专用多轴钻床液压-PLC控制系统设计

1、柳州职业技术学院毕业设计(论文题目:专用钻床液压-PLC控制系统设计姓名钟健学号 20110103028专业机电一体化技术年级 2011级指导教师陆莲仕完成时间 2013年11月目录一、绪论 (31、液压的意义 (32、目的: (33、任务: (3二、负载与运动分析 (61、各执行元件的载荷力 (62、液压缸各个运动阶段负载表 (8三、确定液压系统主要参数 (91、计算各进给液压缸主要结构参数 (92、各个液压缸的压力、流量和功率表 (113、拟定液压原理图 (124、液压回路的组合 (165、液压系统原理图控制电路图 (176、液压元件设计选型 (197、液压元件规格及型号 (208、油管类

2、型的选择. - 21 -9、油管尺寸的确定. 错误!未定义书签。10、验算系统压力损失并确定压力阀的调整值. - 22 -11、油液温升验算. - 24 -四、PLC 控制系统设计. - 26 -1、PLC型号选择及接线图. - 26 -2、PLC顺序功能图和PLC梯形图. - 30 -五、参考文献. - 37 -六、总结. - 38 -一、绪论1.液压的意义液压系统已经在各个部门得到越来越广泛的应用,而且越先进的设备,其应用液压系统的部门就越多。液压传动是用液体作为来传递能量的,液压传动有以下优点:易于获得较大的力或力矩,功率重量比大,易于实现往复运动,易于实现较大范围的无级变速,传递运动平

3、稳,可实现快速而且无冲击,与机械传动相比易于布局和操纵,易于防止过载事故,自动润滑、元件寿命较长,易于实现标准化、系列化。液压传动的基本目的就是用液压介质来传递能量,而液压介质的能量是由其所具有的压力及力流量来表现的。而所有的基本回路的作用就是控制液压介质的压力和流量,因此液压基本回路的作用就是三个方面:控制压力、控制流量的大小、控制流动的方向。所以基本回路可以按照这三方面的作用而分成三大类:压力控制回路、流量控制回路、方向控制回路。2.目的本毕业设计是专业教学计划规定的一项重要实践教学环节,学生在教师指导下运用学过的有关课程(液压与气动技术、机床电气控制技术、可编程序控制技术,了解和解决生产

4、实践中可能发生的技术问题,以达到如下目的:(1巩固、消化学过的基础理论知识,并适当扩大知识的深度和广度;(2认识单机设计的一般程序;(3学会借助参考资料和技术手册,查找有关设计的技术数据和规范尺寸的方法;(4初步掌握运用制图和编写设计说明书来表达设计思想的能力。3.任务为某机械厂设计一台用于加工圆盘状零件的基于液压和PLC的专用钻床,以提高工效。内容包括:(1液压传动原理图;(2液压系统的设计计算;(3液压元件、辅件的规格型号选择;(4PLC控制系统设计;(5整个系统的成本估算。4.设计要求(1夹紧后在工作中突然停电时,要保证安全可靠,当主油路压力瞬时下降时夹紧缸保持夹紧力;(2快进转工进时要

5、平稳可靠,各缸运动时不互相干扰;(3钻削时速度平稳,不受外载干扰,孔钻透时不前冲。5.设计步骤(1明确原始数据及液压系统设计要求,分析专机的工作循环;(2列表计算工艺循环作用于各执行元件的载荷力;(3拟定液压系统原理图(包括调速回路、快速回路、换向回路、压力控制回路、定位夹紧回路、动作转换控制方式;(4列表计算各液压缸的参数(工作压力、液压缸直径、活塞杆直径、流量及选择其型号规格;(5考虑压力损失,计算液压泵的流量、压力,及选择其型号规格;(6计算电动机参数及选择其型号规格;(7根据各油路的工作状态,列表计算出流经各管道和各液压阀的油压力和流量;(8根据各液压阀的工作压力和流量,选定其型号规格

6、;(9根据各管道的流量和流速要求,计算各油管的直径和壁厚;(10根据液压油的散热要求,计算油箱尺寸,选用其他附件;(11验算液压系统(考虑压力损失,进一步校核及修改液压系统草图,然后绘出正式的液压系统原理图,并列出动作顺序表和液压元件表;(12根据专机的工作循环步骤,设计出PLC控制系统。(13进行PLC主程序设计,画出梯形图,再由梯形图转化为系统的指令程序。(14估算整个系统的成本。二、负载与运动分析要求设计一台立式单面多轴钻孔组合机床动力滑台的液压系统。要求实现的动作顺序为:启动夹紧加速快进减速工进快退旋转加速快进减速工进快退旋转加速快进减速工进快退停止。液压系统的主要参数与性能要求如下:

7、移动部件大钻头总重量G=25000N;移动部件小钻头总重量G=12000N,快进、快退的速度为5m/min,工进速度0.05m/min,工件材料为铸铁,材料硬度HB为240,工件大孔径40mm,工件小孔径25mm,孔深40mm,工件直径150mm,加速、减速时间为0.2S,加紧时间为1S,转台总重量为8000N,静摩擦系数=0.2;动摩擦系数=0.1。液压系统的执行元件使用液压缸与摆动马达。1.各执行元件的载荷力(1各进给缸负载大进给缸(n为孔数,d为孔径,s为进给量,为材料硬度。小进给缸(n为孔数, d为孔径,s为进给量,为材料硬度。(2摆动马达负载 (3夹紧缸负载钻头的切割扭矩: (n为同

8、时钻的孔数,为常数取0.97 夹紧力的计算 (4进给缸各工况的负载启动: 快进: 工进: 快退: 2.液压缸各个运动阶段负载表表2-1 液压缸各个运动阶段负载表(单位:N工况负载值F/N负载值F /N启动5000 2400 快进12875 6180 工进17152 8009 快退12875 6180三、确定液压系统主要参数1.计算各进给液压缸主要结构参数工进过程中,当孔被钻通时,由于负载突然消失,液压缸有可能会发生前冲的现象,因此液压缸的回油腔应设置一定的背压(通过设置背压阀的方式,选取此背压值为P=0.5MPa。(1计算大钻头进给缸的内径和活塞杆直径根据F工=17152N,选P工=30000

9、00Pa液压缸的内径D为: 按GB/T2348-1993,将液压缸内径圆整为根据液压缸快进、快退速度相等,可选择单出杆液压缸差动连接,活塞杆直径为: 按GB/T2348-1993,将活塞杆直径圆整为(2计算小钻头进给缸的内径和活塞杆直径根据F工=8009N,选P工=2000000Pa液压缸的内径D为: 按GB/T2348-1993,将液压缸内径圆整为根据液压缸快进、快退速度相等,可选择单出杆液压缸差动连接,活塞杆直径为: 按GB/T2348-1993,将活塞杆直径圆整为(3计算夹紧缸的内径和活塞杆直径根据F夹=25300N,选P夹=4000000Pa液压缸的内径D为: 按GB/T2348-19

10、93,将液压缸内径圆整为根据液压缸快进、快退速度相等,可选择单出杆液压缸差动连接,活塞杆直径为: 按GB/T2348-1993,将活塞杆直径圆整为(4计算大钻头进给缸的无杆腔面积和有杆腔面积分别为: (5计算小钻头进给缸的无杆腔面积和有杆腔面积分别为: (6计算夹紧缸无杆腔面积和有杆腔面积分别为: (7通过估计,如果取差动快进时压力损失,工进时背压力 ,快退时背压力,则各阶段的压力、流量和功率如表3-1和表3-2。(8各个液压缸的压力、流量和功率表表3-1大钻头液压缸的压力、流量和功率工况负载F(N回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率计算公式启动5000 9.2 快进12875 12.1 11

11、.9 0.2 工进17152 33.8 0.5 0.03快退加速12875 13.6 13.3 0.3表3-2小钻头液压缸的压力、流量和功率工况负载F(N回油腔压力进油腔压力输入流量输入功率计算公式启动2400 4.8 快进6180 6.6 5 0.33工进8009 39.6 0.083 0.033快退加速6180 17.3 4.5 0.782.拟定液压原理图(1选择液压基本回路a、选择调速回路设计要求进给速度均匀,孔钻头时不前冲,可选:用调速阀5、6节流调速回路,出口价背压23、24,如图a 图ab、多缸快慢速互不干涉回路在工作进给要求比较稳定的多缸液压系统中,必须采用快慢速互不干涉回路,如

12、图b,泵1为高压小流量泵,供给各进给缸工进时所需要的高压油;泵2为低压大流量泵,为各进给缸快进或快退时输送低压油,他们的压力分别由溢流阀3和溢流阀4调定。 图bc、选择快速回路根据设计要求:V快进=V快退,并为了达到V快进=5m/min要求,可选择差动连接快速回路,如图c 图cd、选择换向回路快速时流量不大,运动部件的重量也较小,在换向方面有没有什么特殊要求,所以可选择电磁阀换向阀控制的换向回路。为了便于差动连接,选择二位五通的电磁换向阀,如图ce、选择旋转回路第一次工进结束后,工作台要旋转120进行下一次加工,执行元件需要的是高速、小转矩、速度平稳性要求高,所以选择摆动马达;整个系统需要压力

13、稳定的液压油并防止系统过载,选择三位四通换向阀进行方向控制。通过改变调速阀的开口面积,可以改变摆动马达的转速,达到调节工作台选转速度的目的图d 图df、选择夹紧回路由计算知,夹紧缸的工作压力低于进给缸工进的工作压力,并由同一液压泵供油,所以在夹紧回路中应该设减压阀减压,同时还需满足:夹紧时间可调,在进给油路压力瞬时下降时能保持夹紧力,所以要接入节流阀调速和单向阀保压。以免工作时突然失电而松开,所以接入液压锁,用三位四通电磁阀换向。如图f 图f(2液压回路的组合将已选择的液压回路,组合成符合设计要求的液压系统并画成液压系统图。在组合时应全面考虑各执行元件间的先后动作顺序。各回路间如何防止干扰,减

14、少液压冲击以连锁等安全措施,并在此基础上尽可能提高系统效率。图3-1为组合后的液压系统原理图。 图3-1液压系统原理图3.液压系统原理图控制电路图表3-3液压控制电路表1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 夹紧缸夹紧+ - - - - - - - 夹紧缸碰到SQ1大+ - - - + - - - 钻头液压缸快进夹紧缸碰到SQ1小+ - - - - + - - 钻头液压缸快进大钻头液压缸快进+ - + - - - - - 碰到SQ2变工进小钻头液压缸快进+ - - + - - + - 碰到SQ3变工进大钻头液压缸工进+ - + - + - - - 碰到SQ4变快退小钻头

15、液压缸工进+ - - + - + - - 碰到SQ5变快退大钻头液压缸快退碰到SQ6和小钻头+ - - - - - + - 液压缸快退碰到SQ7摆动马达旋转120摆动马达旋转120+ - - - + - - - 碰到SQ8大钻头液压缸快进摆动马达旋转120+ - - - - + - - 碰到SQ8小钻头液压缸快进大钻头液压缸快进+ - + - - - - - 碰到SQ2变工进小钻头液压缸快进+ - - + - - + - 碰到SQ3变工进大钻头液压缸工进+ - + - + - - - 碰到SQ4变快退小钻头液压缸工进+ - - + - + - - 碰到SQ5变快退大钻头液压缸快退碰到SQ6和小

16、钻头+ - - - - - + - 液压缸快退碰到SQ7摆动马达旋转120摆动马达旋转120+ - - - + - - - 碰到SQ9大钻头液压缸快进摆动马达旋转120+ - - - - + - - 碰到SQ9小钻头液压缸快进大钻头液压缸快进+ - + - - - - - 碰到SQ2变工进小钻头液压缸快进+ - - + - - + - 碰到SQ3变工进大钻头液压缸工进+ - + - + - - - 碰到SQ4变快退小钻头液压缸工进+ - - + - + - - 碰到SQ5变快退大钻头液压缸快退碰到SQ6和小钻头+ - - - - - + - 液压缸快退碰到SQ7摆动马达旋转120摆动马达旋转1

17、20碰到SQ10夹紧缸松- + - - - - - - 开,停止4.液压元件设计选型液压泵及其驱动电机计算与选定(1液压泵的最高工作压力的计算。由表3-1和3-2可以查得液压缸的最高工作压力出现在工进阶段,。则小流量泵的最高压力为: 大液压泵仅在快进快退时向液压缸供油,由表3-1和3-2可知,快退时液压缸的工作压力比快进时大,则大流量泵的最高工作压力为: (2液压泵的流量计算。液压泵流量应考虑液压缸最大工作流量和回路的 泄漏,常取回路泄漏系数。如取,则小流量液压泵工作流量为: 大流量液压泵工作流量为: (3确定液压泵的规格。根据和查液压泵规格型号表,经查表得小流量泵选YB-D2.5型号的液压泵

18、;根据和查液压泵型号表,经查表得大流量泵选YB-D25型号的液压泵。(4确定液压泵驱动功率及电动机的规格。由表3-1和3-2知,最大功率 出现在快退阶段,已知泵的总效率为,则液压泵快退所需的驱动功率为: (5、选用电动机型号。查设计手册,选用Y系列(IP44中规格相近的Y112M-6-B3立式三相异步电动机,其额定功率2.2KW,转速940r/min。(6液压元件规格及型号、价格表3-4 液压元件规格及型号、价格序号元件名称规格型号额定流量L/min额定压力价格人民币/元1 双联叶片泵YB-D2.5 2.5 10 3002 双联叶片泵YB-D25 25 10 4303 溢流阀YF3E10B63

19、 16 904 溢流阀YF3E10B63 16 905 节流阀MG-6 15 31.5 46 节流阀MG-8 30 31.5 47 二位五通电磁阀25E-10 6.3 1278 二位五通电磁阀25E-10 6.3 1279 单向阀AF3-Ea10B63 16 1510 单向阀AF3-Ea10B63 16 1511 二位五通电磁阀25E-10 6.3 12712 二位五通电磁阀25E-10 6.3 12713 进给液压缸HSG-50 31.5 14514 进给液压缸HSG-50 31.5 14515 溢流阀YF3E10B63 16 9016 节流阀MG-8 30 31.5 417 三位四通电磁阀

20、 6.3 23018 摆动马达BM-C80 170 22519 单向阀AF3-Ea10B63 16 1520 三位四通电磁阀 6.3 23021 单项节流阀MK-6 15 31.5 2522 夹紧液压缸HSG-50 31.5 12723 液压锁YS6 32 13224 背压阀P-B25B 4525 背压阀P-B25B 4526 行程阀AXQFE10B 63 16 10x11=11027 三相异步电动机Y112M-6-B31200 价格总计算42245.油管类型的选择及油管尺寸的确定液压系统中使用的油管分硬管和软管,选择的油管应有足够的通流截面和承压能力,同时,应尽量缩短管路,避免急转弯和截面突

21、变。(1钢管中高压系统选用无缝钢管,低压系统选用焊接钢管,钢管价格低,性能好,使用广泛。(2铜管紫铜管工作压力在6.510MPa以下,易变曲,便于装配;黄铜管承受压力较高,达25MPa,不如紫铜管易弯曲。铜管价格高,抗震能力弱,易使油液氧化,应尽量少用,只用于液压装置配接不方便的部位。(3软管用于两个相对运动件之间的连接。高压橡胶软管中夹有钢丝编织物;低压橡软管中夹有棉线或麻线编织物;尼龙管是乳白色半透明管,承压能力为 2.58MPa,多用于低压管道。因软管弹性变形大,容易引起运动部件爬行,所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间。综上所述因此在此次设计中我采用的管道是无缝钢管。(4油管内径d按下式

22、计算: 式中q油管的最大流量,m/s;v管道内允许的流速,m/s,一般吸油管取0.55m/s,压力油管取 2.5 5m/s,回油管取1.52m/s。系统开发(5油管壁厚按下式计算: 式中 p管内最大工作压力; 材料的抗拉强度;n-安全系数,钢管p7MPa时,取n=8;p17.5MPa时,取n=4。根据计算出的油管内径和壁厚,查手册选取标准规格油管,选取的标准规格油管如图3-5所示。表3-5标准规格油管管路名称通过流量/(L/s允许流速/(m/s管道内径/m实际取值/m主泵吸油管2.5 0.8 0.0421 0.045主泵排油管2.56 4 0.017 0.0246.验算系统压力损失并确定压力阀

23、的调整值由于系统的管路布置尚未具体确定,整个系统的压力损失无法全面估算,故只能先按课本式(3-46估算阀类元件的压力损失,待设计好管路布局图后,加上管路的沿程损失和局部损失即可。但对于中小型液压系统,管路的压力损失甚微,可以不予考虑。压力损失的验算应按一个工作循环中不同阶段分别进行。(1快进滑台快进时,液压缸差动连接,由表3-1和表3-2可知,小钻头进油路上油液通过电液换向阀12的流量是27.1L/min,大钻头进油路上油液通过电液换向阀11的流量是55.3L/min,然后与液压缸有杆腔的回油汇合。柳州职业技术学院毕业设计论文 此值不大,不会使压力阀开启,故能确保两个泵的流量全部进入液压缸。回

24、油路上,大钻头进油路上油液通过电液换向阀7的流量是28.2L/min,小钻头进油路上油液通过电液换向阀8的流量是28.2L/min,然后与液压泵的供油合并,由此可算出快进时有杆腔压力p2与无杆腔压力p1之差。 此值是偏安全的。(2工进工进时,油液在进油路上通过电液换向阀7和电液换向阀8总的的流量为0.318L/min,在调速阀5和调速阀6处的总压力损失为0.5MPa;油液在回油路上通过换向阀2的流量是0.0162L/min,通过背压阀24和背压阀25的总流量为(0162+22L/min=22.162L/min,因此这时液压缸回油腔的压力为p2为 可见此值小于原估计值0.8MPa。故可重新计算工

25、进时液压缸进油腔压力p1,即 (3快退快退时,大钻头进油路上油液通过电液换向阀7的流量是22L/min,小钻头进油路上油液通过电液换向阀8的流量是27.1L/min;油液在回油路上通过单向阀9和单向阀10的总流量是53.13L/min。因此进油路上总压降为系统开发 此值较小,所以液压泵驱动电动机的功率是足够的。回油路上总压降为 此值与前面取得值的估计值相近,故不必重算。所以,快退时液压泵的最大工作压力p p应为 7.油液温升验算液压传动系统在工作时,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数转化为热能,使油温升高,导致油的粘度下降、油液变质、机器零件变形等,影响正常工作。为此,必

26、须控制温升T在允许的范围内,如一般机床 = 25 30 ;数控机床 25 ;粗加工机械、工程机械和机车车辆 = 35 40 。液压系统的功率损失使系统发热,单位时间的发热量 (kW可表示为 式中系统的输入功率(即泵的输入功率(kW; 系统的输出功率(即液压缸的输出功率(kW。若在一个工作循环中有几个工作阶段,则可根据各阶段的发热量求出系统的平均发热量对于本次设计的组合机床液压系统,其工进过程在整个工作循环中所占时间比例达95%柳州职业技术学院毕业设计论文 因此系统发热和油液温升可用工进时的发热情况来计算。工进时液压缸的有效功率(即系统输出功率为 这时大流量泵通过顺序阀10卸荷,小流量泵在高压下

27、供油,所以两泵的总输出功率(即系统输入功率为: 由此得液压系统的发热量为 即可得油液温升近似值: 温升小于普通机床允许的温升范围,因此液压系统中不需设置冷却器。四、PLC 控制系统设计1.PLC型号选择及接线图(1西门子PLC介绍德国西门子(SIEMENS公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛,在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子(SIEMENS公司的PLC 产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性高。S7系列PLC 产品可分为微型PLC(如S7-200,小规模

28、性能要求的PLC(如S7-300和中、高性能要求的PLC(如S7-400等。SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC,它适用于各行各业,各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行,或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。(2PLC型号选择液压控制系统有13输出,8输入,选择外形尺寸为1908062、本机I/O 数字量24入16出的S7-200CPU226 6ES721-2AD23-OXO(3工作循环图4-1启动,夹紧缸夹紧SB1进给缸快进大进给缸工进小进给

29、缸工进大进给缸快退小进给缸快退摆动马达旋转夹紧缸松开,停止SQ1SQ2SQ3SQ4SQ6SQ7SQ8SQ9SQ10图4-1(4I/O分配表4-1序号地址注释1 I0.0 启动按钮2 I0.1 急停按钮3 I0.2 松开4 I0.3 SQ1(夹紧到位5 I0.4 SQ2(气缸13快退到位6 I0.5 SQ3(气缸14快退到位7 I0.6 SQ4(气缸13快进到位8 I0.7 SQ5(气缸14快进到位9 I1.0 SQ6(气缸13攻进到位10 I1.1 SQ7(气缸14攻进到位11 I1.2 SQ8(一位置到位12 I1.3 SQ9(二位置到位13 I1.4 SQ10(三位置到位14 Q0.0 1YA(夹紧15 Q0.1 2YA(松开16 Q0.2 3YA(气缸13攻进17 Q0.3 4YA(气缸14攻进18 Q0.4 5YA(气缸13快进19 Q0.5 6YA(气缸14快