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JS302 组合 机床 液压 系统 设计 PLC 控制

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沈阳化工大学科亚学院 本科毕业设计题 目： 组合机床液压系统设计及PLC控制 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制1203 学生姓名： 钱神华 指导教师： 王志成 论文提交日期： 2016 年 5 月 30 日论文答辩日期： 2016 年 6 月 8 日46毕业设计任务书机械设计制造及其自动化专业机制1203班学生：钱神华毕业设计题目：组合机床液压系统设计与PLC控制毕业设计内容：选择组合机床的液压系统设计和机床的PLC控制两部分内容为设计对象，是要考核学生的液压传动知识和PLC控制知识，体现机械、液压与电气控制的结合。主要设计包括液压原理图设计，工况参数计算，液压元件选择，液压缸机械结构设计，PLC选型，控制方案选择，PLC硬件电路设计，PLC梯形图设计与仿真等。主要技术参数：驱动质量9800kg，快进快退速度4.8m/min，工进速度0.020.8m/min，工作负载28KN，行程200mm。夹紧力36KN，夹紧行程20mm。毕业设计专题部分：（1）组合机床的结构原理和工作要求分析。（2）工况分析，工艺参数确定。（3）液压原理图设计。（4）液元件选择，性能验算，动态性能仿真。（5）控制方案选择，PLC选型，PLC硬件电路设计。（6）梯形图设计与仿真，有条件时在液压实验台上验证。起止时间：2016.2.292016.6.17指导教师： 王志成 签字 2015年12月4日摘要文章以三面铣组合机床为研究对象,通过对主要结构和运动形式的探究以及对机床的工作过程和控制要求分析,给出了机床动作循环图、液压元件动作表，并采用PLC控制系统的设计方法, 进行了软硬件设计,列出了PLC的I/O地址分配表,绘制了PLC的I/O分配图和单循环自动工作流程图，编写PLC控制程序的梯形图和指令表。可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的通用工业控制装置,它将传统的继电器接触器控制系统与计算机控制技术紧密结合 ,集计算机、控制、通讯于一体,具有可靠性高、通用性强、易于使用、维修方便、价格便宜等优点,为工业自动化提供了近乎完美的自动控制装置。根据我国当前的情况，继电器-接触器控制系统依然是机械设备最常用的电气控制方式，许多企业和高校实习工厂的机床和设备仍采用传统的继电器-接触器控制系统。随着科学技术发展，可编程控制器的出现，许多以继电器-接触器控制系统的组合机床通过电路改进，采用可编程控制系统，无论在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此,采用PLC对机床电气控制系统进行技术改造,很有益处。本课是以三菱电机公司的FX2N系列PLC作为组合机床的主控制器，同时连接PC端，通过PLC控制液压系统，实现一个全新的自动控制系统。关键词:可编程控制器(PLC)；组合机床；液压控制系统。AbstractTaking three surface milling combination machine tools for research object, and through the main structure and form of movement of exploration and for machine tools work process and control requirements analysis is presented, the machine operating cycle diagram, hydraulic components action list, And PLC control system design method of software and hardware design, lists the PLC I/O address allocation worksheets, painted PLC I/O assignment graph and single automatic work flowchart, write PLC control program ladder diagram and instructions list.Programmable controller (PLC) is a microprocessor as the core of general industrial control device, It will be the traditional relay contactor control system and computer control technology. Integrating computer, control, communications, and has high reliability, strong commonality, easy to use and convenient maintenance, cheap price, for industrial automation provides a nearly perfect automatic control device. According to the current situation in our country, Relay - contactor control system is still a mechanical equipment what is the most common way of electric control, Many companies and universities internship factory machines and equipments are still using traditional Relay - contactor control system. With the development of science and technology, the emergence of programmable controller, Many Relay - contactor control system of modular machine tool by circuit improvement, adopt the programmable control system, whether in performance or efficiency can be improved. Using the PLC to improving the electrical control system of nc machine tools has a good outcome.This essay use the FX2N series PLC of Mitsubishi Electric Corporation as main controller of modular machine tool, connecting the PC at the same time. Through the PLC control hydraulic system, creates a new automatic control system.Keywords: programmable controller (PLC); modular machine; hydraulic control system.目录引言1第一章 组合机床及其概述21.1 机床简介21.2 发展历史21.3 加工方式31.4 部件分类31.5 机床发展41.6 工艺范围与设计类型41.7 三面铣组合机床概述51.7.1 机床主要结构部件51.7.2 机床加工工件示意图51.7.3 机床工作过程5第二章 液压传动设计72.1液压传动概述72.1.1基本原理72.1.2 理论应用72.1.3 液压机械系统82.1.4 液压传动的优缺点82.1.5 液压系统设计原则92.2工况分析92.3拟定液压原理图142.4液压元件的选择162.5液压系统性能验算19第三章 PLC控制系统设计223.1 PLC概述223.1.1 基本结构223.1.2 功能特点233.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤253.3 PLC的选型253.4 PLC的I/O接口与主电路设计273.4.1 PLC的I/O分配表与接线图273.4.2 主电路设计293.5 PLC控制系统程序设计313.5.1 程序流程图设计313.5.2 程序设计32参考文献35致谢36附录一梯形图37附录二指令表42沈阳化工大学科亚学院学士学位论文引言引言本次毕业设计选题是组合机床液压系统设计及PLC控制。组合机床是当今机床发展的大势所趋，在机械行业高速发展的今天，一些复杂，繁琐的加工工件需要用专用的机床进行加工，然而专用机床的加工面较窄，不利于一些微小企业投入与使用，这就迫使组合机床的诞生，组合机床具备专用机床的优点，而且应用范围比较广。液压传动是属于机械传动，它可以具有传动平稳和传动的力矩大的优点，现在在传动领域的使用率高达63%，技术成熟，使用范围广。PLC是电气机械行业控制领域不可或缺的技术，它的出现与应用促使机床的发展更进一步，导致现今机械加工过程中的操作者人得到了大大的解放，同时也提高的整个机床行业的生产率。因此，基于以上的现状，我选择了涉及组合机床、液压传动和PLC技术的毕业设计，在接下来的设计中，着重按上述要点进行设计与介绍，让自己的知识点的到更全面的提升与发展。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章组合机床及其概述第一章 组合机床及其概述组合机床(transfer and unit machine)是在通用部件的基础上，按工件特殊的形状和加工工艺要求配备相应的专用部件及特定夹具后，组成的自动或半自动满足特殊需要的专用机床。表1 组合机床基本信息中文名称组合机床外文名称transfer and unit machine加工方式多刀、多轴、多工序定义自动或半自动专用机床1.1 机床简介组合机床(transfer and unit machine)，以系列化和标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件对一种或多种工件按预先确定的工序进行切削加工的机床。兼有万能机床和专用机床的优点。通用零部件通常占整个机床零部件的7090，只需要根据被加工零件的形状及工艺改变极少量的专用部件就可以部分或全部进行改装，从而组成适应新的加工要求的设备。因为在组合机床上我们可以同时从多个方向采用多把刀具对一个或几个工件予以加工，所以可以通过减少物体的挪运与占地面积，来实现工序的集中，从而改良劳动条件，最终提高效率、降低成本。把数台组合机床组合在一起，就变成自动的生产线。组合机床被广泛的运用在需要大量生产加工的零部件上，就像汽车及其行业的箱体等。其次在中小型批量生产加工中也可以运用成组的技术把结构与工艺类似的零部件合并到一起，从而使在组合机床上加工时更加方便。1.2 发展历史1911年最早用于加工汽车零部件的组合机床是在美国设计制造成功的。美国通用汽车公司与福特汽车公司在1953年和美国的机床制造厂协调商定，明确商定了组合机床的通用部件的标准化原则。最早，所以机床制造厂全部都具有其自己的通用部件的标准。为了加强制造厂自己通用部件在不同制造厂之间的互换性，这样有利于用户的使用与维修。国际标准化组织（ISO）于1973年颁布了全球第一批组合机床通用部件的标准。中国第一机械工业部于1975年公布了中国第一批组合机床通用部件的标准。从1970年以来，随着密齿铣刀、可转位刀具、刀具自动补偿和镗孔尺寸自动检测这几项技术的发展，使组合机床加工的精确度得到了很大的提高。铣削平面的表面粗糙程度可以低至2.50.63微米，平面度可以达到0.005厘米100厘米；孔距精确度可以达到O.03O.02微米，镗孔精度可以达到IT76级。 随着汽车工业的兴起，专用机床开始发展起来。由于有些部件在专用机床中反复的被使用，因此渐渐发展为了通用的部件，从而组合机床产生了。1.3 加工方式组合机床通常采用多面、多轴、多刀、多工位或多工序一起进行加工的模式，生产的效率是通用机床的几倍甚至几十倍。因为通用部件已系列化和标准化，可以按照需求灵活的进行配置，从而使设计与制造的周期大大缩短。所以组合机床具有成本低效率高的优点，则在大量的生产中组合机床可以组成自动生产线。 组合机床一般在加工箱体类或特殊形状的零件等方面用途较多。加工时，通过刀具的旋转运动以及刀具与工件的相对进给运动，来实现镗孔、铰孔、锪孔、扩孔、钻孔、铣削平面、切削内外螺纹与加工端面和外圆等，而工件一般不进行旋转运动。有的组合机床则采取车削头夹持工件令其旋转的方式，由刀具作进给运动，来实现一些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的端面和外圆加工。1.4 部件分类按功能可以将组合机床的通用部件分为以下5类，即：支承部件、输送部件、辅助部件、控制部件和动力部件。1、支承部件支撑部件是用来安装动力滑台的，它包括各种支架和底座；输运部件是用以输送主轴箱或工件到加工工位；控制部件是用来控制机床工作的自动循环的。2、输送部件按软硬件方式分类传输部件可以分为控制信号传输和机械零件传输这两种。3、辅助部件辅助部件包括冷却、排屑和润滑等装置。按照配置的型式可以将组合机床分为多工位和单工位两大类。其中多工位的组合机床又可分为以下4类，即：中长立柱式、回转鼓轮式、回转工作台式和往复工作台式；单工位的组合机床按照被加工面的数量不同可分为单面、双面、三面和四面这4类。4、控制部件控制机床自动工作循环的部件便是控制部件，包括电气柜、液压站和操纵台等。5、动力部件为机床提供进给运动和主运动的是动力部件，主要有动力滑台（用于切削头或安装动力箱，从而实现进给运动），动力箱（把电动机的旋转运动传递到主轴箱）、切削头（装在各个主轴上，动力箱（把电动机的旋转运动传递到主轴箱）用于各单一工序的加工）。1.5 机床发展转塔式组合机床和可换主轴箱式组合机床在中小批量生产中得到了很好的应用，这两类组合机床能将工艺与结构相类似的零件集中在一台组合机床上进行加工，从而大大啊提高了机床的利用率。采用滚珠丝杠和调速电动机等传动将是组合机床今后发展的趋势，它可以缩短生产节拍、简化结构；另外使用主轴箱和数字控制系统以及夹具自动更换系统，来提高工艺的可调性；还有纳入柔性制造系统等。1.6 工艺范围与设计类型一般组合机床可以完成的工艺范围如下：车端面、刮平面、车锥面、铣平面、切槽、钻孔、铰孔、镗孔、扩孔、倒角、还有就是加工滚压、螺纹、拉削、抛光、磨削等。【注】本次设计选取机床为三面铣组合机床的液压传动与PLC控制。1.7 三面铣组合机床概述三面铣组合机床是用来对Z512W型台式钻床主轴箱的80、90孔端面及定位面进行铣销加工的一种自动加工设备。1.7.1 机床主要结构部件底座、床身、铣削动力头、液压动力滑台、液压站、工作台、工件松紧油缸等组成。机床底座上安放有床身，床身上一头安装有液压动力滑台，工件及夹紧装置放于滑台上。床身的两边各安装有一台铣销头，上方有立铣头，液压站在机床附近。1.7.2 机床加工工件示意图图1 80、90孔端面及定位面1.7.3 机床工作过程操作者将要加工的零件放在工作台的夹具中，在其他准备工作就绪后，发出加工指令。工件夹紧后压力继电器动作，液压动力滑台（工作台）开始快进，到位转工进，同时起动左和右1铣头开始加工，加工到某一位置，立铣头开始加工，加工又过一定位置右1铣头停止，右2铣头开始加工，加工到终点三台电机同时停止。待电机完全停止后，滑台快退回原位，工件松开，一个自动工作循环结束。操作者取下加工好的工件，再放上未加工的零件，重新发出加工指令重复上述工作过程。将上述文字的叙述部分转化成直线箭头流程图，便可让人一目了然。具体加工过程如图2所示。图2 机床动作循环图沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 液压传动系统设计第二章 液压传动设计2.1液压传动概述用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式称为液压液压传动，另外它又与气压传动统称为流体传动。流体传动是17世纪发展起来的一门新兴技术，该技术在工农业生产中广为应用。现在，流体传动技术水平的高低是衡量一个国家工业发展水平的重要依据。表2 液压传动基本信息中文名称液压传动外文名称Hydraulic transmission应用学科、适用领域物理、机械加工原理机械能转化为液体的压力能2.1.1基本原理液压传动的基本原理：液压系统可以利用液压泵把原动机的机械能转换成液体的压力能，进而利用液体压力能的变化来传递能量，通过多种控制阀和管路的传递，借助的液压执行元件来将液体的压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，来实现直线回转运动和往复运动。其中工作介质为液体，该液体一般为矿物油，其作用与机械传动中的链条、齿轮和皮带等传动元件差不多。在液压传动中，液压油缸既是一个最简单又比较完整的液压传动系统，分析其工作过程，可以很好的了解液压传动的基本原理。2.1.2 理论应用液压传动应用非常广泛，例如一般工业用的压力机械、机床、塑料加工机械等；还有就是行走机械中的建筑机械、工程机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的提升装置、冶金机械、轧辊调整装置等；土木水利工程用的河床升降装置、防洪闸门及堤坝装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的船头门、甲板起重机械、船尾推进器、舱壁阀等；特殊技术用的测量浮标、升降旋转舞台、巨型天线控制装置等；军事工业用的船舶减摇装置、火炮操纵装置、飞机起落架的收放装置、飞行器仿真和方向舵控制装置等。2.1.3 液压机械系统液压机械系统主要是由:以下五个部分组成：执行元件、动力元件、工作介质、控制元件和辅助元件。1、液压缸与液压马达称为执行元件。液压缸主要包括摆动液压缸、柱塞液压缸、组合液压缸、活塞液压缸；液压马达主要包括叶片液压马达、轮式液压马达、柱塞液压马达。2、油泵属于动力元件。它是液压传动中的动力部分，因为它可以利用液体将原动机的机械能转换成液压力能。3、液压油或乳化液被称为工作介质，它可通过油泵与液动机实现能量转换。4、控制元件主要包括流量阀、压力阀与方向阀等。它可按照需求无级调节液动机的速度，同时对液压系统中工作液体的流量、压力与流向进行调节控制。5、除以上三部分元件以外的其它元件便是辅助元件，主要有蓄能装置、压力表、冷却器、滤油器、高压球阀、管件各种管接头、软管总成、快换接头、测压接头、加热器、管夹、油管、压力计、流量计等。2.1.4 液压传动的优缺点1、优点：（1） 体积小、重量轻。（2）能在在一定的范围内自动而平稳地调节牵引的速度，并可实现无级调速。（3）易换向，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。（4）液压泵和液压马达之间连接不受严格限制。（5）自行润滑，磨损小，使用寿命长;（6）控制简单，自动化程度高。（7）易实现过载保护。（8）液压元件实现了系列化、标准化、便于设计、通用化、制造和使用。2、缺点：（1）维护的要求高，工作油需始终保持清洁。（2）元件制造的精度要求高，工艺复杂，成本较高。（3）维修需较高的技术水平。（4）因为液压传动对油温变化较敏感，所以它不适合在很高或很低的温度下工作。（5）在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中系统效率较低。（6）由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比。2.1.5 液压系统设计原则组合机床被看作是一种高效、专用的机床，它是由必不可少的通用部件和一些特定的专门用处的部件构成成。其中通用部件一般是由支撑件、滑台、动力箱和输送机构等组成，然而专用部件一般都是由多轴传动箱和专用夹具组成。它一般是采用多刀、多轴、多工位和多面加工，能完成扩、镗孔、钻、攻丝、铰、铣、车、磨削以及其它必要的精加工工艺顺序。组合机床具有生产效率高、加工范围广、自动化程度高、加工精度较高、设计制造周期短、通用部件可以被重复安装使用等很多优点，所以，组合机床被广泛的应用在大批、大量生产的机械流水线加工或自动线加工中。机床的主运动可由动力头或者动力箱来获得，进给运动则是由工作滑台的运动来获得，动力滑台通常与动力箱或动力头配套起来使用，在滑台上可以安装动力箱，刀具主运动便可由动力箱上的电机来带动，而滑台是用来实现刀具进给运动的。滑台是由液压驱动，可以实现自动的工作循环。若出现多种进给则可一根据工艺顺序和加工要求安排在同一个工序中进行，在组合机床上还可以实现多个滑台同时工作。本篇设计中液压系统是由一台液压泵作为动力源向两个液压缸提供油压，所以，这次设计的液压系统应该满足各工位在加工过程之中不会发生相互干涉这一前提，并力求功率损失最小。 2.2工况分析工况分析一般都是对液压执行元件的工作情况进行分析，分析工况之后我们就可以得到一些设计时必须参考的参数以及设计过程中必须考虑的因素，例如：工作过程中负载的变化、压力流量以及功率的变化和执行元件的速度变化等等。将这些作为设计的依据，完成之后的设计。1、工作负载 对于不同的机械它的工作负载是不一样的。如果是加工机床的话，切削负载就是它的工作负载；对于起货机来说其中的重物就是工作负载。工作负载取值的正负性是根据液压缸运动的方向与受力方向是否相同，若方向相同时则为正值，若方向相反时则为负值。工作负载的确定一般有两种方法：根据相关的公式可以计算出来；根据主机参数然后确定。FL=FG=2.8104+9.61104N=1.24105N2、摩擦负载摩擦负载顾名思义是摩擦阻力（是指在液压缸的驱动下运动部件和导轨之间所受到的摩擦力）。它的计算是根据导轨形状、导轨运动间隙和运动形式等，再去查阅有关设计计算手册额得到结果。Ff=fFN/sin工作台上水平放置着工件，由于工件的主运动为垂直上升运动，滑台采用常用的V形导轨，两导轨面之间的夹角相互垂直为90度，滑台、导轨之间的最大间隙是2mm，因此，导轨上垂直作用力可根据间隙大小和结构尺寸求出FN=208N，=45。查表可得静摩擦系数为fs=0.2，动摩擦系数为fd=0.1，则有静摩擦负载：Ffs=0.2208sin45N=58.83N动摩擦负载：Ffd=0.1208sin45N=29.42N3、惯性负载惯性负载是由于惯性的作用，运动部件在启动加速和减速制动时的惯性力，按下式求出。Fa=Ggvt快速度4.2mmin=0.07mmin，快退速度4.8mmin=0.08ms， G=FG，g=9.81Nkg，t取0.5s，工进速度0.020.8mmin之间，所以取0.5mmin=0.00833mms.快进：Fa1=Ggvt=1.241059.810.070.5=1.77103N.工进：Fa2=Ggvt=1.241059.810.07-0.00830.5=1.56103N.快退：Fa3=Ggvt=1.241059.810.080.5=2.02103N.【注】夹紧缸的重力负载不需要考虑。综上，液压缸各阶段的最大负载为加速过程中，即为：总负载=工作负载+动摩擦负载+惯性负载（加速阶段）得： F=FL+Ffd+Fa=1.24105+29.42+1.77103N=1.26105N； 快进总负载：总负载=工作负载+动摩擦负载F进=FL+Ffd=1.24105+29.421.24105N； 工进总负载：总负载=工作负载+动摩擦负载F工进=FL+Ffd=1.24105+29.421.24105N 快退总负载：总负载=动摩擦负载F退=Ffd=29.42N二、进给油缸主要参数确定1、液压缸额定工作压力的初步选定由于以上计算可得，该机床的负载不是很大，按照分类属于机床类，所以初步选定的液压缸额定工作压力为3.0MPa。2、液压缸缸筒尺寸的计算 A=Fp=1.26105N130105m2=4210-4m2D=4A=44210-43.14159m=7.3110-2m表3液压缸的缸筒内径参考尺寸系列表（GB2348-80） 单位：mm810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630【注】带括号的数值为非优先考虑；若超出本系列最大的630mm缸筒的内径尺寸可按GB321-64优先数和优先系数中R10系列选出。 对比计算结果和表3标准可得：D =80mm。活塞杆的直径是根据速度的比值（即：快进和快退的速度比）来计算d2D2-d2=4.84.2得：802802-d2=87即： d=28.28mm 对比算结果和表4标准可得：d =28mm。表4液压缸的活塞外参考径尺寸系列表（GB2348-80） 单位：mm456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400【注】若超出本系列最大值400mm的活塞杆外径尺寸可按GB321-64优先数和优先系数中R20系列选出。按有无杆来计算液压缸的有效作用面积：无杆腔面积： A1=14D2=482cm2=50.24cm2有杆腔面积：A2=14(D2-d2)=4(82-2.82)cm2=44.09cm23、校核活塞杆的稳定性因为活塞杆总行程为200mm，而活塞杆直径为28mm，ld=20028=7.1410，故不需进行稳定性校核。4、液压缸最大流量的求取快进： q快进=A1v快进=50.2410-40.07m3s=351.6810-6m3s =21.10Lmin工进： q工进=A1v工进=50.2410-48.310-3m3s=41.710-6m3s =2.50Lmin快退： q快退=A2v快退=44.0910-40.08m3s=352.7210-6m2s =21.16Lmin5、各阶段工况快进阶段：压力：p=F进A1=1.24105N50.24cm2=2.47MPa功率 ：P=pq=2.47106351.6810-6=868.65W工进阶段：压力：p=F工进A1=1.24105N50.24cm2=2.47MPa功率 ：P=pq=2.4710641.710-6=103.00W快退阶段：压力：p=F退A2=29.42N44.09cm2=6.6710-3MPa功率 ：P=pq=6.67103352.7210-6=2.35W表5各阶段液压缸的压力、流量和功率工况参数快上工进快下压力p/MPa2.472.476.6710-3流量q/（L/min）21.102.5021.16功率P/W868.65103.002.35【注】夹紧回路的工作压力及流量均小于进给回路，因此油缸按进给油缸选用便可满足设计要求。2.3拟定液压原理图在整个液压系统设计中，液压原理图可谓是其中的核心，它设计的好坏与合理性关系到整个液压系统是否能正常工作，液压原理图的拟定涉及的知识面非常广泛，要结合所学的各章知识体系，然后根据设计的相关要求和具体的动作性能要求，选择合适的液压基本回路，然后将选择的基本回路加以有效的连接措施，形成一个相互联系的有机统一体，这便完成了液压原理图的设计。想要拟定完整恰当的液压系统图，需要考虑一下几方面的内容：1、液压执行元件的选择原则由所学的内容可知，液压执行元件有液压缸和液压马达。若设计的液压系统最后需要的主运动是直线反复运动，则选择液压缸；若设计的液压系统最后需要的主运动是连续的回转运动，便可选择液压马达。液压系统的设计，必须要按设计要求的运动情况选择执行元件，还要充分考虑整体性的最佳效果。一般设计时，还要考虑工作行程的长度，然后确定是否要提高执行元件的传动刚度，在实际设计中，使用范围的大小和使用习惯往往会限制液压执行元件的选择。2、液压回路的选择原则完成液压执行元件的确定之后，根据设计的主要性能特点和工作要求，先确定设计中的主要回路，例如：机床的液压系统中，调速和速度换接是整个液压回路的主要回路（本次设计的液压系统便是三面铣组合机床工进和夹紧的液压系统）。之后确定其它的辅助回路，例如：垂直运动中需要增加平衡回路；多执行元件共同工作时，则需要考虑先后的工作顺序，加入顺序回路。同时，还要考虑节约能源，减少发热、减少冲击，保证动作精度等相关问题。回路选择时，可以参考和吸收同类型液压系统中的通过实践证明的比较好的回路。3、液压回路的综合综合，顾名思义是将我们前面选出来的各种不同用处的回路放在一起，并加以整理和修改，在加一些必要的辅助回路形成的完整体系。完成上述工作需要遵循以下几点事项：1）简化系统结构，删去不必要的元件；2）综合设计出来的液压系统，必须要使每个行程动作相互都不干扰且；3）尽可能的防止系统热量过高，尽可能的提高系统的工作效率；4）尽可能的使用标准件，尽可能的降低专用件的使用。综上，设计原理图如下图所示：图3 液压系统原理图2.4液压元件的选择 1、液压泵型号的确定及电动机功率的确定由以上设计可知，在整个液压系统图的循环过程中最大的工作压力为2.47MPa，结合设计的液压原理图，由于结构简单，因此，选取的压力损失p=0.4MPa，所以液压泵的工作压力为：pp=p+p=2.47+0.4MPa=2.87MPa当油泵向系统供油时，假设整个回路的油泄露按10%计算，计算的油泵的总流量应为：qp=1.121.16Lmin=23.276Lmin，因为溢流阀的最小稳定压力为： 3Lmin，上述2.2.1中所求的液压缸的工进流量为： 2.5Lmin，所以，液压泵的输出流量应该不小于17Lmin。根据上述计算结果，查表，选取液压泵规格为：PV2R3-76型叶片泵，额定压力为21MPa，容积效率为pv=0.85，总效率为p=0.75，得qp=2114100.8510-3=25.17Lmin，再根据所求结果，结合公式Pp=ppqpp，查表得，电机型号为；表6液压传动基本信息JO22241.5kw1410转/分380V3.49A2、阀及辅助元件选择阀类元件的选取标准可以根据以下两点：阀的最大工作压力；流经阀的最大流量。具体的要求为额定的最大工作压力和最大流量必须实际工作中的最大压力和最大流量。当然也不是额定的数值越大越好，一般不能超过额定值的20%，不然的话会导致压力损失过大。具体来说，必须综合各类要求是系统达到最佳的工作状态。液压辅助元件：管路和管接头：管路要降低系统的压力损失，管接头必须保证强度、刚度以及密封性；油箱：油箱的设计必须在满足存储油的基础上充分起到散热和排除液体中混有的气体作用。过滤器：过滤器则是要降低油液的污染，使系统正常工作。密封装置：密封装置是选择合适的密封元件防止液压系统产生漏油现象导致压力降低，无法满足正常的工作要求。蓄能器：由于本设计没有涉及到蓄能装置，故不做详细说明。表7液压元件的型号及规格序号名称通过流量qmax(Lmin-1)型号及规格1滤油器26.53XLX-06-082单向变量液压泵24.16PV2R3-763安全阀18.36A21Y-250C/P4卸荷阀25.03YF-B10H25溢流阀15.28DZ-506液控单向阀18.36SV30P(G)A/B7三位五通电磁阀24.16K35HD2-208调速阀24.16MFC-02A-I-209二位二通电磁阀20.0922EF3-E10B10压力继电器JCS-02H11进给油缸CL80/20012夹紧油缸CL63/16013压力继电器JCS-02H14二位四通电磁阀18.36Q23XD-33、选择完液压元件完成之后，接下来的工作是按照液压原理图及工件要求的加工顺序来确定各液压元件的动作顺序，列表如下：表8液压元件动作表 元 件工 序YV1YV2YV3YV4YV5BP1BP2原 位-（+）-夹 紧+-+快 进（+）-+-+工 进（+）-+-+-+死挡铁停留（+）-+-+快 退（+）-+-+松 开-+-4、油管、油路的选择在液压系统中，油管的设计标准一般都遵循以下两种：按照选定的元件的口径大小确定油管的直径大小；按照管路允许的流速来计算管路直径的大小。本毕业设计中，管路的内径可选15mm，外径可选18mm的紫铜管。5、油箱的选择在油箱的选择过程中，一般可以根据液压泵的流量来计算油箱的容积。油箱的体积计算公式为：V=(57)qp带入数值得： V=5725.17=151.02L表9液压油箱的公称容积（GB/T7938-1995）440250630160050006.3633158002000630010100400100031502516050012504000按标准取油箱的容积为：160L2.5液压系统性能验算1、计算压力损失与确定调定压力由前面的计算可知，系统在慢上时，管内流体的速度为8.310-3ms，流经的流量为1.5Lmin，数值都比较小，主要为压力损失为调速阀两端的压降，这时候的功率损失最大；系统在快下时，整个系统的压力平衡有背压阀来平衡，系统工作压力很低，不用进行验算；系统在快下时，计算依据为为卸荷阀和溢流阀的调定压力，在此过程中，液压缸的速度为：v1=qpA1=25.1710-36050.2410-4ms=0.083ms=83mms于此同时，系统的进油管的流速为：v=qpA=25.1710-3415210-660ms=2.38ms（1）沿程压力损失验算在计算沿程压力损失之前，先要确定油管中的流态，本系统使用的是N32型液压油。当室温为20，=1.010-4m2s，所以有：Re=vd=2.381510-31.010-4=357总压力损失为0.213MPa，满足设计要求。【注】由于压力计损失算时，压力损失值没有高于预定的压力损失值，故卸荷阀的调定值为2.87MPa。在液压设计中，溢流阀的压力调定应高于卸荷阀调定压力0.30.5MPa，故取溢流阀的调定压力为3.3MPa。2、系统的升温与发热根据前面的计算得，快进时电动机的输入功率为：Pp=ppqpp=2.8710625.1710-3600.75W=1605.29W；工进时电动机输入功率为：Pp1=pp1qp1p=3.310615.2810-3600.75W=1120.53W；而快进时其有用功率为：P1=2.4710625.1710-360W=1036.17W；工进时的有效功率为103W，实际电机输入功率为1120.53W，所以工进时的功率损失为：1120.53-103=1017.53W；快进时的有效功率为1036.17W，实际电机输入功率为1605.29W所以快进时的功率损失为：1605.29-1036.17=569.12W所以选用较大的损失值来校核其热平衡，求出发热温升。设油箱的三个边长在1：1：11：2：3范围内，则散热面积为：A=0.0653V2=0.06531602m2=1.92m2假设通风良好，取h=1510-3kWm2，所以油液的温升为：t=HhA=0.276751510-31.92=9.61室温为20，热平衡温度为29.6165，没有超出允许范围。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章PLC控制系统设计第三章 PLC控制系统设计本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、主电路设计等。3.1 PLC概述PLC采用一类可编程的存储器，通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，并用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令。表10 PLC基本信息中文名可编程逻辑控制器外文名Programmable Logic Controller简称PLC3.1.1 基本结构PLC实质上是一种硬件结构基本上与微型计算机相同的专用于工业控制的计算机，基本构分为以下六部分：一、电源因为PLC的电源在整个系统中起着很重要的作用，如果没有一个良好而可靠的电源系统PLC是无法正常工作的，所以PLC的制造商对电源的设计和制造也特别的重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。二、中央处理单元(CPU)CPU是控制中枢，它根据PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查存储器、电源、警戒定时器以及I/O的状态，同时还可诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，PLC通过用扫描的工作方式来接收信息，这些信息是必要输入设备中的数据和状态，然后将扫描的结果存放进待处理区（I/O映象区），之后PC端利用计算机语言从用户程序中读取数据，然后再按解释后的命令指令将处理的用户数据存取数据寄存器内。在上述工作完成后，待处理区（I/O映象区）就会将数据寄存器内的数据传送到相应必要的输出装置，照此循环，直到工作全部完成之后停止。提高设备的可靠性是老生常谈的一项指标，提高PLC可靠性就是不避免的任务，例如：对于大型PLC来说，我们可以采用双CPU组成的冗余系统，也可以采用三CPU组成的表决式系统。这样做的目的的是若一个CPU不工作了，整个设备可以用好的CPU系统工作。 三、存储器系统程序存储器为存放系统软件的存储器。用户程序存储器为存放应用软件的存储器。四、输入输出接口电路1、微机的输入接口电路和光耦合电路组成了现场输入接口电路，它是现场控制的接口界面与可编程逻辑控制器的输入通道。2、选通电路、输出数据寄存器和中断请求电路组成了现场输出接口电路，使可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。五、功能模块有计数功能模块，定位功能模块等。六、通信模块3.1.2 功能特点1、使用方便，编程简单只需利用简单明了的语句表、梯形图或逻辑图等编程语言，而无需计算机知识，因而现场调试容易，系统开发的周期短。此外还可以在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。2、 功能强，性能价格比高即使是一台小型的PLC，它的内部可供用户使用的编程元件都有成百上千个，这些元件的功能都很强，可实现相当复杂的控制功能。另外它与继电器系统相比，有很高的性能价格比。3、 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强作为已经模块化、标准化、系列化的PLC产品，它提供给用户选用的各种硬件装置已非常齐全，在系统配置中用户能灵活方便地进行，从而组成功能与规模均不相同的系统。另外PLC使用接线端子连接外部接线，该接线方法非常方便。同时PLC可直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器，具有很强的带负载能力。当硬件配置确定后，可通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4、 可靠性高，抗干扰能力强广大用户都认为PLC是最可靠的工业控制设备之一，因为它使用软件来取代传统的继电器控制系统中使用的大量中间继电器、时间继电器，仅仅在输入和输出中使用少量的硬件元件，避免了因触电接触不良而造成的故障。同时PLC还采取一系列硬件和软件抗干扰措施，无故障时间达到了数万小时以上，所有它可以直接的运用于具有强烈干扰的工业生产的现场。5、系统的设计、安装、调试工作量少继电器控制系统中大量的时间继电器、中间继电器、计数器等器件被PLC的软件功能取代了，从而使控制柜的安装、设计、接线工作量大大减少。顺序控制设计法是一种规律性强且易掌握的编程方法，PLC的梯形图程序采用的就是这种设计方法来设计的。与继电器系统电路图相比，对于复杂的控制系统，设计梯形图就节省时间多了。在实验室中可模拟调试PLC的用户程序，一般用小开关来模拟输入信号，同时输出信号的状态可以通过PLC的发光二级管来观察。当系统的安装和接线完成以后，可通过修改程序来解决现场的统调过程中发现的问题，另外与继电器系统相比系统的调试时间少很多。6、 维修工作量小，维修方便PLC具有完善的显示和诊断功能，它的故障率很低。当PLC与执行机构或者外部的输入装置与执行机构发生故障的时候，可通过PLC上的发光二级管或者编程器提供的信息很快查明发生故障的原因，然后李艳更换模块的方法来快速地排除故障。【注】本次设计采用的是日本三菱公司的FX2N系编程控制器。3.2 PLC控制系统设计的基本原则和步骤控制框图是解决一切设计复杂设计最好的工具，进行PLC设计过程中，其过程繁琐复杂，序理清设计思路，根据既有的设计规则完成设计，因此，PLC的控制部分的设计参考图4。图4 PLC系统设计步骤3.3 PLC的选型全球PLC系统的生产商中，日本的三菱和德国的西门子最为著名，本次设计的组合机床的PLC控制系统采用日本三菱公司的FX2N系列产品，根据设计要求和机床的输入输出接口数量需要，选择三菱FX2N系列的FX2N80MR-001型产品。该型产品的输入点和输出点的个数都为40个，其中输出形式为R-继电器输出，R-继电器的特点是交直流双用。选择FX2N80MR-001型产品既能满足设计中对输入输出点数的要求，也能为以后的升级改造留有余地。FX2N80MR-001的产品展示及基本性能规格如下图3-2、图3-3所示图5 FX2N系列PLC中的FX2N-80MR-001图6 FX2N-80MR-001的基本性能规格图3.4 PLC的I/O接口与主电路设计3.4.1 PLC的I/O分配表与接线图本控制系统的PLC的输入、输出点数的确定是根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。（1）PLC的输入端口包括自动循环工作按钮、点动按钮、油泵启动、总停按钮、SA1等，还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。（2）PLC的输出端口包括运行指示灯、交流接触器、继电器等。表11 PLC的I/O分配表图7 PLC的I/O接线图3.4.2 主电路设计 我们都知道，电气控制系统的设计有一定设计与接线标准，PLC系统的设计也一样，要遵循一定的设计标准，对于带电的设备的设计最重要的就是安全性与可靠性。设计中一般都有保护电路设计，电源开关的安装，保护装置的设计，通常的设计中还要进行抗干扰的设计等等。本次毕业设计的主电路图设计如图3-5所示。图8 PLC系统主电路图3.5 PLC控制系统程序设计3.5.1 程序流程图设计三面铣组合机床的工作方式有很多种，具体包括以下三种：单循环自动工作、单动力头自动循环工作、点动自动循环工作则三种工作方式。现以最简单的单循环自动工作的工作方式为例，介绍程序设计的流程。第一步，将开关SA1调到“单循环自动工作SA1-1”，开启油泵；将被加工工件放在滑台的指定位置，按加工指令按钮。第二步，工件被夹紧，并判断工件是否被夹紧，之后，滑台快进，原位开关SQ1复位。第三步，滑台工进，在压下位置开关SQ2后，左铣头、右1铣头开始加工；在压下位置开关SQ3后，立铣头开始工作；在压下位置开关SQ4后，右1铣头停止，右2铣头开始工作，知道三台电机同时停止工作。第四步，在BP1（死挡铁停留压力继电器）触点动作后滑台自动快速退回原位，压下SQ1，工件松开，便结束一个自动工作循环。具体程序流程图如图9所示。 图9 程序流程图3.5.2 程序设计利用主控指令来实现组合机床的热继电器过载和总停的时候停止机床工作。组合机床的三种工作方式：单循环自动工作、单动力自动循环工作和点动工作。有相应的指示灯来显示工作状态。除了在点动工作方式下，当加工指令按钮按下时，