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挤压胀形机液压及PLC控制系统设计【原创设计含CAD图纸毕业论文】

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关键词：: 定单订单挤压胀形机液压 plc 控制系统设计

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摘要

可编程控制器(PLC )作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。取得了理想的控制效果。

本论文以挤压胀形机的控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了可编程控制器PLC技术在挤压胀形机控制系统中的应用。论文主要内容如下：确定挤压胀型机液压原理图，概述了可编程控制器PLC的现状及其在挤压胀形机控制上应用的可能性和前景；通过对挤压胀形机控制流程的了解，统计其输入输出I/O点，然后进行PLC选型，程序的仿真设计；本文利用三菱公司生产的FX2N系列PLC和其编程软件GX Developer软件进行程序的编写和仿真。

关键词：可编程控制器，挤压胀形机，液压原理图

Abstract

Programmable logic controller (PLC) as the core device of the control system, powerful, stable and reliable performance. Has been widely used in modern industrial automation production. Has the ideal control effect.

The control system in this paper, extruding and expanding machine as the background, combining theory with practice, elaborates the programmable controller of PLC technology in the application system of extruding and expanding machine control. The main contents of this thesis are as follows: to determine the hydraulic extrusion expansion machine schematics, outlined the present situation of the programmable controller PLC and its possibilities and prospects of application in extruding and expanding machine control; through the process of extruding and bulging machine control knowledge of statistics, the input and output I/O, followed by PLC selection, simulation design program this procedure using FX2N; PLC series produced by Mitsubishi Co and its programming software GX Developer software programming and simulation.

Keywords: programmable controller, extruding and expanding machine, hydraulic principle diagram

摘要I

AbstractII

1 绪论1

1.1 挤压胀形机PLC控制的目的及意义1

1.2 我国挤压胀形机控制技术的进展1

1.2.1传统控制方式1

1.2.2 可编程控制器控制方式1

1.2.3 计算机控制方式2

1.3 挤压胀形技术叙述3

1.4 本文的设计任务3

2 挤压胀形机液压系统的设计4

2.1 挤压胀形机的工作原理4

2.2 拟定液压原理图4

2.3 动作流程5

2.4 挤压缸的设计计算6

2.4.1 基本设计参数6

2.4.2 油缸效率分析6

2.4.3 系统背压的选择6

2.4.4液压缸缸径的确认7

2.4.5导向长度的确认8

2.4.5活塞宽度的确定8

2.4.6 缸体长度的确定8

2.4.7缸筒壁厚的计算8

2.4.8 缸体外径尺寸的计算9

2.4.9 活塞杆强度和液压缸稳定性计算9

2.4.10缸筒壁厚的验算11

2.4.11活塞设计12

2.4.12密封件的选用12

2.4.13 活塞杆的设计13

2.4.14缓冲装置和排气阀15

2.5 本章小结16

3 挤压胀形机控制系统的硬件设计17

3.1 PLC控制系统结构组成17

2.4 PLC和I/O扩展模块的选型17

3.3 PLCI/0的分配17

3.4 系统电气控制接线图设计18

3.5 本章小结20

4 系统软件设计21

4.1 三菱的GX Developer 编程软件简介21

4.2 系统程序设计方法21

4.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明23

4.3.1 编写油泵电机启动程序23

4.2.4 自动循环步进程序编写24

4.3.3 故障复位程序编写25

4.4 本章小结26

5 程序的调试与仿真27

5.1 仿真的步骤27

5.2 本章小结30

结论31

致谢32

参考资料33

附录一34

1 绪论

1.1 挤压胀形机PLC控制的目的及意义

在传统控制方式中，挤压胀形机的电气控制系统普遍采用接触器和继电器控制形式，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，致使控制系统存在许多缺点，如控制系统的体积增大，耗电多，控制精度达不到要求，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产等。近年来随着计算机控制技术的发展，并且各企业重视节源效益，挤压胀形机生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。传统继电器控制技术逐渐被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能控制系统变的经济、高效、稳定且维护方便。这种PLC控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。

挤压胀形机设计的意义，在课题设计的过程中我们能学到较多课堂上学不到的东西，在设计进行阶段指导老师提供了很多PLC控制系统设计的基本要求和设计思路，整个设计过程中使受益匪浅。是我在即将离开学校踏入社会一次重要的设计体验。也是为以后的工作生活打下了基础，在此过程中我学到电气控制系统的设计方法和步骤。这次设计是我在指导老师的指导下一点点亲自完成，无论是在实地考察还是设计资料的查阅，都使得我们学到了很多东西。

1.2 我国挤压胀形机控制技术的进展

1.2.1传统控制方式

传统的挤压胀形机一般采用简单的继电器、接触器控制，控制方式多为开环控制，即按照预先的设定值进行控制（预先设定好各参数值，由机器在生产过程中加以保持）。这种控制方法结构简单，但抗干扰能力差，控制精度低。

1.2.2 可编程控制器控制方式

20世纪60年代末发展起来的可编程序控制器(PLC)是一种较好的控制装置，它由中央处理单元(CPU)、输入输出(I/O)、存贮器、编程器等组成。控制程序由用户输入到存贮器中，CPU以扫描工作方式按照程序判断输出状态，来实施对现场设备的控制。

我国对PLC控制装置来实施在挤压胀形机中的应用大多是从对传统控制系统的改造开始，目前国内的挤压胀形机大部分采用PLC控制系统。采用PLC控制可以实现挤压胀形机的自动化控制与调节，注射成型过程的工艺参数控制也能够得到基本保证。PLC控制主要是利用位移传感器等进行动作程序和过程程序的切换，并能够实现比例压力和比例流量控制。

同时可以进行开关量逻辑控制，也可以兼有模拟量(如温度、压力、流量、转速等)的闭环控制。借助键盘和液晶或数码显示，可设定或修改工艺过程参数，并设有预警系统和故障显示指示灯以监测生产过程，从而大大提高了整机性能。

由于PLC控制方式可使挤压胀形机实现闭环控制，即按照在线测量值与设定值的偏差通过负反馈回路进行控制，因此当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和油压等参数在生产过程中因干扰出现偏差时，机器可通过自适应控制系统针对干扰自动进行修正。从而使PLC控制方式较传统方式的抗干扰能力及控制精度有了很大程度的提高。

然而PLC控制方式也有其不足的地方，如它的抗干扰性、可靠性和温度控制精度在有些时候还显得不够理想。对此，华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心瞿金平教授等人采用了新型的PLC装置，即贝加莱可编程计算机控制器(PCC)，使液压机械式大型挤压胀形机得到成功的升级。这是我国挤压胀形机控制系统开发的一种新思路。

1.2.3 计算机控制方式

采用计算机进行控制是更为高级的控制方法，这是挤压胀形机控制系统的发展趋势。

目前微机控制系统主要有单机系统和多机系统两大类型。单机系统采用单板结构可将信息的采集、转换和处理融为一体，其结构由A/D、D/A、数字1/0以及比例放大器或外加比例放大器构成。北京科技大学潘诚等人开发的一款结合了实现挤压胀形机油压系统的闭环控制卡和与之配套的上位机监控软件的系统就属于这种单机系统，该系统在震雄集团(深圳)有限公司已投入试用，效果良好；多机系统则采用多处理机结构和大板式设计，可将功能进行分配，由若干CPU独立完成相应的工作，如其中的一个CPU专门用于协调和传输有关指令，并经过并行口和串行口传输数据。这两类控制器的结构各有特点，基本能够满足不同层次的需求。

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内容简介：: 编号：毕业设计说明书题目：挤压胀形机液压及 PLC 控制系统设计院（系）： XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 专业： XXXXXXXXXX 学生姓名： * 学号：指导教师： * 职称： * 2014 年 X 月 X 日 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 I 摘要可编程控制器 (PLC )作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可靠。在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。取得了理想的控制效果。本论文以挤压胀形机的控制系统为背景，理论与实践相结合，详细阐述了可编程控制器 PLC 技术在挤压胀形机控制系统中的应用。论文主要内容如下：确定挤压胀型机液压原理图，概述了可编程控制器 PLC 的现状及其在挤压胀形机控制上应用的可能性和前景；通过对挤压胀形机控制流程的了解，统计其输入输出 I/O 点，然后进行 PLC 选型，程序的仿真设计；本文利用三菱公司生产的 FX2N 系列 PLC 和其编程软件 GX Developer 软件进行程序的编写和仿真。关键词：可编程控制器，挤压胀形机，液压原理图 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 II Abstract Programmable logic controller (PLC) as the core device of the control system, powerful, stable and reliable performance. Has been widely used in modern industrial automation production. Has the ideal control effect. The control system in this paper, extruding and expanding machine as the background, combining theory with practice, elaborates the programmable controller of PLC technology in the application system of extruding and expanding machine control. The main contents of this thesis are as follows: to determine the hydraulic extrusion expansion machine schematics, outlined the present situation of the programmable controller PLC and its possibilities and prospects of application in extruding and expanding machine control; through the process of extruding and bulging machine control knowledge of statistics, the input and output I/O, followed by PLC selection, simulation design program this procedure using FX2N; PLC series produced by Mitsubishi Co and its programming software GX Developer software programming and simulation. Keywords: programmable controller, extruding and expanding machine, hydraulic principle diagram nts XXX 大学本科毕业设计说明书 III 目录摘要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 挤压胀形机 PLC 控制的目的及意义 . 1 1.2 我国挤压胀形机控制技术的进展 . 1 1.2.1 传统控制方式 . 1 1.2.2 可编程控制器控制方式 . 1 1.2.3 计算机控制方式 . 2 1.3 挤压胀形技术叙述 . 3 1.4 本文的设计任务 . 3 2 挤压胀形机液压系统的设计 . 4 2.1 挤压胀形机的工作原理 . 4 2.2 拟定液压原理图 . 4 2.3 动作流程 . 5 2.4 挤压缸的设计计算 . 6 2.4.1 基本设计参数 . 6 2.4.2 油缸效率分析 . 6 2.4.3 系统背压的选择 . 6 2.4.4 液压缸缸径的确认 . 7 2.4.5 导向长度的确认 . 8 2.4.5 活塞宽度 B 的确定 . 8 2.4.6 缸体长度的确定 . 8 2.4.7 缸筒壁厚的计算 . 8 2.4.8 缸体外径尺寸的计算 . 9 2.4.9 活塞杆强度和液压缸稳定性计算 . 9 2.4.10 缸筒壁厚的验算 . 11 2.4.11 活塞设计 . 12 2.4.12 密封件的选用 . 12 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 IV 2.4.13 活塞杆的设计 . 13 2.4.14 缓冲装置和排气阀 . 15 2.5 本章小结 . 16 3 挤压胀形机控制系统的硬件设计 . 17 3.1 PLC 控制系统结构组成 . 17 2.4 PLC 和 I/O 扩展模块的选型 . 17 3.3 PLCI/0 的分配 . 17 3.4 系统电气控制接线图设计 . 18 3.5 本章小结 . 20 4 系统软件设计 . 21 4.1 三菱的 GX Developer 编程软件简介 . 21 4.2 系统程序设计方法 . 21 4.3 PLC 控制系统软件程序的编写及说明 . 23 4.3.1 编写油泵电机启动程序 . 23 4.2.4 自动循环步进程序编写 . 24 4.3.3 故障复位程序编写 . 25 4.4 本章小结 . 26 5 程序的调试与仿真 . 27 5.1 仿真的步骤 . 27 5.2 本章小结 . 30 结论 . 31 致谢 . 32 参考资料 . 33 附录一 . 34 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 1 1 绪论 1.1 挤压胀形机 PLC控制的目的及意义在传统控制方式中，挤压胀形机的电气控制系统普遍采用接触器和继电器控制形式，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，致使控制系统存在许多缺点，如控制系统的体积增大，耗电多，控制精度达不到要求，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产等。近年来随着计算机控制技术的发展，并且各企业重视节源效益，挤压胀形机生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。传统继电器控制技术逐渐被基于计算机技术而产生的 PLC 控制技术所取代。而 PLC 本身优异的性能控制系统变的经济、高效、稳定且维护方便。这种 PLC 控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。挤压胀形机设计的意义，在课题设计的过程中我们能学到较多课堂上学不到的东西，在设计进行阶段指导老师提供了很多 PLC 控制系统设计的基本要求和设计思路，整个设计过程中使受益匪浅。是我在即将离开学校踏入社会一次重要的设计体验。也是为以后的工作生活打下了基础，在此过程中我学到电气控制系统的设计方法和步骤。这次设计是我在指导老师的指导下一点点亲自完成，无论是在实地考察还是设计资料的查阅，都使得我们学到了很多东西。 1.2 我国挤压胀形机控制技术的进展 1.2.1传统控制方式传统的挤压胀形机一般采用简单的继电器、接触器控制，控制方式多为开环控制，即按照预先的设定值进行控制（预先设定好各参数值，由机器在生产过程中加以保持）。这种控制方法结构简单，但抗干扰能力差，控制精度低。 1.2.2 可编程控制器控制方式 20 世纪 60 年代末发展起来的可编程序控制器 (PLC)是一种较好的控制装置，它由中央处理单元 (CPU)、输入输出 (I/O)、存贮器、编程器等组成。控制程序由用户输入到存贮器中， CPU 以扫描工作方式按照程序判断输出状态，来实施对现场设备的控制。我国对 PLC 控制装置来实施在挤压胀形机中的应用大多是从对传统控制系统的改造开始，目前国内的挤压胀形机大部分采用 PLC 控制系统。采用 PLC 控制可以实现挤压胀形机的自动化控制与调节，注射成型过程的工艺参数控制也能够得到基本保证。PLC 控制主要是利用位移传感器等进行动作程序和过程程序的切换，并能够实现比例压力和比例流量控制。 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 2 同时可以进行开关量逻辑控制，也可以兼有模拟量 (如温度、压力、流量、转速等 )的闭环控制。借助键盘和液晶或数码显示，可设定或修改工艺过程参数，并设有预警系统和故障显示指示灯以监测生产过程，从而大大提高了整机性能。由于 PLC 控制方式可使挤压胀形机实现闭环控制，即按照在线测量值与设定值的偏差通过负反馈回路进行控制，因此当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和油压等参数在生产过程中因干扰出现偏差时，机器可通过自适应控制系统针对干扰自动进行修正。从而使 PLC 控制方式较传统方式的抗干扰能力及控制精度有了很大程度的提高。然而 PLC 控制方式也有其不足的地方，如它的抗干扰性、可靠性和温度控制精度在有些时候还显得不够理想。对此，华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心瞿金平教授等人采用了新型的 PLC 装置，即贝加莱可编程计算机控制器 (PCC)，使液压机械式大型挤压胀形机得到成功的升级。这是我国挤压胀形机控制系统开发的一种新思路。 1.2.3 计算机控制方式采用计算机进行控制是更为高级的控制方法，这是挤压胀形机控制系统的发展趋势。目前微机控制系统主要有单机系统和多机系统两大类型。单机系统采用单板结构可将信息的采集、转换和处理融为一体，其结构由 A/D、 D/A、数字 1/0 以及比例放大器或外加比例放大器构成。北京科技大学潘诚等人开发的一款结合了实现挤压胀形机油压系统的闭环控制卡和与之配套的上位机监控软件的系统就属于这种单机系统，该系统在震雄集团 (深圳 )有限公司已投入试用，效果良好；多机系统则采用多处理机结构和大板式设计，可将功能进行分配，由若干 CPU 独立完成相应的工作，如其中的一个 CPU专门用于协调和传输有关指令，并经过并行口和串行口传输数据。这两类控制器的结构各有特点，基本能够满足不同层次的需求。值得一提的是，陕西科技大学徐元昌等人开发出了一个用于多台挤压胀形机控制的群控系统方案，用 PC 机作为上位机并用其串行通讯口与下位机 8098 通讯控制挤压胀形机，从而实现了主机指挥监督从属机的功能。为便于操作，该系统还使用了 PC 机操作界面作为人机接口，从而实现了挤压胀形机的顺序动作和温度、速度、压力等工艺参数的自动化控制。 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 3 1.3 挤压胀形技术叙述在航空、航天和汽车工业等领域，减轻结构质量以节约运行中的能量是人们长期追求的目标 ,也是先进制造技术发展的趋势之一。实现结构轻量化有两条主要途径 :一是材料途径 ,采用铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等轻质材料；二是结构途径，对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件，可以减轻质量又可以充分利用材料的强度和刚度。例如采用空心度 (内径与外径之比 )0.85 的空心轴代替实心轴 ,在同样抗扭能力下 ,质量减轻近 50%。挤压胀形正是适应这种需求下开发出来的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术。挤压胀形是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。而对于轴线为曲线的零件，先在数控弯管机上弯曲到要求的形状，经过预成形后再放到模具内加压成形出零件，这种工艺适用于制造沿构件轴线具有不同截面形状的空心构件 ,截面形状可以为圆形、矩形或异型截面。由于所使用的压力高达 400MPa 600MPa,在德国称为内高压成形 IHPF(Internal High Pressure Forming);根据使用的坯料和成形介质 ,在美国又称为管材液力成形 THF(Tube Hydro Forming)。其通常是用管坯作为原材 ,通过对管腔内施加液体压力、轴向施加负荷作用 ,使其在给定模具型腔内发生塑性变形 ,管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的技术。 1.4 本文的设计任务（ 1）对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；分析 PLC 在挤压胀形机上应用的可能性与前景。（ 2）挤压胀形机各动作控制工艺的研究。确定液压原理图。了解挤压胀形机的工作过程及工艺要求。总结各动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现全自动运动控制做准备。（ 3） PLC 程序的设计，包括控制方案的选取与设计、 I/0 接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。（ 4）控制程序的在线仿真。 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 4 2 挤压胀形机液压系统的设计 2.1 挤压胀形机的工作原理在工作过程中 ,直接由电动机驱动的部件为 :挤压油泵，由液压驱动的动作有：活塞的进给和退回。其中活塞的进给和退回依靠双作用液压缸的推动实现。其工艺流程如下图 2-1 所示：图 2-1 挤压胀形工艺流程 2.2 拟定液压原理图根据工艺流程，拟定液压原理图如下图 2-2 所示： nts XXX 大学本科毕业设计说明书 5 图 2-2 液压原理图 001 变量泵 002 单向阀 003 过滤器 004 压力表开关 005 压力表 006 电磁溢流阀 007 三位四通电磁换向阀 008 单向节流阀 009 二位二通电磁换向阀 010 电磁减压阀 2.3 动作流程 (1) 快进按下起动按钮 ,电磁铁 1XV1 得电 ,活塞由原位快速向前推进。 (2) 一次工进当活塞接近工件时 ,行程开关 ST1 动作，使 2XV 和 3XV 得电， 1XV1 继续得电，油液流经一个节流阀进入挤压缸，活塞运动由快进转为一次工进，使工件受到轴向预挤压， 2XV 得电后，调整一次工进的压力。 (3) 二次工进当一次工进到达 ST2 后，转而进行二次工进，系统使 1XV1,3XV,4XV 得电，油液顺次通过两个串联节流阀进入挤压缸，实现二次工进。二次工进的压力受到电磁溢流阀控制。 (4) 保压当二次工进到位， 1XV1,3XV,4XV 失电，系统需保持一段时间不动作，时间继电器 T1 开始定时。 (5) 快退当定时到达设定时间后，开始执行油缸退回程序，此时 1XV2 得电，系nts XXX 大学本科毕业设计说明书 6 统退后，退回到位后，整个系统停止。 2.4 挤压缸的设计计算 2.4.1 基本设计参数根据设计参数，本文给定的设计参数如下表 2-1 所示：表 2-1 基本设计参数项目符号参数单位工件外径 D 24 mm 内径 d 20 mm 加速行程 S 0.1 m 一次工进速度 V1 35 mm/s 一次工进负载 F1 60000 N 二次工进速度 V2 30 mm/s 二次工进负载 F2 70000 N 其他不计导轨摩擦力我们拟定整个液压系统的压力位 10MPA，油缸的额定推力为 7000N。 2.4.2 油缸效率分析油缸的效率由以下三种效率组成： A.机械效率m，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取m=0.9 B.容器效率v，由各密封件泄露所造成，通常容积效率v为：装弹性体密封圈时 v 1 装活塞环时 v 0.98 C.作用力效率d，由出油口背压所产生的反作用力而造成。一般取d=0.9 所以 m=0.9 v=1 d=0.9 总效率为 0 . 8m v d 2.4.3 系统背压的选择系统被压如表 2-2 所示 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 7 表 2-2 执行元件背压力系统类型背压力 P/MPa 简单系统或轻载节流调速系统 0.2 0.5 回油路带调速阀的系统 0.4 0.6 回油路设置有背压阀的系统 0.5 1.5 用补油泵的闭式回路 0.8 1.5 回油路较复杂的工程机械 1.2 3 回油路较短，且直接回油箱可忽略不计按表 2-2 可取 p2 为 0.5MPa 2.4.4液压缸缸径的确认 221 c m14FDp dp 1 1pD (2-1) =93.3m 按设计手册取 d/D 为 0.7 ，故得 d 65mm 表 2-3 液压缸内径尺寸系列（ GB2348-80） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250 表 2-4 活塞杆直径系列（ GB2348-80） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 根据表 2-3和表 2-4将这些直径圆整成进标准值时得：油缸有： D=100mm 和活塞 d=70mm 由此求得液压缸面积的实际有效面积为： A1=4 2D =0.00785m2 A2=4 ）d（x22 D =0.0040m2 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 8 2.4.5导向长度的确认当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点距离为 H，称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。图 2-3 液压缸最小导向长度对一般的液压缸，最小导向长度 H 应满足： 2 5 0 1 0 0 6 2 . 52 0 2 2 0 2lDH m m m m 式中： l 液压缸的最大行程 (mm) 设计要求 l =200mm D 液压缸内径 (mm) 取 H=70mm 2.4.5活塞宽度 B 的确定活塞的宽度 B 一般取 B =（ 0.6-1.0） D 即 B =（ 0.6-1.0） 100=（ 60-100） mm 取 B =35mm 2.4.6 缸体长度的确定液压缸缸体内部的长度应等于活塞的行程 L 与活塞宽度 B 的和。缸体外部尺寸还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体的长度不应大于缸体内径 D 的 20-30 倍。即：缸体内部长度 250+35=285mm 2.4.7缸筒壁厚的计算在中、低压系统中，液压缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚通常都能满足强度要求，一般不需要计算。但是，当液压缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必须进行强度校核。 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 9 当 0.08D 时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为 max2pD（ 2-2）式中，maxp 缸筒内最高压力；缸筒材料的许用压力。 = /b n, b为材料的抗拉强度， n 为安全系数，当 0.08D 时，一般取 5n 。当 0 .0 8 0 .3D时 ,按式（ 2-3）计算 m a x m a x2 . 3 3pD p (该设计采用无缝钢管 ) （ 2-3）根据缸径查手册预取 =30 此时 300 . 0 8 0 . 3 0 . 3100D 最高允许压力一般是额定压力的 1.5 倍，根据给定参数 10P MPa ，所以： maxP=1.5 10=15MP =100 110MPa （无缝钢管），取 =100MPa ，其壁厚按公式（ 2-3）计算为 m a x m a x1 5 1 0 0 4 . 12 . 3 3 2 . 3 1 0 0 - 3 1 5pD mmp 满足要求，就取壁厚为 10mm。 2.4.8 缸体外径尺寸的计算缸体外径1 2 1 0 0 2 1 0 1 2 0D D m m 查机械手册表：外径 1D 取 120mm 2.4.9 活塞杆强度和液压缸稳定性计算 1、活塞杆强度计算活塞杆的直径 d 按下式进行校核 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 10 4Fd (2-4) 式中， F 为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力， = /b n ,n 一般取 1.40。 364 6 0 1 07 0 5 23 . 1 4 5 9 8 1 0 / 1 . 4d m m m m 满足要求 2、液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力 F 不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载kF，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。kF的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。若活塞杆的长径比 / 10ld 且杆件承受压负载时，则必须进行液压缸稳定性校核。活塞杆稳定性的校核依下式进行 kknFF (2-5)式中，kn为安全系数，一般取kn=24。 a.当活塞杆的细长比 /kl r m i时 22ki EJF l (2-6) b.当活塞杆的细长比 /kl r m i时 21 ( )kkfAFalir (2-7)式中， l 为安装长度，其值与安装方式有关；kr为活塞杆横截面最小回转半径，AJrk / ； m 为柔性系数，其值见表 2-4； i 为由液压缸支撑方式决定的末端系数； E为活塞杆材料的弹性模量，对钢取 211 /1006.2 mNE ；为活塞杆横截面惯性矩； A 为活塞杆横截面积； f 为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值见表 2-5。表 2-4 液压缸支承方式和末端系数 i 的值 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 11 支承方式支承说明末端系数i 一端自由一端固定 1/4两端铰接 1 一端铰接一端固定 2 两端固定 4 表 2-5 f 、、 m 的值材料 28 /10 mNf m 铸铁 5.6 1/1600 80 锻铁 2.5 1/9000 110 钢 4.9 1/5000 85 c.当 20lk时 ,缸已经足够稳定，不需要进行校核。此设计安装方式两端固定的方式，此缸已经足够稳定，不需要进行稳定性校核。 2.4.10缸筒壁厚的验算液压缸的额定压力np值应低于一定的极限值，保证工作安全： 22121()0 . 3 5 snDDpD ()MPa （ 2-8）根据式（ 3-10）得到： 2223 5 3 ( 0 . 1 0 . 0 7 )0 . 3 5 6 3 ( )0 . 1np M p a 显然，额定油压np=p =10MP，满足条件； nts XXX 大学本科毕业设计说明书 12 2.4.11活塞设计 1、活塞结构的设计活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：图 2-5 整体式活塞此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。 2、活塞的材料选用高强度球墨铸铁 QT600-3 3、加工公差活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件，所以要求不高，这里不加叙述。活塞外径对内孔的同轴度公差不大于 0.02mm，断面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半。 2.4.12密封件的选用 1、对密封件的要求在液压元件中，液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊液压缸，如摆动液压缸等。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类，有 O 形、 Y 形、 U 形、 V 形和 Yx 形等。除O 形外，其他都属于唇形密封件。 2、 O 形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是 O 形密封圈。 3、动密封部位密封圈的选用由于 O 型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件nts XXX 大学本科毕业设计说明书 13 一般不用 O 形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。 V 形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。 U 形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于 10MPa 时使用，对压力高的液压缸不适用。比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属Yx 型密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈，分轴用和孔用两种。综上，所以本设计选用 Yx 型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能： a.降低摩擦阻力，无爬行现象； b.具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长； c.安装沟槽简单，拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下：图 2-6 密封方式图 2.4.13 活塞杆的设计 1、活塞杆杆体的选择此次设计选用的是实心杆件，形式如下图： nts XXX 大学本科毕业设计说明书 14 图 2-7 活塞杆 2、活塞杆与活塞的连接形式此次设计采用的是锁紧螺母型连接，如下图：图 2-8 锁紧螺母型 3、 .活塞杆材料和技术要求 a.因为没有特殊要求，所以选用 45 号钢作为活塞杆的材料，本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但进行淬火处理是必要的，淬火深度可以在 0.5 1mm左右。 b.安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于 0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。 c.活塞杆外圆粗糙度 aR 选择为 0.3 m d.因为是运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。 4、活塞杆的导向、密封和防尘 a.导向环选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损后导向环易于更换。 b.密封 Yx 型轴用密封圈加轴用阶梯圈组合使用，这样比起单独密封，可以减小摩擦，减少泄漏量，增加寿命。 c.防尘使用 DH 防尘圈，材料是聚氨酯，既有防尘作用，又有润滑作用。 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 15 2.4.14缓冲装置和排气阀 1、缓冲装置液压缸中缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。最常用的是节流口可调式和节流口变化式两种。其中，节流口可调式缓冲装置在节流口调定后，工作原理上就相当于一个单孔口式的缓冲装置。表 2-6 示节流口可调式和节流口变化式两种缓冲装置的主要性能。表 2-6 液压缸中常用的缓冲装置名称和工作原理图特点说明 1 针形节流阀 2 单向阀被封在活塞和缸盖间的油液经针形节流阀流出节流阀开口可根据负载情况进行调节起始缓冲效果大，随着活塞的行进，缓冲效果逐渐减弱，故制动行程长缓冲腔中的冲击压力大缓冲性能受油温影响适用范围广 1 轴向节流阀被封在活塞和缸盖间的油液经活塞上的轴向节流槽流出缓冲过程中节流口通流截面不断减小，当轴向槽的横截面为矩形，纵截面为抛物线形时，缓冲腔可保持恒压缓冲作用均匀，缓冲腔压力较小，制动位置精度高综合所上本设计选择节流可调式缓冲装置。 2、排气装置液压系统在安装过程中或长时间停止工作之后会渗入空气，油中也会混入空气，由nts XXX 大学本科毕业设计说明书 16 于气体具有较大的可压缩性，将使油缸工作中产生振动、颤抖和爬行，并伴随有噪声和发热等系列不正常现象。因此在设计油缸结构时，要保证能及时排除积聚在缸内的气体。一般利用空气比重较油轻的特点，在油缸内腔的最高部位设置进出油口或专门的排气装置如排气螺钉、排气阀等，使积聚于缸内的气体排出缸外。图 2-9 排气装置的形式排气装置的形式和结构见图 2-9，一般有整体排气塞和组合排气塞两种。整体排气塞（图 c、 e）由螺纹与缸筒或端盖连接，靠头部锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面空隙中挤出并经斜孔排出缸外。这种排气装置简单方便，但螺纹与锥面密封处同心度要求较高，否则拧紧排气塞后不能密封，会造成外泄漏。组合排气塞一般由螺塞和锥阀组成。螺塞拧松后，锥阀在压力的推动下脱离密封面而排出空气。锥阀可以采用图 a 所示的锥面密封，也可以采用图 b 所示的锥面密封，还可以采用图 g 所示的钢珠密封。后两种排气密封形式对高压缸比较适用。所以本设计排气装置选择图（ g） 2.5 本章小结本章主要介绍了挤压胀形机液压系统的设计部分，液压原理图和液压缸的设计计算。 nts XXX 大学本科毕业设计说明书 17 3 挤压胀形机控制系统的硬件设计 3.1 PLC控制系统结构组成本设计的挤压胀形机控制系统硬件主要由 PLC、继电器、接触器、电机，电磁阀等组成。 2.4 PLC和 I/O扩展模块的选型选择能满足本挤压胀形机控制要求的适当型号的 PLC是应用设计

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