用3。在机械生产系统中，动力执行元件由输入的物质能量的不同可分为电动、液压和气动。电动执行元件能够将电能转换成机械能，经常使用的电动执行原件主要包括有电机、电磁制动器、继电器等，电动执行元件具有很宽的调速幅度、非常的灵敏、响应快、能长时间地工作，在某些特别的情况下，还能满足防爆、防腐、耐高温等特殊
33、要求3。液压执行元件主要有油缸、马达等，液压执行元件运动平稳，可以实现无级调速，能够传递较大的动力，但是需要一个完整的供油系统，还会出现泄漏，液压元件对精度要求很高，价格贵。气动执行元件不仅可以提供较高的动力，且使用的是空气无污染，能够进行集中的供应和长距离的传输，与液压执行原件和电动执行原件相比，同条件下功率较小，而且速度不容易控制，所以多用于对点位控制精度不高的系统 4。3.3 换向机构方案确定3.3.1 水管两点布局分布在公司现场测量得出实验数据，计量桶的内桶直径为220mm,计量桶的边沿距离为30mm，水管外径为26mm，水管转动点到入水口的距离为600mm，转动点距离计量桶的水平距离
34、为300mm,水管入水口到计量桶上边缘的距离为40mm.水管入水口距离计量桶的中心为20mm，通过这些实测数据和实际情况，得出水管起始两点的布局分布图如图3-1。图 3-1 水管布局分布图从图3-1可以看出，水管做圆周运动，在计量桶上方以水管原有位置为中心，水管的布局分布方案有两种，在计量桶两侧布局分布。在布局分布的过程中考虑到水管入水口距离计量桶的上沿壁有40mm的距离，水在进入到计量桶的过程中有发散性，为保证水流入到计量桶或直接进入水池的过程中水不会流到计量桶的上沿壁上，同时又要考虑在实验过程中入水口不能离计量桶的内外壁太远而造成在水管移动过程中的误差，所以要保证水管的外壁距离计量桶的内壁
35、或者外壁有一个810mm的距离，在移动中水一直在流出，为了减少水管移动中的带来的误差，两个位置要保证距离内外壁的距离是相等的，图示采用以水管入水口的运动轨迹与计量桶内壁边和外壁边的交点做圆弧，圆弧的半径为23mm，在以该圆弧与水管入水口运动轨迹交点为水管入水口的位置，水管外径为26mm,即半径为13mm,这样就可以保证810mm的距离，而不会使水流到计量桶岩壁上。布局分布第一方案这一侧有许多不同流量的水管用于不同流量下的水表检定，空间较小，若需要将换向机构安装在计量桶外侧，即布局分布第一方案的外侧，则会出现空间不足，产生干涉现象。布局分布第一方案水管位置二则正好在水池的上方，当水管入水口处于布
36、局分布第一方案水管位置二，水流进入到水池中，需要采用衔接水管来将水流引入到水池中，衔接水管设计较为简单。布局分布第二方案一侧侧是在检定系统外部，有一个较大的空间，拥有足够的空间来安装换向机构，但是这一侧在水池外部，当水管入水口处于布局分布第二方案水管位置二时，水流进入到水池外部，需要采用一个水管来衔接将水引到水池中，这衔接水管的设计和安装会比较复杂。3.3.2 连杆推动方案水管入水口的两点运动轨迹是一个圆弧，而气缸的活塞杆运动轨迹为直线，采用连杆机构可以实现由直线运动变为圆弧运动5。其原理图如图3-2所示。图 3-2 连杆推动原理图气缸和滑块采用螺纹固定，滑块与连杆直接是通过转动副连接，连杆与
37、水管则需要通过转动副来连接。气缸利用活塞杆的伸缩带动滑块做直线运动，滑块带动连杆动作，从而带动水管做圆弧运动，从而实现将直线运动转化为圆弧运动。如图3-3所示，在布局分布方案中分析到，在布局分布第一方案的一侧还有许多其他口径的水管，空间不足，无法安装下整个连杆推动机构，故该连杆机构只能在布局分布第二方案一侧。该方案在实验开始前水管处于水管位置二，气缸处于收缩状态，当需要时给予一个信号控制气缸伸长推动水管入水口到计量桶上方，让水流入到计量桶内。采用该方案能够很好的将直线运动轨迹变为圆弧运动轨迹，且安装在布局分布第二方案一侧，拥有足够的空间可以放置机构。但是该方案机构比较复杂，需要采用两个转动副，
38、转动副要求精度较高，在加工过程中增加了难度；同时水管和连杆之间的转动副无法直接在水管上连接，需要从水管焊接一个连接块和连杆组成转动副，而设计要求却不能在水管山焊接；另外对于连杆的长度和气缸的摆放位置计算要求很高，在设计中要求满足水管入水口两个位置距离计量桶内外壁8-10mm距离要求，在连杆和滑块之间的角度也要考虑，太大或者太小都会对整个设计造成很大的影响，角度太小很可能会造成死点，若太大，则对气缸的选型造成很大影响；采用这个方案的安装则较为复杂，需要设计一个固定方案，固定方案若采用从计量桶伸出固定板块，则需要做一个支点支撑，若直接做一个固定板块则高度很高；在设计中采用气缸直接推动一个方形块，还
39、需要考虑由于滑块和连杆重力造成的气缸活塞杆产生弯曲现象，若用一个滑轨，则又增加机构的复杂性；当水管入水口在位置二时，下方不是水池，因此在设计衔接管时也比较复杂。处于对该设计的基本要求，用于做实验，要满足加工简便，机构简单，精度要求不高，以及经济效益考虑所以该方案不是很合适。图 3-3 连杆推动方案布局分布图3.3.3 杠杆推动方案杠杆推动方案采用杠杆原理，通过杠杆的摆动来实现将直线运动转换为圆弧运动，如图3-4所示。图 3-4 杠杆推动方案布局分布图杠杆推动方案由于机构的复杂性和空间需要只能在布局分布第二方案一侧。如图3-4所示，气缸推动杠杆的一端，中间采用转动副，另一端与水管连接，杠杆长度取
40、400mm，靠近水管一侧为200mm。该方案较连杆法简便。但是该方案存在许多不足。杠杆沿中心位置的转动副进行圆周运动，在水管一侧，杠杆的圆弧轨迹和水管运动的圆弧轨迹不一致，布局分布第一方案水管位置一这一侧地方间隙达到3.6mm，在汽缸一侧气缸直线运动轨迹于杠杆端点运动轨迹也不一样，存在较大间隙，所以在与气缸和水管连接的地方需要采用间隙法，但是较大的间隙就会造成在运动过程中较大的冲击力，从而损坏部件，减少使用寿命；且在设计安装上要求较高，需要保证杠杆安装在水管转动点和水管两个入水口连线的中心点的连线上这样才可以保证间隙最小，另外气缸的安装则需要保证垂直于杠杆在水管转动点和水管两个入水口连线的中心
41、点的连线上的安装位置，这给安装增加了难度；同时汽缸的固定以及衔接水管的设计会出现和连杆推动法一样的不足；转动副精度要求高，还要考虑气缸固定问题。从加工，安装，经济等各方面综合考虑出发，该方案不是很适合。3.3.4 气缸摆动推动方案气缸摆动推动方案采用的是两个转动副来实现将气缸的直线运动转变为水管的圆弧运动的，在气缸做伸缩动作时，气缸依靠第一转动副做小幅度的摆动，如图3-5所示。图 3-5 气缸摆动推动方案图气缸摆动推动方案采用第一转动副和转动副二来辅助完成直线运动转变为圆弧运动，第一转动副固定在气缸的后支座上，使得气缸可以摆动，转动副二连接气缸连接件和水管连接件，在水管做圆弧运动时为保证气缸的
42、直线运动二不至于卡死，气缸做小幅度的摆动。为保证转动副一不因气缸及气缸连接件的重力作用而产生弯矩力，设计中添加转动副三，转动副三一方面能够起到支撑作用，还可进行转动。转动副二的连接设计如图3-6所示。图 3-6 转动副二连接图水管外表面为圆表面，无法直接和连接转动副，采用一个水管连接件来连接转动副。水管与水管连接件为保证不会转动则需要采取焊接的方式。气缸摆动推动方案采用两个转动副能够很好的将气缸的直线运动转变为水管的圆弧运动，在机构设计上较为简单，水管的布局分布可以旋转布局分布第一方案和布局分布第二方案，固定支座可以设计在计量桶上方或者在计量桶外，可选择性多，且安装要求比较低。但是采用该方案需
43、要三个转动副，加工精度要求高；在气缸动作过程中，高速的冲击会下气缸要做小幅度的摆动，容易对气缸造成损坏；同时考虑到气缸和气缸连接件的重力，需要设计转动副三来座位支撑，增加工艺，使得机构比较复杂，同时又增加的摩擦阻碍；水管处无法直接与转动副连接，需要采用一个水管连接件，为保证该连接件在动作过程中和水管不发生相互旋转，需要采取焊接的方式，这样就破坏了机台，是不被允许的。从机台保护，加工精度，经济等各方面综合考虑出发，该方案不是很适合。3.3.5间隙法气缸直接推动方案在前面的杠杆推动法中考虑到间隙，而在布局分布图中可以发现，水管在做圆弧运动位置一和位置二连线与圆弧的最高点的距离为1.2mm，这个距离
44、比较小，考虑是不是可以采用间隙法来推动水管。间隙法指使用一个连接件直接与水管连接，该连接件套在水管上，水管的外壁直径为26mm，则设计的连接件的孔的直径需要大于27.2mm，在动作过程中水管则能够通过间隙来做调整而不使气缸卡死。如图3-7所示。图 3-7 间隙法气缸直接推动方案图采用间隙法气缸直接推动方案机构简单，在机构上只需要设计一个气缸连接件，气缸连接件上与水管连接的空留有间隙，保证气缸能正常动作，不被卡死。该机构在水管布局分布的选择上可以选择布局分布第一方案和布局分布第二方案，气缸的安装固定可以在计量桶上方或者计量桶外，选择性多。但是采用间隙法气缸直接推动方案在动作中冲击力大，误差较大，
45、如果使用硬性材料加工气缸连接件则会有很大的冲击力对零件损伤很大，所以在材料上选用尼龙棒；气缸的安装则需要保证垂直于杠杆在水管转动点和水管两个入水口连线的中心点的连线上的安装位置，这样可以保证水管在运动过程中的间隙最小；设计气缸连接件时需要考虑间隙大小的合理设计如果间隙取值过小，则无法满足动作要求，若间隙取值过大，则会有较大的冲击力产生，间隙设定在2.0mm到3.0mm。该机构设计主要用于公司做实验，设计任务要求结构简单，零件加工容易，控制精度要求较低。间隙法气缸直接推动方案机构非常简单，加工容易，能够满足设计要求，故采用间隙法气缸直接推动水管方案。3.4气缸固定方案的确定3.4.1 在计量桶外
46、固定气缸方案采用间隙法只需要固定气缸，因为气缸连接件采用尼龙棒很轻不要考虑重力给气缸活塞杆带来的弯矩。气缸安装固定如果采用计量桶外固定则对应的布局分布第二方案，在计量桶外有很大的空间可以用来安装气缸。但是采用这个方案如果从计量桶上伸出一个悬臂梁来固定气缸，则悬臂梁需要一个支撑，才能解决悬臂梁弯曲的问题；若直接做一个从地面上架起的架子，则高度非常高，浪费材料，增加加工和安装的难度；另外当水流不进入计量桶时候，水流的下方不是水池，则衔接水管的设计比较复杂。3.4.2 在计量桶上固定气缸方案将气缸直接固定在计量桶上，这个方案简单，不会出现悬臂情况。而水管的布局分布可以是布局分布第一方案，也可以是布局分布第二方案，考虑到衔接水管设计的难易度，采用布局分布第一方案。如图3-8所示。图 3-8 在计量桶上固定气缸方案图采用一块气缸固定板块使用三个螺栓固定在计量同上，而气缸则固定在这块板块上，对于中心高度的调整则采用垫片来进行调整。图示水管位置二下方为水池，衔接管的设计比较简单；在安装
