金属打包机设计.doc

摘要摘要 老式的金属打包机的电气控制部分大多数仍采用继电器控制，这种控制方法采用 众多的电器元件，逻辑布线复杂，接点多，故障率高，设备运行可靠性差。采用 plc 控制能有效的解决这些问题。因此设计一种全新的基于 plc 的液压金属打包机的控制 系统。该系统工作性能稳定,提高了生产线的自动化程度,并切实提高了生产线的生产 效率。同时也介绍金属打包机的发展历史、结构，并进行了液压系统的设计、plc 控制 系统的设计。 关键词：金属打包机 可编程控制器（plc） 液压系统 abstract the electrical control parts of the old metal baler still mostly use the relay control. this control method used numerous electrical components,logic routing complex, contact, the high failure rate, poor equipment operation reliability. plc control can be used effectively to resolve these problems. so design a new plc-based metal baler hydraulic control system. the performance of the system is stability, increase the degree of automation of production lines and effectively improve the efficiency of the production line.it also introduces the history of the metal baler development, structure, and the design of its hydraulic system, the design of the plc control system. key words: baler old metal programmable logic controller (plc) hydraulic system 1 目录目录 摘要摘要.1 abstractii 第一章引言第一章引言.1 1.1 金属打包机及其在国民经济的地位 .1 1.2 金属打包机的原理及基本要求 .1 1.3 金属打包机的类型 .1 1.4 液压传动打包机的优点 .3 1.5 我国液压打包机的应用及展望 .3 1.5.1 我国废金属加工设备的生产规模及现状.4 1.5.2 我国液压打包机的研制应用现状.4 1.5.3 我国液压打包机 “十一五”发展方向.5 1.5.4 我国废钢加工设备前景展望.6 第二章第二章 液压金属打包机的结构液压金属打包机的结构.8 2.1 打包机的运动 .8 2.2 打包机运动的控制 .8 2.3 打包机的总布局 .9 第三章第三章 液压金属打包机液压系统的主要的设计及计算液压金属打包机液压系统的主要的设计及计算10 3.1 技术要求10 3.2 液压元件的计算与选用 .10 3.2.1 负载分析和运动分析.10 3.2.2 液压缸主参数的计算.12 3.2.3 液压泵的选择与计算.13 3.2.4 电动机的计算与选用.15 3.3 液压系统图的的拟定 .15 3.3.1 液压回路的选择.15 3.3.2液压系统的性能验算17 3.3.3 油液温升验算.17 第四章第四章 液压金属打包机的液压金属打包机的 plc 控制系统设计控制系统设计.19 4.1 主机功能结构19 2 4.2 plc 的概述19 4.2.1 plc的起源19 4.2.2 plc的功能、20 4.2.3 plc的主要特点20 4.2.4可编程控制器的定义20 4.2.5 可编程控制器的分类.20 4.2.6 pc的原理21 4.2.7 plc的选型方法22 4.3 plc 机型的选择25 4.3.1 plc的选择要求25 4.3.2 plc的选用26 4.4 plc 控制系统硬件设计 .26 4.5 控制要求和工作方式 .28 4.6 plc 的控制过程29 4.7 plc 控制系统控制程序及说明.31 结论结论.38 致谢致谢.39 参考文献参考文献.40 第一章引言 1 第一章引言第一章引言 1.1 金属打包机及其在国民经济的地位 金属打包机的作用-金属打包机是金属回收机械中的主要种类之一。它的功能是将 机械工业的余废料、即一定厚度下的边角余料，线材、切削及小型薄壁金属容器、包 装物、小型构架，废旧金属生活制品等物料，挤压成具有一定规格和紧密度的束块， 便于运输和回炉冶炼。 金属打包机在国民经济中的地位-随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，各 工业部门的金属下脚料及生活用金属制品的废弃物都日益增多，这无疑将会对人类环 境产生污染；另方面人类社会的不断消耗，各类矿物资源也会逐渐减少。如何利用金 属废弃物，即防止污染，又变废为宝，资源永续成为一个重要的研究课题摆在人类面 前。 1.2 金属打包机的原理及基本要求 金属打包的基本原理-就是利用金属材料在外力作用下，能产生塑性变形的性质， 给金属材料以足够的、能聚集并产生永久形变的外力，从而形成紧密的束块。所以， 不能产生塑性变形，或塑性变形很小的金属，便不能直接进行打包处理。如高碳钢、 工具钢、钢丝绳及铸铁等，就不能直接装机进行打包。 金属打包的基本要求-（1）要有足够的挤压力。能使被处理的金属材料产生塑性 变形束块，并使被束块达到一定要求的密度。（2）要有一个能容纳金属物料、并能封 闭起来承受挤压力的料箱。在满足这两项基本要求的前提下，又根据不同的应用要求 和不同的处理对象，就产生了许多不同类型的金属打包机。金属打包机的工作原来， 就是在一个封闭的料箱内，使用工作力推动压头对金属物料进行挤压，使金属物料形 成一定尺寸和密度的束块。 1.3 金属打包机的类型 各个国家对废旧金属的回收方法不同，加工规模、体制各异，各国研制使用的金 属打包机就各有特点，类型很多。但除尺寸规格、具体的结构类型不外乎如下几种： 按料箱的封闭方法，有合盖式和组合式。 （1）合盖式-在料箱的上方有-旋转的机盖，加料后机盖闭和，形成封闭的挤压 室，在合盖过程中，利用操纵机盖的推动力，对松散的金属物料，进行一次预压。一 次封闭的容量大，适用范围广。所以种类型的结构被采用得最多。在中型、大型的金 液压金属打包机控制系统的设计 2 属打包机上也能组成自动化作业线，只是在加料时间，压头要等待，不能连续打包， 在单位时间内的打包数量比较低。 （2）组合式就是合盖式与其它形式的封闭料箱的方式结合于一体。在机盖闭合后， 带有拖板的第一级压头将物料推压到挤压室，机盖就开启，在第二级压头挤压工作时， 就可进行加料于托板上。当包块成形推出机外，压头回程，托板上的料立即被挡入料 箱内，又可合盖进行新的循环工作。这种类型弥补了某种的无予预压作用，又弥补了 合盖式的间歇太长的缺点，但还是不能进行完全的连续加料，且机构也复杂，所以采 用这类型式的金属打包机还不多见。 按压头加压的方法，有单压头加压、双压头加压和三压头加压等形式。 单压头加压-在封闭的料箱中，只从一个方向对金属物料施加压力。这种类型目前 多见于小型的 100 吨压力以下的、和小吨位压力的处理有色金属的金属打包机。双压 头加压-在封闭的料箱中，分别从相互垂直的两个方向，分别对金属物料施加挤压力。 这种加压方式的机型目前被采用得最多，小、中、大各级吨位压力的都有，既能保证 包块有一定的密度，又能简化机器的结构。三压头加压-在封闭的料箱中以相互垂直的 三个方向，分别对金属物料施加压力。这种加压方式的机型一般功率都比较大，即压 力吨位都较大。这种加压方式多与其他方式的料箱封闭形式配合使用，生产效率高， 包块的密度高。当然机器的结构也复杂。 从金属打包机的发展趋势看，是在向多功能、大吨位、高生产率的方向发展。当 然。这要以各国的具体国情而定。不过，有一点是一致的，不论什么机型结构，均以 液压传动为主。 我国的金属打包机的概况从不完整的资料看，目前国内所拥有并使用的金属打包 机，除简陋及代用设备外，分为丝杆传动和液压传动两大类。 （1）、丝杆传动金属打包机 目前的机械厂从事商品生产。但仍有许多金属回收单位自造自用。基本结构都大 同小异，一般都采用合盖式、双压头加压。各压头、盖板均分别由电动机、减速器、 丝杆及螺母进行传动，人工取包或机械顶出包块，具体结构繁简不一。这类打包机的 主压头压力，正式标定的有 100 吨力和 200 吨力两种，还有没有标定吨位的，也只是 在 100 吨力左右。由于丝杆传动的功率损耗大，磨损大，体积大，所以一般不用这种 传动结构来制造大吨位级的打包机。 丝杆传动的金属打包机，以其结构简单，易于制造，在我国金属回收行业向机械 化发展方面，是起了一定的推动作用的。但由于这种传动的功率损失太大，压力的传 动不稳定，加工的包块密度底，以及丝杆传动的自身缺点和限制，不能得到发展，终 会被淘汰。 （2）、液压传动金属打包机 第一章引言 3 从六十年代开始，我国就有了制造液压传动金属打包机的工厂。与其它的工业发 达的国家相比，虽然起步晚了些，但随着金属回收工业的发展，液压金属打包机的发 展也相当迅速，有了一批适合我国国情的、不同规格和品种的设备装备在各金属回收 单位。 按主压头压力吨位有：63 吨、100 吨、160 吨、250 吨、300 吨及 1600 吨数种。 300 吨和 1600 吨力级的多为冶金部门所使用；金属回收单位目前使用最多的是 100 吨 压力，其次是 160 吨力和 250 吨力级，再大的就少了。 从结构特征来讲，多数为合盖式的双压头加压。这类结构，以宜昌机床工业公司 所研制的系列产品为代表。 另外，最近几年还发展了适合县、镇及机械轻工部门使用的合盖式单压头加压、 移动式等小而轻便的金属打包机。 1.4 液压传动打包机的优点 液压打包机之所以发展迅速在于有许多其它传动方式不可比拟的优点，而这些优 点又正适应金属的物料打包工作需要。这些优点是： （1）、很容易得到大压力，能在工作行程的任何位置进行满负载的挤压工作。金 属物料变形稳定，挤压出的束块密度高。 （2）、能容易实现自动变速，即压头在低压力时能快速行动，高压力时慢速行动。 所以节省功率，提高效率，亦有利于金属物料的变形。 （3）、工作时传动平稳，噪声小。机器的结构紧凑，体积小，占地面积小。 （4）、容易实现过载保护。在额定压力下，可随时调节压力的大小，即能保护设 备的安全，操作也方便。 （5）、容易实现自动化，容易实现远程操作，工人劳动强度低。 （6）、功率损失小，节省能源。标准化程度高，液压元件容易更换。 1.5 我国液压打包机的应用及展望 我国液压打包机的研制应用起步于上世纪 80 年代中期。原国家计委在发展中国钢 铁工业中把废钢铁回收加工列入节能项目，宏观政策上鼓励发展。当时由商业部和国 家物资局从捷克斯洛伐克、日本、美国、联邦德国等组织引进了部分废钢打包机。首 先在京、津、沪等大中城市应用。然后通过技术引进，技术合作等形式逐步形成了我 国废金属加工设备生产体系。那时，中国仍然以计划经济为主，市场调节为辅。隶属 于机械工业部的宜昌机属工业公司责无旁贷地承担了引进设备的技术吸收转化和国产 设备的研制开发等生产任务，并为我国液压系列废金属加工设备的推广应用做出了历 液压金属打包机控制系统的设计 4 史性贡献。90 年代后，随着我国市场经济的不断发展完善，废钢加工设备研制生产企 业逐步向长江流域和华东地区转移，江苏华宏科技股份有限公司（原江阴市液压机械 厂）就应运而生了。常熟市锻压机床有限公司，武汉供销机械厂，宁波非标设备厂等 也都生产了一定数量的废金属加工设备。 1.5.1 我国废金属加工设备的生产规模及现状 据粗略统计，自“九五”时期以来：我国年均生产各种废钢加工设备在 4 4005300 台（件），21 世纪后年均产量有了较大增长，这与我国钢铁蓄积量“十五” 时期大幅增长的情形相同。其中大型废钢加工设备（包括抓钢机）多数服务于大型冶 金企业，其所占比例较小，大约在 10%15%。而中小型废钢加工设备一般使用在再生资 源回收利用公司和基层回收站，约占设备总量的 85%90%。近些年有色金属和不锈钢企 业发展迅猛，炉前选用废金属打包机加工原料的日见增多。江苏华宏科技股份有限公 司是我国专业生产废钢加工设备的新兴力量。“九五”时期共计生产废金属加工设备 3 800 余台（件），产值达 16 780 万元。 “十五”期间生产各类废钢加工设备 14 895 台（件），实现销售 80 513 余万元，占据了国内较大的市场分额。2006 年 1 月至 2007 年 6 月，江苏华宏又生产各类废金属加工设备 5 667 台（件），实现销售达 42 880 万元，18 个月的产量和产值约占“十五”时期的 38% 和 53.26%。江苏华宏自“九 五”时期至今，一共累计生产各类废加工设备 24 362 台（件）。华宏设备以占国内市 场份额 50%计，全国同期应有废金属加工设备总数为 48 724 台（件）；若以 40% 计则 全国同期设备总数为 60 905 台（件），约相当于年产 5 300 台（件）。若含抓钢机， 冶金渣破碎机及研磨设备等，废钢加工设备总数应在 50 00062 000 台（件）左右。 当然这只是理论推导值，尚不包括报废折旧部分，也未计进口和出口部分。 1.5.2 我国液压打包机的研制应用现状 (1) . 我国废金属加工设备的研制现状 从上世纪 80 年代后期引进国外废钢打包机至今已有 20 余年。中国加入世贸组织 也已多年，世界经济一体化的进程不断加快，而我国液压打包机的研制现状仍有许多 令人不满意的地方。 新产品开发研制的动力、财力不足。目前在企业中设有科研所的只有湖北力帝和 江苏华宏。在竞争日趋激烈的今天，企业只能以赢利为目的，而国家和政府又没有科 研经费投入，这个领域似乎成了被人遗忘的角落。经久耐用、简单可行的设备受欢迎。 废钢回收加工，北方称之为收破烂儿，南方叫收废品，一般的人不愿意干。当然在循 环经济，节能环保等新概念的冲击下，人们的观念有所改变。中国的传统是勤俭节约， 投入少产出多，特别是废钢加工设备只要求简单易用，不欢迎复杂奢侈。所以 20 多年 后的今天，废钢打包机仍是老面孔，新产品的开发并不多见。集打包、剪切功能为一 身的液压打包剪机国内尚无批量生产。 第一章引言 5 (2). 我国废金属加工设备应用现状 我国液压打包机主要应用在冶金系统和从事再生资源回收利用的相关企业，有色 金属加工冶炼厂和不锈钢生产企业等。 液压打包机在冶金工业中的应用我国自行研制的 y81-63-81-400 型打包机、yd81- 63-d81-650 型打包机，其结构简单，一般采用合盖锁紧销代替垂直挤压机构，有手动 和半自动两种。大功率打包机为大型钢铁企业所用：如宝钢、太钢、莱钢、广钢、杭 钢等钢铁企业都选用大功率打包机和门式剪切机等，一是对生产过程中的边角余料加 工打包；二是对社会收购废钢进行加工，冶金企业拥有的打包机、剪切机只占全社会 设备量的一部分，但都是大功率设备。 液压打包机在再生资源回收企业中的应用 据报道：全国废品回收人员在 1 000 万 人以上，全国供销社系统共有再生资源回收网点近 10 万个，交易市场 540 多处，从业 人员近 50 万人。金属打包机广泛应用于再生资源回收企业。特别是中小型打包机很受 市场欢迎。占国内市场半壁江山的江苏华宏经常满负荷生产，节假日还加班加点，但 华宏系列产品始终供不应求。据粗略估算：我国液压打包机产量约占全国废金属加工 设备的 90%左右，抓钢机、钢渣破碎、研磨设备等约占 10 % 。 液压打包机在有色金属、不锈钢领域的应用 2006 年我国再生有色金属总产量达 455 万吨。其中再生铜 168 万吨，再生铝 235 万吨，再生铅、再生锌产量分别为 39 万吨和 11 万吨。液压打包机在有色金属投炉冶炼工段使用十分普遍，绍兴中环铜业公 司和富阳杭富线缆有限公司都采用华宏 y81-100 型液压打包机加工废铜原料。2006 年我国不锈钢产量达 530 万吨，消费量为 595 万吨，成为全球第一不锈钢生产大国。 在不锈钢冶炼生产过程中，不锈钢创花、不锈钢轻薄料等加工压块都需要废金属打包 机，经加工后的包块既方便投炉，又节能环保。 1.5.3 我国液压打包机 “十一五”发展方向 根据国家发改委颁发的钢铁产业发展政策，“十一五”期间我国钢铁工业经 调整后仍将持续、稳定、健康发展。它对钢铁产业发展规划、产业布局、产业技术政 策、企业组织结构、投资管理等都作了详细规定，为钢铁工业的健康发展指明了方向。 “十一五”期间以年均产钢 4 . 2 亿 4 . 3 亿吨计，我国将共计生产粗钢 21 亿 21.5 亿吨，以吨钢单耗废钢 165 千克计，即需废钢 34 650 万35 475 万吨，相当 于年均使用废钢 6 900 万7 100 万吨。钢铁产业发展政策第十五条要求精料入炉、 清洁生产；第三十五条要求多用废钢，减少矿石用量；鼓励发展电炉炼钢，鼓励废钢 精细加工，提倡废钢实行定点定向配送供应。有鉴于此，笔者认为：我国废钢加工设 备“十一五”发展方向是： (1). 稳定现有废钢加工设备生产企业，并使之健康发展 为保证“十一五”期间钢铁工业的废钢供应。国家宏观管理部门应重视现有废钢 液压金属打包机控制系统的设计 6 加工设备生产企业，把它作为发展循环经济的重要内容来抓。在银行贷款，税收政策 和技术改造等方面给以扶持，使之稳定健康发展，并在原有基础上鼓励创新，使它们 成为该行业的民族品牌工业。 (2) . 注重科技投入，加强国际间的交流合作国产的废钢加工设备结构简单，操 作容易，价格也较便宜，深受广大用户的欢迎。但 20 多年以来，废钢加工设备的技术 改造，科技创新投入严重不足，宏观管理部门及相关的科研院所也很少有人关注这一 领域。 国际的交流合作平时只局限于贸易交流，或流于经贸洽谈等，湖北力帝公司研制 的 psx-6080 型废钢破碎生产线是在引进美国技术的基础上创新开发的，属国家星火计 划，但推广应用难度很大。对于意大利考尔码公司的液压打包剪切机，带抓斗的金属 液压打包机和德国美卓林德曼公司的废钢加工系列设备等样机应组织力量吸收转化， 为我所用。 (3) . 发展先进加工工艺，以增加纯净废钢的市场供应量对于自动上料，并能除 尘去杂的废钢加工设备应鼓励研制开发，因为这类设备可以大幅度提高劳动生产率， 还能与精料入炉，清洁生产相匹配。同时也能促进废钢配送制度的建立。 (4) . 建立废钢加工设备基金会建议中国废钢铁应用协会协同废钢加工设备委员 会发起建立废钢加工设备基金会。废钢和废钢加工设备的使用单位，生产单位都有义 务按比例为基金会筹措资金，该基金主要用于新产品的研制开发以及奖励对该行业作 出卓越贡献的人士等。 1.5.4 我国废钢加工设备前景展望 我国废钢加工设备的指研制设计和生产与国家的经济发展速度，特别是与冶金工 业的发展密切相关。我国“十一五”期间的 gdp 年均增长在 7%8%， 2010 年我国粗钢 产量将超过 5.3 亿吨，国内钢材需求总量将达到 4.8 亿吨以上，届时年需废钢将达 8 000 万9000 万吨。 (1) . 废钢加工设备的数量、质量均呈增长提高状态 在废钢供应环节中，国家鼓励批量采购，集中加工，统一配送。对钢铁企业则鼓 励精料入炉，积极开展资源的综合利用。2007 年钢铁行业将节能 1 700 万吨标煤，减 排二氧化硫 9 万吨，节水 3 亿吨。随着“钢铁产业发展政策”的全面落实，随着废钢 加工配送体系的逐步推广建立，需要加工的废钢将逐年增加，所以社会对废钢加工设 备的质量，数量都将有新的要求。 (2). 各种类型的废钢加工设备将协同发展 由于我国是发展中国家，将长期处于社会主义初级阶段。以冶金工业为例：全国 钢铁企业中有宝钢、武钢，鞍钢等现代化的大型钢铁企业，也有像南京，杭州、济南 等准现代化企业，甚至还有像加兴、遂昌、锡兴等“第三世界”的企业。由于各自的 第一章引言 7 经济实力不同，选择废钢加工设备自然是量力而行，各取所需。同样对于各种类型的 再生资源企业，对于废钢回收加工供应企业采购废钢加工设备的选择标准是千差万别 的。所以在“十一五”时期，各种类型的废钢加工设备（含进口、国产、大、中、小 等）仍将共同存在、共同繁荣、和谐发展。 (3) . 综合加工设备、一机多能设备将更受青睐 社会需要自动化程度高，生产效率高，具有生产流水线形式的废钢综合加工设备， 对一机多能设备将更受青睐。如韩国大模技术有限公司生产的 dms 系列金属打包机可 360 度自由旋转且功率大，适合大钢厂料场作业；詹阳动力重工公司生产的履带式液压 抓钢机附带电磁吸盘和散料抓斗，一机多用深受钢铁企业迎。意大利考尔玛公司的液 压打包剪切机系列产品，具有打包和剪切的双重功能，是废钢加工设备的发展方向。 建议中国废钢铁应用协会和废钢加工设备委员会组织力量开展全国范围废钢加工设备 产量、产值以及生产能力调查，包括各类生产企业、工程技术人员，产品销售地域等 等。以普查为基础，组织行业专家制定废钢加工设备“十一五”规划，并配合质检等 部门推行废钢加工设备产、销售许可证制度，使全行业逐步升级换代，规范有序。 液压金属打包机控制系统的设计 8 第二章第二章 液压金属打包机的结构液压金属打包机的结构 目前国内使用最多最广泛的是宜昌机床工业公司生产的液压传动金属打包 机，基本类型属于合盖式双压压头加压形式。在现有系列的不同规格的打包机 中，其主机的结构基本相同，所以在这里介绍金属打包机的结构。 2.1 打包机的运动 打包机从加料后开始工位运转，到束块推出，运动停止，为一个单次工作 循环。其程序如下： （1）、合盖-封闭料箱，形成压缩室。在盖板旋转合箱的过程中，对松散 的泡物料或薄壁容器，进行一次压缩。压缩室的高即为束块高。 （2）、第一级压头加压-即 x 向加压。此压头行程是限位的，即到束块宽 度位置就停止。这样，在压缩室的前端形成一个高压室。 （3）、第二级压头加压-即 y 向的加压。这级压力是在高压室内，对已初 步形成的束块，进行整形定性的最终挤压，形成紧密度较高的束块。这级压头 的行程不限位，只到最高压力为止。 （4）、开侧门-束块成形后，松泄主压头压力，拉开机身侧边的出包门。 （5）、推出束块-利用主压头继续前进，将束块从侧门推出机外。 （6）、回位-主、侧压头退回，侧门关闭，机盖启开。即可进行下一工作 循环的加料。 上述这几个程序是基本的工位循环，期间还有一些辅助运动，如持续加压， 泄压等，这根据机型不同，在液压动作程序表中列出。 2.2 打包机运动的控制 手动控制-按照运动程序，在操纵箱上逐个操纵电器按钮，每个按钮只控制 一个程序的动作，动作完成便停止，另有一种直接操纵液压换向阀的手动操纵 打包机，是按照液压原理图上的动作程序表，依次扳动换向阀手柄的位置，每 个程序的转换及程序的正确与否，均靠操纵人员掌握。半自动控制-除加料外， 打包机的运转只需按一次按钮，从合盖开始到开盖为止的全循环，中间全过程 的各程序转换完全自动进行。所谓半自动，实际就是因为打包机本身不能进行 自动加料而已。 第二章 液压金属打包机的结构 9 2.3 打包机的总布局 打包机一般分为二大部分-主机部分和动力系统。 主机部分-就是机器进行打包工作的部分，如图 1-2， 按其功能，主要由相互垂直卧式安装的二部液压机构成，另加一些辅助机 构。若按构成的结构分，即是：（1）机体（2）侧缸系统（3）主缸系统（4） 机盖系统（5）侧门系统（6）锁紧机构。 b、动力系统-就是机器的液压发生、控制机构。布置在机器的后部、侧缸 的两侧。而电控操纵箱则置于机器同主缸的一侧。整个系统由下列部分组成： （1）油箱部分（2）油泵-电机组（3）控制阀（4）管路系统（5）电气系统 （6）电控箱。 液压金属打包机控制系统的设计 10 第三章第三章 液压金属打包机液压系统的主要的设计及计算液压金属打包机液压系统的主要的设计及计算 3.1 技术要求 设计制造一台金属打包机，其压头的运动采用液压传动，要求通过电液控 制实现的工作循环为：快速下降慢速加压快速回程。最大压头压力为 200 吨，快速前进的速度=53mm/s,快速下降的行程 l =180mm,慢速加压前进的速 1 1 度=20mm/s。快速退回的速度为 60mm/s,快速上升的行程 l =200mm。 2 2 3.2 液压元件的计算与选用 3.2.1 负载分析和运动分析 金属打包机做上下直线往复运动，且行程较小，故选用单杆液压缸作执行 器，取缸的机械效率cm=0.91 表 9-1 按负载选择执行元件工作压力 负载 f/n 50 000 工作压力 p/mpa 5 7 表9-2 按主机类型选择执行元件工作压力 主机类型机床 农业机械、小型 工程机械、工程 机械辅助机构 液压机、中大 型型挖掘机、重 型机械起重运输 机械 磨床合机床龙门刨床拉床 工作压力 p/mpa 2 58810 10162032 已知公称推力 2000kn,由表 9-2,9-1 可知金属液压打包机宜取 p 为 30mpa. 下表为 液压执行器的形式、特点、和适用场合 形式特点适用场 合 获得方 法 液压缸活塞缸双杆两杆直磨床；自行设 第三章 液压金属打包机的液压系统的主要设计及计算 11 径相等时， 往返速度和 出力相同； 两杆直径不 等时，往返 速度和出力 不同 往返速度相 同或不同的 机构 计 单杆一般连 接，往返方 向的速度和 出力不同； 差动连接， 可以实现快 进； d=0.7d， 差动连接， 往返速度和 出力相同 各类机 械 选用或 自行设计 柱塞缸单杆结构简 单，制造容 易；靠自重 或外力回程 液压机、 千斤、小缸 用于定位和 夹紧等 选用或 自行设计 双杆结构简 单，杆在两 处有导向， 可做得细长 液压机、 注塑机动回 程缸、各类 热压机等 自行设 计 复合增 速缸 可获得 多种出力和 速度，结构 紧凑，制造 较难，成本 高 液压机、 注塑机、实 验机和数控 机床换刀机 构等 自行设 计 复合增 压缸 体积小， 出力大，行 模具成 形挤压机、 选用或 自行设计 液压金属打包机控制系统的设计 12 程小金属成形压 印机、六面 顶、液压实 验台等 伸缩式行程是 缸长的数倍， 节省安装空 间 汽车车 厢举倾缸、 起重机臂伸 缩缸等 选用 液压缸选用活塞单杆式，并在快进时作差动连接。此时液压缸无杆腔工作 面积 a 应为有杆腔工作面积 a 的两倍，即活塞杆直径 d 与缸筒直径 d 的关系 12 为 d=0.707d。 3.2.2 液压缸主参数的计算 打包机在工作时必须考虑背压 p ，以防工作中出现前冲的问题，取 p 为 22 0.8mpa.快进时液压缸虽作差动连接，但由于油管中有压降p 存在，有杆腔的 压力必须大于无杆腔，估算时可取p0.5mpa。快退时回油腔是有背压的，这 时 p 也可按 0.5mpa 估算。 2 f =pa=p 11cm 4 2 d cm d =4f /p 2 1cm d=4 2000000/30000000 3.14 0.92 =303.8mm 取300mm d=0.707d=214.2mm 取210mm 活塞杆缩回时的实际拉力 f =pa=p 22cm 4 22 dd cm 代入数据可得：f =1.1n 2 6 10 活塞差动前进时的实际推力 f =p=p 3 21 aa cm 4 2 d cm f =2657696 3 活塞杆工进时的流量： q=va1 = 2 4 d =3.14 3000.91 53mm/s/4 2 =0.37m /s 3 活塞杆快退时的流量： q =v a 112 第三章 液压金属打包机的液压系统的主要设计及计算 13 =3.14 2100.91 60mm/s/4 2 =0.19m /s 3 由于行程与活塞杆直径比 l/d10 的受压拄塞或活塞杆要做压杆稳定性验算。 故取 l 为 200mm。 活塞杆工进的时间： t =v/q 1 =d l/4qv 2 =0.08(h) 活塞杆宿回时的行程时间为： t =v/q 2 = cv q ldd 4 22 =0.04(h) 液压缸的功率为： p=fv =36.4kw 3.2.3 液压泵的选择与计算 由液压缸的工作要求，液压缸在最高工作压力时缸的输入流量极少且进油 路元件较少，故泵至缸间的进油路压力损失故取为p=0.5mpa p 总=p +p 液压泵的总效率 液压泵的 类型 齿轮泵螺杆泵叶片泵拄塞泵 总效率0.6-0.70.65- 0.8 0.6- 0.75 0.80- 0.85 下表为液压泵类型及特性 特 性 齿轮泵叶片泵螺杆泵柱塞 泵 轴向 式 径向 式 额 定压力 /mpa 低压泵 2.5；高压 泵25 低压 6.3；中压 16；高压 32 2.510约40约40 排0.5613525150410650 液压金属打包机控制系统的设计 14 量/ml.r 1 500000 最 高转速 /r.min 1 300 700 500 400 10002 300 5001800 最 大功率 /kw 1203203902660260 适 用黏度 /mm .s 2 1 205 00 202 00 1949202 00 202 00 自 吸能力 非常好好最好差差 变 量能力 否单作用 叶片泵变量 否好好 功 率质量 比 /kw.kg 1 中大小大大 输 出压力 脉动 大小小小小 污 染敏感 度 小大小大大 历 时变化 齿轮磨 损后效率下 降 叶片磨 损后效率下 降较小 螺杆磨损 后效率下降 配流 盘、滑靴 或分配阀 磨损时效 率下降较 大 配流 盘、滑靴 或分配阀 磨损时效 率下降较 大 第三章 液压金属打包机的液压系统的主要设计及计算 15 黏 度对效 率的影 响 很大稍小很小很小 噪 声 小大小中最小中 大 中 大 价 格 最低中高高高 适 用场合 机床、 工程机械、 农牧机械、 搬运机械、 车辆 机床、 液压机、注 塑机、工程 机械、飞机 及要求噪声 较底的场合 精密机床 和机械、轻纺 化工机械、石 油机械 工程 机械、矿 山冶金机 械、锻压 机械、建 筑机械、 船舶、飞 机等 工程 机械、矿 山冶金机 械、锻压 机械、建 筑机械、 船舶、飞 机等 在此我选用拄塞泵 总效率为 0.82 p总=p/0.82 =44.5kw 3.2.4 电动机的计算与选用 电动机的功率的选择 p电=44.5/0.85 =52.4kw 通过查表，选用规格相近的 y250m-4，额定转速 1480r/min，功率 55kw 3.3 液压系统图的的拟定 3.3.1 液压回路的选择 首先要选择调速回路。由于金属打包机的液压系统的功率大，工作负载变 化大，故采用容积调速方式。为满足速度的有级变化，采用压力补偿变量液压 泵供油。即在快速下降时，液压泵以全流量供油，当转换成慢速加压时，泵的 流量减小在最后 5mm 内，使泵的流量减到零。当液压缸反向回程时，泵的流量 恢复到全流量。液压缸的运动方向采用二位二通 m 型电液换向阀控制，停机时 换向阀处于中位，使液压泵卸荷。为防止压头在下降过程中由于自重而出现速 液压金属打包机控制系统的设计 16 度失控现象，在液压缸无杆腔回路上设置一个内控单向顺序阀。本机采用行程 控制，利用行程开关来切换电液换向阀，以实现自动循环。 阀类元件及辅助元件表： 序号元件名 称 1泵 2溢流阀 3压力表 及开关 4单向阀 5二位二 通型电液换 向阀 6单向顺 序阀 7夜压缸 8过滤器 9压力继电器 如 图 1 第三章 液压金属打包机的液压系统的主要设计及计算 17 图 3-1 3.3.2 液压系统的性能验算 回路压力损失验算 由于系统的具体管路布置尚未确定，整个回路的压力损失无法估算，仅只 阀类元件对压力损失所造成的影响可以看得出来，供调定系统中某些压力值时 参考，这里估算从略。 3.3.3 油液温升验算 工进在整个工作循环中所占的时间比例达 96%，所以系统发热和油液温 升可用工进时的情况来计算。 工进时液压缸的有效功率为 p=36.4kw 泵输出的功率为 p 总=p/0.82 =44.5kw 由此得液压系统单位时间的发热量为 q=p 总-p=8kw 此打包机允许油液的温升t 值，可由下式计算油箱的最小有效容积 vmin： vmin=10 3 3 q t =10 3 8000 30 m 3 =4.4 m 3 如果实际所采用的油箱的有效容积 v 小于计算的数值，必须设置冷却器。 ：液压金属打包机控制系统的设计 18 第四章第四章 液压金属打包机的液压金属打包机的 plcplc 控制系统设计控制系统设计 4.1 主机功能结构 金属打包机是一种成型设备，其功能是将金属加工中产生的废料挤压成一 定尺寸的块状，使之适合生产要求，提高回收效率。下面为工作过程： 金属废料料斗轻压保压退回原位重压 液压系统及工作原理如图 1 所示，该系统采用变量柱塞泵供油，泵的 压力由先导式溢流阀设定，系统的执行器为液压缸，它的运动方向由二位二通 型电液换向阀控制，单向阀用于液压缸快速进给时的差动连接；压力继电器用 于重压时压力达到要求时后开始保压的发信。系统工作时，电磁铁通电使换向 阀切换至右位。液压泵开始向液压缸的无杆腔供油，有杆腔的油液经单向阀和 换向阀反馈至液压缸无杆腔，液压缸快速进给。当电磁铁在次通电时使换向阀 切换至左位，液压缸快速退回。 4.2 plc 的概述 4.2.1 plc 的起源 plc 是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自 1836 年继电器问世， 人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺 序控制。上世纪 60 年代末，它不断吸收微电脑技术使之功能不断增强，逐渐适 合复杂的控制任务 。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、 微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁 变更的需求，plc 技术出现并快速发展。 目前，plc 在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使 早期的 plc 从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计 数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及 pid 回路调节等功能的现代 plc。但是，仍然沿用着顺序扫描、程控等基本模式及 cpu+通信+i/o 的基本结 构。 plc 之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、 强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更 接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户 时间和成本。plc 的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而 上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方 第四章 液压金属打包机的 plc 控制系统设计 19 面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。 4.2.2 plc 的功能、 1、数据采集与输出。2、控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计 数等。 3、数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、pid 运 算、滤波等。 4、输入/输出接口调理功能。 具有 a/d、d/a 转换功能，通过 i/o 模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。 5、通 信、联网功能。 现代 plc 大多数都采用了通信、网络技术，有 rs232 或 rs485 接口，可进行远程 i/o 控制，多台 plc 可彼此间联网、通信，外部器件 与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程 序转移、数据文文件转移、监视和诊断。在系统构成时，可由一台计算机与多 台 plc 构成“集中管理、分散控制“的分布式控制网络，以便完成较大规模的复 杂控制。通常所说的 scada 系统，现场端和远程端也可以采用 plc 作现场机。 6、支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操 作者和 pc 系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的 分散和集中操作与监视系统。 7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。 4.2.3 plc 的主要特点 1)、可靠性高。plc 的 mtbf 一般在 4000050000h 以上，有的在 1020 万 h，且均有完善的自诊断功能。2)、结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式 适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。最少的 plc 只有 6 点，而 ab 的 controllogix 系统的容量达 128000 点。3)、功能强大。4)、编程方便。控 制具有极大灵活性。5)、适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣 环境以及电磁干扰环境。6)、安装、维修简单 7)、与 dcs 相比，价格低。8)、 当前 plc 产品紧跟现场总线的发展潮流。 4.2.4 可编程控制器的定义 可编程控制器是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，被国际电工委 员会（iec）命名为 programmable controller ，因而很多生产厂家和学术论 文称之为 pc。在 pc 的发展历程中，因不同时期、不同功能，有过以下几个不 同的名称： 可编程矩阵控制器（programmable matrix controller ,pmc） 可编程顺序控制器（programmable sequence controller ,psc） 可编程逻辑控制器（programmable logic controller ,plc） 4.2.5 可编程控制器的分类 plc 一般可按 i/o（输入/输出）点数和结构形式分类。 a. 按 i/o 点数分类 ：液压金属打包机控制系统的设计 20 i/o 点数小于 32 为微型 plc。 i/o 点数在 32128 之间为微小型 plc。 i/o 点数在 128256 之间为小型 plc。 i/o 点数在 2561024 之间为中型 plc。 i/o 点数大于 1024 为大型 plc。 i/o 点数在 4000 以上为超大型 plc。 以上划分不包括模拟量 i/o 点数，且划分界限不是固定不变的。 b. 按结构形式分类 整体式 plc 整体式又称单元式或箱体式。整体式 plc 是将电源、cpu、i/o 部件都集中 装在一个机箱内，其结构紧凑、体积小、价格低，一般小型 plc 采用这种结构。 整体式 plc 由不同 i/o 点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有 cpu、i/o 部件和电源，扩展单元内只有 i/o 部件和电源。基本单元和扩展单元 之间一般用扁平电缆之间连接。整体式 plc 一般配有特殊功能单元，如模拟量 单元、模糊控制单元和位置控制单元等，使 plc 的功能得以扩展。 模块式 plc 模块式结构是将 plc 各部分分成若干个单独的模块，如 cpu 模块、i/o 模 块、电源模 （有的包含在 cpu 模块中）和各种功能模块。模块式 plc 由框架和各种模 块组成，模块插在插座上。有的 plc 没有框架，各种模块安装在底版上。模块 式结构配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型 plc 采用模块式 结构，有的小型 plc 也采用这种结构。 c. 可编程控制器的特点 可编程控制器的特点 可靠性高 编程简单 通用性强 体积小、结构紧凑、安装及维护方便 4.2.6 pc 的原理 pc 应用于计算机技术，实质上它是一种专用计算机，其内部采用了由大规 模集成电路构成的微处理器和存储器。图 4-1 是 pc 的原理框图 第四章 液压金属打包机的 plc 控制系统设计 21 epro m eepr om ram 外 存 接 口 其 他 接 口 a/d、 d/a 计算 机 其他 设备 r om r am 中央处理器 cpu 编 程 器 输入 接口 光电 耦合 输出接 口 继电器 图 4-1 pc 原理框图 cpu 是 pc 的核心组成部分，与通用微机的 cpu 一样，有其功能作用，它接 受并存储从编程器输入的用户程序数据诊断电源，在 pc 进入运行状态后，从存 储器中读取用户程序。系统程序存储器用以存放系统工作程序，模块化应用功 能子程序、命令解释、功能子程序的调用管理程序以及按对应义存储各种系统 参数等功能。用户存储器用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。 4.2.7 plc 的选型方法 在 plc 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 plc 工程设计 选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。plc 及有关设备应 是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能 的原则选型所选用 plc 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，plc ：液压金属打包机控制系统的设计 22 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序 控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选 型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确 定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容 量、确定 plc 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 plc 和 设计相应的控制系统。 a.输入输出（i/o）点数的估算 i/o 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增 加 10%20%的可扩展 余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商 plc 的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 b.存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量 是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容 量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未 知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算， 通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式， 大体上都是按数字量 i/o 点数的 1015 倍，加上模拟 i/o 点数的 100 倍，以此 数为内存的总字数（16 位为一个字），另外再按此数的 25%考虑余量。 c.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理 速度等特性的选择。 (一)运算功能 简单 plc 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 plc 的运算功 能还包括数据移位、比较等运算功能；