毕业设计两缸顺序动作组合机床的电液系统设计.docx

毕业设计（论文）说明书 题 目： 两缸顺序动作组合机床的电液系统设计 姓 名： 专 业： 机电一体化技术 指导老师： 毕业设计（论文）任务书一、课题名称两缸顺序动作组合机床的电液系统设计二、课题内容设计一台两缸顺序动作组合机床的液压系统，要求液压系统：（1）液压缸工作循环过程A缸垂直向下快进A缸垂直向下工进A缸死挡铁停留B缸水平向右快进B缸水平向右工进B缸快退B缸原位停止A缸向上快退A缸原位停止（2）A、B缸快进速度为4m/min、快退速度为5m/min，工进速度20100mm/min；（3）A、B缸进给最大行程为400mm，其中工进行程200mm；（4）A、B缸最大切削力为12000N（连续切削加工且切削力变化不大），运动部件自重均为8000N；（5）启动换向时间0.05s；（6）导轨为平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。三、课题任务要求：1、液压系统：设计液压系统图，完成工作循环图、电磁铁及其它元件动作表、液压系统原理图、液压元件目录表；设计液压缸（A缸）并绘制液压缸组件装配图2、设计液压系统的电气控制原理图，完成工作循环图、电磁铁动作表、电气控制系统原理图、电器元件目录表。3、PLC编程，完成指令表、梯形图、功能图、PLC外部接线图 4、毕业设计（论文）文字字数不少于12万字。四、主要参考文献1李壮云.液压元件与系统.北京: 机械工业出版社,20052姜继海,宋锦春.液压与气压传动.北京: 高等教育出版社,20023机械设计手册编委会.机械设计手册.北京: 机械工业出版社,20054成大先.机械设计手册(液压传动).北京: 化学工业出版社,20055郑德明,孙雪镠,王海柱等.机床电气控制.上海: 复旦大学出版社.20076邹建华,许小明,吴定智.液压与气动技术基础.武汉:华中科技大学出版社.20077徐绍坤.PLC编程设计教程.北京: 中国电力出版社.20118张岚，弓海霞，刘宇辉.新编实用液压技术手册.北京: 人民邮电出版社.20089张利平.液压气动技术速查手册.北京：化学工业出版社。2007论文摘要本设计综合运用液压系统和机床电气的知识，设计一两缸顺序动作组合机床电液系统。在分析系统的要求和工况情况下对系统中的重要部分：电气原理设计、液压缸及PLC系统等进行了详细的设计与说明。综合考虑液压执行元件的运动速度、调速范围、工作行程、载荷性质和变化范围，在满足各项要求的前提下，做到使系统简洁、操作简便和便于安装，最大限度选用零件标准化、系列化的零部件，减少专用件，从而降低了综合制造使用成本。关键词：液压，电气，PLCAbstract of thesisThis paper by use of the integrated hydraulic systems and ele-ctrical machines knowledge, designed of the sequential action of two hydraulic cylinders and electro-hydraulic system combined machine. In the analysis of system requirements and conditions case, the important parts was designed and instructed, especially the electrical schematic design, hydraulic cylinder and the PLC system. Under the premise of the hydraulic actuator velocity, speed range, the working stroke, the nature and range of the load , do make the system simple, easy to operate and easy to install. The used ofparts were maximum standardization and serialization, reduced theespecific parts, which reduced the use of comprehensive costs.Keywords: Hydraulic system, Machine electrical 目录第1章 绪论11.1 选题来源11.2 课题目的和意义11.3国内外发展概况及存在的问题11.4 本设计的指导思想2第2章 液压系统的设计32.1 明确液压系统设计要求32.2 A缸在工作过程各阶段的负载32.3 B缸在工作过程个阶段的负载42.4 液压缸的主要参数的确定42.4.1 初选液压缸的工作压力42.4.2确定液压缸的主要参数52.4.3计算液压缸的工作压力流量和功率62.5 拟定液压缸原理图82.5.1 调速回路82.5.2增速回路82.5.3速度换接回路82.6液压元件的选择92.6.1选择液压泵102.6.2选择液压阀112.6.3 选择辅助元件112.7计算液压系统的技术性能122.7.1验算系统压力损失122.7.2验算系统发热升温122.7.3验算液压冲击12第3章 电气原理图设计133.1课题概述和设计要求133.2 电动机的选择133.3 电气控制线路图的设计133.4控制电源的设计133.5控制电路的设计143.6 电气元件的选择14第4章液压缸A的设计174.1液压缸主要尺寸的计算174.1.1 液压缸内径D、活塞杆直径d的计算174.1.2液压缸壁厚和外径的计算184.1.3液压缸缸筒长度L184.2 活塞杆稳定性验算184.3液压缸的结构设计184.3.1缸筒和缸盖的连接184.3.2活塞与活塞杆的连接194.3.3 密封装置19第5章 PLC系统设计215.1明确设计要求215.2 PLC功能图、I/O接线图和梯形图的设计21致谢25参考文献2626第1章 绪论1.1 选题来源近年来，由于应用了电子技术、计算机控制技术、自动控制技术及新材料等技术，液压传动取得了新的发展，使液压元件及液压系统在水平上有了很大的提高。我国液压工业经过50多年的努力，通过技术引进各科研攻关，产品水平得到很大提高。研制和生产出了一批具有先进水平的产品。限于我的学习水平和能力，这次选题还是基于最基本的设计，即设计此液压系统的主要部分。参照大学期间所学过的课程与做实践，构成了此次毕业设计课题的主要来源。1.2 课题目的和意义通过此次设计，可以了解一个液压系统的基本设计过程，以及一个液压系统的主要构成。培养自己查阅有关文献资料、独立思考并解决问题的能力。初步具备设计一组合机床的液压系统的能力。熟悉相关的技术要求与规范。1.3国内外发展概况及存在的问题目前，国外液压技术的研究主要集中在以下几个方面。（1） 元件的小型化、模块化（2） 与微电子技术、计算机控制技术相结合，实现集成化、智能化和自动化（3） 降低能耗、不断提高液压元件的效率（4） 提高液压元件的可靠性 新型磁性材料的运用是与电磁阀、比例阀的性能提高结合在一起的。由于磁通密度的提高，可以使阀的推力理大，其直接作用可使阀的控制流量更大，响应更快，工作更可靠。（5） 在液压元件产品设计中树立绿色产品设计概念，减小对环境的污染 在国内，液压元件电子控制方面已取得很大的进步，但与国外相比还存在很大的差距，真正能跟紧国外21世纪水平的不多。结合我国迅速发展的电子信息技术，开发高技术的电子控制液压系统，完全有可能使我国在高技术液压元件中占有一席之地。在降低能耗、提高各种液压元件效率方面，国内已经做了大量的工作，主要是通过引进国外技术来对液压元件本身进行节能改进。在提高液压元件的可靠性方面，国内目前进展不大。在液压元件产品设计中树立绿色设计概念、减少对环境污染方面，国内也做了大量工作，主要精力集中在纯水液压元件研制和开发上。由此可知，我国追赶国际先进水平还有很长的一段路要走。1.4 本设计的指导思想依据此次设计的两缸顺序动作组合机床电液系统的用途和工作条件，工作机构的结构特点，负载值，速度，行程大小和动作要求，液压系统所选定的工作压力和流量等。此次设计内容和步骤大致如下：明确液压系统的设计要求，进行工况分析。确定液压系统的主要参数。拟定液压系统原理图。计算和选择液压元件。液压系统的性能验算。液压装置结构设计。绘制正式工作图，编写技术文件，并编写出电气系统设计任务书。第2章 液压系统的设计2.1 明确液压系统设计要求 根据设计根要求。该系统的工作循环是:A缸水平向左快进A缸水平向左工进A缸死挡铁停留B缸垂直向下快进B缸垂直向下工进B缸水平向右快退A缸原位停止 调查研究及计算结果表明A B缸快进速度为4m/mim(0.067m/s),快退速度为5m/mim(0.083m/s),工进速度20100mm/mim.A.B缸进给最大行程为400mm，其中工进行程为200mm，A B 缸最大切削力为12000N（连续切削加工并切削力变化不大）运动部件自重均为8000N，启动换向时间T=0.05S导轨为平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1.2.2 A缸在工作过程各阶段的负载1. 启动加速阶段（快进）F=(Ff+Fa)=(fsG+)=(0.28000+)N=2993N2.启动加速阶段（快退）F=（Ff+Fa）=(fsG+)= (0.28000+)N=3283N3.快进或快退阶段F=N=889N4工进阶段F=14222NA缸各阶段速度和负载值列表2.1工作阶段速度v/(m.s)-1负载F/N快启动加速2993快启动加速3283快进，快退0.067、0.083889工进最小0.0003，最大0.001714222表2.12.3 B缸在工作过程个阶段的负载1. 启动速度（快进）F=Fa=()N=1215N2启动速度（快退）F=（G+Fa）=(8000+)=10104N3.快退阶段F=G=8000N4.工进阶段F=14222N将B钢在各阶段速度和负载值列表2.2工作阶段速度v/(m.s)-1负载F/N快进启动加速1215快退启动加速10104快退0.067、0.08318000工进最小0.0003，最大0.001712000表2.22.4 液压缸的主要参数的确定液压系统的主要参数包括压力、流量和功率。通常，首先选择系统设计压力，并按最大外负载各选定的设计压力计算液压缸的主要几何参数，然后根据对液压缸的速度要求，确定其流量。压力和流量一经确定，即可确定其功率，然后可做出液压缸的工况图。由此，分步算出液压缸的主要参数如下。2.4.1 初选液压缸的工作压力在初选系统工作压力时，要综合考虑系统工作压力、设备类型、结构要求各技术水平。若系统压力选的过低，则液压设备的尺寸和重量增加；若系统工作压力高，虽然系统尺寸减小，省材料，结构紧凑，较为经济，是液压系统的发展方向。但是，提高压力将受到元件的强度、容积效率、制造精度等因素的限制，同时要注意治漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理。由此，参考同类型液压系统的工作压力选取，见表2.1。负载力（KN）551010202030305050负载力（KN）0.811.52253345657表2.3液压系统工作压力选取表由负载值大小查表2.1取A缸工作压力为2MPa,B缸工作压力为1.7Mpa2.4.2确定液压缸的主要参数 液压缸的缸筒直径、活塞杆的直径及有效面积是其主要结构参数。一般的计算方法是： 先由最大负载和选取的设计压力及估取的机械效率算出有效面积，然后再检验是否满足在系统最小稳定流量下最低运行速度的要求。由表2.1看出A缸最大负载为14222N按作用力（负载）大小和预选的工作压力计算缸筒内径DD=m=9.5210-2m查设计手册，按液压缸内径和列表将以上计算值整为标准直径，D=100mm,为了得到较稳定的工作采用差动调速。 由于快进速度为4m/min 快退速度为5m/min5D2-5d2=4 d2d=0.45Dd=0.45100=45mm取d=50mm同样圆整成标准活塞杆直径取d=50mm,由D=100mm d=50mm 算出有效作用面积为A1=78.50cm2 有杆腔有效作用面积A2=58.5 cm2 工进若采用调速调查产品样本，调速阀最小稳定流量qvmin=0.05L/min 因最小工进速度VMIN=20mm/mincm2=25 cm2 A2p1+p1=5mpa因此泵的额定压力取6.25Mpa,将表2.3的流量值带入，可分别求出工进阶段泵供油量。快速行进取泵流量：qvp22.4L/min工进时泵的流量：qvp=0.88L/min考虑到节流调速系统中溢流的性能特点尚须加上溢流稳定工作的最小溢流,一般为3L/min，所以小流量泵为：qvp1=0.88+3=3.88L/min大流量泵的流量为:qvp2=22.44-3.88=18.56L/min查产品样本，选用大泵排量为V=20ml/rd的YB1型双联叶片泵，额定转速n=960r/min的大泵额定流量为：qv2=vnv=210-39600.9L/min=17.28r/min基本可以满足要求，故本系统选用一台YB1-2016型双联叶片泵。由表2.3知快退阶段功率最大，故按快退阶段估算电动机功率，若取快退时进油路的压力损失p1=0.2Mpa,液压泵的总效率为0.7，则电动机的功率为P1=2.317w查电动机产品样本选用:P=3kw n=960r/min2.6.2选择液压阀根据所拟定液压系统原理图，计算分析通过各液压调油液的最高压力和最大流量选择各液压的型号规格列表2.4元件名称通 过流量L/min型号规格元件名称通过流量型号规格双联叶片泵22.4YB1-20/6三位五通电磁换向阀383.5EF3Y-E10B溢流阀3.88YB3-10B单向阀YF3-Ea10B单向阀18.56AF3-Ea10B顺序阀YF3-10B单向阀3.88AF3-Ea10B压力继电器DP1-63B三位五通电磁换向阀383.5EF3Y-E10B单行程调速阀38.38AXGF3-E10L压力继电器DP1-63B单向阀YF3-Ea10B单行程调速阀38AXGF3-E10L背压阀0.48YF3-10B单向阀AF3-Ea10B过滤器72.4XV-J4080背压阀0.48YF3-10B压力计X-100T外控顺序阀19.04XF3-10B压力计开关KF3-E3B 表2.4 各液压元件型号规格2.6.3 选择辅助元件油管内径一般可参照所需元件接口尺寸确定可按管路允许流速进行计算，本系统油路管选181.5钢管，油管容量确定：V=110154L根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助元件的最大流量，查产品样本所选择的元件型号规格见表2.4.2.7计算液压系统的技术性能液压系统的参数有许多是由估计或经验确定的，其设计质量须通过性能的验算来评判。在画出油路的装配草图后，就可对系统中某些技术性能进行验算，得到修改设计的依据。验算的项目有：压力损失、发热升温和液压冲击等。2.7.1验算系统压力损失液压系统技术性能的计算主要包括系统压力的损失、确定系统调整压力、估算系统效率、发热和温升。其中，验算液压系统压力损失的目的是为正确调整系统的工作压力，合执行元件输出的力或转矩满足设计要求，并可根据压力损失的大小来分析判断系统设计是否符合设计要求。液压系统中的压力扣件由管路的沿程损失、管件局部扣肉和控制元件的压力损失三部分组成。但由于本系统比较简单，压力损失可以从略。2.7.2验算系统发热升温 液压系统在工作时，有压力损失、容积损失和机械损失，这些损失所消耗的能量多娄转为热能，使液压系统的油温升高。油温升高会产生很多不良后果，如油液黏度下降，泄漏增大，容积效率降低；油液变质，堵塞元件小孔和缝隙，使液压系统不能工作等。因此，有必要对液压系统的发热温升进行验算，并加以控制。系统主要通过油箱表面和管道表面散热。若详细进行液压系统的发热及散热计算相当麻烦，通常液压系统在单位赶时间内的发热功率P(Kw)可以由液压泵的总输入功率P1和执行元件的有效功率P2概略算出：P= P1- P2又由于系统采用双泵供油方式，在液压缸工进阶段大流量泵卸荷功率使用合理，同时容量取较大值时系统升温也不大。2.7.3验算液压冲击 液压冲击常引起系统震动，过大的冲击力与管道内的原压力叠加可能破坏管道元件。对此，可以考虑采用带缓冲装置的液压缸或在系统上设置减速回路，以及在系统上安装吸收液压冲击的蓄能器等。液压冲击属于管道中液体非定常流问题，是一种动态过程。由于影响因素甚多，故很难通用准确方法计算。一般采用估算或通过试验确定，在液压系统设计中，一般情况可采取防止措施而不做计算；当有特殊要求时，就进行验算，考虑到实际情况，本步省略。第3章 电气原理图设计3.1课题概述和设计要求A, B缸进给最大行程为400mm需要一套局部照明装置及一定的工作指示灯,以 3.2 电动机的选择 根据课题概述和设计要求设定主泵电动机为M，其选定为JO2-41-63.3 电气控制线路图的设计泵电动机M功率3M，比较小，故采用直接起动控制方式用接触器KM进行控制，在设计时还应考虑到过载保护，因此采用热继电器，并设置短路保护。3.4控制电源的设计考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求，采用控制变压器TC供电，其一次侧为交流380V，二次侧为交流127V，36V,6.3V 其中提供给接触器KM和电磁控制阀线圈YA1YA2 YA3 YA4 ,36V交流安全电压提供给局部照明电路，6.3V提供给指示灯，电路具体接线如图：图3.1 电气控制线路图3.5控制电路的设计、泵的电动机设着起动和停止按钮SB1 SB2工作循环设置起动和紧停按钮SB3 SB43.6 电气元件的选择1. 电源开关的选择电源开关的选择主要考虑电动机的额定电流和启动电流，而在控制变压器TC二次侧的接触器及继电器线圈，照明灯和显示灯在TC一次侧产生的电流相对来说较小，因而可不作考虑，已知泵电动机的额定电流为7.89A，因而电源开关的额定电流选10A左右，具体选择为三极转换开关，HZ10-10/3型 额定电流10A2. 热继电器的选择 应选用JR0-20,热元件额定电流为20，额定调节范围为6.811A, 工作时调整在7.9A3. 接触器的选择泵电机的额定电流为7.9A，控制回路电源127V，辅助常开触点两队，辅助常闭触点一对，所以接触器KM应选用CJ10-10型接触器。主触点额定电流10A，线圈电压127V，控制电路中所需KM1 KM2电流较小选用CJ10-54. 行程开关的选择 需自动复位 故选LX19-0015. 按钮选择 两个启动按钮SB2 SB4 选择LA-18型颜色为黑色和绿色，两个停止按钮SB1 SB3 也 选择LA-18型，但颜色为红色 6. 照明灯及开关的选择 照明灯EL和灯开关SA成套购置，EL可选用TC2型交流36V 40W7. 指示灯的选择指示灯HL1，和HL2都选2SD-0型 6.3V 0.25A 非别为红色和绿色8. 熔断器的选择熔点器FV1对泵电动机进行短路保护可选用RL-15型，9.控制变压器的选择 控制变压器可实现高低压电路隔离，使得控制电路中的电气元件同电网电压不直接相接，提高了安全性，另外各种照明灯 指示灯等热元件的供电电压有多种，有时也需要控制变压器降压提供，这里控制变压器TC可选用BK-100VA 380V 220V、 127 36 63 V 得出控制电路电流小于3A，故FV2和FV3均选 RL1-15型，熔体3A 10 中间继电器的选择如表3.1符号名称型号规格数量GS三极转换开关HZ10-10/3三极500V10A1km交流接触器CJ10-10线圈电压127V1KM1 KM2交流接触器CJ10-55A 线圈电压127V2FF热继电器JR0-20热元件1FV1熔断器RL-15500V熔体10A3FV2 FV3熔断器RL-15500V 熔体3A2GS1 GS2 GS3 GS4行程开关LX19-001500V 10A4TC控制变压器BK-100100VA1SB1 SB3 控制按钮LA-185A 红色2SB2控制按钮LA-185A 红色1SB4控制按钮LA-185A 红色1HL1 HL2指示灯2SD-G6.3V绿色2FLCSA照明灯开关36V 40W1KA中间组电器T2T-445A 线圈电压127V2表3.1 中间继电器 第4章液压缸A的设计液压缸在液压系统中的作用是将液压能转化为机械能。液压缸主要输出直线运动和力，但有的则是输出往复摆动运动和扭矩。液压缸结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮再棘爪和凸轮等机构配合使用还能实现多种机械运动，或与其他传动形式组合以满足各种要求，因此在液压传动系统中得到了广泛的应用。4.1液压缸主要尺寸的计算液压缸的主要几何尺寸，包括液压缸内径D，活塞杆直径和液压缸缸筒长度。如图4.1图4.1 液压缸示意图 4.1.1 液压缸内径D、活塞杆直径d的计算按作用力和预选的工作压力计算缸筒的直径D：D=9.5210-2m由于 所以5D2-5d2=4 d2 所以d=0.45 D 所以 圆取D 和 d 分别为 100 45 mm4.1.2液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度，对于低压系统，缸壁厚度往往由结构要求来确定，此时壁厚一般都能满足要求，其壁厚按范围公式计算。=液压缸壁厚得出 可求出缸体外径D为：DD+2d=100+6.6=106.6mm 圆整取D=110mm4.1.3液压缸缸筒长度L液压缸的缸筒长度L由液压缸最大行程活塞宽度活塞杆才长度，活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定其中活塞宽度B=（0.61.0）D,导向套长度C，当D80mm时C=（0.61.0）d,为减小加工难度， 一般液压缸缸筒不应大于内径2030倍所以取B=0.6D=60mm 取 C=d=80 mm所以 L=l+b+c=400+100+80=580mm4.2 活塞杆稳定性验算本液压缸泵受轴向压缩载荷时，若活塞杆油泵长度与活塞杆的直径比L/D 10 , 则须进行活塞杆纵向稳定性演算。由此可知，本设计可满足强度要求。4.3液压缸的结构设计液压缸的结构设计主要是缸筒和缸盖的连接形式、活塞和活塞杆的连接形式、活塞与缸筒的密封结构、活塞杆的结构材料及技术要求、活塞杆的导向密封与防尘以及缓冲装置的设计等内容。4.3.1缸筒和缸盖的连接 半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，装拆方便，半环槽对缸筒强度有所削弱，需加厚筒壁，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接。连接形式如图4.2所示图4.2 半环式连接图4.3.2活塞与活塞杆的连接螺纹式连接结构简单，装拆方便，最主要的原因在于螺纹连接相比于整体结构和半环连接成本低，也是最常用的连接方式，因此，采用螺纹式连接。连接示意图如4.3图4.3 活塞与活塞杆连接示意图4.3.3 密封装置Y形密封圈是一种密封性，稳定性和耐压性较好，摩擦阻力小，寿命较长的密封圈，在活塞密封和导