液压机总体及控制系统设计

1摘要本次毕业设计为压力机总体及控制系统设计。压力机主要由主机、液压系统和电气控制系统三部分组成。本文重点对电气控制系统进行了设计和编程，对压力机主机进行了简单的设计，并设计了压力机控制系统配套电气控制柜。压力机的主机主要由横梁、滑块、工作台、导柱、主缸和顶出缸等组成，通过对主机载荷的分析，对横梁、滑块、工作台和导柱及其互相间的连接进行了简单的设计，进而完成了总体结构设计。由给定设计参数，通过对压力机工作过程的分析，绘制了压力机工作流程图，确定了控制方案，完成了PLC选型、输入输出分配、器件选择及硬件接线等设计过程，并进行了相应的程序分析和编程。对其中的保压过程闭环控制进行了一定的分析计算，确定了一些设计参数。所设计控制系统能实现压力机启停、送料、手动/自动工作和安全互锁等工作要求，保证液压机安全准确工作。最后，本文对专用控制柜进行了设计，包括柜体外形尺寸、室内结构分布、器件安装、通风散热方案等。关键词压力机控制系统PLC2ABSTRACTThegraduationdesignisgeneralstructureandcontrolsystemdesignof6300kNhydraulicpress.Hydraulicpressmainlycomposedofthreeparts:themainframe,thehydraulicsystemandtheelectricalcontrolsystem.Thispaperfocusesonthedesignandprogrammingoftheelectricalcontrolsystem,andgivesasimpledesignforthemainframe,anddesignedthecompleteelectricalcontrolcabinetofthemachine.Themainframeofthehydraulicpressiscomposedbythebeam,slider,worktable,columnguide,maincylinderandacylindercomposedofthetop.Throughtheanalysisofloadonthemainframe,thepapergivesasimpledesignforthebeam,slider,worktableandcolumnguideandconnectionswitheachother.Fromthegivenparameters,thenthroughanalysingtheworkingprocessofpress,drewthepressworkflowchart,anddeterminedthecontrolscheme.ThispaperaccomplishedthedesignprocessincludingselectionofPLCmodel,I/Odistribution,selectionofcomponentandthehardwareconnection,etc.Thenthearticlemadethecorrespondingprogramanalysisandprogramming.Thecorrespondingclosed-loopcontrolofthepressure-keepingprogresshadbeendesignedandcalculatedinthispaper,andsomeofitsdesignparameterswasdetermined.Thecontrolsystembeendesignedcouldrealizetheworkingrequirementsofpressstartandoff,，feeding,automatic/manualworkandsafetyinterlock,etc,anditcouldensurethemachineworksafelyandaccurately.Finally,thespecialcontrolcabinetwasdesignedinthispaper,includingthecabinetshapedimension,distributionofindoorstructure,devicesinstall,ventilationandcoolingdesign,etc.Keywords:hydraulicpresscontrolsystemPLC1目录第1章绪论.11.1概述.11.2国内外液压机技术发展现状及发展趋势.21.2.1发展状况.21.2.2发展趋势.31.3本文研究主要内容.4第2章压力机总体方案设计.52.1压力机的组成.52.2压力机的工况特点.62.3四柱液压机总体布局方案设计.72.4压力机主机零部件设计.82.4.1主机载荷分析.82.4.2导柱设计.82.4.3横梁设计.92.4.4滑块设计.102.4.5工作台设计.10第3章压力机电气控制系统设计.113.1控制系统方式选择.113.2PLC概述.113.2.1PLC的定义.113.2.2可编程从控制器的发展史.123.2.3PLC的发展趋势.123.2.4PLC的基本组成.133.3压力机控制系统分析.133.3.1压力机对控制系统的控制要求.133.3.2控制系统原理分析设计.143.4PLC输入输出量分析.143.4.1输入输出分配.143.4.2输入量分析.153.4.3输出量分析.153.5PLC选型及硬件配备.163.6输入输出方式的选择和地址分配.1723.6.1输入输出方式的选择.173.6.2输入输出的地址分配.183.6.3电气控制系统硬件线路设计.203.6.4电气设备和元器件选择.213.7控制系统软件设计.233.7.1工作过程分化.233.7.2手动工作子过程分析.243.7.3自动工作过程分析.243.7.4送料过程分析.263.7.5系统工作指令表程序设计.273.7.6保压过程PID控制过程分析.28第4章压力机电气控制柜设计.334.1设计参考.334.2柜体设计.364.2.1柜体外形设计.364.2.2柜内隔室设计.374.2.3器件安装设计.384.2.4散热及安全设计.39总结.40致谢.41参考文献.42附录1压力机工作梯形图程序.44附录2三维零件图设计.461第1章绪论1.1概述液压压力机是根据帕斯卡原理制成，利用液体压力能来传递能量的机器。液压机一般由主机、操纵系统及泵站三大部分组成。如图1.1所示。泵站是动力源，供给液压机各执行机构及控制机构以高压工作液体；操纵系统属于控制机构，它通过控制工作液体的流向来使个执行几个按照工艺要求完成应有的动作；本体为液压机的执行机构。图1.1典型液压压力机结构图液压机广泛应用于国民经济的各个部门，是一种主要的锻压设备。它具有下列一些特点：1.结构上易于得到较大的总压力，较大的工作空间及较长的行程，因此便于压制大型工件及较高的工件；2.与锻锤相比，工作平稳，撞击和振动很小，噪音小，对工人健康，厂房低级，周围环境及设备本身都有很大好处；3.与机械压力机相比，本体结构比较简单，容易锻造，随着液压元件标准化、系列化、通用化程度的提高，以及专业丁点生产的逐步实现，比较适合与中小厂自行制造；4.随着大功率高轻型的出现，液压机快速性能已经有了很大的提高，工作速度状况越来越适应于更大范围的应用。1.2国内外液压机技术发展现状及发展趋势1.2.1发展状况1由于液压机的液压系统和整机结构方面，已经比较成熟，国内外液压机的发展主要体现在控制系统方面。微电子技术的飞速发展，为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了可能。相比来讲，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏技术含量高的高档机型，这与机电液一体化，中小批量柔性生产的发展趋势不相适应。在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为三种类型：一种是以继电器为主控元件的传统型液压机；一种是采用可编程控制器控制的液压机；第三种是应用高级微处理器（或工业控制计算机）的高性能液压机。三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。但总的发展趋势是高速化、智能化。1）继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。其适用于单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产（如餐具、厨具产品等），其也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，稳定性、柔性差。现在，国内许多液压机厂家是以这种机型为主，使用对象多为小型加工厂，或加工精度要求不高的民用产品。国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向以下两种技术含量高的机型组织生产。2）可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术溶为一体的新型工业自动控制装置。目前已被广泛的应用于各种生产机械以及自动化生产过程中。随着技术的不断发展，可编程序控制器的功能更加丰富。早期的可编程序控制器在功能上只能进行简单的逻辑控制。后来一些厂家开始采用微电子处理器作为可编程序控制器的中央处理单元（CPU），从而扩大了控制器的功能，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此，可编程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制机控制方式之间的一种控制方式。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控制机相比有一定差异。3）工业控制机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高技术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片/单板机作为主控单元，通过外围接口器件（如A/D，D/A板等）或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。作为液压机两大组成部分的主机和液压系统，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距。主要差别在于加工工艺和安装方面。良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。在油路结构设计方面，国内外液压机都趋向于集成化、封闭式设计。插装阀、叠加阀和复合化元件及系统在液压系统中得到较广泛的应用。国外已开始广泛采用封闭式循环油路设计。这种油路设计有效地防止泄油和污染。更重要的防止灰尘、污物、空气、化学物质侵入系统，延长了机器的使用寿命。由于加工工艺等方面的原因，国内采用封闭式循环油路设计的系统还不多见。在安全性方面，国外某些采用微处理器控制的高性能液压机利用软件进行故障的检测和维护。1.2.2发展趋势1）高速化，高效化，低能耗。提高液压机的工作效率，降低生产成本。22）机电液一体化。充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。3）自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现的在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理的功能。4）液压元件集成化，标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。1.3本文研究主要内容本文主要对630吨粉末成型压力机总体及其控制系统进行设计。本文重点设计的是压力机的电气控制系统，简要地设计了压力机主体和电器控制柜及其装配。研究设计过程如下：首先，确定压力机的总体方案，对主机进行设计，确定液压机的总体布局；其次，设计液压机的控制系统，通过工况分析，选择控制方式，设计电气线路，确定电器型号及安装，检验控制系统安全性和合理性等。3第2章630KN压力机总体方案设计2.16300KN压力机的组成完整的压力机应有主机、液压控制系统、电气控制系统组成。以现有630T压力机为蓝本，本次设计也采用传统“三梁四柱”的主机机型，该型主机主要由主缸、横梁、滑块、导柱、工作台组成，其结构图见图2.1。液压控制系统主要由液压泵、执行元件、控制元件、辅助元件等组成。本设计的液压系统的电气控制系统是以可编程控制器（PLC）为主控元件的新型控制方式，主要由PLC、压力变送器、输入电路和输出电路等组成。图2.1压力机主机结构图1-副油箱2-横梁3-主缸4-导柱5-顶出缸6-工作台7-滑块42.2压力机的工况特点所设计压力机的主要技术参数如下表：表2.1设计参数参数项参数公称压力（最大负载）6300KN主缸回程力1250KN顶出缸顶出力1000KN滑块行程1000mm顶出行程355mm空程下行100mm/s工进6mm/s滑块速度回程60mm/s顶出80mm/s顶出活塞速度退回160mm/s本压力机根据其工作要求，分为手动和自动工作两种工作模式。两种工作模式的各自的工作过程如下：自动工作：滑块快进滑块工进保压泄压滑块回程顶出缸顶出顶出缸退回。其工作循环过程见图2.2。滑块快进滑块工进保压泄压滑块回程顶出缸顶出顶出缸退回图2.2压力机自动工作循环过程手动工作：滑块启动后可在任意位置手动停止，手动缩回；顶出缸手动顶出，手动退回。2.3四柱液压机总体布局方案设计了解了四柱液压机的组成、工作过程之后，可初步确定压力机的总体布局，布局图如5图2.3所示。图2.3四柱液压机总体布局1主机2副油箱3油管4液压站5电气柜6控制台图2.3为压力机整体布局简图，分为三个部分，即：主机、液压系统、电气控制系统。液压系统的所有部件都集中安装在液压油箱处，使液压站布局结构变得紧凑。电气控制元-5-件集中设计在电气柜中。启动、停止、快进、顶出、调整、等控制按钮设置在控制台上。2.4压力机主机零部件设计2.4.1主机载荷分析根据表2.1,本次设计压力机的最大工作负载为6300KN，主缸回程力为1250KN，顶出6缸顶出力为1000KN。由于工作时的负载远大于其它工况时的负载，因此在进行载荷设计时，取负载6300KN对压力机进行受力计算。压力机结构形式为“三梁四柱”式，工进加压的负载作用在横梁和导柱上，受载时横梁受压，导柱受拉，受力如图2.4所示。横梁导柱F-负载T-导柱拉力图2.4横梁、导柱受力图2.4.2导柱设计材料选择：导柱在工作过程中主要承受拉力，材料必须具备较高的抗拉强度。导柱材料选择45圆钢，也可选用锻件形式。热处理要求：导柱除了承受拉力之外，外圆柱表面与滑块之间还存在摩擦力。为了减少导柱表面的磨损，通过表面热处理提高表面硬度增加表面耐摩性。总的热处理工艺为调质和表面淬火。理论设计计算：液压机的最大主题:负载约为6300kN，通过力传递后，最后由四根导柱承受6300kN的拉力，作用在每根导柱上的拉力为1575kN。由许用拉应力公式(2-1)，可计算导柱的安全直径D。（2-1）AF式中：许用应力；取45钢=80100MPa；F轴向拉力；A横截面积。即：7mPaNFD158.0814.3576圆整后取导柱直径D=160mm，考虑到立柱带螺纹部分的应力集中对承载能力的削弱，以及为了防止四根导柱因瞬间的受力不均而被破坏，导柱直径可适当加大，取D=180mm。结构形式：上、下横梁用立柱调节圆螺母支承，两端用锁紧螺母锁紧。2.4.3横梁设计结构形式：上横梁位于立柱上不，用于安装工作缸，承受工作缸的反作用力。对中小型液压机其结构形式主要有铸造和焊接两种。本次设计的630吨四柱液压机的上横梁采用铸造