机械毕业设计（论文）-液压棒料剪切机电气控制系统设计【全套图纸】.doc

毕 业 设 计（论 文）设计（论文）题目： 机电液工程训练平台 液压棒料剪切机电气控制系统设计 学 院 名 称： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制081 姓 名： 学 号08403010106 指 导 教 师： 职 称 教授 定稿日期：2012 年 5月4日中文摘要摘 要在分析了液压棒料剪切机的设计要求和主要工艺参数的基础上，确定了液压棒料剪切机的工作原理和传动方案。完成了液压系统的设计和继电器与PLC两种方式下的控制系统的设计。并给出了液压系统原理图、电气控制原理图及接线图和PLC控制原理图及接线图。关键词：液压棒料剪切机；液压系统原理图；电气控制原理图及接线图；T形图；PLC接线图全套图纸，加153893706英文摘要ABSTRACTOn the basis of analysis of the hydraulic bar shearing machine design requirements and process parameters to determine the hydraulic bar shearing machine works and transmission programs. Complete hydraulic system design and control system design in the relay and PLC are two ways. And the hydraulic system schematic electrical control schematics and wiring diagrams and PLC control principle diagram and wiring diagram.Key Words：Hydraulic bar shearing machine; hydraulic system diagram; electrical control schematics and wiring diagrams; T-shaped diagram; PLC wiring diagram宁波工程学院毕业设计（论文）目 录1 引 言21.1课题的背景和意义21.2国内外研究方向与动态22 液压棒料剪切机总体方案的确定43 液压系统设计53.1 液压系统的基本组成53.2 液压系统的分析与确定63.3 液压系统工作原理74 电气控制系统的设计94.1 电气控制系统的分析与确定94.2 电气控制系统工作原理125 PLC控制系统的设计145.1 PLC控制系统设计的基本原则145.2 PLC程序和外部接线图14结 论18致 谢19参考文献201 引 言1.1 课题的背景和意义在模锻件、辊锻件和冷、温状态挤压件等生产批量比较大的机器制造部门，棒料是主要的原材料。液压棒料剪切机就是为这些锻压工艺准备坯料的主要设备。现代工业发展到21世纪，精密锻造和挤压等少切削或无切削成形工艺得到越来越广泛的应用，从而对所需坯料的体积（重量）误差、端面形状及其他几何参数提出越来越高的要求，而现在的下料方法普遍存在能耗高、效率低、材料消耗大和下料质量差等问题。因而，寻求一种高质量、高效率、低消耗的精密下料方法就成为人们追求的目标。液压棒料剪切机是一种高生产率的剪切设备，对于大直径的棒料，分钟可剪切几件、十几件，小直径的棒料每分钟可剪切五六十件。以直径为中小尺寸的棒料为例，剪切与锯切的单件工时比率为1:20，剪切较锯切的材料利用率可提高25%。对于碳素钢或低合金钢，在冷状态或热状态下进行剪切，都较容易实现机械化与自动化，棒料剪切工艺较其他切断工艺具有明显的经济效果。1.2 国内外研究方向与动态精密剪切方法是各国竞相发展的一种下料方法，日本、美国、德国、英国、法国和意大利等国均研制生产了各种剪切机床或剪切模具，这些机具改变了普通剪切的一些缺陷。精密剪切方法研究和精密剪切设备的研制成为关注的热点问题。目前研究和逐步应用的精密剪切方法主要有：（1）径向夹紧剪切，即先将棒料加紧，然后完成棒料的剪切。径向夹紧剪切的优点在于，消除了普通剪切方法棒料产生倾斜的几何原因，消除了被剪切棒料所受的弯曲力矩，从而解决了坯料线弯曲后剪切的问题，但新的问题是改变了剪切区材料的应力状态，形成多向应力。（2）轴向加压剪切，即在坯料端面施加轴向应力，使剪切过程中棒料剪切区的轴向压力增加，实现材料塑性剪切分离。这种方法主要适用于钢、铝和低碳钢等软材料。由于在剪切过程中存在很大的压应力，剪刃和设备的工作环境恶化，而且实现机构复杂、昂贵。（3）氢脆温度热剪切，这种方法经常适用于低碳钢的剪切。剪切前将棒料预热至温热状态，利用这一温度区域钢的氢脆性进行剪切。虽然其剪切面的主要部分是剪切带，但凹凸较少，剪切面质量好，压塌量椭圆度都明显减小。该剪切方法适用于大直径棒料的剪切。（4）高速剪切，即通过高速加载提高坯料的剪切质量。在高速载荷下，被剪材料的韧性下降，脆性增大，剪切变形区域变窄，塑性变形小，从而提高了剪切质量。研究表明，在加载速度为4.5m/s以上时，剪切质量将得到明显提高。但高速剪切冲击力大，能耗高，设备受力状况恶劣。上述类型剪切机的共同特点就是增加了压紧力，尤其是被剪下端棒料的压紧力比原来剪切力大大增加了，从而在一定程度上提高了剪切断面的质量，这对热锻来说已经满足了要求。为了满足冷锻的备料需要，剪切断面的质量要比上述要求更提高一步，为此国内外进行了多方面的实验研究，结果表明下述两条途径是可行的：（1）使剪切区域成多向受力状态，提高剪切区的材料塑性，使断面产生纯剪切。（2）提高材料剪切时的脆性，当材料断裂时只产生少量的塑性变形。为了实现上述两种要求，设计和研制了两种新结构的棒料剪切机，他们大致可分为以下3种类型；（1）高速剪切机。实验证明，金属材料在应变速度达到一定值后会变脆，从而提高了临界剪切速度的概念，即材料有剪断和脆性断裂两种不同切断形式的速度界限。高速剪切机就是利用这个原理进行剪切的。济南铸锻研究所于1969年在济南汽车配件厂进行了高速剪切工艺试验，验证了这一理论。（2）渐进式剪切机。各种断面棒料经剪切后，其切口产生塑性变形，这种变形发生在横断面一边，其位置取决于在剪切过程中剪刀向棒料的施力方向，并且在横断面的周边上总有一个地方变形最大。为了使材料应力具有一定的均匀性，同时变形也较为对称，这样在剪切断面对称的棒料时剪切后的断面任然接近对称，需要是剪切力沿径向作用在棒料横断面圆周所有点上，而采用剪刀的渐进运动式可达到这个目的。1972年，济南铸锻机械研究所和上海轴承锻造厂一起设计了一台渐进式棒料剪切机。（3）轴向加压剪切机。轴向加压剪切机的实质在于设法给被剪棒料施加很大的轴向压力，使剪断区产生压应力超过被剪棒料的屈服极限，从而使整个剪切过程在塑性状态下进行。为了消除飞边和毛刺，剪切时给两刀片施以适当的压紧力，使得整个剪切过程在无轴向间隙的情况下完成。20世纪50年代末，匈牙利人进行了轴向加压剪切研究。1971年，布达斯机械制造学院研制了第一台工业用的液压传动剪切装置。这种方法的优点是剪切毛坯的精度高，缺点是剪切费用较高，采用此方法剪切贵重金属比较经济，若用此方法剪切一般软钢是否经济就值得研究了。国内外设计和制造了多种新结构的棒料剪切机，太原科技大学与20世纪90年代开始进行棒料高速剪切机的研制，开发了1kJ液压锤样机，充分利用锻压打击速度快、形程次数多、通用性强、结构简单、价格便宜等优点，在液压驱动液压锤上进行了大量的实验。通过该机所做的剪切实验表明：（1）由于采用液气高速剪切，机械效率极大提高，每分钟剪切30次；（2）高速剪切时，棒料断面不平度和倾斜度会大大减小。目前该校与长治锻压机床厂合作开发4kJ液气棒料精密剪切机。2 液压棒料剪切机总体方案的确定根据设计要求，要实现这几个动作：棒料落料送料定位、夹紧切断检验分选（合格的推入料筐，不合格的推入废料筐）。经过小组分析和讨论，我们总体方案确定如下：棒料落料过程是一堆棒料在Y形的漏斗中通过棒料自重往下漏。因为棒料在落料过程中，有可能因为棒料挤在一起，而不能往下漏。因此，我们在棒料落料过程中，加一个翻料装置，通过翻料缸不断地来回往复运动，使棒料顺利往下漏。在棒料落到导轨上后，此时要用一个推料液压缸把棒料往前推。当棒料到位被挡块挡住时，此时用一个夹紧液压缸将棒料夹紧。当棒料被夹紧以后，剪切液压缸将棒料切断。在完成切断以后，要将棒料区分，检测切断后的棒料是否合格。因为废品只有在棒料的末端才会产生。所以在棒料前端是不会产生废品，通过合格品液压缸将棒料推送到合格筐里。在棒料末端时，推料缸将棒料推送到挡块前。此时推料缸肯定超过剪切刀具，因此我设想在刀具的附近安装一个限位开关。在推料缸顶杆压倒限位开关时，触发废品推料缸运动，将棒料推入废品筐里。这就是一个循环了，液压棒料剪切机依次循环运动。3 液压系统设计3.1 液压系统的基本组成（1）能源装置液压泵。它将动力部分（电动机或其他原动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。（2）执行装置液压缸。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。（3）控制装置液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力，流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀（安全阀）、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。（4）辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等，通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。（5）工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。采用液压系统有一下特点：（1）在同等的体积下，液压装置能比其他装置产生更多的动力，在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。（2）液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的换向。（3）液压装置可在大范围内实现无极调速，（调速范围可达到2000），还可以在运行的过程中实现调速。（4）液压传动易于实现自动化，它对液体压力，流量和流动方向易于进行调节或控制。（5）液压装置易于实现过载保护。（6）液压元件以实现了标准化，系列化，通用化，液压系统的设计制造和使用都比较方便。3.2 液压系统的分析与确定从液压棒料剪切机的总体方案可知，整个液压系统用到了6个液压缸。因为每个液压缸都要实现往复动作，因此该系统选用双作用液压缸。而液压缸的往复动作是通过电磁换向阀来实现。在电磁换向阀没有得电的情况下，液压缸是不动作的。因而选用三位两通的电磁换向阀。液压缸运动的速度通过节流阀来调节进给液压流量来实现。在推料缸和夹紧缸伸长过程中，要保持原来的状态。例如夹紧过程，夹紧液压缸要一直夹紧棒料，不能松开。因此要求电磁换向阀一直得电，一直往液压缸里进油。此时液压缸的推力就会越来越大，如果不采取卸荷措施，就会把棒料夹变形。所以要保持液压缸一直进油的同时液压缸内的压力不能过大。因而需要在夹紧缸和推料缸系统中加一个压力继电器。通过调节压力继电器，来控制液压缸内的压力。最后，确定的液压系统如图3-1。图3-1 液压系统原理图3.3 液压系统工作原理液压棒料剪切机生产合格棒料的动作循环是：推料缸伸长夹紧缸伸长剪切缸伸长剪切缸回缩、夹紧缸回缩合格品推料缸伸长合格品推料缸回缩。液压棒料剪切机在棒料末端产生废品时的动作循环是：推料缸伸长推料缸回缩、废品推料缸伸长（在推料缸开始回缩2秒后，开始运动）废品推料缸回缩。还有一个翻料缸是在系统开启之后一直来回往复运动。液压系统工作原理如图3-1。（1）推料缸伸长按下启动按钮，电磁铁YA1得电，电磁换向阀处于右位。主油路的进油路：油箱过滤器液压泵减压阀单向阀电磁换向阀节流阀液压缸左腔。推料缸伸长将棒料往前推，当棒料到位了，被挡块挡住。此时，推料缸不能再伸长了。液压缸左腔内的压力就会上升。当压力达到一定值时，油会从压力继电器KP1流回油箱，达到一个卸荷的作用。推料缸伸长过程中有一个限位开关SQ1，这个限位开关是用来判断棒料是否到达末端，会产生废品。（2）夹紧缸伸长在压力继电器KP1达到一定值开始工作时，触发夹紧缸伸长。此时，电磁铁YA2得电，电磁换向阀处于右位。夹紧缸左腔进油，顶杆慢慢往前推，直到将棒料夹紧。在棒料被夹紧后，夹紧缸左腔压力就会上升，在压力达到一定值时。油液会从压力继电器KP2流回油箱。（3）剪切缸伸长在压力继电器KP2达到一定值开始工作时，触发剪切缸伸长。此时，电磁铁YA3得电，电磁换向阀处于右位。剪切缸左腔进油，顶杆慢慢往前推，直到碰到限位开关SQ2将棒料切断。此时电磁铁YA3不得电了，电磁换向阀处于中位。（4）剪切缸回缩在限位开关SQ2被压倒时，触发剪切缸回缩。此时，电磁铁YA4得电，电磁换向阀处于左位。剪切缸右腔进油，顶杆慢慢缩回，直到碰到限位开关SQ3才停止。此时电磁铁YA4不得电了，电磁换向阀处于中位。（5）夹紧缸回缩在限位开关SQ2被压倒时，触发夹紧缸回缩。此时，电磁铁YA5得电，电磁换向阀处于左位。夹紧缸右腔进油，顶杆慢慢缩回，直到碰到限位开关SQ4才停止。此时电磁铁YA5不得电了，电磁换向阀处于中位。（6）合格品推料缸伸长在限位开关SQ2被压倒时，触发合格品推料缸伸长。此时，电磁铁YA6得电，电磁换向阀处于右位。合格品推料缸左腔进油，顶杆慢慢往前推，直到碰到限位开关SQ5才停止。此时电磁铁YA6不得电了，电磁换向阀处于中位。（7）合格品推料缸回缩在限位开关SQ5被压倒时，触发合格品推料缸回缩。此时，电磁铁YA7得电，电磁换向阀处于左位。合格品推料缸右腔进油，顶杆慢慢缩回，直到碰到限位开关SQ6才停止。此时电磁铁YA7不得电了，电磁换向阀处于中位。（8）推料缸回缩在推料缸顶杆压倒限位开关SQ1时，此时棒料已经到达末端，会产生废品。当推料缸把棒料推到挡块那里后，触发推料缸回缩。此时，电磁铁YA8得电，电磁换向阀处于左位。推料缸右腔进油，顶杆慢慢缩回，直到碰到限位开关SQ7才停止。此时电磁铁YA8不得电了，电磁换向阀处于中位。（9）废品推料缸伸长在推料缸开始回缩，时间继电器开始计时，2秒后触发废品推料缸伸长。此时，电磁铁电磁铁YA9得电，电磁换向阀处于右位，废品推料缸左腔进油，顶杆慢慢往前推，直到碰到限位开关SQ8才停止。此时电磁铁YA9不得电了，电磁换向阀处于中位。（10）废品推料缸回缩在限位开关SQ8被压倒时，触发废品推料缸回缩。此时，电磁铁YA10得电，电磁换向阀处于左位。废品推料缸右腔进油，顶杆慢慢缩回，直到碰到限位开关SQ9才停止。此时电磁铁YA10不得电了，电磁换向阀处于中位。（11）翻料缸伸长在按下启动按钮后，电磁铁YA11得电，电磁换向阀处于右位。翻料缸左腔进油，顶杆慢慢往前推，直到碰到限位开关SQ10才停止。此时电磁铁YA11不得电了，电磁换向阀处于中位。（12）翻料缸回缩在限位开关SQ10被压倒时，触发翻料缸回缩。此时，电磁铁YA12得电，电磁换向阀处于左位。翻料缸右腔进油，顶杆慢慢缩回，直到碰到限位开关SQ11。在碰到限位开关SQ11后，又触发翻料缸伸长，依次循环下去。4 电气控制系统的设计4.1 电气控制系统的分析与确定根据液压棒料剪切机的运动特点及工艺要求，对机电传动与电气控制要求如下。（1）电气控制线路既要有点动控制，又要有长动控制。（2）为确保棒料确实被挡块挡住了，使用压力继电器和光电传感器，两者并联使系统更可靠。（3）在棒料被切断后，合格品推料缸把棒料推出去，此时压力继电器和光电传感器都不没有接受到信号。因而推料缸又会把棒料往前推。所以就会造成推料缸和合格品推料缸之间有动作干涉。因此，让合格品推料缸先动作，通过时间继电器让推料缸延迟动作。（4）在剪切刀具将棒料切断后，压倒限位开关SQ2来触发剪切缸回缩、夹紧缸回缩和合格品推料缸伸长。因为这3个动作都是通过SQ2来触发，因此存在这样一个问题。比如当剪切缸回缩时，此时顶杆已经离开限位开关SQ2，就会造成不法触发夹紧缸回缩和合格品推料缸伸长。它们动作之间有时间差，所以用一个时间继电器让SQ2延时断开，确保3个动作都被触发。（5）电气控制有完善的电气联锁装置，以保证设备的使用有较高的安全性。（6）线路有必要的保护环节。（7）有必要的报警电路。图4-1是液压棒料剪切机的电气控制系统原理图，图4-2是电气元件功能说明图，图4-3是液压棒料剪切机的电气接线图。图 4-1 液压棒料剪切机电气控制系统图图 4-2 电气元件功能说明图图 4-3 液压棒料剪切机电气接线图4.2电气控制系统工作原理（1）液压泵电机工作在按下开始按钮SB2后，中间继电器KA1得电，并形成自锁，从而接触器KM1得电。因为中间继电器KA1会断电的，所以要求接触器KM1自身形成自锁。（2）推料缸伸长在按下开始按钮SB2后，中间继电器KA1得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA1得电。在压力继电器KP1和光电传感器L同时接收到信号并断开后，电磁铁YA1断电。如果压力继电器接收到信号，而光电传感器没有接收到信号。此时就要报警，后面的动作就不能再执行了。（3）夹紧缸伸长在压力继电器KP1和光电传感器L同时接收到信号闭合，触发中间继电器KA2得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA2得电。如果夹紧缸内腔达到一定压力值时，触发压力继电器KP2工作，将多余油液排入油箱，使夹紧缸保持一定的压力值。因为后面的动作都要求棒料被夹紧，所以电磁铁YA2不能断电。如果推料缸压到限位开关SQ1时，此时夹紧缸就不能夹紧了，否者就会把推料缸夹住的。（4）剪切缸伸长在压力继电器KP2开始工作时，触发中间继电器KA3得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA3得电。在剪切缸顶杆压到限位开关SQ2时，电磁铁YA3断电。如果推料缸压到限位开关SQ1时，此时剪切缸就不能切断了，否者就会把推料缸切断的。（5）剪切缸回缩在剪切缸顶杆压到限位开关SQ2后，触发中间继电器KA4得电，并形成自锁，用一个时间继电器T2使KA4延迟断开。中间继电器KA4得电后，又触发中间继电器KA5得电，并形成自锁，从而使YA4得电。在剪切缸顶杆回缩碰到限位开关SQ3时，电磁铁YA4断电。此外，还需要一个点动控制，用一个按钮SB3使剪切缸复位。（6）夹紧缸回缩在剪切缸顶杆压到限位开关SQ2后，触发中间继电器KA4得电，同时又使中间继电器KA6得电，并形成自锁，从而使YA5得电。在夹紧缸顶杆回缩碰到限位开关SQ4时，电磁铁YA5断电。此外，也还需要一个点动控制，用一个按钮SB4使夹紧缸复位。（7）合格品推料缸伸长在剪切缸顶杆压到限位开关SQ2后，触发中间继电器KA4得电，同时又使中间继电器KA7得电，并形成自锁，从而使YA6得电。在合格品推料缸顶杆伸长碰到限位开关SQ5时，电磁铁YA5断电。（8）合格品推料缸回缩在合格品推料缸顶杆碰到限位开关SQ5时，触发中间继电器KA8得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA7得电。在合格品推料缸顶杆回缩碰到限位开关SQ6时，电磁铁YA7断电。此外，也还需要一个点动控制，用一个按钮SB5使合格品推料缸复位。在中间继电器KA8得电后，同时使时间继电器T1开始计时，在2秒后接通时间继电器T1的常开触点。这就完成了一个合格品棒料切断的过程。（9）推料缸回缩在推料缸顶杆压到限位开关SQ1时，并将棒料推送到挡块后，此时触发了中间继电器KA9得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA8得电。在推料缸顶杆回缩碰到限位开关SQ7时，电磁铁YA8断电。此外，也还需要一个点动控制，用一个按钮SB6使推料缸复位。在中间继电器KA9得电后，同时使时间继电器T3开始计时。（10）废品推料缸伸长在时间继电器T3开始计后2秒，触发中间继电器KA10得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA9得电。在废品推料缸伸长碰到限位开关SQ8时，电磁铁YA9断电。（11）废品推料缸回缩在废品推料缸顶杆碰到限位开关SQ8时，触发中间继电器KA11得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA10得电。在废品推料缸顶杆回缩碰到限位开关SQ9时，电磁铁YA10断电。此外，也还需要一个点动控制，用一个按钮SB6使废品推料缸复位。这就完成了整根棒料的切断过程，剪切机就是依次循环运动下去。（12）翻料缸伸长在按下开始按钮SB2后，中间继电器KA12得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA11得电。在翻料缸顶杆伸长碰到限位开关SQ10时，电磁铁YA11断电。（13）翻料缸回缩在翻料缸顶杆碰到限位开关SQ10时，触发中间继电器KA13得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA12得电。在翻料缸顶杆回缩碰到限位开关SQ11时，电磁铁YA12断电。此时，限位开关SQ11的常开触点被触发，使中间继电器KA12又得电，并形成自锁，从而使电磁铁YA12又得电。翻料缸就是依次循环运动下去，完成一个来回往复运动。5 PLC控制系统的设计5.1 PLC控制系统设计的基本原则设计PLC控制系统，其目的都是通过控制被控对象来实现工艺要求，提高生产效率和产品质量。因此，PLC控制系统设计一般应遵循以下基本原则：（1）PLC控制系统控制被控对象最大限度地满足工艺要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。（2）在满足工艺要求的前提下，力求使PLC控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保证控制系统的安全、可靠。（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在配合PLC硬件设备时应适当留有一定的裕量。5.2 PLC程序和外部接线设计根据电气控制原理图编写出的T形图，如图5-1T形图。图5-2为外部信号与PLC的I/O接点地址编号，图5-3为PLC外部接线图。图 5-1 T形图图 5-2 外部信号与PLC的I/O接点地址编号图 5-3 PLC外部接线图结论短短一个月的毕业设计即将告一段落，纵观整个设计过程，收获颇多，充分认识了自己的薄弱方面，通过理论分析和反复得论证，许多问题有了较好的解决方案。将液压传动技术应用于剪切机，实现了剪切机在工作时噪音小，占地面积节省及灵活性好的功能，而且通过液压系统驱动能够实现高速剪切，大大提高了工厂的生产效率。采用液压驱动方式，剪切机不但工作可靠，响应灵敏度高，而且传动时平稳，效率高，从而解决了传统剪切机普遍存在的