液压千斤顶设计.docx
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液压千斤顶设计
液压千斤顶设计
目录
1.引言......................................2
选题的依据及课题的意义.............................2
国内外的研究概况..................................3单片机控制系统的发展概况...........................4PID控制算法的发展概况.............................5设计要求及工作内容.................................6目标、主要特色及工作进度...........................7
2．机械结构与液压传动系统设计................7
系统结构分析.......................................7千斤顶零部件分析..................................9油缸与螺纹的校验.................................12
油缸的壁厚校验......................................12
锁母螺纹牙剪切强度校验..............................13锁母螺纹牙的弯曲强度校验............................14
液压系统分析.....................................14液压泵与电动机的选择..............................15超高压泵站简介...................................16
3.单片机控制系统设计.......................17
单片机的选用及功能介绍............................17片外存储器功能简介................................18显示部分设计.....................................21键盘部分设计.....................................25交流异步电动机变频调速系统........................27
交流异步电动机变频调速原理..........................28
主电路和逆变电路工作原理............................28变频与变压.........................................32
位移检测部分的设计................................38
位移检测传感器的选用................................38光栅位移传感器与单片机的接口设计....................40
位移传感器部分的设计..............................43
A/D转换器的选择....................................43压力传感器与单片机的接口设计........................47
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4．系统的PID控制算法........................48
PID控制原理......................................48
数字PID控制算法................................50
位置式PID控制算法..................................50
增量式PID控制算法.................................51
智能自适应PID控制器.............................52
5.系统模拟仿真..............................57
SIMULINK概述.....................................58SIMULINK的窗口和菜单.............................58用SIMUINK创建模型...............................60用SIMULINK进行系统仿真与分析.....................61
建立控制系统模型...................................61
系统模块参数设置与仿真参数设置......................62系统仿真与分析.....................................64
6.结论........................错误！
未定义书签。
7.致谢......................错误！
未定义书签。
8.
变差。
为了改善系统的性能，提高控制质量，通常在控制中引入比例环节来提高系统的快速性；为了消除静态误差，提高精度，加强系统对参数变化的适应能力，引入积分（Integral）环节；为了提高系统对动态过程的预知能力，克服惯性的影响，引入微分（Derivative）环节。
这就是通常所说的PID控制。
按照偏差的比例、积分、微分进行控制是连续系统控制理论中技术最成熟、应用最为广泛的一种控制技术。
它结构简单、参数易于调整、稳定性能好、可靠性高，使它在控制理论和技术飞速发展的今天仍然具有强大的生命力，在长期应用中已经积累了丰富的经验。
特别是工业过程控制中，在决定系统参数的时候往往要借助现场调试和经验，在这种情况下，PID控制就更显示它的威力。
其应用经久不衰，应用范围越来越广泛，改进方法也越来越多。
二十世纪60年代发展、成熟起来的现代控制理论和近几年发展的智能控制理论仍在大量的PID控制的方法和思想。
按照偏差的比例、积分和微分进行控制是过程控制中应用最为广泛的一种控制规律。
实际运行经验和理论分析都充分证明，这种控制规律在相当多的工业对象的控制中是可以得到较满意的控制效果的，在计算机控制系统里首先采用的控制算式也是PID。
设计要求及工作内容
1.单片机控制四个液压千斤顶以设定的速度同步顶升大重量工件。
要求四顶顶升时必须同步，顶升速度和高度可以人为设定。
2.设计具有位置检测功能的液压千斤顶。
3.设计千斤顶的液压回路。
4.设计单片机控制系统的电路。
5.设计相关控制算法。
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6.使用MATLAB进行仿真试验。
目标、主要特色及工作进度
目标：
设计一个液压驱动，单片机控制，使用PID控制算法的
四顶同步顶升系统。
特色：
该系统具有位置检测和压力检测功能，可适用于不规则工作表面的工件，并且体积小、承载适中、精度高、结构简单、控制方便，具有很高的实用价值和市场空间。
2．机械结构与液压传动系统设计
四顶同步顶升系统千斤顶、超高压泵站、控制系统和操作台四部分组成。
我们所设计的四顶顶升系统的主要参数是每只千斤顶高约1000mm，最大行程为400mm，最大载荷为20t。
因千斤顶载荷较大，位置精度要求较高，故顶升速度不宜过大，最大顶升速度应控制在60mm/min以内。
千斤顶的动力系统有液压式、气电式、汽液两用式等，考虑到成本、实用性、使用舒适度等因素，我们最终选用了技术比较成熟的液压系统。
系统结构分析
于千斤顶的外形尺寸较大，需承受的较大的冲击载荷，所以初步拟定采用了法兰型液压缸的结构原型，并在此基础上针对液压千斤顶的使用特性进行调整。
为了适应复杂工作表面的工件，千斤顶的工作台与活塞杆应采用转动连接副相连。
当顶升系统工作时，液压千斤顶工作台可随工件表
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面形状进行自转动调节，所以设计时将活塞杆顶部插入球头，与工作台形成转动副。
如图所示。
球头与活塞杆采用紧固螺钉固定。
为了能使顶升系统能够提供长时间而稳定的支撑力，采用锁母来提供机械支撑，当活塞上升时，锁母随其同步上升，到达预定位置后，活塞停止上升，再将锁母旋到螺纹底部，这时通过千斤顶箱体对锁母的支撑使得工作台所受载荷全部转变为锁母和活塞杆之间的梯形螺纹所受到的切应力。
这样即使是在油压压力不足或掉电的情况下也能稳定的承载重物。
于光栅尺的尺寸较长，只能将活塞和活塞杆做成中空状来放置光栅传感器。
这样活塞与活塞杆之间就不宜采用螺母紧固，为方便起见，我们将活塞和活塞杆合为一体，材料同为45号钢。
工作时发光元件与光敏元件随活塞作同步运动，光栅尺下端固定在底盖上不动，光源与光栅尺的相对位移量通过读数头转化为数字信号传递给单片机。
图千斤顶的工作台与活塞之间的连接
于千斤顶的行程较长，达400mm，当工作台旋转一个角度去承载重物时容易产生较大的弯曲力矩使活塞杆折断。
所以有必要设计一个支撑套进行保护。
支撑套与油缸壁之间采用通孔螺钉紧固。
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图液压缸底盖的固定方式
于光栅传感器放在千斤顶内部，考虑到其信号线的连接问题，我们将油缸底盖与千斤顶底座之间留有一定空间。
为了方便装卸，不宜将底盖与油缸焊接。
经过多方面的考虑，比较了多种方案后，采用了如图所示的方法固定底盖。
图中千斤顶底座处转有4个螺纹孔，用4个型号为M32x85的六角头螺栓将底盖顶起至油缸卡槽处。
螺杆长度比实际所需的长3～5mm，可通过增加垫片的方法达到使4个螺栓平均分配载荷的目的。
底盖上套有密封圈，防止漏油。
千斤顶底座与油缸通过6个内六角螺钉紧固。
在底座和油缸两侧各开一个通孔用于连接光栅传感器和压力传感器的信号线。
千斤顶零部件分析
于顶升系统可能会在比较恶劣的条件下使用，而且在装载和卸载重物时，可能会因操作不当而对千斤顶底座造成较大冲击，导致整个系统遭到破坏。
所以底座采用具有较高强度和韧性的球墨铸铁QT600
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－３。
油缸是液压系统的主要零件，它与底座、底盖、油口、导向套等零件构成密封的容器，用于容纳压力油液，同时还是活塞的运动轨道。
所以设计油缸时，应该正确的确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和意外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。
对油缸材料的可选空间很大，对其进行筛选需要有足够的耐心。
对油缸的要求：
1．要有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态压力而不致产生永久变形；2．要有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装时的反作用力而不致产生弯曲；3．内表面与活塞密封件及导向套的摩擦作用下，能长期工作而磨损很少，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性；4．最好还需要有良好的可焊性，以防在需要焊接的时候不致产生裂纹或过大变形。
最后我们选定各方面性能良好的45号钢。
油缸毛坯普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，现在国内市场上已有内孔经珩磨或内孔精加工的无缝钢管卖，只需按所要求的长度切割即可。
本次设计虽然活塞与活塞杆采用了一体式设计，采用相同的材料，但对他们的工艺要求很不相同，所以分开来介绍。
于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。
配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。
活塞材料我们选用的是45号钢。
活塞外径的配合一般采用f9的公差等级，外径对内孔的同轴度公差不大于，端面与轴线的垂直度公差不大于/100mm，外表面的圆
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度和圆柱度一般不大于外径公差之半，内孔的工作表面粗糙度Ra值选用μm。
活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H8/f7的配合。
太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损。
其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。
安装活塞的轴径与外圆的同轴度公差不大于，是为了保证活塞缸外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。
安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于/100mm，以保证活塞安装不产生歪斜。
活塞杆的外圆粗糙度Ra值取μm。
太光滑了，表面无法形成油膜，反而不利于润滑。
为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚～，并进行抛光或磨削加工。
活塞杆导向套装在缸筒和支撑套的内侧，被限制在缸筒和支撑套的卡槽之内，但不固定死。
用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒的密封。
上方装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。
如图所示：
图导向套的设计
导向套的材料我们选用的是摩擦系数较小、耐磨性好的青铜
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ZQSn-1。
导向套外圆与缸筒内孔工作表面的配合多为H8/f7，内孔与活塞杆外圆的配合也可采用H8/f7。
外圆与内孔的同轴度公差不大于，圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。
本次设计中所有的密封装置都采用的是O型密封圈。
O型密封圈在往复运动过程中，除了自密封作用外，于压力的作用和液体分子与金属表面相互作用的结果，又业中所含的“极性分子”便在金属便表面形成一个坚固的边界层油膜，且对轴产生很大的附着力。
该油膜始终存在于密封件与往复运动轴之间，从泄露的角度看，这是有害的，长时间的使用后会造成油液的泄露；但它对运动密封面的再润滑却起到异常重要的作用。
所用材料是橡胶。
符合的标准。
千斤顶底座与油缸之间的连接、光栅尺密封层与活塞之间的连接还有支撑套与油缸壁之间的连接件采用的都是沉头内六角螺钉。
符合GB70-85的标准。
工作台与盖板之间的连接和对油缸底盖的顶升都采用了六角头螺栓，并符合GB5783-86的标准。
油缸与螺纹的校验
油缸的壁厚校验
油缸的额定压力Pn应低于一定极限：
2σSD1D2Pn≤2D1式中：
Pn－额定工作压力；
D1－油缸外径，本次为175mm；D－油缸内径，本次为147mm；σS－油缸材料屈服强度。
油缸的材料为45号钢，查表可得σS=360MPa；此可知上式右边=MPa
-12-
液压缸最大工作载荷为20t，面积为
pn2）
wmax4wmax（π（D1D2）其中：
Wmax为最大工作载荷，本次为20XX00N。
经校验，油缸壁所受压力在许可范围之内。
锁母螺纹牙剪切强度校验
螺纹牙的剪切应力：
Fτ=≤τπdbu1）
（
式中:
F为千斤顶的最大载荷，本次为20XX00N； d为公差直径； b为螺纹牙根部宽度； u为旋合圈数；
[τ]为材料许用剪切应力
锁母内螺纹的公差直径d设为160mm，查表可得螺距P为16mm。
梯形螺纹牙根宽度b==。
锁母高度H为48mm，旋合圈数u=H/P=3
锁母材料为45号钢，查表可知这种材料的屈服极限σS为240Mpa，许用应力[σ]=σS/4=60Mpa。
材料许用剪切应力[τ]=[σ]=36MPa将以上数据代入式中，得τ=＜36MPa
经检验，锁母的螺纹牙根的剪切强度在许用范围之内。
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锁母螺纹牙的弯曲强度校验
螺纹牙的弯曲应力：
6Fl*σb=≤σb（
πdb2u3-1）
式中：
l为弯曲力臂; [σb]为许用弯曲应力。
锁母内螺纹的公差直径d为160mm，查表可知螺纹中径d2为152mm弯曲力臂l*=（d-d2）/2=4mm，许用弯曲应力[σb]=[σ]=72Mpa经计算σb=＜72Mpa．
经校验螺纹牙的弯曲强度在许用范围之内。
*
液压系统分析
液压系统的主要功能是为千斤顶提供动力，通过换向装置使千斤顶具有上升和下降的功能。
为千斤顶的正常工作提供保证和保护措施。
于该顶升系统采用单片机控制，并配有压力传感器和光栅位移传感器来检测压力信号和千斤顶的位移量，所以可通过单片机控制油缸内的压力、进油口的流量和活塞的运动速度。
这样在一般液压系统中常用到的节流阀、调速阀、背压阀、减压阀等元器件可不必使用到，液压回路得到极大的简化。
在液压油路的进油端设置一个溢流阀，给液压系统提供双重保护。
在回油端设置一滤油器，保证油液清洁，可提高使用寿命。
使用二位四通的电磁换向阀改变油路方向。
为使液压缸的运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，我们在油缸的下腔进油口处安装一个平衡阀，该阀不但能保证千斤顶升降时都处于进油调速状态，同时还具有单向
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阀的功能，所以无论是停电还是破管时，平衡阀均能无泄漏的立即将下腔封闭，保证工件不会自下滑。
使千斤顶在停电状态仍能可靠承载。
综合上述观点，我们将液压原理图设计如下：
如图所示，二位四通电磁换向阀的电磁铁的工作状态是单片机控制的，当换向阀电磁铁通电时，换向阀左位接入系统，油液经电磁换向阀和平衡阀进入油缸下腔，使得千斤顶上升，再从油缸上腔流出，经电磁换向阀和滤油器流回到油箱内，这时平衡阀的作用相当于一个单向阀；反之，当换向阀电磁铁断电时，换向阀右位接入系统，油液经换向阀流入油缸上腔，当上腔压力达到一定值时，平衡阀上位接入系统，这时平衡阀的作用相当于一个节流阀，油液从油缸下腔流出，经平衡阀、电磁换向阀和滤油器流回到油箱。
从而实现了千斤顶升降换向功能，并具有过载保护和断电保护的功能。
液压泵与电动机的选择
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为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定压力的80%左右。
正常工作时千斤顶的最大压力为。
所以为满足要求，泵的工作压力为：
p=/=MPa
千斤顶的最大运动速度为60mm/min，液压缸的有效面积为。
所以液压泵向液压缸提供的最大流量为：
q=/1000000=/min
若回路中的泄漏按液压缸输入流量的10%估计，则液压泵的总流量为
Q==/min。
根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，最终确定所选液压泵的型号为。
这种液压泵的额定工作压力为40MPa，流量为/min，完全符合工作要求。
千斤顶的最大工作载荷为20t，即20XX00N，运动速度为60mm/min，即/s。
按液压泵的总效率为，，则液压泵驱动电动机所需的功率为：
P=/=
根据此数据查阅电动机产品目录选用功率大于的电动机。
超高压泵站简介
最后我们综合考虑了液压泵、电动机、液压回路等因素后，选用型超高压油泵站。
这个油泵站的外形尺寸为650x370x765，主要部件包含有1个HAWE公司生产的液压泵、1个二位四通的电磁换向阀与溢流阀组件，一个ABB公司生产的M2QA90L4A型电动机、两根63MPa高压软管和两个软管接头。
液压泵的额定压力为40Mpa，流量为/min，电动机的功率为，所
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采用的工作介质是Y-N32型抗磨液压油，储油量为45L。
这种液压油需要经过过滤精度为μm过滤后才能使用，这样可提高同步系统的可靠性并延长泵站使用寿命。
选用这个超高压的原因是站内设有溢流阀和二位四通电磁换向阀组件，具有电动控制部分，使油泵站具备操作简单、使用方便、安全可靠的优点。
3.单片机控制系统设计
同步顶升系统的控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的顶升系统仅有4个千斤顶，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机MCS-51足以。
所以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。
将本次单片机的控制系统划分为以下几个模块：
图3-1单片机模块图
单片机的选用及功能介绍
MCS-51系列单片机是美国INTEL公司在1980年推出的8位单片微型计算机。
其典型产品有8031、8051和8751三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全相同。
在此我们选用了较为常用的8051芯片。
其引脚示意图如图所示：
MCS-51系列单
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片机微处理器、存储器、定时器/计数器、串行和并行的I/O接口、中断系统合振荡器构成。
8051的～这8根引脚采用分时复用的方法作低8位地址线与双向8位数据线；～这5根引脚在访问片外存储器或扩展I/O接口时，提供高位地址；～和这4根引脚接2片74LS138译码器，产生片选信号；引脚ALE接地址锁存器74LS373、8155、8279和SA4828的使能端；EA/VPP端因不访问片内存储器而接地；X1、X2接6MHz的晶振；RESET端接重启电路。
图MCS-51芯片引脚示意图
片外存储器功能简介
片外存储器扩展包括程序存储器扩展和数据存储器扩展。
MCS-51系列单片机具有64KB的程序存储空间，其中8051、8071片内有4KB的程序存储器，8031片内无程序存储器。
当采用8051、8071型单片机而程序超过4KB，或采用8031单片机时，就需对程序存储器进行外部扩展。
外部程序存储器的扩展原理如图所示：
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P0口 EAALEP2口数数据锁据输存输入器出指令EPROM PSEN 图外部程序存储器扩展原理图
OE外部程序存储器可选用EPROM、E2PROM、PAGEDEPROM和KEPROM等。
紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM，典型产品有Intel公司的系列芯片2716、2732A、2764A、27128A、27256和27512等，在这些芯片上均设有一个玻璃口，在紫外线下照射20分钟左右，存储中的各位信息均变为1。
以后通过编程器可将这些程序固化到这些芯片中。
Intel2764是8K8位的E2PROM，单一+5V供电，最大工作电流为140mA，维持电流60mA，其24脚的管脚及原理框图见图2-6。
于片内编程所需要的高压脉冲产生电路，因此无需外加编程电源和写入脉冲。
8031单片机内部仅有128个字节RAM存储器，而CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。
如在实时数据采集和处理时，仅靠内部的RAM是远远不够的，因此必须扩展外部数据存储器。
常用的数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。
以下为静态RAM与MCS-51的接口
外部数据存储器的扩展方法如图所示：
P2口-19-P0口D0～D7锁存器地址 RAMALECE
图外部数据存储器的扩展原理图
译码8031单片机应用系统中，静态RAM最为常用，因为这种这种存储器无需考虑刷新问题。
但是与动态RAM相比，需要消耗较大的功率，价格也较高。
下面对中所涉及的6264为例，介绍静态RAM的扩展。
6264是8K8位的静态随机存储芯片，采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功率200mW，典型存储时间200ns，为28线双列直插式封装。
6264的A0～A12这13条地址线与锁存器的输出及P2口对应线相连，6264的D0～D7这8条数据线与8031的P0口对应相连，6264的OE和WE与8031的RD和WR对应，CS2接高电平。
按照这种片选方式，6264的8
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