毕业设计（论文）-基于PLC分拣机械臂液压系统设计

本科毕业设计（论文）题目：学院：专业：学号：学生姓名：指导教师：2024年6月1日作者签名 日期作者签名 日期导师签名 日期本科毕业设计(论文)1绪论2液压系统方案的制订与分析2.1基本参数设定系统最大压力：4MPa（后文选取）系统最大流量：56L/min（后文计算）油缸最大受力：25KN（设定为升降油缸最大负载力）快升快降速度：100mm/s（未知，设定）2.2液压系统方案的确定常用的液压系统回路方式有两种：一种是开式液压回路，一种是闭式液压回路。本文所设计的分拣机械臂液压系统，参照有关文献可知，采用开式回路无疑是更合理的，开式液压回路在维修保养方面更容易，也更符合机械臂的控制操作。(1)确定执行元件的类型根据工况分析可知，液压缸采用活塞杆，执行驱动动作。(2)确定液压系统回路类型常用的液压系统回路方式有两种：一种是开式液压回路，一种是闭式液压回路。本文所设计的液压系统，参照有关文献可知，采用开式回路无疑是更合理的，开式液压回路在维修保养方面更容易，也更符合机械臂设备的控制操作。(3)确定液压泵类型参考相关文献资料可知，液压系统中液压泵类型有定量泵、双联液压泵和变量泵。液压系统得工况很多，综合考虑下，最终选择变量泵。能够满足动力站液压系统的设计要求，也能够节省成本和提高效率。(4)选择控制元件通过前面分析了本次设计的液压系统的工作液压缸，需要左右运动，采用一个三四通电磁换向阀对液压缸进行换向左右驱动，中位采用Y机能。(5)选择保压控制方案选择换向阀中位采用Y机能，A口和B口中位与T口连接，卸油，需要设计一个双向液压锁用于锁死油路，保证了油缸到达一定位置，可以保持位置不变。通过以上分析可知，设置出了两套工作方案。如图2-1所示，一是通过双向液控单向阀来锁定活塞杆伸出的位置，二是通过电磁换向阀的中位O技能来保压，由于电磁换向阀为间隙配合，有泄漏不能保证保压的时间，而且还会随着磨损泄露更加的严重，因此采用方案一，双向液控单向阀对液压缸进行保压，就能够达到要求，使工作稳定。（a）换向阀Y型机能（b）换向阀O型机能1-液控单向阀；2-三位四通电磁换向阀Y型机能；3-三维四通电磁换向阀O型机能方案一方案二图2-1保压控制方案2.3液压系统原理图的设计与分析2.3.1液压系统原理图的设计图2-2分拣机械臂液压系统原理图2.3.2液压系统原理图的分析整个机械臂液压系统如上图2-2所示，主要由一个变量泵提供油液，四条支路，分别为：手部夹持系统、手臂升降系统、手臂伸缩系统、手臂回转系统。卸荷：当主系统中的电磁溢流阀7中的先导电磁阀的1YA通电，此时油液直接流回油箱卸荷。手臂升降系统：泵3供油，然后到达电磁阀11.2中位，当电磁铁5YA通电，油液经过电磁阀、双向液压锁12.2和双向节流阀13.2到达升降油缸15的无杆腔，推动油缸缸杆伸出，进而控制手臂升起；当电磁铁4YA通电，油液经过电磁阀、双向液压锁12.2和双向节流阀13.2到达升降油缸15的有杆腔，推动油缸缸杆缩回，进而控手臂下降。其中，电磁溢流阀7设定系统压力的同时可以卸荷；蓄能器10吸收油路震荡，稳定系统；双向液压锁可以锁死油路，保证油缸位置；双向节流阀可以调节系统的速度。手臂伸缩系统：泵3供油，然后到达电磁阀11.3中位，当电磁铁7YA通电，油液经过电磁阀、双向液压锁12.3和双向节流阀13.3到伸缩油缸16的无杆腔，推动油缸缸杆伸出，进而控制手臂伸出；当电磁铁6YA通电，油液经过电磁阀、双向液压锁12.3和双向节流阀13.3到达伸缩油缸16的有杆腔，推动油缸缸杆缩回，进而控制手臂缩回。其中，电磁溢流阀7设定系统压力的同时可以卸荷；蓄能器10吸收油路震荡，稳定系统；双向液压锁可以锁死油路，保证油缸位置；双向节流阀可以调节系统的速度。手臂回转系统：泵3供油，然后到达电磁阀11.4中位，当电磁铁9YA通电，油液经过电磁阀、双向节流阀13.4到回转马达17的左腔，马达顺时针旋转，进而控制手臂顺时针旋转；当电磁铁8YA通电，油液经过电磁阀、双向节流阀13.4到达回转马达17的右腔，马达逆时针旋转，进而控制手臂逆时针旋转。其中，电磁溢流阀7设定系统压力的同时可以卸荷；蓄能器10吸收油路震荡，稳定系统；双向节流阀可以调节系统的速度。手部夹持系统：泵3供油，然后到达电磁阀11.1中位，当电磁铁3YA通电，油液经过电磁阀、双向液压锁12.1和双向节流阀13.1到达夹持油缸14的无杆腔，推动油缸缸杆伸出，进而控制夹持；当电磁铁2YA通电，油液经过电磁阀、双向液压锁12.1和双向节流阀13.1到达夹持油缸14的有杆腔，推动油缸缸杆缩回，进而控制夹持松开。其中，电磁溢流阀7设定系统压力的同时可以卸荷；蓄能器10吸收油路震荡，稳定系统；双向液压锁可以锁死油路，保证油缸位置；双向节流阀可以调节系统的速度。2.3.3电磁铁循环动作表电磁铁动作循环表如下：2-2循环状态各功能电磁铁得电失电情况统计表工况1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA9YA卸荷+－－－－－－－－启动－－－－－－－－－手臂升起－－－－+－－－－手臂伸出－－－－－－+－－手臂正转－－－－－－－－+手部夹紧－+－－－－－－－手臂反转－－－－－－－+－手臂缩回－－－－－+－－－手臂下降－－－+－－－－－夹紧松开－+－－－－－－－停止复位－－－－－－－－－3液压系统的计算与选型3.1系统压力的选择升降油缸最大负载力为F=25KN在其它工况负载都不太高，参考表3-1和表3-2，初选液压缸的工作压力。3-1按负载选择执行元件工作压力负载/KN<55～1010～2020～3030～50>50工作压力/MPa<0.8～11.5～22.5～33～44～53-2各类液压设备常用工作压力机械类型粗加工机床半精加工机床粗加工或重型机床农业机械、小型工程机械液压压力机、重型机械大中型挖掘机械、起重运输机械工作压力/MPa0.8～23～55～1010～1620～32综上可知，考虑到实际，取系统最大压力选择为4MPa。3.2升降油缸的参数计算3.2.1油缸的缸径设计计算回油的油液压力一般为PO=0，已知最大负载为25KN，油缸受到最大力为25KN，系统工作压力P=4Mpa，则缸筒内径：(3-1)参照标准系列表，取D=100mm其中：D——缸筒的内径F1——液压缸最大推力P——液压缸最高工作压力η——液压缸总效率，通常取η=90%3.2.2油缸的壁厚设计计算当壁厚δ＞油缸内径的时候，即δ＞时，按厚壁筒公式计算：(3-2)当壁厚δ小于或等于油缸的缸径D的时,按薄壁筒公式计算,(3-3)式中：P——液压缸最大工作压力（MPa）[σ]——许用应力（Mpa），[σ]=，其中，σb为材料强度极限，n为安全系数；通常取n=3.5～5，δ——缸筒的壁厚（mm）查阅相关资料可得，45号钢的σb=600Mpa，中大型的工况，所以它的安全系数取6薄壁公式计算：δ≥用薄壁筒公式正确。考虑留有加工余量，取δ=5缸体外径尺寸：（3-4）3.2.3油缸的活塞杆设计计算首先根据速比的表选定速比。因为油缸的公称压力为4MPa，选取速比为2。通常是由速比μ得出计算出的，速比的定义是液压油缸收缩的速度与液压油缸伸出的速度之比，即：（3-5）速比通常都是大于1的，如果速度比越大，那么油缸的活塞杆杆径就会越大越大，这样就会越有利于活塞杆的稳定性，一般情况下，μ在1.25～2范围内变化。考虑到活塞杆的稳定性和强度以及上表中的压力，取μ=2。式中：d—活塞杆外径D—缸筒内径μ—速度比圆整并参考缸杆尺寸标准，取：d=75mm；由此求得液压缸两腔的实际有效面积为（3-6）（3-7）综上可知：升降油缸的基本参数为：缸筒内径D=100mm，缸筒外径D1=110mm，缸杆直径为d=75mm，行程根据实际安装设定。3.3液压泵的计算与选型3.3.1液压泵的最大工作压力确定液压泵最大工作压力按照下述计算公式计算：（3-8）式中：—液压元件最大工作压力；—进油路上总压力损失，（简单系统0.2-0.5MPa，复杂系统0.5-1.5MPa）则：∵所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%∴选取的液压泵要求额定压力为（3-9）3.3.2液压泵的最大流量确定液压泵流量的确定：（3-10）式中：K—系统泄露系数，一般取K=1.1～1.3，这里取K=1.2；—高压系统液压元件最大总流量，（油缸快升时流量最大）油缸快升时：（3-11）油缸快退时：（3-12）则：（3-13）根据计算压力和流量选择泵的型号为：A10VSO45变量泵，自适应负载变化而变化，压力范围0-35MPa流量范围：额定转速下的流量可达68L/min。3.4电机的计算与选型驱动功率为：(3-14)式中：—最大计算压力，—最大计算流量，—总效率，则：电动机一般允许在短时间内超载0-25%，因此，取电机的功率为5.5KW。故根据《机械设计手册》第五卷，选定Y132S-4型三相异步电动机，其额定功率为5.5KW，同步转速为1500r/min。3.5油箱的计算油箱容量可按下面的经验公式计算得到;也可按系统发热温升计算公式确定。(3-15)式中:V-油箱的有效容积(L);Qp-液压泵的最大流量(L/min);ξ-与系统压力有关的经验系数:低压系统ξ=2~4,中压系统ξ=5~7,高压系统ξ=10~12。由上式可知:又因液压油箱油液基本占据油箱2/3，所以油箱要比计算值大0-25%所以，油箱设计为250L油箱表3-3油箱容量JB∕T7938-199946.3102540631001602503154005006308001000125016002000315040005000630003.6管路的设计管道内径一般根据所通过的流量和允许流速，按下式计算：（3-16）（3-17）式中q—通过油管的最大流量ν—油管中允许流速d—油管内径;δ—油管壁厚;p—管内最高工作压力;σb—管材抗拉强度;n—安全系数。吸油管：油液流经吸油管时允许流速为0.5-1.5m/s，取v=1m/s，吸油管初步选择为10号冷拔无缝钢管，钢管内径为35mm，因此吸油管管壁厚5mm。所以：吸油管的尺寸为：内径35mm，外径45mm，壁厚5mm。同理可以计算出：回油管钢管内径25mm，壁厚3mm系统中压力管内径14mm，壁厚3mm。3.7液压元件及辅助件的选型表3-4各液压元件型号选择序号液压元件名称型号数量1吸油过滤器过滤器XU-16012泵A10VSO4513电机Y132S-414电磁换向阀4WE10Y45溢流阀DBW1016叠加式双向节流阀Z2FS1047压力表Y-10018空气滤清器QUQ319截止阀QJH110回油过滤器RF111联轴器LK10-80-28-45112双向液压锁Z2S10313蓄能器NXQ114单向阀S10G115液位计YWZ11、过滤器：根据系统压力和流量选择XU-160过滤器。2、蓄能器：根据系统压力选择囊式蓄能器NXQ。3、空气滤清器：根据实际油箱的大小，以及承载的系统压力和流量，选用空气滤清器QUQ3。4、联轴器：根据电机输出轴轴径45mm和泵的输入轴轴径28mm，选择联轴器LK10-80-28-45。5、电机：根据泵所需功率计算，选定Y132S-4型三相异步电动机，其额定功率为5.5KW，同步转速为1500r/min。6、单向阀：根据系统压力选择单向阀10通经，S10G，管式安装。4液压系统的验算4.1压力损失验算1、压力损失验算和小流量泵压力的调整进油路上考虑调速阀的压力损失，回油路上背压阀的压力损失，小流量泵的调整压力应等于液压缸的工作压力加上进油路压力差则（4-1）即小流量泵的溢流阀应按此压力调整。2、快进快退时的压力损失验算及大流量泵卸载压力的调整。因快退时，液压缸无杆腔的回油量是进油量的两倍，其压力损失比快进时要大，因此必须计算快退时的进油路和回油路的压力损失，以便确定大流量泵的卸载压力。已知：快退时进油管和回油管长度均为，中压油管直径d=14mm，通过的流量为进油路，回油路。液压系统选用L_HM_32号液压油，考虑最低工作温度为15℃，由文献【2】查出此油的运动粘度，油的密度，液压系统元件采用集成块式的配置形式。确定油流的流动状态参考文献中式1—30经单位换算为（4-2）式中：V—平均流速（m/s）d—油管内径（mm）—油的运动粘度（）q—通过的流量（）则进油路中的液流的雷诺数为回油路中的液流的雷诺数为因此可以判断，进油路中的流动是层流。 （2）沿程压力损失参考文献，可以算出进油路和回油路的压力损失在进油路上，流速（4-3）在进油路上，则压力损失是（4-4）在回油路上，则压力损失是（4-5）4.2系统温升的验算按照下式计算回路效率。（4-6）而：其中：又因为：，（4-7）验算系统温升。快进冲孔发热最大液压缸的输出功率（4-8）系统的总发热功率为：（4-9）已知油箱容积V=250L，出油液温升为（4-10）因为计算结果小于允许值，所以不采用风扇强制散热。5PLC电控回路设计5.1电器控制原理图分析图5-1电器控制原理图1)在主回路中，对于KM1来说，是一个交流接触器，功能是用来控制主路的液压泵和液压泵驱动电机。2)如果电机发生过载，那么需要在电机的回路中加上一个过载保护装置，本原理图上加热继电器FR1，这样可以实现整个电机的热过载保护的功能，使得电机免于损坏，起到保护电机的作用。3)设置一个电源的总开关，即QF，电源总开关设置有两个功能。其一是能对主电路起到一个保护作用，短路的保护，其二是可以分段开三相交流电源，分开后可以方便维修。4)设置熔断器，即FU1，起到的功能是能对每个负载的回路进行一个短路的保护。FU2得作用是既能完成交流控制回路，又能PLC控制回路的短路保护。5)控制电路设置了电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，这样设置的好处是可以防止受到电源干扰。6)隔离变压器TC的选用是根据PLC耗电量的具体情况进行配置的，一般来说，可以设置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。7)泵、电源开关分别设置了指示灯用于提示开启状态，HL1、HL2由KM1-1接触器常开辅助触点控制。8)电机M要实现过载保护，需由热继电器FR1实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA3连接构成过载保护信号，不仅如此，KA3还能对电压起到转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号，然后传输给PLC完成过载保护控制功能。9)电磁阀1YA/2YA/3YA/4YA/5YA/6YA/7YA/8YA/9YA分别由中间继电器KA1-1；KA2-1，KA2-2；KA3-1，KA3-2；KA4-1，KA4-2；KA5-1，KA5-2；触点控制。5.2电器参数计算与选型（1）分析断路器QF，脱扣电流。断路器就是供电系统的电源开关，他的主回路的控制的部分是电感性负载交流电机，断路器的过电流脱扣值一般有一个计算公式，通常按照电机启动电流的1.7倍取整计算。系统有4kW负载电动机一台，电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：IQF＝1.7IN=1.7×10A＝17A，选用IQF＝17A的断路器。（2）熔断器FU熔体额定电流IFU。表5-1元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号备注1M电动机1Y系列三相交流异步电动机2FR1热继电器1JR16B-20/3参照电动机整定电流3FU1～FU2熔断器2RL1-20熔体2～20A4QF断路器1C45AD脱扣电流10A5TC隔离变压器1BK-100变比1：1，AC220V6SB1起动按钮1LAY37绿色7SB2停止按钮1LAY37红色8SB3转换开关1LAY37-D2手动/自动转换9KM1交流接触器1DJX-9线圈电压：AC220V10KA中间继电器3HH52P线圈电压：AC220V11HL指示灯2AD16-22LED显示，AC220V12DT电磁阀14WE10Y线圈电压：AC220V13PLC可编程序控制器1FX2N-48