石材切割机的液压及PLC设计（全套含CAD图纸）
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本 科 毕 业 论 文（设 计） 题目（中文） 石材切割机的液压及 计 （英文） LC of 学 院 信息与机电学院 年级专业 2009 级机械设计制造及其自动化（中美合作） 学生姓名 张妍 学 号 090145031 指导教师 陈玉娟 完 成 日 期 2013 年 4 月 摘要 在充分研究石材切割机的基础上，采用液压技术与 制了一种基于液压技术和 压系统工作 顺畅平稳 ， 大地提高生产的自动化程度。 改善了石材切割机的 定时精度差、切割误差较大、受电源波动影响大、 自动化程度低等缺点，保证了不必要的人力资源浪费和操作者的安全，并且 提高了石材切割机切出的毛胚精度。其机械工作方式是由液压缸带动工作台及其上放置的石材移动，油缸向前动作一次，工作台完成一次形成，由横刀切割和纵刀切割切下一块石料，调定程序，循环此动作，节约人力。但换刀过程还是需要人工手动来进行的。在研究过程中要确定各个部件的型号，并考虑到它们的使用范围与安全。最后用 关键词： 液压系统；石材切割机； LC of of of of to of of he is by a on to of a or In of to of of 目 录 上海师范大学本科毕业论文（设计）诚信声明 I 上海师范大学本科毕业论文（设计）选题登记表 海师范大学本科毕业论文（设计）指导记录表 中文摘要及关键词 英文摘要及关键词 1 石材切割机的 液压设计简介 1 1 义 1 围 （内容） 1 2 2 2石材切割机的液压系统 2 对液压系统的工作要求 3 3 3 5 5 6 7 8 算液压原件 8 8 9 11 13 章小结 13 3 石材切割机的 制系统 14 14 14 16 17 19 22 参考文献 23 结束语 23 附录 1 石材切割机的 液压设计简介 材切割机的 液压设计研究背景 石材切割机用 金刚石切割片对石材、大理石板、瓷砖、水泥板等含硅酸盐的材料进行切割 。石材切割机大体可以分为 3 类。第一类 :面向小型的手动切割石料机，完全靠电机带动金刚石锯片，依靠人力去操作，笨重而且操作不便 ;第二类 :面向较大 的毛坯进行切割，其原理 是推动不同的方向与电机不同的工具来 尽兴 手动控制 ， 切割操作者 必须具 有一定的经验 ;第三类 :采用传统的继电器 时间继电器控制方式，但控制系统接线复杂，系统的可靠性较低，维修费用大，其最主要的弊病是自动分片控制中，采用时间继电器定时控制片厚，定位精度差，电机速度受电源波动影响大，因而分片误差较大，降低成品率，增加抛磨。难度针对目前应用于该领域的野外石材切割机的自动化程度低，而且这类切割机的控制精度不高。 现在设计的 压系统能改善前几类石材切割机出现的缺陷。 究目的、意义 研究目的 ：实现切割机自动化程度高 切出毛坯精度高。减轻了工人的劳动量，节约人力资源。 研究意义：使我国的石材切割技术提高，减少人力的损耗，使得切割石材更加的快捷、安全，并且在论文中融入了多种知识要点，提高自身的学术水平。 究对象、范围 研究对象：石材切割机系统 范围：控制石材切割机的液压系统及其 究方法 石材切割机是将石材切割成厚度均匀的毛胚，研究的主要的切割动作为横刀切割、纵刀切割、横移切割和人工手动操作完成的换刀过程。然后根据液压系 统的功能分析，设计出 出点的分配表。 究框架 机械工作方式为由液压油缸带动工作台及其上放置的石材移动，油缸向前动作一次，工作台完成一次形成，由横刀切割和纵刀切割切下一块石料。但是需要人工的操作控制顶油缸不再上升。由于水平锯片装置负责水平方向的切削任务，所以只需考虑 克服切削阻力工作即可。考虑用电动机驱动锯片转动。 之后再研究 统控制石材切割机的流程及其原理。 2 石材切割机的液压系统 定对液压系统的工作要求 根据加工要求，对纵刀切割、横刀切割、刀具横移拟定采用液压传动方式来实现，故决定选取油缸做执行机构 。考虑到进给系统传动功率不大，且要求低速稳定性好，以及切割的速度调节，故拟定选用调速阀，单向阀组成的调速方式。考虑用电动机驱动锯片转动。为了使安全有保证，考虑运用压力滤油器，其具有报警的功能装置。并且使用压力表随时跟踪监测液压的变化，并对其变化做出相应的措施。 液压系统 用 了溢流阀，系统压力就不可能超过溢流阀所调定的压力，溢流阀也就起防止系统过载的作用。 石材加工示意图 液压 石材切割机 工作原理 图 载 分析 件重力为 6000N F =6000N (1) / s i (2) 由于 120N，取，有 静摩擦负载 ( 0 . 2 1 2 0 / s i n )4= (3) 动摩擦负载 ( 0 . 1 1 2 0 / s i n )4=于液压缸参数的确定 分析此设备负载不大，初选工作压力 计算液压缸的尺寸 A=4） = 2516 0 3 3 . 9 4 2 0 1 0 m = 4230 1 0 m 4= 44 3 0 . 1 7 1 03 . 1 4 1 5 9 m （ 5） = 0 m 压系统工作过程 纵刀切割，从石材下方进入上方切割完再原路返回 ，当油缸向上驱动纵刀装置向上移动 ，纵刀装置驱动纵向切割刀进行石材切割。 当切割完成了，纵向 油缸 下降 ， 驱动纵刀装置下移，从而完成一次纵向切割过程。 电机泵启动、水泵启动，各阀处于失电状态下，阀处于中位。纵刀切割工艺如下 : 1程序控制下 电磁阀 1电 刀具下切 接近开关控制 1电。 2电磁阀 13电 进行并完成切割 接近开关控制 13电。 3电磁阀 2电 (控制抬刀的高度 ) 接近开关控制掉电 打开电磁阀 9 抬高控制台并延时 10 s(同时用接近开关作为保护 ) 4 电磁阀 14电 (使轨道伸出 ) 接近开关控制其伸缩位置 打开电磁阀 10电 控制台下降并延时 10 s (此时如压力变送器超压如 6 关闭阀 14且报警阻挡 ) 完成纵切过程的切割 . 这样重复以上操作即完成纵刀切割的过程。 图二 纵刀 切割流程图 横刀切割图 横 刀切割，从石材 左 方进入 右 方切割完再原路返回 ，当油缸向右驱动纵刀装置向右移动，纵刀装置驱动纵向切割刀进行石材切割。当切割完成了，纵向油缸左移，驱动纵刀装置左移，从而完成一次横向切割过程。 1在准 备状态下电机工作，各阀处于失电状态，横刀切割工艺如下 : 2电磁阀 3电 刀具下切 接近开关 控制 3电。 3 电磁阀 13电 走横刀 走刀过程中活塞杆碰撞接近开关 接近开关 13电 一个切割的行程完成。 4电磁阀 4电 (控制抬刀的高度并关、闭电磁阀 ) 电磁阀 9电提升控制台高度并延时 1s 接近开关控制 9电 确保其达到安全高度。 5 电磁阀 14电 (轨道伸回 ) 接近开关控制伸回位置 用压力变送器控 制其压力超过 6 报警并阻挡 电磁阀 11电 降低控制台高度并延时 10 s 接近开关控制下降的位置。 这样可以重复以上操作即完成横切的过程。 图三 横刀切割流程图 移 切割 横移切 割 ，从石材 右 方进入 左 方切割完再原路返回 ，当油缸向左驱动纵刀装置向左移动，切割刀进行石材切割。当切割完成了，横向油缸右移，驱动纵刀装置右移，从而完成一次横移切割过程。 在准备状态下电机工作，各阀处于失电状态，刀具 横移工艺如下 : 1电磁阀 2电 油缸活塞杆运动 碰撞接近开关 控制2电。 2电磁阀 7电 油缸推动刀具横移 碰撞接近开关使 7电。 3电磁阀 9电（抬高操作台） 升高到碰到接近开关 使其失电 电磁阀 9电（并延时 10 s） 电磁阀 电 拉回液压杆 碰撞接近开关 8电。 图四 刀具横移流程图 在准备状态下电机工作，各阀处于失电状态，处于中位，人工转向换到工艺如下 : 1电磁阀 2电 活塞杆撞击接近开关控制掉电。 2电磁阀 11电 中心顶油缸的得电上升。 3这时需要人工操作控制其停止上升，人工推转定位，完成操作后按动开关，电磁阀 12电使中心顶油缸下移并延时 10 s，以上完成转向的控制 3。 图五 转向换刀流程图 择、计算液压原件 两个泵的流量为 压缸最大工作压力定位 2M 取定压力损失为 p=a 所以得出液压汞的工作压力为： pp p+p（ 6） =(2+ a 由于两个液压泵同时向系统供油，我们估计在回路中的泄漏按照 10%来进行计算。 得出两个泵的总流量应该是 : 于溢流阀最小稳定的流量为 3L/以得出： 按照上述的计算结果查产品目录得到选用 额定压力 a、容积效率 效率 P= 所 以得出： 电动机的功率可以从泵的工作压力（ a）和输出流量 910 10得电动机的转速设为 910r/ 求得： 电动机功率为： 7） = . w=电机类的产品目录查得： 使用电动机型号 功率为额定转速为 910r/ 液压元件型号及其规格 表一 部分液压元件型号和规格 序号 名称 通过流量 (L ) 型号和规格 1 双联叶片泵 三位四通电磁换向阀 4 溢流阀 单向阀 调速阀 压力表 压力表开关 电动机 类元件功能及性能介绍： (1)油管 ：按照和其接口的元件确定油管尺寸。在本例中采用内径为 9径为 10 (2)油箱：容积根据液压泵的流量计算得出，取其体积 V=65L (3)三位四通电磁换向阀 : 三位四通电磁换向阀是利用电磁铁的通电吸合与断电释放而直接推动阀芯来控制液流方向。其中信号由限位开关、行程开关等元件发出，从而可以方便的让液压系统执行各种操作和自动的顺序动作。三位四通电磁换向阀共有 4个油口，每一个方框中表示油路的通路和方框一共有 4个交点，在中间的位置上由于各个油口互不相通。 其中 A、 构特点：在中位时，各油口全封闭，油不流通。机能特 点： 1、工作装置的进、回油口都封闭，工作机构可以固定在任何位置静止不动，即使有外力作用也不能使工作机构移动或转动，因而不能用于带手摇的机构。 2、 从停止到启动比较平稳，因为工作机构回油腔中充满油液，可以起缓冲作用，当压力油推动工作机构开始运动时，因油阻力的影响而使其速度不会太快，制动时运动 惯性引起液压冲击较大。 3、油泵不能卸载。 4、换向位置精度高。 （ 4）溢流阀：用来维持液压系统 中的定压。对溢流阀的性能的主要要求有定压精度高、灵敏度要高、工作要平稳并且最好没有震动与噪音 4。 （ 5） 压力表。检测流入空气的压力。 （ 6） 减压阀。使流入空气的压力不至于过高，通过这个装置后能使空气压力降低到允许流过的空气压力。 （ 7） 过滤器。保证流入空气的纯净性，能过滤掉空气中的杂质，保护了仪器设备的安全性和可靠性。 （ 8） 单向阀。单向阀是使气流只能朝一个方向流动，而不能反向流动的二位二通阀。此装置空气由下往上流入，不能由上往下流出。 油液在管道内流动的速度为 s，通过的流量为 要的压力损失在调速阀降压时候的两端，这个时候损 失的功率最大。 计算油液在进油管内的流动速度 得出： p （ 8） =m/s =s （ 1） 沿程压力损失 在系统中使用 压油。当室内温度为 20， V=， 有： =. =320 （ 9） 阻力损失系数 ./ 取进油管，回油管 长度为 液的密度 所以得出进油路的沿程压力损失： （ 10） = . = = . M 2） 局部压力损失 局部压力损失包括了管道接头压力的损失，管道安装压力的损失和流过液压阀损失的局部压力。 取压力损失的 10%，阀的额定压力损失为阀的额定流量损失为 通 过阀的压力损失为： 以这个损失可以忽略不算。 同上，得到回油路上的流量： A （ 11） = m 1 2 6 9 l=l 回油路的油管中的流速： v. = 有此可以得出： （ 12） =. = 得到在回油路上的沿程压力损失： （ 13） = . . = 3） 总共损失的压力，由上得出： （ 14） = .a =a 原本设 . ,与计算结果有略微的误差。 最后决定用上述得出的计算结果来调定压力阀的值。 (4)调定溢流阀的压力值 卸荷阀的压力值：（ 15） =（ 2+M 取 流阀压力值要比卸荷阀大 以综上所述：溢流阀的压力值调定为 拟定液压系统工作原理图 图 1液压系统工作原理图 缓冲） 通电磁阀 m 过滤器 16. 15 m 过滤器 17. 单向阀 18. 30 m 压系统的特点 此系统的工作稳妥平缓，液压油在一定程度上具有一定的缓冲和阻尼作用，可以消除或减轻系统的刚性碰撞的冲击，振动和噪声。在安置中心的液压缸的顶部，使用了液控单向锁，以防止由于重力的作用使得活塞下落，液控单向阀不仅具有支撑作用，而且液控单 向阀允许油线很长一段时间的保持压力 5。 当电磁换向阀在中位的时候，两个液压控制单向阀互锁，可以关闭液压缸两腔 的油液，此刻活塞就不能由于外力产生移动，从而实现了液压缸的锁紧，由于液压缸此刻在有效面积上具有很大的差距，所以在退回活塞的时候，液压缸右腔的油量排放的突然增加，如果这个时候用小流量滑阀，将产生的节流作用，限制所述活塞的后退的速度 ;如果这里增加了液控单向阀，在液压缸活塞后退的时候，液控单向阀被控制压力油打开后，可以顺利的从右腔排油。所以液压缸的缓冲系统使得系统流畅的运动过程中减少了的冲击的影响，使用 一个分流阀让缸的运动更顺畅平稳，缓和了振动。 章小结 本章通过对石 石材切割机 的介绍， 确定了 石材切割机 初步设计方案后， 介绍了 石材切割机 的工作流程和具体各个部分工作示意图， 采用分析计算以及 相关 文献设计了液压系统对其 拟定液压系统原理图的和一些液压系统参数的设计 计算。通过设计、计算、校核 证明 设计的准确性和可行性。对于统设计液压原理图具有实用、直观、结论明显，可以作为设计的判据， 对于 石材切割机 发展 应用 有极高的参加价值，也可以为相关企业和研究机构提供一些思路和参考 。 另外也为下一章节进行 石材切割机的 计 提供了相关的依据。 3 石材切割机的 制系统 设计背景 可编程控制器是为工业控制应用而设计制造的通用控制器。它实现了传统继电器的控制技术，并且结合了现代计算机技术和通信技术。 在石材切割机中，为了保证切割质量，提高劳动生产率，同时也为了降低企业产品的成本，缩短了产品生产周期，减少切割过程对于工作人员的人体伤害。实现对于石材切割的 作人员就不用时时刻刻守在机器旁边了，不但节省了大量的人力、时间以及能源，更能够极大的减少切割过程对于人体的伤害。本设计正是基于 以上目的而设计的。 可编程控制器 (于石材的切割，实质上是在微机控制的基础上，采用专用语言，使编程简单。切割大部分工序可采用可编程序控制器 (为核心控制组件的控制系统全部自动完成。 系统的控制运行可靠、这不仅避免了传统的继电器逻辑控制线路体积庞大、故障率高、维护困难的缺点、也克服了单片机控制系统成本高、接口处理及编程相对复杂等缺点。 我们从 全可靠、维修方便即最优的性价比。 7型、中型和大型四大类。 型 。经过分析研究次液压系统应选择 为有 34个数字量的输入和2个模拟量的输入，并且有 18个数字量的输出。 在设计时，我要求最大的限度的控制住控制对象，争取控制系统简单、实用、维修方便，操作简单并且把误操作的可能性考虑进去，力求保证有一个安全，可靠的控制系统，满足 7。 因此，可编程序控制器选用 7系列 能强，稳定性高，完全符合控制要求。 根据以上的分配，做出输入输出分配表。 表二 石材切割机部分输入点分配表 石材切割机部分输入 /输出点分配表 部分输入信号 名称 代号 编号 电机启动 机停止 滤报警开关 1 臂油缸 1左限位 臂油缸 1右限位 刀油缸左限位 向移动油缸 2右限位 向移动油缸 1左限位 割油缸左限位 心顶升油缸 1上限位 心顶升油缸 1下限位 三 石材切割机部分输出点分配表 部分输出信号 名称 代号 编号 电机 臂油缸 1左电磁阀 臂油缸 2左电磁阀 刀油缸左电磁阀 横向移动油缸 1左电磁阀 向移动油缸 2左电磁阀 割油缸左电磁阀 心顶升油缸左电磁阀 警灯 从输入输出点，可以将控制系统的硬件结构框图设计出来，其中的按钮包括电机启动、电机停止、滤油报警开关，接近开关中包括了顶升油缸和横刀油缸等，使得纵切、横切、横移、转向等都满足需 求的两种传感器和开关键。 图六 控制系统的硬件结构框图 件设计 通过对纵切、横切、横移以及人工转向换刀的分析来分析石材切割机的工作过程。系统是采用顺序的控制方法来进行的，就是下一步的动作进行是在前一步动作完成的基础上再执行的，根据它的动作要求，设计了一下的石材切割机的功能表。 1、 纵刀切割和横刀切割的功能表 图七 纵刀切割功能表和横刀切割功能表 2、横刀和转向的功能表 图八 横刀和转向功能表 序设计 梯形图（指令表见附录） 以下是横刀切割的梯形图 在准备状态下电机工作，各阀处于失电状态，横刀切割工艺如下 : (1) 电磁阀 35电，刀具下切，接近开关控制 35 (2) 电磁阀 13电走横刀，走刀过程中活塞杆碰撞接近开关，接近开关13电，这时一个切割的行程完成 ; (3)电磁阀 46电，控制抬刀的高度并关闭电磁阀，电磁阀 9电提升控制台高度并延时 10s，接近开关控制 9电，确保其达到安全高度 ; (4)电磁阀 14电使轨道伸回，接近开关控制伸回位置，采用压力变送器控制其压力超过 6 警并阻挡，电磁阀 11电降低控制台高度并延时10s，接近开关控制下降的位置，这样可以重复以上操作即完成横切的过程。 刀具横移的梯形图 在准备状态下电机工作，各阀处于失电状态，刀具横移工艺如下 : (1) 电磁 246电，油缸活塞杆运动来碰撞接近开关，控制 26电 (2) 电磁阀 7电油缸推动刀具横移，直至碰撞接近 开关使 7电 ; (3) 电磁阀 9电抬高操作台，升高到碰到接近开关使其失电，电磁阀 9电并延时 10 s，电磁阀 8电拉回液压杆，碰撞到接近开关 8电。 转向换刀梯形图 在准备状态下电机工作，各阀处于失电状态，处于中位，人工转向换到工艺如下 : (1)摇臂油缸 1左限位电磁 24刀油缸左限位 6电，活塞杆撞击接近开关控制掉电 ; (2)电磁阀 11其中心顶油缸的得电上升，这时需要人工操作控制其停止上升，人工推转定位，完成操作后按动开关，电磁 阀 12电使中心顶油缸下移并延时 10 s，以上完成转向的控制。 章小结 本章是在上一章节的基础上进行石材切割机 的 统设计，对石材切割机驱动装置、输入输出点，控制原理及控制系统等各组成部分进行了较为全面的分析，最后得出其总体设计方案。 介绍了 用西门子 选型依据，最终选用 西门子的 号的 行了 线图的绘制和梯形图的设计，同时也对 石材切割机的四个工艺流程 工艺流程进行了详细的阐述 ，最后还在附录里表 达了梯形图对应的 令表。 参考文献 1 中华人民共和国国家标准石材切割机 J2009,(4):272 林永忠 石材切割机中的应用 J2004,(2):74. 3 金成毅 ,熊瑞平 J2012,(4):484 宋裕琛 J2002,(2):175 肖 俊 峰 , 庞庆华
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