机电课程设计压力机液压系统的电气控制设计

湖南工业大学

机床电气控制技术

课程设计

资料袋

机械工程学院（系、部）2012〜2013学年第二学期

课程名称机床电气控制技术指导教师职称

学生姓名陈军专业班级机械设计班级10405700404学号

题目__________________压力机液压系统的电气控制设计___________________

成绩起止日期2013年6月24日〜2013年6月28□

目录清单

序号材料名称资料数量备注

1课程设计任务书1

2课程设计说明书1

3电气控制电路图1

4可编程控制器硬件接线图1

5状态转移图、梯形图1

6控制梯形图1

课程设计任务书

2012—2013学年第二学期

机械工程学院（系、部）机械设计制造及其自动化专业机设1003班级

课程名称：机床电气控制技术

设计题目：压力机液压系统的电气控制设计

完成一、设计的主要技术参数

期具体要求见课程设计指导书

限：二、设计任务

自完成系统的继电器控制原理图、PLC控制原理图及设计说明书一份

2013三、设计工作量

年6电气图2-3张，不得少于15页

月电气图2-3张，不得少于15页

24

日至

2013

年6

月

28

FI共

1周

起止日期工作内容

进

讲解设计目的、要求、方法，任务分工

度6.24

安

根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点

排

数、类型，确定输入、输出设备及元器件种类、数量，初

6.25

步选定PLC型号

HUNANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

机床电气控制技术

设计说明书

压力机液压系统的电气控制设计

起止日期：2013年6

月24日至2013年

6月28日

学生姓名

班级

学号

成绩

指导教师（签字）

机械工程学院（部）

2013年6月17日

目录

-、课程设计的内容与要求.......................-1-

1.1课程设计对象简介.................................-1-

1.2压力机结构及工作要求.............................-1-

1.3液压系统工作原理及控制要求.......................-2-

1.4课程设计的任务...................................-4-

二、电气控制电路设计...........................-4-

2.1继电器■接触器电气控制电路的设计..................-4-

2.2继电器-接触器电气控制电路图分析及介绍............-5-

2.3选择电气元件.....................................-9-

三、压力机的可编程控制器系统的设计............-10-

3.1可编程控制器控制系统设计的基本原则..............-10-

3.2可编程控制器系统的设计..........................-1()-

四、设计体会与总结.............................-15-

五、参考资料...................................-16-

机床电气控制技术课程设计

-、课程设计的内容与要求

1.1课程设计对象简介

压力机是锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、粉末冶金、成形、打包等加工工艺中

广泛应用的压力加工机械设备。液压压力机（简称液压机）是压力机的一种类型,

它通过液压系统产生很大的静压力实现对工件进行挤压、校直、冷弯等加工。液

压机的结构类型有单柱式、三柱式、四柱式等形式，其中以四柱式液压机最为典

型，它主要由横梁、导柱、工作台、上滑块和下滑块顶出机构等部件组成，结构

原理图如图1T所示。

1.2压力机结构及工作要求

图1-1四柱液压机结构原理图

「床身2-工作平台3-导柱4-上滑块

5-上缸6-上滑块模具7-下滑块模具

由图1-1所示，主机为三梁四柱式结构，上滑块由四柱导向、上液压缸驱动,

-1-

机床电气控制技术课程设计

实现“快速下行一慢速加压一保压延时一快速回程一原位停止”的动作循环。下

液压缸布置在工作台中间孔内，驱动下滑块实现“向上顶出f向下退回”或“浮

动压边下行一停止一顶出”的动作循环。压力机液压系统以压力控制为主，系统

压力高，流量大，功率大，尤其要注意如何提高系统效率和防止产生液压冲击。

由上液压缸和下液压缸动作循环路线可以画出液压机的工作循环图，如图

1.3液压系统工作原理及控制要求

由设计任务书可知，设计任务为3150KN通用液压系统。

1.31315OKN通用液压系统工作原理及特点

图1-3为3150KN通用液压机的液压系统图。系统有两个泵，主泵1是一个

高压、大流量恒功率（压力补偿）变量泵，最高工作压力由溢流阀4的远程调压

阀5调压。辅助泵2是一个低压小流量定量泵，用于供应液动阀的控制油，其压

力由溢流阀3调整。

该系统采用高压大流量恒功率变量泵供油和利用滑块自重充液的快速运动回

路，既符合工艺要求，又节省了能量；采用单向阀13保压及由顺序阀11和带卸

载阀芯的充液阀14组成的泄压回路，结构简单，减小了由保压转换为快速回程

时的液压冲击。

-2-

机床电气控制技术课程设计

图1-33150KN通过液压机液压系统图

1一主泵2—辅助泵3.4.18一溢流阀5—远程调压阀6.21—电液换向阀

7一压力继电器8—电磁换向阀9—液控单向阀10、20—背压阀11一顺序

阀12—液控滑阀13—单向阀14—充液阀15一油箱16一上缸17一下

缸19一节流器22一压力表

1.3.23150KN通用液压机液压系统性能分析

-3-

机床电气控制技术课程设计

由以上的工作原理及特点分析可知，该机液压系统主要由压力控制回路,

换向回路，快慢速转换回路,以及平衡锁紧回路等组成。其主要性能特点如下：

1）系统采用高压大流量恒功率（压力补偿）柱塞变量泵供油，通过电液换向

阀6.21的中位机能使主泵1空载起动，在主、辅液压缸原位停止时主泵1卸荷，

利用系统工作过程中工作压力的变化来自动调节主泵1的输出流量与上缸的运

动状态相适应，这样既符合液压机的工艺要求，又节省能量。

2）系统利用上滑块组件的自重实现主液压缸（上缸）快速下行，并用充液

阀14补油，使快速运动回路结构简单，补油充分，且使用的元件少。

3）系统采用带缓冲装置的充液阀14.液动换向阀12和外控顺序阀11组成的泄压

回路，结构简单，减小了上缸由保压转换为快速回程时的液压冲击。

4）系统采用单向阀13.14保压，并使系统卸荷的保压回路，在上缸上腔实现保

压的同时实现系统卸荷，因此系统节能效率高。

5）系统采用液控单向阀9和内控顺序阀组成的平衡锁紧回路，使上缸组件在任

何位置能够停止，且能够长时间保持在锁定的位置上

1.4课程设计的任务

1.在1周时间内，根据给定任务（具体见课程设计指导书），绘制电气原理图

一张，要求有布局合理，功能完善，有技术要求及明细栏；

2.有PLC设计内容的（由指导教师指定），要求给出程序框图和源程序清单；

3、编写设计计算说明书一份，不得少于15页。要求有目录、设计任务书及

元器件选型计算、原理说明、功能说明、控制器的选择、程序清单、调试结论、

参考资料等。

二、电气控制电路设计

2.1继电器-接触器电气控制电路的设计

根据液压机的系统性能以及特点的分析之后，还需要考虑了以下几个方面:

-4-

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1.电气控制线路与机械配合相当紧密，因此分析中要详细了解机械结构与电气

控制的关系，但机械结构相对比较复杂。

2.控制线路中设置了变速冲动控制，从而使变速顺利进行。

3、为了操作方便，采月多地控制，实现两地启、停。

4、具有完善的电气联锁，并具有短路、零压、过载及超行程限位保护环节根

据设计要求我们设计了如图2-3所示的继电器-接触器电气控制电路图。

2.2继电器■接触器电气控制电路图分析及介绍

2.2.1通过以上分析，可得出图「3中每个换向阀每个电磁铁的动作顺序,

如表2-1所示。

表2T3150KN通用液压机的电磁铁动作顺序表

动作程序1Y2Y3Y4Y5Y

快速下行+---+

慢速加压+----

上

保压-----

缸

泄压回程-+---

停止-----

顶出--+--

下

退回---+-

缸

压边+----

2.2.2动作分析

（1）启动如图2-1所示。按启动按扭SB2,KM1得电吸合，常开开关KMI闭合，主泵

供油，电磁铁全部处于失电状态，主泵1输出的油经三位四通电液换向阀6中位及阀21中位

流回油箱，空载启动。

（2）上缸快速下行按启动按扭SB3,KA1得电吸合，其控制的常开开

-5-

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关KA1闭合，电磁铁1Y、5Y先后得电，阀6换至右位，控制油经阀8右位使液

控单向阀9打开。

进油路：泵1一换向阀6右位一单向阀13f上缸16上腔。

回油路：上缸16下腔液控单向阀9f换向阀6右位-＞换向阀21中位-＞油箱。

上缸滑块在自重作用下迅速下降，泵1虽处于最大流量状态，仍不能满足其需

要，因而上缸上腔形成负压，上部油箱15的油液经液控单向阀14(充液阀)进

入上缸上腔。

图2-1

(3)上缸慢速接近工件。当上缸滑块降至一定位置触动行程开关2s后，SQ2

失电断开，电磁铁5Y失电，阀8处于原位，液控单向阀9关闭。上缸下空油液

经背压阀10、阀6右位、阀21中位回油箱。这时，上缸上腔压力升高，充液阀

14关闭。上缸在泵1供给的压力油作用下慢速接近工件。当上缸滑块接触工件

后，阻力急剧增加，上腔压力进一步提高，泵1的输出流量自动减小。

(4)保压。当上缸上腔压力达到预定值时，压力继电器KP吸合，常

闭开关KP断开，使电磁铁1Y失电，阀6回中位，上缸的上、下腔封闭，单向阀

13和充液阀14使上缸上腔保压，保压时间由时间继电器KM2调整。保压期间，

泵1经阀6.阀21的中位卸载。

(5)泄压，上缸回程。如图2-2所示。保压过程结束，时间继电器KM2

发出信号，其控制的常开开关KM2闭合，接触器KA2得电吸合，电磁铁2Y得电，

阀6换至左位，同时开关KA2闭合，形成自锁。由于上缸上腔压力很高，液动滑

阀12处丁上位，压力油经阀G左位及阀12上位使外控顺序阀11开启。此时■泵

1输出油液经顺序阀11回油箱。泵1在低压下工作，此压力不足以打开充液阀

14的主阀芯，而是先打开阀14中的卸载芯，使上缸上腔油液经此卸载阀芯开口

泄回上部油箱15,压刀逐渐降低。

当上缸上腔压力泄至一定值后，液动滑阀12回到下位，外控顺序阀11关闭,

泵1供油压力升高，阀14完全打开，此时油液流动情况为

进油路：泵1-换向阀6左位一液控单向阀9f上缸下腔。

回油路：上缸上腔一充液阀14f上部油箱15。实现主缸快速回程。

(6)上缸原位停止。当上缸滑块上长至触动行程开关IS,SQ1触点失电断

开，电磁铁2Y失电，阀6处于中位，液控单向阀9将主缸下腔封闭，上缸原位

停止不动。泵1输出油经阀6、阀21中位回油箱，泵卸载。

(7)下液压缸顶出及退回按下开关SB5,接触器KA3得电，电磁铁3Y得电，

换向阀21换至左位

进油路：泵1一换向阀6中位一换向阀21左位一下缸17下腔。

-6-

机床电气控制技术课程设计

回油路：下缸17上腔一换向阀21左位一油箱。下液压缸活塞上升，顶出。

按下开关SB6,接触器KA4得电，电磁铁4Y得电，同时电磁铁3Y失电：换

向阀21换至右位，下液压缸活塞下行，退回。

图2-2

(8)浮动压边作薄板拉伸压边时，要求下缸活塞上升到一定位置后,

既保持一定压力，又能随上缸滑块的下压而下降。这时，换向阀21处于中位,

上缸滑块下压时下缸活塞被迫随之下行，下缸下腔油液经节流器19和背压阀20

流回油箱，使下缸下腔保持所需的压边压力。调节背压阀20即可改

变浮动压边力。下缸上腔则经阀21中位从油箱补油。溢流阀18为下缸下.腔

安全阀。

-7-

机床电气控制技术课程设计

1M

2!

A

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519

w

g

d

8

1i

.,.5

图2-3电气控制电路图

-8-

机床电气控制技术课程设计

2.3选择电气元件

对于电气元件的选择，我们应注意以下几点：

⑴根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气元件类

型。如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电路时，应选择交流接

触器；若元件用于切换功率较小的电路(如控制电路)时，则应选择中间继电器;

若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。

(2)根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的

负载能力及使用寿命。

(3)掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等。

⑷为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的技术和校

核。

根据以上步骤及参考资料的查找制定了本课程设计中继电器元件表(见表2-2)0

表2-2电动机和电器元件明细表

代号名称型号

QS总电源开关HZ1-60/3

FU1熔断器RL1-60/40

FU2熔断器RL1-15/4

FU3熔断器RL1-15/4

FU4熔断器RL1-15/4

FR1液压泵1热继电器JR10-1()1()A

FR2液压泵2热继电器JR10-106A

KM1液压泵启动接触器CJO-40

KM2延迟继电器接触器CJO-20

KA1-KA5对应1Y-5Y接触器JZ7-44127V

1Y-5Y电磁铁36V

TL1直流变压器BK-150380/127/36V

TL2变压器BK-150380/127/36V

SB1总停止按钮LA2

SB2泵启动按钮LA2

SB3快速下行按钮LA2

SB4下缸停止按钮LA2

SB5下缸顶出按钮LA2

SB6下缸退回按钮LA2

SQ1行程开关LX3-11H

SQ2行程开关LX3-11H

KP压力继电器接触器PFT—L4

VC直流电源36V

EL照明灯具JC6-1

S1照明灯开关TCL_A6

-9-

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三、压力机的可编程控制器系统的设计

3.1可编程控制器控制系统设计的基本原则

在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。

(1)最大限速地满足控制要求

充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设

计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要

注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑

难问题。

(2)保证系统安全可靠

保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统

的重要原则。

(3)力求简单，经济，使用与维修方便

在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要

注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。

(4)适应发展的需要

适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

3.2可编程控制器系统的设计

(1)可编程控制器选型

本系统有输入信号九个，输出信号有七个，均为开关量。根据输入输出的点数、

类型及控制要求，同时考虑到维护、改造和经济性等诸多因素，可以选择

FX2N-32MR,这样共有16个输入点、16个输出点，可以满足控制要求。

(2)I/O地址分配

根据系统要完成的动作，考虑在下液压缸顶出和退回时可能需要点动操作方

式，方便调节压边时间以保证工件加工的要求。设定输入/输出控制信号，其I/O

地址分配如下表3.1,

表3-1I/O地址分配表

输入信号输出信号

代号功能I点代号功能。点

SB2启动液压泵X0KM1泵启动Y0

SB3快速下行XIKA1慢速下行Y1

SQ2行程开关2SX2KA2泄压回程Y2

KP压力继电器X3KA3下缸顶出Y3

SQ1行程开关1SX4KA4下缸退回Y4

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SB5下缸顶出X5KA5和Y1实现快速下行Y5

SB6下缸退回X6指示灯Y6

SB4下缸停止X7

SBI总停止X10

(3)可编程控制器的输入\输出点地址编号及硬件连接线

将输入信号.输出信号按功能类型分配，与可编程控制器的输入\输出端

一一对应连接。如下图3-1所示。

图31可编程控制器硬件接线图

⑷软件编制

根据系统要求可知，但系统开始运行时，指示灯首先亮，用启动抓冲

M8002直接使程序进入等待状态。最后用END指令结束指令。控制梯形图如图3-2

所示，根据控制梯形图写出语句表如表3-2所示。

-11-

机床电气控制技术课程设计

M8002

0006)

X010X000

{Y000)

Y000

X003X001Y002

Tk0001)

Y001X002

<1005)

X003K100

T卜<10)

TOX004Y001

T0002)

Y001X005Y002Y004

丸0003)

Y003

HH

Y001Y002X006Y003

并{Y004)

Y004

MM

四}

图3-2控制梯形图

表3-2系统语句表

步序指令数据步序指令数据

1LDM800217ANIX004

2ourY00618ANIY001

3LDIX01019OUTY002

4ANDxooo20LDIY001

5ORY00021ANDX005

6OUTY00022ORY003

-12-

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7LDIX00323ANIY002

8ANDX00124ANIY004

9ORY00125OUTY003

10ANTY00226LDTY001

11OUTY00127ANIY002

12ANIX00228ANDX006

13OUTY00529ORY004

14LDX00330ANIY003

15OUTTO31OUTY004

K10032END

16LDTO

绘制系统的状态转移图和步进梯形图，如图3-3所示，根据梯形图编写的

指令表见表3-3.

表3-3系统指令表

步序指令步序指令步序指令

1LDM800216SETS2231LDX5

2SETSO17STLS2232SETS25

3STLSO18LDTY533STLS25

4LDX1019OUTY134LDIY2

5ANDX020LDX335OUTY3

6SETS2021SETS2336LDX6

7STLS2922STLS2337SETS26

8SETYO23LDTY138STLS26

9LDXI24OUTTO39LDIY3

10SETS2125K10040OUTY4

11STLS2126LDTO41LDXI

12LDYO27SETS2442OUTSO

13OUTY128STLS2443RET

14OUTY529OUTY244END

15LDIX230LDIX4

-13-

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HSM2

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SB1XI。

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SB2-X0

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