基于PLC控制的单面多轴组合钻床.doc

摘 要 本文依据液压传动原理和PLC控制技术，设计了一套基于PLC控制的单面多轴组合钻床的液压系统。该系统能自动完成机床的快进、工进、快退以及夹紧松开的动作循环，从而减轻工人劳动强度，提高生产效率。依据单面多轴组合钻床工作循环的要求，本文主要开展的工作有：液压系统的设计、PLC控制系统的设计以及液压站的设计。液压系统的设计主要完成了液压系统原理图的拟定、液压元件的计算与选型；控制系统的设计主要进行控制系统动作流程图的拟定、I/O口分配、接线图绘制和程序编制及上机调试；液压站的设计主要是确定液压站的结构形式、油箱的结构设计及在Pro/E环境下的油路块设计。关键词：液压站；PLC控制；液压系统；组合机床；Pro/EIABSTRACT According to hydraulic control principle and PLC control technology, this paper designed a hydraulic system of single multi-axis drilling machine based on the combination. The system can automatically complete the machines action cycle such as fast-forward, working forward, rewind, and release the clamping, by this, the workers labor intensity has been reduced and the production efficiency has been improved. On the basis of the requirements of the working cycle of single multi-axis combination drilling machine, the work of this paper are: the hydraulic system design, PLC control system design and hydraulic design. Complete hydraulic system design of the main hydraulic system schematic formulation, calculation and selection of hydraulic components; control system to control the main operation flow chart of the proposed system, I / O port allocation, wiring and programming, and drawing on machine debugging; hydraulic station are designed primarily to determine the structure of the form of hydraulic, fuel tank structural design and in Pro / e environment oil block design. Key words: hydraulic; PLC control; hydraulic system; combination machine; Pro / E53目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 机床在国民经济的地位及其发展简史11.2 组合机床的国内外现状21.2.1 国内组合机床现状21.2.2 国外组合机床现状31.3 课题设计的目的和意义41.4 设计内容41.5 本章小结42 液压系统的设计与计算52.1 液压传动的的概况及概念52.1.1 液压传动52.1.2 液压系统的组成52.1.3 液压系统的应用52.2 液压传动系统的设计内容与步骤52.2.1 明确对液压系统的设计要求62.2.2 分析工况，确定液压系统的主要参数62.2.3 进行液压系统的方案设计92.2.4 计算与选择液压元件92.2.5 验算液压系统性能112.2.6 绘制正式工作图，编制技术文件132.3 液压传动系统设计与计算142.3.1 液压系统的设计要求142.3.2 组合机床工作情况分析，确定液压系统主要参数142.3.3 设计方案，拟定液压系统原理图172.3.4 计算和选择液压元件182.3.5 验算液压系统性能212.4 本章小结243 液压站的设计253.1 液压站的结构设计253.1.1 液压泵组的安装方式253.1.2 油箱的设计263.1.3 其它元件的选择293.2 油路块的三维造型设计293.2.1 液压集成回路设计293.2.2 Pro/E环境下各块的设计303.2.3 工程图的转换353.3 液压站装配图的绘制373.4 本章小结374 卧式单面多轴钻孔组合机床液压控制系统的设计384.1 液压系统PLC控制模块的设计384.1.1 可编程序控制器的特点和应用384.1.2 工艺流程的编写394.1.3 输入输出电路I/O口的分配394.2 接线图的绘制414.3 梯形图的绘制414.4 指令表的转化434.5 安装调试444.6 本章小结44结 论46致 谢47参考文献48附 录 液压站装配图491 绪 论1.1 机床在国民经济的地位及其发展简史现代社会中，人们为了高效、经济地生产各种高质量产品，日益广泛的使用各种机器、仪器和工具等技术设备与装备。为制造这些技术设备与装备，又必须具备各种加工金属零件的设备，诸如铸造、锻造、焊接、冲压和切削加工设备等。由于机械零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法来达到，特别是形状复杂、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在机床上经过几道甚至几十道切削加工工艺才能完成。因此，机床是现代机械制造业中最重要的加工设备。在一般机械制造厂中，机床所担负的加工工作量，约占机械制造总工作量的40%60%，机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。可以这样说，如果没有机床的发展，如果不具备今天这样品种繁多、结构完善和性能精良的各种机床，现代社会目前所达到的高度物质文明将是不可想象的。 机床是人类在长期生产实践中，不断改进生产工具的基础上生产的，并随着社会生产的发展和科学技术的进步而渐趋完善。最原始的机床是木制的，所有运动都是由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它们实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床，是在18世纪中叶才开始发展起来的。当时，欧美一些工业最发达的国家，开始了从工场手工业向资本主义机器大工业生产方式的过度，需要越来越多的各种机器，这就推动了机床的迅速发展。为使蒸汽机的发明付诸实用，1770年前后创制了镗削蒸汽机汽缸内孔用的镗床。1797年发明了带有机动刀架的车床，开创了用机械代替人手控制刀具运动的先声，不仅解放了人的双手，并使机床的加工精度和工效起了一个飞跃，初步形成了现代机床的雏型。续车床之后，随着机械制造业的发展，其他各种机床也陆续被创制出来。至19世纪末，车床、钻床、镗床、刨床、拉床、铣床、磨床、齿轮加工机床等基本类型的机床已先后形成。 上世纪初以来，由于高速钢和硬质合金等新型刀具材料相继出现，刀具切削性能不断提高，促使机床沿着提高主轴转速、加大驱动功率和增强结构刚度的方向发展。与此同时，由于电动机、齿轮、轴承、电气和液压等技术有了很大的发展，使机床的转动、结构和控制等方面也得到相应的改进，加工精度和生产率显著提高。此外，为了满足机械制造业日益广阔的各种使用要求，机床品种的发展也与日俱增，例如，各种高效率自动化机床、重型机床、精密机床以及适应加工特殊形状和特殊材料需要的特种加工机床相继问世。50年代，在综合应用电子技术、检测技术、计算技术、自动控制和机床设计等各个领域最新成就的基础上发展起来的数控机床，使机床自动化进入了一个崭新的阶段，与早期发展的仅适用于大批大量生产的纯机械控制和继电器接触器控制的自动化相比，它具有很高柔性，即使在单件和小批生产中也能得到经济的使用。 综观机床的发展史，它总是随着机械工业的扩大和科学技术的进步而发展，并始终围绕着不断提高生产效率、加工精度、自动化程度和扩大产品品种而进行的，现代机床总的趋势仍然是继续沿着这一方向发展。 我国的机床工业是在1949年新中国成立后才开始建立起来的。解放前，由于长期的封锁统治和19世纪中叶以后帝国主义的侵略和掠夺，我国的工农业生产非常落后，既没有独立的机械制造业，更谈不上机床制造业。至解放前夕，全国只有少数城市的一些规模很小的机械厂，制造少量简单的皮带车间、牛头刨床和砂轮等；1949年全国机床产量仅1000多台，品种不到10个。 经过50多年的建设，我国机床工业从无到有，从小到大，现在已经成门类比较齐全，具有一定实力的机床工业体系，能生产5000多种机床通用品种，数控机床1500多种；不仅装备了国内的工业，而且每年还有一定数量的机床出口。我国机床行业的发展是迅速的，成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄，与世界先进水平相比，还有较大差距。为了适应我国工业、农业、国防和科学技术现代化的需要，为了提高机床产品在国际市场上的竞争能力，必须深入开展机床基础理论研究，加强工艺试验研究，大力开发精密、重型和数控机床，使我国的机床工业尽早跻身于世界先进行列。1.2 组合机床的国内外现状 世界上第一台组合机床于1908年在美国问世，30年代后组合机床在世界各国得到迅速发展。至今，它已成为现代制造工程（尤其是箱体零件加工）的关键设备之一。现代制造工程从各个角度对组合机床提出了愈来愈高的要求，而组合机床也在不断吸取新技术成果而完善和发展。 1.2.1 国内组合机床现状 我国加入WTO以后，制造业所面临的机遇与挑战并存、组合机床行业企业适时调整战略，采取了积极的应对策略，出现了产、销两旺的良好势头，截至2005年4月份，组合机床行业企业仅组合机床一项，据不完全统计产量已达1000余台，产值达3.9个亿以上，较2004年同比增长了10%以上，另外组合机床行业增加值、产品销售率、全员工资总额、出口交费值等经济指标均有不同程度的增长，新产品、新技术较去年年均有大幅度提高，可见行业企业运营状况良好。（1）行业企业产品结构的变化 组合机床行业企业主要针对汽车、摩托车、内燃机、农机、工程机械、化工机械、军工、能源、轻工及家电行业提供专用设备，随着我国加入WTO后与世界机床进一步接轨，组合机床行业企业产品开始向数控化、柔性化转变。从近两年是企业生产情况来看，数控机床与加工中心的市场需求量在上升，而传统的钻、镗、铣组合机床则有下降趋势，中国机床工具工业学会的机床工具行业企业主要经济指标报表是统计数据显示，仅从几个全国大型重点企业生产情况看，2003年生产数控机床890台，产值16187万元，生产加工中心148台，产值5770万元；2004年生产数控机床985台，产值25838万元，生产加工中心159台，产值7099万元；而2005年，截至4月份，数控机床、加工中心、产值已接近2003年全年水平，故市场在向数控、高精制造技术和成套工艺装备方面发展。（2）行业企业的快速转变 “九五”后期，在组合机床行业企业的50多家组合机床分会会员中，仅有两家企业实行了股份改造，一家企业退出国有转为民营，其余的都是国有企业。而从2001至2002年，不到两年的时间，就先后有十几家企业实行股份制改造，一些小厂几乎全部退出国有转为民营，现在一些国家重点国有企业也在酝酿股份制改造，转制已势不可档，“民营经济在经历了从被歧视，被藐视到不可小视和现在高度重视4个阶段后，焕发勃勃生机。”组合机床行业企业正在以股份制、民营化等多种形式快速发展。（3）组合机床技术装备现状与发展趋势 组合机床及其自动线是集机电于一体是综合自动化度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用与工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电行业。我国的传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型的箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成型面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台组合机床等；随着技术的不断是进步，一种新型的组合机床柔性组合机床越来越受人们是亲昧，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机等在组合机床行业中所占份额也越来越大。 由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及其组合机床自动线总体技术水平比发达国家相对落后，国内所需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺、研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需要，真正成为刚柔兼备的自动化装备。1.2.2 国外组合机床现状 80年代以来，国外组合机床技术在满足精度和效率要求的基础上，正朝着综合成套和具备柔性的方向发展。组合机床的加工精度、多品种加工的柔性以及机床配置的灵活多样方面均有新的突破性进展，实现了机床工作程序软件化、工序高度集中、高效短节拍和多功能通道监控。组合机床技术的发展趋势是： （1）广泛应用数控技术 国外主要的组合机床生产厂家都有自己的系列化完整的数控组合机床通用部件,在组合机床上不仅一般动力部件应用数控技术,而且夹具的转位或转角、换箱装置的自动分度与定位也都应用数控技术,从而进一步提高了组合机床的工作可靠性和加工精度。广州标致汽车公司由法国雷诺公司购置的缸盖加工生产线,就是由三台自动换箱组合机床组成的,其全部动作均为数控,包括自动上下料的交换工作台、环形主轴箱库、动力部件和夹具的运动,其节拍时间为58秒。 （2）发展柔性技术 80年代以来,国外对中大批量生产,多品种加工装备采取了一系列的可调、可变、可换措施,使加工装备具有了一定的柔性。如先后发展了转塔动力头、可换主轴箱等组成的组合机床;同时根据加工中心的发展,开发了二坐标、三坐标模块化的加工单元,并以此为基础组成了柔性加工自动线(FTL)。这种结构的变化,既可以实现多品种加工要求的调整变化快速灵敏,又可以使机床配置更加灵活多样。 （3）发展综合自动化技术 汽车工业的大发展,对自动化制造技术提出了许多新的需求,大批量生产的高效率,要求制造系统不仅能完成一般的机械加工工序,而且能完成零件从毛坯进线到成品下线的全部工序,以及下线后的自动码垛、装箱等。德国大众汽车公司KASSEL变速箱厂1987年投入使用的造价9000万马克的齿轮箱和离合器壳生产线,就是这种综合自动化制造系统的典范。该系统由两条相似对称布置的自动线组成,三班制工作,每条线日产2000件,节拍时间为40秒。全线由12台双面组合机床、18台三坐标加工单元、空架机器人、线两端的毛坯库和三坐标测量机组成,可实现3种零件的加工。空架机器人完成工件下线的码垛装箱工作。随着综合自动化技术的发展,出现了一批专门从事装配、试验、检测、清洗等装备的专业生产厂家,进一步提高了制造系统的配套水平。 （4）进一步提高工序集中程度国外为了减少机床数量,节省占地面积,对组合机床这种工序集中程度高的产品,继续采取各种措施,进一步提高工序集中程度。如采用十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱、双头镗孔车端面头等组成机床或在夹具部位设置刀库,通过换刀加工实现工序集中,从而可最大限度地发挥设备的效能,获取更好的经济效益。1.3 课题设计的目的和意义传统的组合机床大都采用继电接触控制，这种控制方式动作频率低，可靠性差且因为固定接线形式，改变控制程序不方便、灵活性差，因此，不能满足程序经常改变的控制要求，基于此，采用PLC控制，可以增加系统控制的灵活性和通用性，使操作更为简单、性能更加可靠。在集成块的设计中和传统的设计相比较我们采用了更为先进的三维实体造型设计思路，利用Pro/e对油路块的设计，实现设计、分析和绘图三者合一的全过程，边设计边检查，确保内部各油路的通断，将复杂的油路块设计简单化，提高设计效率。因此，课题设计的目的和意义在于，PLC控制方式的采用，提高了控制系统的灵活性、通用性、可靠性。计算机辅助设计的应用，可使液压系统的设计从单调乏味的手工作业变成自动作业，这对于充分发挥设计者的创造性，综合应用各种先进的现代设计方法，有效提高设计质量、降低制造费用、缩短研发周期并促进产品标准化等具有重大意义。1.4 设计内容依据机械设计、机械原理、液压传动、机床电气控制及可编程序控制器（PLC）、电子技术、自动控制，以任务书的要求为根本目标。本文的研究工作主要包括：液压系统的设计及相关传动元件的计算与选型；PLC控制系统的总体设计；液压站的结构形式设计。其论文各章节内容如下：1 绪论 主要介绍本文设计的目的和意义，提出课题的研究内容和研究意义。2 液压传动的设计与计算 主要是通过初步拟定液压系统原理图对相关液压元件进行计算和选择。 3 液压站的设计 主要是通过分析液压系统的工作原理和所选的相关液压元件，选择液压装置的结构形式，进行油路块的设计。 4 PLC控制系统的设计 主要是确定组合钻床自动循环的动作流程以及PLC的选型和程序的编程。1.5 本章小结本章主要阐述了单面多轴组合钻床液压系统设计的目的、意义、背景及发展趋势，提出了本课题的研究目标。2 液压系统的设计与计算2.1 液压传动的的概况及概念2.1.1 液压传动液压传动相对于机械传动来说，是一门比较新的学科，它具有结构紧凑、传动平稳、输出功率大、易于实现无级调速及自动控制等特点，因此发展很快，而目前液压技术正在向高压、高速、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化和模块化、提高高可靠性技术及污染技术控制的方向发展。所谓液压传动就是以液体作为工作介质并以压力能的方式来进行能量的传递和控制的一种传动形式它既可以传传递力，又可以传递运动，因此又称其为容积式液压传动2.1.2 液压系统的组成 液压系统由以下五个部分组成： (1) 动力元件液压泵 将机械能转换为液压能的装置，给整个系统提供压力油。 (2）执行元件液压缸或液压马达 将液压能转换为机械能的装置，可克服负载做功。 (3）控制元件各种阀类 可控制和调节液压系统的压力、流量及液流方向，以改变执行元件输出的力、速度及运动方向。 (4）辅助元件油管、管接头、油箱、过滤器、蓄能器和压力表等，起连接、储油、过滤、储存压力能和测量油液压力等作用的辅助元件。 (5）工作介质传递压力的工作介质 通常为液压油，同时还可以起润滑、冷却和防锈的作用。2.1.3 液压系统的应用本设计是在所学液压知识的基础上，讨论液压传动系统设计和计算的程序、内容和方法。在此讨论的是静态的、经验的设计方法。传统的静态设计可以提供一个能实现预期功能（即满足力和速度要求）的传动系统，而系统仅仅能实现所预期的功能是不够的。系统的动作质量及动作发生的时间历程也是很重要的，而且对于现代机械设备往往显示出更为突出的地位，目前，在一般工业系统的设计中，进行液压系统的动态分析，通常只用于飞机、军事、航天和一些机床设备中的那些成本昂贵的液压系统。随着液压技术特别是计算机技术的迅速发展，一些更完备的设计理论和方法正在不断地完善和充实，现代设计方法和手段，如液压系统的计算机，辅助设计将的得到大力推广和应用。液压传动具有显著的优点，它的体积小、重量轻、结构紧凑，惯性小，可以快速启动和频繁换向，且能传递较大的力和转矩；能方便的实现无极调速，且调速范围大；传递运动均匀平衡、方便可靠，负载变化时速度较稳定；易于实现过载保护，用液压传动实现直线运动一般比机械传动简单。2.2 液压传动系统的设计内容与步骤液压传动系统的设计是整个设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，在经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格并进行系统的结构设计，它与主机的设计是密切相关的。液压机床驱动具有众多优点，其中一个是液压驱动在广泛的范围内提供无限变化的速度。另外，它能像改变速度一样容易来改变驱动的方向，像许多其它类型的机床一样，许多复杂的机械装置能够被简单化或者由于液压驱动的使用完全被取消，而且，液压驱动具有柔性和缓冲性，除了运动平稳外，通常可见工件的表面光洁度也得到大大的改善，刀具进刀量可以加大而不致损伤，并且可以持续更长时间。在设计过程中将通过全面方案论证，确定一部机器或机器的某一部分的传动方式采用液压传动后，则考虑液压传动系统设计的基本内容和一般流程。其流程如下： (1)明确对液压系统的要求 (2)分析主机工况，确定液压系统的主要参数； (3)进行方案设计，初拟液压系统原理图； (4)计算和选择液压元件； (5)验算液压系统的性能； (6)绘制正式系统工作图，编制技术文件。 在实际设计工作中，上述内容和步骤并不是固定不变的往往会随系统的简繁、借鉴的多寡、设计人员经验不同，在做法上会有穿插、交叉、反复或省略。2.2.1 明确对液压系统的设计要求 液压系统的设计必须能全面的满足主机的各项功能和技术性能。因此在拿到设计任务书后首先要了解主机设计人员对液压部分提出的要求。通过调研，一般应明确以下要求点： 主机的用途、类型、工艺过程及总体布局，要求用液压传动完成的动作和空间位置的限制； 对液压系统动作和性能的要求，如工作循环，运动方式（往复直线运动或旋转运动、同步、顺序或互锁等要求），自动化程度，调速范围，运动平稳性和精度负载状况，工作行程等； 工作环境：如温度、湿度、污染、腐蚀及易燃等情况； 其他要求：如可靠性，经济性等。2.2.2 分析工况，确定液压系统的主要参数 在明确了上述液压系统的设计依据后，就可以对主机的工作过程进行分析，即负载分析和运动分析，确定负载和速度在整个工作循环中的变化规律即计算执行元件的主要结构参数（之液压缸的有效工作面积或液压马达的排量），以及确定液压系统的主要参数工作压力和最大流量。 (1)工况分析 主机在工作过程中其执行结构所需要克服的负载包括工作负载（如切削力、注射力、压力等）、惯性负载和阻力负载（如摩擦力、密封阻力等，被压阻力等）。这些负载的大小可按具体情况，根据有关材料、手册、计算出来。执行机构在动作循环中各个工作循环中各个工作阶段的负载可按以下各式计算： 1）启动阶段 F= FG （2.1） 2）加速阶段 F=Ffd+Fm F G (2.2) 3) 恒速阶段 F=FtFfdFG (2.3) 4）制动阶段 F=FtFfd-FmFG （2.4） 式中 FG 重力，若工作部件水平放置则FG = 0 Ffs 静摩擦力，Ffs =Fnfs, Fn为运动部件及外负载对支承面的正压力，fs为静摩擦系数，一般fs0.2 0.3； Ffd 动摩擦力，Ffd= fdFn , fd为动摩擦系数，一般fd0.050.1； Fm 惯性阻力，Fm=，g为重力加速度，t为启动或制动时间，v为速度变化量； Ft 切削阻力。除此之外，液压缸的受力还有密封阻力（一般用效率m=0.850.9来表示）、被压力等。根据上述各个工作阶段内的负载和它所经历的的时间，可绘制出负载循环图，如图2.1（a）所示。 同样，执行机构在各个工作阶段的运动速度也可以计算出来，绘制出速度循环图, 如图2.1（b）所示。 对于工作循环比较简单的主机，则往往只需找出最高速度最大负载，不一定都要作出循环图。图2.1 执行机构负载和速度循环图 （2）确定液压系统得主参数执行元件的工作压力可以根据负载循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机类型来确定（见表2.1和表2.2）。表2.1 按负载选择执行元件的工作压力负载F/KN551010202030305050工作压力p/MPa0.82.01.52.02.53.03.04.04.05.05.07.0表2.2 各类主机常用工作压力主机类型精加工机床半精加工机床粗加工或重型机床农业机械、小型工程机械液压机、重型机械、大中型挖掘机械、起重运输机械工作压力p/MPa0.82.03.05.05.010.010.016.020.032.0最大流量则由执行机构的速度循环中的最大速度计算出来，它与执行元件的结构参数有关。通常的做法是：先按最大负载Fmax或Tmax和选取的工作压力，由（2.5）或式（2.6）求出液压缸的有效工作面积A或液压马达的排量。 A= （2.5） （2.6）式中 p 选取的系统工作压力； m 泵或马达的机械效率。 则液压缸或液压马达的最大流量可由式（2.7）或式（2.8）计算 （2.7 ） （2.8） 对于要求工作速度很低的执行元件,在计算最大流量之前,需检验所求得的执行元件的主要结构参数能否在系统最小稳定流量下使该执行元件获得要求的最低速度V min或，即 A （2.9） （2.10）否则，需要调整A，或。在节流调速系统中决定于变量泵的最小稳定流量，由产品的性能表查出。在容积调速系统中，决定于变量泵的最小稳定流量。图2.2 执行元件的工况图由以确定A值可以计算液压缸的内径D，在参考有关手册根据系统工作压力或液压缸往复运动速度比或活塞杆的受力情况（受拉力或压力）计算活塞杆的的直径d，计算出D和d，最后还必须圆整成国家标准所规定的标准规格数值。各液压执行元件的主要结构参数确定之后，即可根据负载循环图，速度循环图以及A和作出各执行元件的工况图（见图2.2）。工况图反映了一个工作循环中，执行元件的实际工作压力，流量和功率随时间的变化情况。最后还需将各个执行元件的q-t图，P-t图综合叠加，归并成整个液压系统的工况图，以显示出整个工作循环中系统压力.流量和功率的最大值以及在不同工作阶段的分布情况，作为后续步骤中进行方案设计.选择液压元件等的依据之一。2.2.3 进行液压系统的方案设计液压系统的方案设计是整个液压系统设计中的重要一步。它从作用原理和结构组成上具体体现了主机对液压系统提出的各项要求其主要工作包括两项内容：一是根据主机对液压系统的各项要求，选择液压回路，进行方案设计；二是把选出的液压回路有机的组成液压系统。 （1）选择液压系统 选择液压回路时既要考虑调速、压力控制、换向、顺序或同步动作、互锁等，还要考虑节省能源，提高效率，减少发热，安全可靠，减少冲击等问题。选择回路奥抓住各类主机液压系统的特点和主要问题，从对主机的主要性能起决定性影响的回路开始。例如，对机床的液压系统应从选择调速回路开始；液压机的液压系统应从选择压力调节和控制回路开始等。然后再考虑其他回路，或许有些回路的形式已由主要回路所决定。 选择回路时，往往有很多方案，需要进行反复比较，同时还应采取类比法，多参考同类型液压系统的成熟结构方案。 （2）初拟液压系统原理图 将选定的各液压回路组合、归并在一起，再加上一些辅助元件或回路就初步形成了液压系统原理图。在合成液压系统原理图时应注意以下几点： 尽可能合并作用相同或相近的多余元件。 消除回路合并可能带来的相互干扰。 对可靠型要求比较高的主机，在液压系统中设置必要的备用元件或备用回路。尽量采用标准元件，减少制造周期和成本。为了便于调整和检修，在需要检测系统参数的地方设置工艺接头，以便安装检测仪器。2.2.4 计算与选择液压元件液压元件的选择通常是由以下诸因素共同决定的： 参考同类设备。 系统所需要的最高压力和最大流量。 对稳态功率以及整个运动过程的考虑。 可供选用的液压元件及其成本。（1）液压泵及电机的选择 首先确定液压泵的最大工作压力 (2.11)式中 执行元件的最高压力，由其工况图中得到； 油液流经执行元件进油路上个液压元件及管路的总压力损失。在整个液压系统尚未组成前，的取值可估算，也可以按经验资料估计。例如，对简单的系统取；对复杂的系统取。当执行元件的最大工作压力出现在其停止运动状态，则取。其次根据系统工况图中的最大流量确定液压系统的最大供油流量 (2.12)对于工作过程始终处于节流调速状态的系统，在确定液压系统的最大供油时，尚未考虑溢流阀的最小稳定流量，在一般为溢流阀额定流量的15%以上。对于采用差动液压缸的系统，液压缸的供油为 (2.13)对于采用蓄能器共同供油的系统，在液压泵的最大供油量可由系统一个工作循环中的平均流量确定，即 (2.14)式中 K考虑系统泄漏的修正系数，一般取1.11.3； 差动液压缸无杆腔、有杆腔的有效面积； 差动连接时活塞或液压缸的运动速度； 系统在一个工作循环中等i个阶段内所需的供油量；T一个工作循环的时间。根据设计要求和系统工况可确定液压泵的类型，然后按上面计算出的和，参照产品样本即可选择液压泵的规格型号。考虑到动态压力超调，并确保泵有足够的使用寿命，应使液压泵具有一定的压力储备，从产品样本中选择泵的额定压力应比高出25%60%，其额定流量则只需与相当。驱动液压泵所需的电动机功率可直接从泵的产品样本上查出，然后结合泵的转速选择电动机。液压泵的驱动功率也可以根据具体工况计算出来。若在整个工作循环中，液压泵的工作压力和流量比较恒定，则液压泵的驱动功率为 (2.15)式中 液压泵的最大工作压力； 液压泵的输出流量； 液压泵的总效率，可由泵的产品样本中查出。若一个工作循环中，液压泵的最大工作压力和流量变换较大，则需要分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动效率，然后按下式求出平均驱动功率 (2.16)式中 个工作循环中各个阶段所需的驱动功率； 个工作循环中各个阶段所需要的时间。在按平均驱动功率选择电动机时，应将求得值与整个工作循环中所需的最大驱动功率进行比较，核算短期超载量是否在允许的范围之内，一般电动机允许的短期超载量为25%.如果超出允许的范围，则必须按最大驱动功率选则电动机。（2）控制阀的选择各种控制阀的规格型号按该阀所在油路的最大工作压力和经此油路的最大流量选定。即各种阀的额定压力和额定流量应与上述压力和流量相接近。必要时可允许阀最大通过流量超过其额定流量的20%，如果超过太大，则压降及发热剧增。此外需确定液压阀的安装方式。根据连接方式的不同，液压阀可分为管式阀、板式阀和叠加阀等。管式阀是靠螺纹管接头的各进出油口与系统管路相连接。液压阀自身亦靠管接头固定在管路上。大流量时用法兰代替管接头。较简单、试制性、未定型的液压系统可采用管式连接阀。板式阀有两种连接方式。采用安装地板的板式连接结构。位于阀体安装面上的全部油口与安装底板上加工出的油口相对应，阀体用螺钉安装在底板上，并用O型密封圈密封，在底板的背面或侧面用螺纹管接头将阀的各油口与系统管路连通。集成块的另一种板式连接结构是集成块是一个六面体，在3个侧面均可用螺钉安装板式阀，另一侧面安装通向执行元件的管接头。块内有钻出的油孔试固定在集成块上的阀与阀之间按一定的要求连通。一个液压系统往往需要几个集成块来安装连接板式阀，各集成块和顶盖、底板用长螺栓即可紧固组装在一起。使用时可按系统设计要求选择集成块及相应的板式液压阀，也可根据需要自行设计集成块。板式安装连接目前经常采用的液压阀连接方式。叠加阀式安装连接是板式阀集成块安装连接的一种新型发展形式，用于液压阀的集成化。叠加阀的上下两个面是阀间的安装面，阀的进出油口分别在这两个面上，以便叠加安装另一个或几个液压阀组成一个集成化的控制回路。这样阀与阀之间无须任何中间连接体，阀体本身就起到了连接板和油路通道的作用，而阀本身的内部结构和工作原理与一般液压阀基本相同。在选择液压阀时，除了考虑上述问题外，还应该考虑控制阀的操作方式、结构特点、性能特点及价格等，故此，在这次设计中我们选用板式阀。（3）辅助元件的选择选择油管和管接头的简便方法是使它们的通径与其所连接的液压元件借口处的尺寸一致。（4）确定油箱容量油箱的有效容量可根据系统压力和系统的流量，按经验公式估算。油箱的总容量应为其有效容量V的1.25%倍。对于行走机械的液压系统，其油箱容量可适当减小，但须配冷却装置。2.2.5 验算液压系统性能 液压传动系统的设计计算工作到这一步，还需要对所设计系统的技术性能进行验算，判断设计质量，以便调整设计参数及方案。一般技术性能验算包括：系统压力损失计算；系统效率计算；系统发热温升的计算等。若对系统有其他要求时，尚需作相应的估算。（1）系统压力损失的验算当系统的元件、辅助规格和管道尺寸确定后，即可绘出油路的安装草图，对系统进油路上总压力损失进行验算，即 (2.17)式中 系统管道沿程压力和局部压力损失，可分为参照1.4节中有关计算公式； 阀和辅助元件的局部压力损失，可根据各自的型号规格从产品样本中查出。系统在不同工作阶段的压力损失要求分开计算。在中往往是主要部分，若经过阀类元件的实际流量与其额定流量相差较大，实际压力损失与额定压力损失有如下关系 (2.18)如果计算出的系统进油路总压力损失比前面选泵时估计的数值大的多，则应重新调整液压元件、辅助规格和管道尺寸。计算出的系统压力损失可作为确定系统调整压力的依据之一，并可考查系统的回路效率，在对不同的方案进行比较作为参考。（2）系统效率的计算 液压系统工作时，液压泵和执行元件都有泄漏和机械摩擦损失，必然消耗一定的功率，即反应了一定的效率。液压系统的效率是系统的输出效率与其输入效率之比，即 (2.19) 它也可以写成 (2.20)式中 液压泵的总效率，油产品样本查出； 执行元件的总效率，由产品样本查出，对于液压缸一般取0.95； 回路效率，它反映了泵出口到执行元件进口这段油路的功率利用程度。 (2.21)式中 同时工作的执行元件工作压力与输入流量乘积之和； 同时运转的液压泵的输出功率之和。（3）系统发热和温升的验算 液压系统的压力、容积和机械所消耗的功率转化为热量，试系统的油温升高。连续工作一定时间后，系统所产生的热量便和散发的热量相等达到平衡状态，油温不再升高。对于不的主机，因环境条件与工况不同，最高允许油温也不相同(参见表2.3)。因此，必须运用热量平衡原理对系统的温升值进行估算，使其不得超过允许值。若执行元件的有效功率为，液压泵上输入功率为，则系统的总发热H可按试下式估算 (2.22)如果系统的总效率已由式（2.20）求出，则系统的总发热量也可按下式计算 (2.23)假设热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其他部分的散热，则对油箱温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关手册中查找出来。对于油箱3个边的尺寸1:1:1到1:2:3之间，油平面高度是油箱高度的80%，且油箱通风良好时，油液温升的计算可用下式来估算 (2.24)式中 V油箱的有效容积。计算结果如果超出最高允许油温，需增加油箱表面积，采取冷却措施或改进液压系统设计。表2.3 各种机械允许油温液压设备名称正常工作油温最高允许油温度油及油箱的温升机床30-5055-7030-35工程机械、矿山机械50-8070-9035-40数控机床30-5055-7025机械粗加工机床40-7060-90机车车辆40-6070-80船舶30-6080-902.2.6 绘制正式工作图，编制技术文件设计的液压传动系统经过验算后，即可绘制正式工作图和编制技术文件。正式工作图包括液压系统原理图、液压系统装备图、各种非标准元件、辅助的零件图及其装配图。液压系统原理图时对初拟的原理图进行修改、补充、完善而成、图中应附有液压元件明细表。表中标明各种液压元件的型号和规格。一般还应该给出各执行元件的工作循环图、动作顺序表和简要说明。液压系统装备图时液压系统的正式安装、施工的图纸，包括油箱装配图、泵装置图、管路安装图等。技术文件一般包括液压系统设计计算书、标准件和非标准件明细表、液压系统操作使用说明书等内容。2.3 液压传动系统设计与计算设计一台卧式单面多轴钻床组合机床液压传动系统，设计工作的内容和过程如下：2.3