毕业设计两缸顺序动作组合机床的电液系统设计.docx
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毕业设计两缸顺序动作组合机床的电液系统设计
毕业设计(论文)说明书
题目:
两缸顺序动作组合机床的电液系统设计
姓名:
专业:
机电一体化技术
指导老师:
毕业设计(论文)任务书
一、课题名称
两缸顺序动作组合机床的电液系统设计
二、课题内容
设计一台两缸顺序动作组合机床的液压系统,要求液压系统:
(1)液压缸工作循环过程
A缸垂直向下快进——A缸垂直向下工进——A缸死挡铁停留——B缸水平向右快进——B缸水平向右工进——B缸快退——B缸原位停止——A缸向上快退——A缸原位停止
(2)A、B缸快进速度为4m/min、快退速度为5m/min,工进速度20~100mm/min;
(3)A、B缸进给最大行程为400mm,其中工进行程200mm;
(4)A、B缸最大切削力为12000N(连续切削加工且切削力变化不大),运动部件自重均为8000N;
(5)启动换向时间0.05s;
(6)导轨为平导轨,静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1。
三、课题任务要求:
1、液压系统:
设计液压系统图,完成工作循环图、电磁铁及其它元件动作表、液压系统原理图、液压元件目录表;设计液压缸(A缸)并绘制液压缸组件装配图
2、设计液压系统的电气控制原理图,完成工作循环图、电磁铁动作表、电气控制系统原理图、电器元件目录表。
3、PLC编程,完成指令表、梯形图、功能图、PLC外部接线图
4、毕业设计(论文)文字字数不少于1~2万字。
四、主要参考文献
[1]李壮云.液压元件与系统.北京:
机械工业出版社,2005
[2]姜继海,宋锦春.液压与气压传动.北京:
高等教育出版社,2002
[3]机械设计手册编委会.机械设计手册.北京:
机械工业出版社,2005
[4]成大先.机械设计手册(液压传动).北京:
化学工业出版社,2005
[5]郑德明,孙雪镠,王海柱等.机床电气控制.上海:
复旦大学出版社.2007
[6]邹建华,许小明,吴定智.液压与气动技术基础.武汉:
华中科技大学出版社.2007
[7]徐绍坤.PLC编程设计教程.北京:
中国电力出版社.2011
[8]张岚,弓海霞,刘宇辉.新编实用液压技术手册.北京:
人民邮电出版社.2008
[9]张利平.液压气动技术速查手册.北京:
化学工业出版社。
2007
论文摘要
本设计综合运用液压系统和机床电气的知识,设计一两缸顺序动作组合机床电液系统。
在分析系统的要求和工况情况下对系统中的重要部分:
电气原理设计、液压缸及PLC系统等进行了详细的设计与说明。
综合考虑液压执行元件的运动速度、调速范围、工作行程、载荷性质和变化范围,在满足各项要求的前提下,做到使系统简洁、操作简便和便于安装,最大限度选用零件标准化、系列化的零部件,减少专用件,从而降低了综合制造使用成本。
关键词:
液压,电气,PLC
Abstractofthesis
Thispaperbyuseoftheintegratedhydraulicsystemsandele-ctricalmachinesknowledge,designedofthesequentialactionoftwohydrauliccylindersandelectro-hydraulicsystemcombinedmachine.Intheanalysisofsystemrequirementsandconditionscase,theimportantpartswasdesignedandinstructed,especiallytheelectricalschematicdesign,hydrauliccylinderandthePLCsystem.Underthepremiseofthehydraulicactuatorvelocity,speedrange,theworkingstroke,thenatureandrangeoftheload,domakethesystemsimple,easytooperateandeasytoinstall.Theusedofpartsweremaximumstandardizationandserialization,reducedtheespecificparts,whichreducedtheuseofcomprehensivecosts.
Keywords:
Hydraulicsystem,Machineelectrical
第1章绪论
1.1选题来源
近年来,由于应用了电子技术、计算机控制技术、自动控制技术及新材料等技术,液压传动取得了新的发展,使液压元件及液压系统在水平上有了很大的提高。
我国液压工业经过50多年的努力,通过技术引进各科研攻关,产品水平得到很大提高。
研制和生产出了一批具有先进水平的产品。
限于我的学习水平和能力,这次选题还是基于最基本的设计,即设计此液压系统的主要部分。
参照大学期间所学过的课程与做实践,构成了此次毕业设计课题的主要来源。
1.2课题目的和意义
通过此次设计,可以了解一个液压系统的基本设计过程,以及一个液压系统的主要构成。
培养自己查阅有关文献资料、独立思考并解决问题的能力。
初步具备设计一组合机床的液压系统的能力。
熟悉相关的技术要求与规范。
1.3国内外发展概况及存在的问题
目前,国外液压技术的研究主要集中在以下几个方面。
(1)元件的小型化、模块化
(2)与微电子技术、计算机控制技术相结合,实现集成化、智能化和自动化
(3)降低能耗、不断提高液压元件的效率
(4)提高液压元件的可靠性
新型磁性材料的运用是与电磁阀、比例阀的性能提高结合在一起的。
由于磁通密度的提高,可以使阀的推力理大,其直接作用可使阀的控制流量更大,响应更快,工作更可靠。
(5)在液压元件产品设计中树立绿色产品设计概念,减小对环境的污染
在国内,液压元件电子控制方面已取得很大的进步,但与国外相比还存在很大的差距,真正能跟紧国外21世纪水平的不多。
结合我国迅速发展的电子信息技术,开发高技术的电子控制液压系统,完全有可能使我国在高技术液压元件中占有一席之地。
在降低能耗、提高各种液压元件效率方面,国内已经做了大量的工作,主要是通过引进国外技术来对液压元件本身进行节能改进。
在提高液压元件的可靠性方面,国内目前进展不大。
在液压元件产品设计中树立绿色设计概念、减少对环境污染方面,国内也做了大量工作,主要精力集中在纯水液压元件研制和开发上。
由此可知,我国追赶国际先进水平还有很长的一段路要走。
1.4本设计的指导思想
依据此次设计的两缸顺序动作组合机床电液系统的用途和工作条件,工作机构的结构特点,负载值,速度,行程大小和动作要求,液压系统所选定的工作压力和流量等。
此次设计内容和步骤大致如下:
明确液压系统的设计要求,进行工况分析。
确定液压系统的主要参数。
拟定液压系统原理图。
计算和选择液压元件。
液压系统的性能验算。
液压装置结构设计。
绘制正式工作图,编写技术文件,并编写出电气系统设计任务书。
第2章液压系统的设计
2.1明确液压系统设计要求
根据设计根要求××。
该系统的工作循环是:
A缸水平向左快进————A缸水平向左工进————A缸死挡铁停留————B缸垂直向下快进————B缸垂直向下工进————B缸水平向右快退————A缸原位停止
调查研究及计算结果表明AB缸快进速度为4m/mim(0.067m/s),快退速度为5m/mim(0.083m/s),工进速度20~100mm/mim.A.B缸进给最大行程为400mm,其中工进行程为200mm,AB缸最大切削力为12000N(连续切削加工并切削力变化不大)运动部件自重均为8000N,启动换向时间T=0.05S导轨为平导轨,静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1.
2.2A缸在工作过程各阶段的负载
1.启动加速阶段(快进)
F=(Ff+Fa)
=(fsG+
×
)
=(0.2×8000+
)×
N=2993N
2.启动加速阶段(快退)
F=(Ff+Fa)
=(fsG+
)
=(0.2×8000+
)×
N
=3283N
3.快进或快退阶段
F=
=
=
N=889N
4工进阶段
F=
=
=
=14222N
A缸各阶段速度和负载值列表2.1
工作阶段
速度v/(m.s)-1
负载F/N
快启动加速
2993
快启动加速
3283
快进,快退
0.067、0.083
889
工进
最小0.0003,最大0.0017
14222
表2.1
2.3B缸在工作过程个阶段的负载
1.启动速度(快进)
F=
×Fa=
(
)N=1215N
2启动速度(快退)
F=(G+Fa)
=(8000+
)
=10104N
3.快退阶段
F=G=8000N
4.工进阶段
F=14222N
将B钢在各阶段速度和负载值列表2.2
工作阶段
速度v/(m.s)-1
负载F/N
快进启动加速
1215
快退启动加速
10104
快退
0.067、0.083
18000
工进
最小0.0003,最大0.0017
12000
表2.2
2.4液压缸的主要参数的确定
液压系统的主要参数包括压力、流量和功率。
通常,首先选择系统设计压力,并按最大外负载各选定的设计压力计算液压缸的主要几何参数,然后根据对液压缸的速度要求,确定其流量。
压力和流量一经确定,即可确定其功率,然后可做出液压缸的工况图。
由此,分步算出液压缸的主要参数如下。
2.4.1初选液压缸的工作压力
在初选系统工作压力时,要综合考虑系统工作压力、设备类型、结构要求各技术水平。
若系统压力选的过低,则液压设备的尺寸和重量增加;若系统工作压力高,虽然系统尺寸减小,省材料,结构紧凑,较为经济,是液压系统的发展方向。
但是,提高压力将受到元件的强度、容积效率、制造精度等因素的限制,同时要注意治漏、噪声控制和可靠性问题的妥善处理。
由此,参考同类型液压系统的工作压力选取,见表2.1。
负载力(KN)
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
负载力(KN)
0.8~1
1.5~2
2~53
3~4
5~6
5~7
表2.3液压系统工作压力选取表
由负载值大小查表2.1取A缸工作压力为2MPa,B缸工作压力为1.7Mpa
2.4.2确定液压缸的主要参数
液压缸的缸筒直径、活塞杆的直径及有效面积是其主要结构参数。
一般的计算方法是:
先由最大负载和选取的设计压力及估取的机械效率算出有效面积,然后再检验是否满足在系统最小稳定流量下最低运行速度的要求。
由表2.1看出A缸最大负载为14222N按作用力(负载)大小和预选的工作压力计算缸筒内径D
D=
=
m=9.52×10-2m
查设计手册,按液压缸内径和列表将以上计算值整为标准直径,D=100mm,为了得到较稳定的工作采用差动调速。
由于快进速度为4m/min快退速度为5m/min
∴
5D2-5d2=4d2
d=0.45D
d=0.45×100=45mm
取d=50mm
同样圆整成标准活塞杆直径取d=50mm,由D=100mmd=50mm算出有效作用面积为A1=78.50cm2有杆腔有效作用面积A2=58.5cm2工进若采用调速调查产品样本,调速阀最小稳定流量qvmin=0.05L/min因最小工进速度VMIN=20mm/min
cm2=25cm2 所以能满足低速稳定要求 由表2.1看出B缸最大负载工进阶段的负载F=12000N D== = mm=9.48×10-2m 由于B缸工作要求与A缸结构一致,因此取B缸内径D与活塞杆的直径分别为100mm和50mm 2.4.3计算液压缸的工作压力流量和功率 1.工作压力 A缸差动快进阶段 P1= =0.54×106Pa 工进阶段 P1= =2.09×106Pa=2.09Pa 快速退回阶段 P1= =1.78×106Pa=1.88Mpa B缸 差动快进阶段 P1= Pb=0.36×106=0.36Mpa 工作进给阶段 P1= = =1.97MPa 快退阶段 P1= =4.6×106Pa=4.6Mpa 2.计算液压缸的输入流量 因快进速度V1=0.061m/s快退速度V2=0.083m/s 最大工进速度V=0.0017m/s 则液压缸各阶段的输流量 快进阶段为: Qv1=(A1-A2)v1=(78.5-58.5)×10-4×0.067m3/s 工进阶段为: Qv2=A1V2=78.5×10-4×0.0017m3/s=0.0123×10-3m3/s=0.8L/min 快退阶段为: Qv3=A2V3=27.1×10-4×0.083m3/s=0.22×10-3m3/s=13.2L/min 3.计算液压缸的输入功率 A缸 快进阶段 P=p1q1=0.54×106×0.344×10-3W=151.36W=0.15KW 工进阶段 P=p1qv1=2.09×106×0.013×10-3w=27.17w=0.021kw 快退阶段 P=qv1p1=1.88×106×0.22×10-3w=391w=0.391kw B缸 快进阶段 P=p1qv1=0.2636×106×0.344.10-3w=0.097kw 工进阶段 P=pqw=1.97×106×0.013×10-3w=0.024kw 快退阶段 P=pq=4.4×106×0.22×10-3w=0.968kw 现将A缸与B缸的工作压力与输入功率列表如下: 工作 阶段 工作压力p/mpa 输入流量 输入功率p/kw A缸 B缸 A缸 B缸 快速 前进 0.54 0.26 20.4 0.15 0.09 工作 进给 2.09 1.97 0.8 0.027 0.024 快速 退回 1.88 4.4 13.2 0.039 0.968 表2.4 2.5拟定液压缸原理图 根据设计任务和工况分析,该系统对调速范围,低速稳定性有一定要求,因此速度控制是该系统要解决的主要问题,速度的调节换接和稳定性事该系统设计的主要核心 2.5.1调速回路 在液压传动系统中,调速回路占有重要地位。 速度控制回路是指对液压执行元件的去过速度进行调节和变换的回路,即执行元件从一种速度变换到另一种速度的回路。 本系统的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性,故采用调速阀调速,这样有三种方案供选择,进油节流调速,回油节流调速,限压式变量泵和调速阀的容积节流调速,本系统为小功率系统效率和发热问题不突出,工进时切削力变化不大,而且是正负载,在其他条件相同的情况下,进油节流调速较好,故本系统采用调速阀的进油节流调速。 由表2.3得,液压系统的供油主要为低压大流量和高压小流量两个阶段,采用单个定量泵显然系统的功率损失大,效率低,为了提高系统效率和节约能源,所以采用双泵供油回路 2.5.2增速回路 增速回路是指在不增加液压泵流量的前提下,提高执行元件速度的回路。 由于选定了节流调速方案,所以油路采用开式循环油路,此外根据工作要求,选用单杆活塞式液压缸,为了使快进,快退速度相当,宜选用差动连接增速回路。 2.5.3速度换接回路 速度换接回路的功用是合液压执行器在一个工作循环中从一种速度变换到另一种速度,常见的转换包括快、慢速的换接和二次慢速之间的转接。 为了使速度换接平稳可靠,选用行程阀控制的速度换接回路 本系统对换向平稳性的要求不高,所以选用成本较低的电磁换向阀控制的回路,为了便于差动连接三位五通电磁换向阀,为了调整方便和便于其他支路,采用Y型中位机能换向阀。 由于采用双泵供油回路,采用外控顺序阀实现低于大流量泵卸荷,用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力,背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点,为了保持垂直缸放置的液压不因自重二自行下落,可将单向阀与顺序阀并联构成单向顺序调换油路。 最后画出液压原理图: 图2.1液压原理图 2.6液压元件的选择 液压系统中的元件分为四大类: 能量输入元件,如液压泵;能量输出元件,如液压缸或马达;控制元件,如各种控制阀;辅助元件,如油箱、管件、过滤器等。 前三类元件直接参与系统的能量传递功能,辅助元件尽管不直接参与能量传递,却是保证和改善系统功能所必需的。 液压系统的组成元件包括标准元件和专用元件。 在满足系统要求的前提下,应尽量选用现有的标准液压元件,不得已时才自行设计液压元件。 选择液压元件一般应考虑主机类型、原动机的特性、环境情况、安装形式、维护要求、系统要求,如压力和流量的大小、工作介质的种类、循环周期、操纵控制方式、冲击振动情况等。 综合以上液压元件的选用原则,现选用如下主要液压元件。 2.6.1选择液压泵 液压泵有齿轮泵、叶片泵、螺杆泵和柱塞泵等多种类型,各种泵间的特性有很大差异。 选择液压泵主要依据是其最大工作压力和最大流量。 同时还要考虑定定量和变量、原动机类型、转速、容积效率、总效率、自吸特性、噪声等因素。 由表2.3可知工进阶段B液压缸快退压力最大,若取进油路总压力损失Σ p1=0.5Mpa则液压泵最高工作压力得: Pp>p1+ p1=5mpa 因此泵的额定压力取6.25Mpa,将表2.3的流量值带入,可分别求出工进阶段泵供油量。 快速行进取泵流量: qvp>22.4L/min 工进时泵的流量: qvp=0.88L/min 考虑到节流调速系统中溢流的性能特点尚须加上溢流稳定工作的最小溢流,一般为3L/min,所以小流量泵为: qvp1=0.88+3=3.88L/min 大流量泵的流量为: qvp2=22.44-3.88=18.56L/min 查产品样本,选用大泵排量为V=20ml/rd的YB1型双联叶片泵,额定转速n=960r/min的大泵额定流量为: qv2=vnηv=2×10-3×960×0.9L/min=17.28r/min 基本可以满足要求,故本系统选用一台YB1-2016型双联叶片泵。 由表2.3知快退阶段功率最大,故按快退阶段估算电动机功率,若取快退时进油路的压力损失Σ p1=0.2Mpa,液压泵的总效率为0.7,则电动机的功率为 P1=2.317w 查电动机产品样本选用: P=3kwn=960r/min 2.6.2选择液压阀 根据所拟定液压系统原理图,计算分析通过各液压调油液的最高压力和最大流量选择各液压的型号规格列表2.4 元件 名称 通过 流量L/min 型号规格 元件名称 通过 流量 型号规格 双联叶 片泵 22.4 YB1-20/6 三位五通电磁换向阀 38 3.5EF3Y-E10B 溢流阀 3.88 YB3-10B 单向阀 YF3-Ea10B 单向阀 18.56 AF3-Ea10B 顺序阀 YF3-10B 单向阀 3.88 AF3-Ea10B 压力继电器 DP1-63B 三位五通电磁换向阀 38 3.5EF3Y-E10B 单行程调速阀 38.38 AXGF3-E10L 压力继电器 DP1-63B 单向阀 YF3-Ea10B 单行程调速阀 38 AXGF3-E10L 背压阀 0.48 YF3-10B 单向阀 AF3-Ea10B 过滤器 72.4 XV-J40×80 背压阀 0.48 YF3-10B 压力计 X-100T 外控顺序阀 19.04 XF3-10B 压力计开关 KF3-E3B 表2.4各液压元件型号规格 2.6.3选择辅助元件 油管内径一般可参照所需元件接口尺寸确定可按管路允许流速进行计算,本系统油路管选18×1.5钢管,油管容量确定: V=110~154L 根据系统工作压力与通过各液压控制阀及部分辅助元件的最大流量,查产品样本所选择的元件型号规格见表2.4. 2.7计算液压系统的技术性能 液压系统的参数有许多是由估计或经验确定的,其设计质量须通过性能的验算来评判。 在画出油路的装配草图后,就可对系统中某些技术性能进行验算,得到修改设计的依据。 验算的项目有: 压力损失、发热升温和液压冲击等。 2.7.1验算系统压力损失 液压系统技术性能的计算主要包括系统压力的损失、确定系统调整压力、估算系统效率、发热和温升。 其中,验算液压系统压力损失的目的是为正确调整系统的工作压力,合执行元件输出的力或转矩满足设计要求,并可根据压力损失的大小来分析判断系统设计是否符合设计要求。 液压系统中的压力扣件由管路的沿程损失、管件局部扣肉和控制元件的压力损失三部分组成。 但由于本系统比较简单,压力损失可以从略。 2.7.2验算系统发热升温 液压系统在工作时,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娄转为热能,使液压系统的油温升高。 油温升高会产生很多不良后果,如油液黏度下降,泄漏增大,容积效率降低;油液变质,堵塞元件小孔和缝隙,使液压系统不能工作等。 因此,有必要对液压系统的发热温升进行验算,并加以控制。 系统主要通过油箱表面和管道表面散热。 若详细进行液压系统的发热及散热计算相当麻烦,通常液压系统在单位赶时间内的发热功率P(Kw)可以由液压泵的总输入功率P1和执行元件的有效功率P2概略算出: P=P1-P2 又由于系统采用双泵供油方式,在液压缸工进阶段大流量泵卸荷功率使用合理,同时容量取较大值时系统升温也不大。 2.7.3验算液压冲击 液压冲击常引起系统震动,过大的冲击力与管道内的原压力叠加可能破坏管道元件。 对此,可以考虑采用带缓冲装置的液压缸或在系统上设置减速回路,以及在系统上安装吸收液压冲击的蓄能器等。 液压冲击属于管道中液体非定常流问题,是一种动态过程。 由于影响因素甚多,故很难通用准确方法计算。 一般采用估算或通过试验确定,在液压系统设计中,一般情况可采取防止措施而不做计算;当有特殊要求时,就进行验算,考虑到实际情况,本步省略。 第3章电气原理图设计 3.1课题概述和设计要求 A,B缸进给最大行程为400mm 需要一套局部照明装置及一定的工作指示灯,以 3.2电动机的选择 根据课题概述和设计要求设定主泵电动机为M,其选定为JO2-41-6 3.3电气控制线路图的设计 泵电动机M功率3M,比较小,故采用直接起动控制方式用接触器KM进行控制,在设计时还应考虑到过载保护,因此采用热继电器,并设置短路保护。 3.4控制电源的设计 考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求,采用控制变压器TC供电,其一次侧为交流380V,二次侧为交流127V,36V,6.3V其中提供给接触器KM和电磁控制阀线圈YA1 YA2YA3YA4,36V交流安全电压提供给局部照明电路,6.3V提供给指示灯,电路具体接线如图: 图3.1电气控制线路图 3.5控制电
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