卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计

1、兰州工业学院毕业设计(论文题目 :卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计系 别 机械工程系专 业 机电一体化班 级姓 名学 号指导教师(职称 朱 琪 (副教授日 期兰州工业学院毕业设计(论文任务书 机械工程 系 2013 届 机电一体化技术 专业 毕业设计(论文任务书 注:本任务书要求一式两份,一份系部留存,一份报教务处实践教学科。摘 要针对卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计, 除了满足主机在动作和性能方面规定 的要求外,还必须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用 和维修方便等一些公认的普遍设计原则。液压系统的设计主要是根据已知的条件,来确 定液压工作方案、液压流量、压力和

2、液压泵及其它相关元件的设计。作为一种高效率的专用机床,组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。本 次设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例, 介绍该组合机床液压系统的设计方法 和设计步骤,其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系 统原理图的拟定、液压元件的选择、系统性能验算以及相关的 PLC 控制设计等。 关键词:组合机床;液压系统;液压元件; PLCABSTRACTAccording to the design of hydraulic system of horizontal drilling and boring machine, in addition t

3、o meet the host specified in the action and performance requirements, but also must meet the small size, light weight, low cost, high efficiency, simple structure, reliable work, convenient to use and repair and other recognized universal design principles. The design of hydraulic system is based on

4、 the known conditions, to determine the design of hydraulic project, hydraulic flow, pressure and hydraulic pumps and other related elements.As a special machine for high efficiency, combined machine tool is widely used in large numbers, many mechanical processing production. The design of the combi

5、nation machine tool hydraulic pressure system design as an example, introduces the design method of the hydraulic system of modular machine tool and the design procedure, including combination machine tool hydraulic pressure system condition analysis, determination of main parameters, formulate, pri

6、nciple diagram of hydraulic system of hydraulic components selection, system performance calculation and the related PLC control design etc.Key words:combination machine; hydraulic system; hydraulic components目录任务书 . . 1摘 要 . . I ABSTRACT . I I 1绪论 . . 1 1.1设计的目的、范围和背景 . . 1 1.2液压传动的发展历程及特点 . . 1 1.

7、2.1液压传动的发展历程 . . 1 1.2.2我国的液压技术发展 . . 1 1.2.3 液压技术的发展趋势 . . 2 1.3 液压传动的组成及特点 . . 3 1.3.1液压传动的组成 . . 3 1.3.2液压传动的特点 . . 3 1.4理论依据、实验基础和研究方法 . . 4 1.5预期的结果及其地位、作用和意义 . . 41.6本章小结 . . 52液压系统设计 . . 7 2.1组合机床工作情况分析,确定液压系统主要参数 . . 7 2.1.1负载分析 . . 7 2.1.2运动分析 . . 8 2.1.3确定液压缸的主要结构参数 . . 8 2.2设计方案,初拟液压系统原理图

8、 . . 11 2.2.1调速方式的选择 . . 11 2.2.2快速回路和速度换接方式的选择 . . 11 2.2.3 油源的选择和能耗控制 . . 12 2.2.4组成液压系统原理图 . . 132.3本章小结 . . 133 液压缸的设计 . . 15 3.1 液压缸的主要零件确定及其技术要求 . . 15 3.1.1 缸体 . . 15 3.1.2 缸盖 . . 15 3.2液压缸主要尺寸的确定 . . 16 3.2.1 液压缸壁厚和外径的计算 . . 16 3.2.2 缸筒结构设计 . . 17 3.2.3 液压缸工作行程的确定 . . 17 3.2.4 缸盖厚度的确定 . . 17

9、 3.2.5 最小导向长度的确定 . . 17 3.2.6 缸体长度的确定 . . 18 3.2.7活塞杆的强度校核 . . 18 3.3 液压缸的结构设计 . . 19 3.3.1缸体与缸盖的连接形式 . . 19 3.3.2 活塞杆与活塞的连接结构 . . 19 3.3.3 活塞杆导向部分的结构 . . 193.3.4 法兰盘与钢体连接 . . 20 3.3.5 活塞杆与工作台的连接 . . 203.4 本章小结 . . 204验算液压系统性能 . . 21 4.1验算系统压力损失 . . 21 4.1.1判断流动状态 . . 21 4.1.2计算系统压力损失 . . 21 4.2验算系统

10、发热与温升 . . 234.3本章小结 . . 245 液压站的设计 . . 25 5.1 液压站的结构设计 . . 25 5.1.1 液压泵组的安装方式 . . 25 5.1.2 油箱的设计 . . 26 5.2确定液压泵和电机的规格 . . 29 5.3阀类元件和辅助元件的选择 . . 30 5.3.1阀类元件的选择 . . 30 5.4其它元件的选择 . . 30 5.4.1过滤器的选择 . . 30 5.4.2 空气滤清器的选择 . . 32 5.4.3 压力表及压力表开关的选择 . . 33 5.4.4 液位计的选择 . . 33 5.4.5油管的选择 . . 34 5.5 液压控制

11、装置的集成方式 . . 35 5.5.1 集成块的设计原则 . . 36 5.5.2 集成块的结构设计 . . 37 5.5.3 集成块装配与调试 . . 38 5.6 液压站装配图的绘制 . . 385.7本章小结 . . 386 可编程序控制器控制系统 . . 39 6.1 液压系统 PLC 控制系统 . . 39 6.1.1 可编程序控制器的特点和应用 . . 39 6.1.2 PLC的发展趋势 . . 40 6.2 PLC液压缸设备的控制系统的设计 . . 40 6.2.1 应用程序设计要点 . . 40 6.2.2 工艺流程的编写 . . 43 6.2.3 输入输出电路 I/O口的分

12、配 . . 43 6.3 接线图的绘制 . . 44 6.4 梯形图的绘制 . . 45 6.5 指令表的转化 . . 47 6.6 安装调试 . . 48 6.7本章小结 . . 49结论 . . 50致谢 . . 51参 考 文 献 . . 521绪论1.1设计的目的、范围和背景随着科学技术和工业生产的飞跃发展, 国民经济各个部门迫切需要各种各样的质量 优、性能好、能耗低、价格廉的液压机床产品。 其中,产品设计是决定产品性能、质量、 水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。产品的设计包括液压系统的功能分析、工 作原理方案设计和液压传动方案设计等。这些设计内容可作为液压传动课程设计的内 容。

13、很明显,液压系统设计本身如果存在问题,常常属于根本性的问题,可能造成液压 机床的灾难性的失误。因此我们必须重视对学生进行液压传动设计能力的培养。1.2液压传动的发展历程及特点1.2.1液压传动的发展历程液压传动相对机械传动来说,是一门比较新的学科,它具有结构紧凑、传动平稳、 输出功率大、易于实现无级调速及自动控制等特点,因此发展很快。从 1795年英国制 造出世界上第一台水压机至今,液压传动已有二三百年的历史,但广泛的应用和推广仅 有六七十年。 19世纪末, 德国制造出液压龙门刨床, 美国制成液压六角车床和液压磨床, 但因当时没有成熟的液压元件以及机械制造工艺水平的限制, 液压传动技术的应用仍

14、不 普遍。第二次世界大战期间,一些兵器采用精度高、功率大的液压传动装置,大大提高 了兵器的性能,同时推动了液压技术的发展。战后,其迅速转向民用,在机床、工程机 械、农业机械、汽车、船舶等行业中逐步推广。20世纪 60年代后,随着原子能、空间技术、计算机技术的发展,液压技术的应用 更加广泛。目前,正在向高压、高速、高效、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度 集成化和模块化、提高可靠性技术及污染控制技术的方向发展。同时,液压元件和液压 系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等,又使液压技术的发展进入到 了一个新的阶段。1.2.2我国的液压技术发展我国的液压工业始于 20世纪 50年代,最

15、初只是应用于机床和锻压设备,后来发展 到拖拉机和工程机械上。自 1964年开始引进国外液压元件生产技术,并自行设计液压 产品以来,我国的液压元件生产从低压刀高压形成了系列。几十年来,随着我国工业水平的不断提高,液压传动技术被广泛应用在机械制造、 工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、航空航海、轻工、农机、渔业、 林业等各个方面,也被应用在宇宙航行、海洋开发、核能建设、地震预测等新的技术领 域中。1.2.3 液压技术的发展趋势液压技术中的重大进展是微电子技术和计算机技术在液压系统中的应用。 微电子技 术与液压技术相结合,创造出了很多高可能性、低成本的微型节能元件,为液压技术在 工业中

16、的应用开辟了更为广阔的前景。计算机控制是必然趋势,电液比例阀和伺服阀只能接受连续变化的电压或电流信 号,而计算机要求数字开关量,使用电液比例阀和伺服阀与计算机接口必须经过 D/A转 换和 A/D转换,极不方便。而数字液压泵、数字控制阀、数字液压缸等,即用数字量进 行控制并具有数字量输出响应特性的液压元件。 由于是可以直接与计算机接口, 不需 D/A数模转换器,是今后液压技术发展的重要趋向之一。计算机与液压技术的结合包括:计算机实时控制技术、计算机辅助设计(液压元件 CAD 和液压系统 CAD 、液压产品的计算机辅助试验(CAT 及计算机仿真和优化设计。 利用计算机闭环控制、最优控制和自适应控制

17、以及灵活的多余度控制等。计算机辅助设 计的基本特点是利用计算机的图形功能, 由设计者通过人机对话控制设计过程以得到最 优设计结果,并能通过动态仿真对设计结果进行检测。计算机辅助试验则可运用计算机 技术对液压元件及液压系统的静、动态性能进行测试,对液压设备故障进行诊断和对液 压元件和系统的数学模型辨识等。此外,高压大流量小型化与液压集成技术、液压节能与能量回收技术也成为近年研 究的重要课题。总之,随着科学技术的进步,液压技术也随之发展,拓宽范围,以适应各行各业新 技术的发展需求。1.3 液压传动的组成及特点1.3.1液压传动的组成(1 动力元件(油泵 :它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液

18、压力能; 是液压传动的动力部分。(2 执行元件(油缸、液压马达 :它是将液体的液压能转换成机械能。其中,油 缸做直线运动,马达做旋转运动。(3 控制元件:包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要无级调节 液动机的速度,并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。(4 辅助元件:除上述三部分以外的其它元件,包括压力表、滤油器、蓄能装置、 冷却器、管件及油箱等,它们同样十分重要。(5 工作介质:工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液,它经过油泵和液 动机实现能量转换。1.3.2液压传动的特点液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比较有以下优点:(1 在相同功率的情况下,体

19、积小、重量轻、结构紧凑,从而惯性小,可快速启 动和频繁换向,且能传递较大的力和转矩。(2 能方便地实现无级调速,且调速范围大,可达 100:1至 2000:1。而最低稳 定转速可低至每分钟几转,即可实现低速强力或低速大扭矩转动,不需减速器。(3 传递运动均匀平衡、方便可靠,负载变化时速度较稳定。(4 控制调节比较方便、省力,易于实现自动化,当与电气控制或气动控制配合 使用时,能实现各种复杂的自动工作循环,还可远程控制。(5 易于实现过载保护。同时液压元件可自行润滑,使用寿命较长。(6 液压元件易于实现标准化、通用化、系列化,便于设计制造和推广使用。元 件之间用管路连接时,在系统中的排列布置有较

20、大的机动性。(7 用液压传动实现直线运动一般比机械传动简单。液压传动同时存在的缺点如下:(1 由于采用液体传递压力,系统不可避免地存在泄漏,因而传动效率较低,不 宜于作远距离传动。(2 液压装置对油温变化比较敏感,运动件的速度不易保持稳定,同时对油液的 清洁程度要求较高。(3 为减少泄漏,液压元件制造精度要求高,加工工艺复杂,因而成本较高。(4 系统发生故障时,不易查找原因,维修难度较大。(5 系统或元件的噪声较大。总的来说, 液压传动的优点是主要的, 随着科学技术和设计、 制造工艺水平的发展, 其缺点正逐步得到改善,因此,液压传动有着广阔的发展前景。1.4理论依据、实验基础和研究方法液压传动

21、系统的设计是整个机器设计的一部分,它与主机的设计是密切相关的。当 经过全面方案论证,确定一部机器或机器的一部分的传动方式采用液压传动后,则考虑 液压传动系统设计的基本内容和一般流程如下: 明确对液压系统的要求; 分析主机工况,确定液压系统的主要参数; 进行方案设计,初拟液压系统原理图; 计算和选择液压元件; 验算液压系统的性能; 绘制正式系统工作图,编织技术文件。组合机床是以通用部件为基础, 配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和 夹具而组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或 多工位同时加工的方式,生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和 高

22、效率的优点,在大批、大量生产中得到广泛应用,并可用以组成自动生产线。组合机 床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式,能完成钻、扩、铰、镗孔、攻 丝、车、铣、磨削及其他精加工工序,生产效率比通用机床高几倍至几十倍。液压系统 由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点,在组 合机床中得到了广泛应用。1.5预期的结果及其地位、作用和意义本次设计主要针对液压泵站的结构设计以及对液压系统的设计和电气控制系统的 设计。液压系统设计包括拟定液压系统原理图,液压元件的选择,液压系统参数的计算 与校核以及液压缸主要参数的确定;控制系统的设计主要包括电气控制原理图的拟定, 电

23、气元件的选型等。本文共分为 6部分:1. 绪论 简述本课题研究的主要目的和意义,介绍液压传动的发展历程及特点,以 及液压泵站在国内外的发展概况,提并出本文的主要研究工作和内容。2. 液压系统设计 通过所给数据进行计算,并设计出合理的液压系统。3. 液压缸的设计 根据所得数据和液压缸工况的分析,对液压缸进行结构设计。4. 验算液压系统性能 对液压系统在不同工况下的损失进行计算,以及对油箱温升 的计算来确定是否需要冷却装置。5. 液压泵站的设计 对回路换接和调速方式进行选择, 以及油源的选择和能耗的控 制,最终组成原理图。6. 控制系统设计 设计电气控制原理图,并选择相关的电气元件。1.6本章小结

24、本部分主要内容包括:针对卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计,说明了本次设 计课题的作用和意义,并对本论文所涉及的内容进行了概括性的讲述。2液压系统设计2.1组合机床工作情况分析,确定液压系统主要参数 2.1.1负载分析工作负载错误!未找到引用源。 摩擦负载静摩擦负载 错误!未找到引用源。动摩擦负载 错误!未找到引用源。惯性负载错误!未找到引用源。根据以上计算,得出液压缸在各工作阶段的负载如表 2-1所示。 表 2-1 液压缸在各工作阶段的负载 /N 注:1. 取工进时的最大速度 错误!未找到引用源。 mm/s;2.错误!未找到引用源。 ; 错误!未找到引用源。 ;3.取液压缸的机械效率 错误!

25、未找到引用源。 。由表 2-1数值绘制负载循环图如图 2-1所示 。 图 2-1 负载循环图 图 2-2 速度循环图2.1.2运动分析根据 错误!未找到引用源。 ,取 错误!未找到引用源。 ,绘制出速度循环图如图 2-2所示。2.1.3确定液压缸的主要结构参数执行元件的工作压力可以根据伏在循环图中的最大负载来选取, 也可以根据 主机的类型了确定(见表 2-2和表 2-3 。表 2-2 按负载选择执行元件的工作压力 表 2-3 各种机械常用的系统工作压力 所设计的动力滑台在工进时负载最大,其值为 22778N ,其它工况时的负载 都相对较低, 参考表 2-2和表 2-3按照负载大小或按照液压系统

26、应用场合来选择 工作压力的方法,初选液压缸的工作压力 p 1=3MPa。为了节省能源宜选用较小流量的油源。 利用单活塞缸差动连接满足快进速度 的要求, 且往复快速运动速度相等, 这样就给液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 规定 了 错误!未找到引用源。 的关系。在钻孔加工时, 为了防止孔被钻通时负载突然消失而产生的钻头前冲, 液压 缸回油腔应有一定的背压,查液压工程手册(回油路带调速阀的调速系统 /回油路带背压阀 取背压为 错误!未找到引用源。 。由此求得液压缸无杆腔面积为 由 GB/T2348-1980查得标准值为 D =10cm, d =8cm。由此计算出液压缸的实际 有效面积为 按工作进给

27、速度检验液压缸结构尺寸。查产品样本, Q 型调速阀的最小稳定 流量为 错误!未找到引用源。 ,则 本例 错误!未找到引用源。 ,能满足工作进给速度要求。快速进给时液压缸做差动连接。 由于管路中有压力损失, 去此项损失为 错误! 未找到引用源。 ,同时假定快退时回油压力损失为 0.5MPa 。根据以上数据, 可以计算出液压缸在一个工作循环各阶段的压力、 流量和功 率,如表 2-4所示,并根据此绘制出其工况图如图 2-3所示。表 2-4 液压缸在不同阶段所需压力、流量和功率 注:取液压缸机械效率 错误!未找到引用源。 。 (a p-t (b q-t(c P-t图 2-3 液压缸工况图2.2设计方案

28、,初拟液压系统原理图根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析, 所设计机床对调速范围、 低 速稳定性有一定要求,因此速度控制是该机床要解决的主要问题。速度的换接、 稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。 此外, 与所有液压系统的设计要求 一样,该组合机床液压系统应尽可能结构简单,成本低,节约能源,工作可靠。 2.2.1调速方式的选择11由于机床液压系统调速是关键问题, 因此首选调速回路。 有工况图可知:所 设计的机床液压系统功率小, 为了防止孔被钻通时负载突然消失而产生的钻头前 冲,液压缸回油腔应有一定的背压,故可采用回油路调速阀调速回路。2.2.2快速回路和速度换接方式的选择本系统已选定差

29、动连接回路作为快速回路。 所设计多轴钻床液压系统对换向 平稳性的要求不高, 流量不大, 压力不高, 所以选用价格较低的电磁换向阀控制 换向回路即可。 为便于实现系统保压, 选用三位四通电磁换向阀。 为便于实现系 统保压, 应考虑选用 O 型中位机能。 由前述计算可知, 当工作台从快进转为工进 时,进入液压缸的流量由 22.62 L/min降为 0.942 L/min,可选二位二通电磁换 向阀来进行速度换接, 以减少速度换接过程中的液压冲击, 如图 2-4所示。 由于 工作压力较低, 控制阀均用普通滑阀式结构即可。 由工进转为快退时, 在回路上 并联了一个单向阀以实现速度换接。 为了控制轴向加工

30、尺寸, 提高换向位置精度, 采用行程开关做终点转换控制。 图 2-4 速度换接回路2.2.3 油源的选择和能耗控制从工况图上可以清楚地看到:整个工作循环过程中, 液压缸要求交替提供快 行程的低压大流量和慢行程的高压小流量油液。最大流量与最小流量之比约为 24。而快进、快退所需时间为12 工进时间为 即 从降低成本的角度出发, 不宜选用双联泵, 只需用单个定量泵就可以。 现确定定 量泵方案如图 2-5所示。 图 2-5 泵供油油源2.2.4组成液压系统原理图根据上面选定的基本回路, 在综合考虑设计要求, 便可组成完整的液压系统 原理图,如图 2-6所示。2.3本章小结通过调速方式的选择,和液压换

31、接回路的选择,以及油源和能耗的控制, 最后初步拟定液压系统原理图,从而初步确定设计方案。13 图 2-6 原理图143 液压缸的设计液压缸是液压传动系统中的执行元件, 用来实现工作机构直线往复运动或小 于 360摆动运动的能量转换装置。活塞缸结构简单、工作可靠,因此在液压系 统中得到了广泛的使用。 在完成了液压系统的设计后, 还必须对主要参数进行计 算与校核,确定液压缸的材料,并对液压缸各部分的结构进行了设计。3.1 液压缸的主要零件确定及其技术要求3.1.1 缸体液压缸缸体的常用材料一般为 20、 35、 45号无缝钢管,铸铁可采用 HT200 HT350间的几个牌号或球墨铸铁。 由于球墨铸

32、铁具有较高的抗拉强度和 弯曲疲劳强度,也具有良好的塑性和韧性,其屈服度比钢高。因此,球墨铸铁制 造承受静载荷的构件比铸钢节省材料,重量也轻。所以本设计的液压缸采用 Q235。铸件需进行正火消除内应力处理。1.缸体的内径因为须与活塞配合,防止漏油,所以要尽量减少表面粗糙度, 可采用 H8、 H9配合。当活塞采用橡胶密封圈时, Ra 为 0.10.4m,当活塞用活 塞环密封时, Ra 为 0.20.4m,且均需研磨。2.缸体内径 D 的圆度公差值可按 9、 10、 11级精度选取,圆柱度公差应按 8级精度选取。3.缸体端面的垂直度公差可按 7级精度选取。4.缸体与缸头采用螺纹连接时,螺纹应用 6级

33、精度的米制螺纹。5.当缸体带有耳环或轴销时,孔径 D 或轴径 d 的中心线对缸体内孔轴线垂 直公差值按 9级精度选取。此液压缸体的外径需要与机架配合, 应进行加工, 且与中心线同轴度的要求。 装卸时需把吊环螺栓吊起。所以缸体端部选用螺纹连接,螺纹连接径向尺寸小, 质量轻,使用广泛。装卸需用专用工具,安装时应防止密封圈扭曲。3.1.2 缸盖本液压缸采用在缸盖中压入导向套, 缸盖选用 HT200铸铁, 导向套选用铸铁15HT200,以使导向套更加耐用。3.1.3 活塞液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁, 灰铸铁, 钢及铝合金等。 本设计液压缸 活塞材料选用 45号钢,需要经过调质处理。1.活塞外径 D

34、 对内孔 d 的径向跳动公差值,按 7、 8级精度选取。2.端面 T 对内径 d 轴线的垂直度公差值,应按 7级精度选取。3.外径 D 的圆柱度公差值,按 9、 10、 11级精度选取。4.活塞与缸体的密封结构由前可以选用 O 型密封圈。3.2液压缸主要尺寸的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定,对不同用途的液压设备, 由于工作条件不同, 通常采用的压力范围也不同。 所以设计时, 可用类比法来确 定。液压缸的工作压力 99. 1P =MPa ,缸筒内径 D=80mm,活塞杆外径 d=50mm。3.2.1 液压缸壁厚和外径的计算1. 液压缸壁厚计算2P max D =(3 1式中 , 液压缸壁厚(m ;D液压缸内