二自由度平台-液压与PLC控制.docx

课程设计说明书目 录一. 设计课题21.1 设计目的21.2 设计要求21.3设计方案2二. 拟定液压系统2三机械部分设计33.1 运动平台设计33.2 液压缸的设计计算43.3 液压元件选取63.4 液压系统的性能验算7四. 电气部分设计94.1 控制系统基本组成94.2 拟定工作流程94.3 转换公式的推导104.4 PLC梯形图14总结18参考文献19一. 设计课题二. 拟定液压系统 图1 运动平台液压控制回路1.供油方式 由于工作台运动要求加速度较大，所以最大速度较大，流量也大，所以用两个泵分别供两个回路，因为是低压大流量场合，且经过综合考虑，选择齿轮泵。2.压力控制回路 由负载和惯性力可知工作压力较小，所以采用普通直动试溢流阀控制回路压力，同时也起安全保护作用。3.调速回路 利用电液伺服阀实现调速。通过改变输入电流大小，可成比例调节电磁力矩，改变主阀开口大小实现调速。4.安全保护 在液压缸两端分别设置机动换向阀，起限位保护作用，当工作台运动到极限位置时，换向阀右位工作，停止对液压缸供油。三机械部分设计3.1 运动平台设计 图1 运动平台示意图1.运动平台为十字型，材料为高强铸铁HT200，工作台密度6.6-7.4g/cm3，由液压缸带动平台工作，活塞杆固定。2.运动平台大小设计根据题目要求知运动平台在两个自由度运动的行程为500mm，所以初选缸筒长度为520mm。由于双杆式活塞缸缸体与工作台相连时，工作台运动范围是液压缸有效行程的2倍，即1040mm，所以工作台设计如下：下拖板：长*宽*高=1100*500*40（单位：mm） W1=1100mm*500mm*40mm*7g/cm3*g=1540N上拖板：长*宽*高=500*400*40（单位：mm） W2=500mm*400*40*7g/cm3*g=560N3.导轨和滑块的选择表1 导轨滑块参数表型号：EGH15SA滑块质量：0.09kg导轨质量：1.25kg/m基本额定动载荷：5.35kn 基本额定静载荷：9.40kn动摩擦因数：u=0.05 静摩擦因数：u=0.083.2 液压缸的设计计算1.下拖板液压缸计算: (1)负载分析F=Ff+Fm （3-1） FN = （3-2）=1540N+560N+2*350N+8*0.9N+12.5*0.5N+1000N=3813.5N动摩擦负载 N=190.7N静摩擦负载因为两个自由度方向的最大加速度1g所以 4004.2N表2 液压缸各阶段负载（）工况计算公式总负载F/N缸推力F/N启动F=Ff2305.08335.3加速4004.24400.2制动-3622.8-3981.1（2）液压缸主要参数的确定1.根据分析工作台负载不大，所以初选液压缸工作压力为1.6Mp2.计算液压缸尺寸 （3-3） （3-4）按标准取：D=63mm估算活塞杆直径：d=0.4D=25.2mm按标准取：d=25mm则液压缸的有效作用面积为： （3-5）（3）活塞杆稳定性校核因为活塞杆总行程为500mm，而活塞杆直径为25mm，l/d=500/25=2015，所以需要稳定性校核。活塞杆材料用普通碳钢，由材料力学有关公式得，因为液压缸两端固定，所以末端系数 ,所以有其临界载荷 （3-6）当取安全系数时 所以满足稳定性条件。（4）液压缸的选取 根据以上计算可以选取由中动机械公司生产的双出杆活塞缸M0B63*300双轴可调行程非标定液压油缸。表3 液压缸参数表压力范围：7Mpa速度范围：0-20m/s缸径：63mm 杆径：25mm速比：10/100 行程：可定制缸的工作压力计算： （3-7）所以所选缸满足工作要求。2. 上拖板液压缸计算上下拖板选用同一型号的液压缸，计算其工作压力如下：=96N工作负载：A工作压力：3.3 液压元件选取1. 确定液压泵的型号及电动机功率液压缸在整个工作过程中最大工作压力为1.52Mpa，由于系统比较简单，所以取其压力损失，所以液压泵的工作压力为 （3-8）加速度为1g时工作台运动速度最大为 （3-9）所以液压缸最大流量为 （3-10）根据以上流量和压力数值查产品目录选用CB-BD.T500齿轮油泵，其额定压力为2.5Mpa，容积效率0.95，总效率，驱动该泵的电动机的功率为24kw，查电机产品目录，拟选用电动机型号为BPY-200L-4，功率为30kw，额定转速为1480r/min。2.选择阀类元件及辅助元件表4 液压元件型号及规格序号名称通过流量型号及规格1齿轮泵500CB-BD.T5002溢流阀500YF-F50B3机动换向阀40022CH-D20B4电液伺服阀500DSHG-06-2D5电动机BPY-200L-4（1）油管 由公式得，所以选用内径为15mm,外径为17mmmm的钢管。（2）油箱 V=（2-4）qp=1500L，油箱体积为1500L。（3）液压油 系统液压油选用N32液压油。3.4 液压系统的性能验算由之前计算已知管道直径为d=15mm，进、回油管长度都定为L=2m，油液的运动粘度取，油液密度为。1.判断流动状态进、回油管路中所通过的流量以速度最大时达到最大，且q=498L/min，由雷诺数可知，=470。因为Re2300，故加速状态时油液流动状态为层流。2.计算系统压力损失（1） 沿程压力损失因为流动状态为层流，所以其沿程阻力系数。系统最大运动速度为，所以其沿程压力损失为 （3-11）（2） 局部压力损失局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的10%：而后者则与通过阀的流量大小有关，若阀的额定流量和额定压力损失为，则当通过阀的流量为q时的阀的压力损失为 （3-12）查表得换向阀压力损失为0.05Mp。综上可得总的压力损失=0.48Mpa （3-13）（3）压力阀的调定值溢流阀的压力调定值=1.52Mpa+0.48Mpa=2Mpa3. 系统的发热与升温根据以上计算可知，加速到最大时电动机的输入功率为，有效功率为，所以其功率损失为5.8kw。设油箱的三个边长在1:1:1-1:2:3范围内，则散热面积为A=0.065，假设通风良好，取，所以油液的温升为 （3-14）机床液压系统正常工作温度为，允许最高温度，因为热平衡温度，所以经验算没有超出允许范围。四. 电气部分设计4.1 控制系统基本组成1.按照课题要求，设计的平台需要走出简单的s型曲线，且用PLC控制，所以控制器和软件选用西门子step7-200，传感器选择磁栅式传感器，所测物理量经过变送器转换为标准模拟信号输出，拟定控制系统如下: 图1 PLC电液伺服控制系统流程图4.2 拟定工作流程 按下开始按钮，X方向匀速运动，Y方向先向上运动，碰到限位开关后反向运动，依此类推，最后走出s型曲线。走完全程后按下停止按钮，停止运行。其工作流程图如下图所示： 图2 工作流程图4.3 转换公式的推导下面选用S7-200的模拟输入输出模块EM235来进行速度控制。因为传感器经位移变送器后输出为标准的电流信号，故模拟量输入信号为0-20mA电流输入模式，输出信号设定为4-20mA的电流输出模式1.硬件电路的设置除上述两个用来检测位移的传感器外，选用：(1) S7-200PLC一台，型号为：CPU222CN(2) 选用EM235模拟量输入模块一块（输入设置：0-20ma；输出设置：4-20ma）。硬件电路图如下：图3 硬件电路图2. 对传感器输出电流值的推导对模拟量输入模块，当输入信号为20mA时，对应的数值=32000，对应的位移量为500mm。输入=4mA时，对应的数字量=6400，对应的位移量=0mm。其位移量与模块的数字量之间的关系曲线如图所示：图4 位移量与模块的数字量之间的关系曲线上图中由三角形相似得： （4-1）故位移转换公式：S=500 （4-2）3. 对模拟量输出的编程处理电液伺服阀控制信号为4-20ma，即输出20ma时，阀门正向全开，当输入中点电流值12ma时，阀门关闭，当输入4ma时，阀门反向全开。如设电动阀门正向全开时，门打开度=1，反向全开时门打开度=-1，则阀门打开度= （4-3）位移传感器的被测位移与输出电流的关系式为 （4-4）位移转换公式为S=500 （4-5）式（4-5）又可化为 （4-6）即 （4-7） 将式（4-7）带入（4-4）得： （4-8）将（4-8）式带入（4-3）式，得： （4-9）将此式转换为：即= （4-10） 式（4-10）为位移与数字量的关系式，用它可将相应的位移转化为对应的数字量。如位移为350mm时，对应的数字量为24230。式（4-9）为数字量与电液伺服阀打开度的关系，可用它给模块输送不同的数量值，来改变模块的模拟量输出值，进而达到改变伺服阀阀门开口大小的目的，从而改变伺服阀所控制的流量大小。如将=1代入式（4-10）可得：=32000,将数字量32000输送给模块，模块的模拟量输出将产生20ma电流输入给伺服阀的信号输入端，使阀门全打开。=代入式（4-10）可得：将数字量25600输送给模块，模块的模拟量输出将产生16mA电流输入给伺服阀的信号输入端，使阀门半开。4. 用比较法编程来进行速度控制当按下启动按钮后，X轴方向按照输入的数字量转化为的电流所控制的流量匀速运动，碰到行程开关后停止运动；Y轴按照比较法，按位移所转化为的数字量所属的范围输出相应的数字量，从而得到相应的电流值，最终得到相应的流量。按下停止按钮后，平台停止运动。其中，加减速过程位移、相应数字量、输出数字量分别对应如下表表1 减速过程位移、相应数字量、输出数字量对应表位移量相应数字量输出数字量（一、三）输出数字量（二）495-50031744-320002176016640470-49530464-317442432014080430-47028416-304642688011520350-43024320-28416294408960150-35014080-2432032000640070-1509984-1408029440896030-707936-998426880115205-306656-793624320140800-56400-665621760166404.4 PLC梯形图参考文献1 岂兴明，苟晓卫，罗冠龙. PLC与步进伺服快速入门与实践M. 北京：人民邮电出版业，