挤压胀形机液压及PLC控制系统设计【含7张CAD图纸】
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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 XXX大学本科毕业设计说明书摘 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AbstractProgrammable 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 diagramIII目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 挤压胀形机PLC控制的目的及意义11.2 我国挤压胀形机控制技术的进展11.2.1传统控制方式11.2.2 可编程控制器控制方式11.2.3 计算机控制方式21.3 挤压胀形技术叙述31.4 本文的设计任务32 挤压胀形机液压系统的设计42.1 挤压胀形机的工作原理42.2 拟定液压原理图42.3 动作流程52.4 挤压缸的设计计算62.4.1 基本设计参数62.4.2 油缸效率分析62.4.3 系统背压的选择62.4.4液压缸缸径的确认72.4.5导向长度的确认82.4.5活塞宽度的确定82.4.6 缸体长度的确定82.4.7缸筒壁厚的计算82.4.8 缸体外径尺寸的计算92.4.9 活塞杆强度和液压缸稳定性计算92.4.10缸筒壁厚的验算112.4.11活塞设计122.4.12密封件的选用122.4.13 活塞杆的设计132.4.14缓冲装置和排气阀152.5 本章小结163 集成块的设计与制造173.1集成块的结构173.2 集成块液压控制装置的设计173.2.1 分解液压系统并绘制集成块单元回路图173.2.2 块的设计174 挤压胀形机控制系统的硬件设计224.1 PLC控制系统结构组成224.2 PLC和I/O扩展模块的选型224.3 PLCI/0的分配224.4 系统电气控制接线图设计234.5 本章小结255 系统软件设计265.1 三菱的GX Developer 编程软件简介265.2 系统程序设计方法265.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明285.3.1 编写油泵电机启动程序285.2.4 自动循环步进程序编写295.3.3 故障复位程序编写305.4 本章小结316 程序的调试与仿真326.1 仿真的步骤326.2 本章小结35结论36致 谢37参考资料38附录一391 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。 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。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400MPa600MPa,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。392 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：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D24mm内径d20mm加速行程S0.1m一次工进速度V135mm/s一次工进负载F160000N二次工进速度V230mm/s二次工进负载F270000N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，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取=0.9 B.容器效率，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为： 装弹性体密封圈时 1 装活塞环时 0.98 C.作用力效率，由出油口背压所产生的反作用力而造成。 一般取=0.9 所以 =0.9 =1 =0.9 总效率为 2.4.3 系统背压的选择系统被压如表2-2所示表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0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计 按表2-2可取p2 为0.5MPa2.4.4液压缸缸径的确认 (2-1) =93.3m 按设计手册取d/D 为0.7 ， 故 得d65mm 表2-3 液压缸内径尺寸系列（GB2348-80） 810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250 表2-4活塞杆直径系列（GB2348-80）456810121416182022252832364045505663708090100110125140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=0.00785m A2=0.0040m2.4.5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，最小导向长度应满足： 式中：液压缸的最大行程(mm) 设计要求=200mm 液压缸内径(mm)取H=70mm2.4.5活塞宽度的确定活塞的宽度一般取=（0.6-1.0）即=（0.6-1.0）100=（60-100）mm取=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。当时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为 （2-2） 式中，缸筒内最高压力； 缸筒材料的许用压力。=, 为材料的抗拉强度，n为安全系数，当时，一般取。当时,按式（2-3）计算 (该设计采用无缝钢管) （2-3）根据缸径查手册预取=30此时最高允许压力一般是额定压力的1.5倍，根据给定参数，所以： =1.510=15MP=100110（无缝钢管），取=100，其壁厚按公式（2-3）计算为 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查机械手册表：外径取120mm2.4.9 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按下式进行校核 (2-4) 式中，为活塞杆上的作用力；为活塞杆材料的许用应力，=,n一般取1.40。满足要求2、液压缸稳定性计算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。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 (2-5)式中，为安全系数，一般取=24。 a.当活塞杆的细长比时 (2-6) b.当活塞杆的细长比时 (2-7)式中，为安装长度，其值与安装方式有关；为活塞杆横截面最小回转半径，；为柔性系数，其值见表2-4； 为由液压缸支撑方式决定的末端系数；为活塞杆材料的弹性模量，对钢取；为活塞杆横截面惯性矩；为活塞杆横截面积；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的值支承方式支承说明末端系数一端自由一端固定1/4两端铰接1一端铰接一端固定2两端固定4表2-5 、的值材料铸铁5.61/160080锻铁2.51/9000110钢4.91/500085c.当时,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值应低于一定的极限值，保证工作安全： （2-8）根据式（3-10）得到：显然，额定油压=10MP，满足条件； 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QT600-33、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：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0.51mm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.活塞杆外圆粗糙度选择为0.3d.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。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。3 集成块的设计与制造3.1集成块的结构集成块是按典型液压系统的各种基本回路，做成通用化的6面体油路块（集成块），通常其四周除1面安装通向液压执行器（液压缸或液压马达）的管接头外，其余3面安装标准的板式液压阀及少量叠加阀或插装阀，这些液压阀之间的油路联系由油路块内部的通道孔实现，块的上下两面为块间叠积结合面，布有由下向上贯穿通道体的公用压力油孔P、回油孔O（T）、泄漏油孔L及块间连接螺栓孔，多个回路块叠积在一起，通过4只长螺栓固紧后，各块之间的油路联系通过公用油孔来实现。3.2 集成块液压控制装置的设计3.2.1 分解液压系统并绘制集成块单元回路图集成块单元回路实质上是液压系统原理图的一个等效转换。分解集成块单元回路时，应优先采用现有系列集成块单元回路，以减少设计工作量。集成块上液压阀的安排应紧凑，块树应尽量晒，以减少整个液压控制装置的结构尺寸和重量。集成块的数量与液压系统的复杂程度有关，一摞集成块组中，除基块和顶块外，中间块一般1-7块。当所需中间块多于7块时，可按系统工作特点和性质，分组多摞叠加，否则集成简单回路合用一个集成块；液压 泵的出口窜接单向阀时，可采用管式连接的单向阀（窜接在泵与集成块组的基块之间）；采用少量叠加阀、插装阀及集成块专用嵌入式插装阀；集成块侧面加装过渡板与阀连接；基块与顶块上布置适当的元件等等。3.2.2 块的设计（1）确定公用油道孔的数目集成块体的公用油道孔，有二孔、三孔、四孔、五孔等多种设计方案，应用较广的为二孔式和三孔式。二孔式 在集成块上分别设置压力油孔P和回油孔O各一个，用4个螺栓孔与块组连接螺栓间的环形孔来作为泄漏油通道。二孔式集成块的优点是结构简单，公用通道少，便于布置元件；泄漏油道孔的通流面积大，泄漏油的压力损失小。缺点是：在基块上需将4个螺栓孔相互钻通，所以须堵塞的工艺孔较多，加工麻烦，为防止油液外漏，集成块间相互叠加面的粗糙度要求较高，一般应小于Ra0.8m。三孔式 在集成块上分别设置压力油孔P、回油孔O和泄油孔L共3个公用通道三孔式集成块的优点是结构简单，公用油道孔数较少，缺点是因泄漏油孔L要与各元件的泄漏油口相通，故其连通孔道一般细而长，加工较困难，且工艺孔较多。（2）液压元件样板（3）确定孔道直径及通油孔间的壁厚a.确定通油孔道的直径与阀的油口相通孔道的直径，应与液压阀的油口直径相同；与管接头相连接的孔道，其直径一般应按通过的流量和允许流速，用式计算，但孔口须按管接头螺纹小径钻崆并攻丝；工艺孔应用螺塞或球涨堵死；对于公用孔道，压力油孔和回油孔的直径可以类比同压力等级的系列集成块中的孔道直径确定，也可通过式计算得到；泄油孔的直径一般由经验确定。b.连接孔的直径固定液压阀的定位销孔的直径和螺钉孔的直径，应与所选定的液压阀的定位销直径及配合要求与螺钉孔的螺纹直径相同；连接集成块组的螺栓规格可类比相同压力等级的系列集成块的连接螺栓确定，也可以通过强度计算得到。单个螺栓的螺纹小径d的计算公式为： 式中；P-块体内部最大受压面上的推力； n-螺栓个数； -担搁螺栓的材料许用应力。螺栓直径确定后，其螺栓孔（光孔）的直径也就随之而定，系列集成块的螺栓直径为M8-M12，其相应的连接孔直径为9-12（mm）。c.起吊螺钉的直径。单个集成块重量在30以上时，应按重量和强度确定螺钉孔的直径。d.油孔间的壁厚及其校核。通油孔间的最小壁厚的推荐值不小于5 mm。当系统压力高于6.3Mpa时，或孔间壁厚较小时，应进行强度校核，以防止系统在使用中被击穿。(4) 中间块外形尺寸的确定中间块用来安装液压阀，其高度H取决于所安装元件的高度。H通常应大于所安装的液压阀的高度。在确定中间块的长度和宽度尺寸时，在已确定共有油道孔基础上，应首先确定公有油道孔位置应与标准通道块上的孔一致。中间块的长度和宽度尺寸均应大于安放元件的尺寸，以便于设计集成块内的通油孔道时调整元件的位置。一般长度方向的调整尺寸为40-50 mm，宽度方向为20-30 mm。调整尺寸留的较大，孔道布置方便，但将加大块的外形尺寸和重量，反之，则结构紧凑、体积小、重量轻，但孔道布置困难。最后确定的中间块长度和宽度应与标准系列块的一致。(5)布置集成块上的液压元件液压元件在通道块上的安装位置合理与否，直接影响集成块体内孔道结构的复杂程度、加工工艺性的好坏及压力损失大小。元件安放位置不仅与典型单元回路的合理性有关，还要受到元件结构、操纵调整的方便性等因素的影响。a.中间块中间块的侧面安装各种液压控制元件。当需与执行装置连接时，3个侧面安装元件，一个侧面安装管接头。注意事项如下：应给安装液压阀、管接头、传感器及其他元件的各面留有足够的空间；集成块体上要设置足够的测压点，以便于调试和工作中使用；需经常调节的控制阀如各种压力阀和流量阀等应安放在便于调节和观察的位置，应避免相邻侧面的元件发生干涉；应使与各元件相通的油孔尽量安排在同一水平面，并在公用通油道的直径范围内，以减少中间连接孔、深孔和斜孔的数量。互不相通的孔间应保持一定壁厚，以防工作时击穿；集成块的工艺孔均应封堵，封堵有螺塞、焊接和球涨等三种方式；在集成块间的叠加面上，公用油道孔出口处要安装O形密封圈，以实现块间的密封。应在公用油道孔出口处按选用的O形密封圈的规格加工出深孔，O型圈沟槽尺寸应满足相关标准的规定；b.基块（底版）基块的作用是将集成块组件固定在油箱顶盖或专用底座上，并将公用通油孔道通过管接头与液压 泵和油箱相连接，有时需在基块侧面上安装压力表开关。设计时要留有安装法兰、压力表开关和管接头等的足够空间。当液压泵出油口经单向阀进入主油路板时，可采用管式单向阀，并将其装在基块外。c.顶块（盖板）顶块的作用是封闭公用通油孔道，并在其侧面安装压力表开关以便测压，有时也可在顶块上安装一些控制阀，以减少中间块数量。(6)集成块油路的压力损失集成块组的压力损失，是指贯通全部集成块的进油、回油孔道的压力损失。在孔道布置一定后，压力损失随流量增加而增加。通常，经过一个块的压力损失值约为0.01Mpa.(7)集成块的材料和主要技术要求制造集成块的材料因液压系统压力高低和主机类型不同而异。通常，对于固定机械，低压系统的集成块，宜选用HT250或球墨铸铁；高压系统的集成块宜选用20钢和35钢锻件。对于有重量限制要求的行走机械等设备的液压系统，其集成块可采用铝合金锻件，但要注意强度计算。集成块的毛坯不得有砂眼、气孔、缩孔和夹层等缺陷，必要时需对其进行探伤检查。毛坯在切削加工前应进行时效处理或退火处理，以消除内应力。集成块各部位的粗糙度要求不同：集成块各表面和安装嵌入式液压阀的孔的粗糙度不大于Ra0.8m，末端管接头的密封面和O形圈沟槽的粗糙度不大于Ra3.2m，一般通油孔道的粗糙度不大于Ra12.5m。块间结合面不得有明显划痕。形位公差要求为：块间结合面的平行度公差一般为0.03m，其余4个侧面与结合面的垂直度公差为0.1 mm。为了美观，机械加工后的铸铁和钢质集成块表面可镀锌。本次设计的集成块图如图3-1所示：图3-1 集成块本系统设计的集成块为一体式，其中三位四通阀，液压锁，双向节流阀选用叠加形式，两个电磁溢流阀单独安装。4 挤压胀形机控制系统的硬件设计4.1 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。4.2 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是应用设计中至关重要的一步，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要作用。PLC的选择包括机型，容量，I/O模块的选择等几个方面。 本系统选取的是三菱公司生产的小型整体式可编程控制器FX2N-32MR-001系列，输入端子选择16点, 输出端子选择16点，满足控制要求，它的性能价格比很高，在小规模控制中获得广泛应用。三菱FX2N-32MR-001的CPU单元规格是:输入16点，输出16点，输入、输出为继电器型形式,电源AC220V。4.3 PLCI/0的分配分配输入/输出点信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。FX2N型PLC的输入/输出通道号采用自由配置、固定通道方式。输入输出继电器可自由选择，与输入点对应的即为输入继电器，与输出点对应的即为输出继电器。由上述控制要求可得到。挤压胀形机控制系统输入输出接口如表4-1所示。 表4-1 I/O接口分配输入输出名称接口名称接口油泵启动X0油泵星形启动Y0油泵停止X1油泵三角形启动Y1手动/自动X2主接触器Y2手动快进X3三位四通阀电磁线圈1XV1Y3手动一工进X4三位四通阀电磁线圈1XV2Y4手动二共进X5工进电磁线圈3XVY5手动油缸退X6工进电磁线圈4XVY6快进到位开关X7电磁减压阀电磁线圈2XVY7一工进到位开关X10电磁溢流阀电磁线圈5XVY10二工进到位开关X11运行指示Y11热继电器X12故障报警Y12急停X13自动启动X14故障复位X15油缸退到位开关X164.4 系统电气控制接线图设计系统供电电源采用三相线制供电。供电电源等级为AC380V5，50Hz。PLC的接线图如图3-1所示，系统主电路接线图如图3-2所示。图4-1 PLC接线图图4-2 系统接线图4.5 本章小结 本章是本文的重点，主要介绍了挤压胀形机控制系统的硬件设计部分，包括PLC点的分、PLC的选型、接线等。思路清晰，目的明确。5 系统软件设计5.1 三菱的GX Developer 编程软件简介进入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜单中，单击“新建”菜单项，选择创建一个新文件。在【设备名称】中填写设备名称，设备类型选择PLC的类型，然后单击设定按钮选择CPU的类型，单击确定后，即可进入梯形图编程界面，开始编程，如图4-1所示界面。图5-1 编程界面程序编写完成后，下一步就可进行编译、链接和调试了。如果编译没有错误，就可以进行在线运行。在编译过程中，如果出现错误要进行修改时，我们既可以在梯形图编程下修改，也可在助记符方式下修改。编译完成，没有语法错误，可加载程序到PLC，进行在线运行。5.2 系统程序设计方法工程设计中，可编程控制器应用程序的设计大体上有三种方法，也是使用最多的方法。这些方法的应用，也因不同设计人员有着不同的技术水平和习惯存在着差异。下面介绍一下常用的几种应用程序的设计方法，以便对下面的设计更有一个清晰的认识，也使读者更加明白可编程控制器的设计方法和技巧。1、经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。但是它没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。经验设计法的具体步骤如下：（1）确定输入/输出电器；（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配；（3）做出系统动作工程流程图；（4）选择PLC指令并编写程序； （5）编写其它控制控制要求的程序；（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。2. 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题。在得出逻辑表达式后，根据逻辑表达式画出梯形图。因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。顺序控制法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则，具体如下：（1）步与步之间必须用转移隔开；（2）转移与转移之间必须用步隔开；（3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。（4）一个顺序功能图中至少有一个初始步。可编程控制器设计语言也有多种形式，因其在继电器的基础上研制而成，所以大部分都是以开关量为主的控制方式。很多表达形式也都是电气符号的沿用，或直接使用。这样，PLC的语言就有所不同。梯形图语言是设计中使用最多的，还有流程图，语句表，这些都为程序的阅读提供了不同形式的方法，适合电气方面的工程人员阅读，也适合电子方面的工程人员进行参考使用。本控制系统是典型的逻辑控制，因此我们采用步进控制程序最为方便，其顺序功能图见图4-2所示。图5-2 顺序功能图5.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明5.3.1 编写油泵电机启动程序挤压胀形机油泵电机由于功率较大，采用星-三角启动，其梯形图如图5-3所示图5-3 油泵电机启动程序在整个系统运行时，由于X12、X13都是由常闭触电接入，所以在程序中使用常开形式，此事这三个触电处于导通状态。当按下X0时，Y2、Y0和T2线圈得电，同时Y2和X0组成自锁回路，按下后输出一直得电，此时T2开始计时，当计时满5秒时，T2常闭触点断开，常开触点闭合，Y1得电，系统从星形启动切换到三角形启动。5.2.4 自动循环步进程序编写由于本控制要求其控制过程为步步相扣，一个动作开始的条件是上个动作的结束动作，其部分梯形图如下图5-4所示图5-4 步进程序M8002为程序初始化，其功能是，当PLC上电开机后，在一个扫描周期内为1。当系统上电后，S0被置1。STL S0的含义是S0步进，同时S0的输出为1。当X14、Y1、X2、同时导通后，此时程序跳转条件全部满足，S20被置1，同时S0被复位为0。同样的道理，下边的步进程序就不一一说明。5.3.3 故障复位程序编写故障复位的功能是：在自动程序运行的情况下，由于某一步发生故障导致程序无法继续进行，这里我们需要对挤压胀形机进行复位，使得所有的动作都恢复到初始状态。其具体程序如下图4-5所示图5-5
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