变速箱箱体卧式双面铣削组合机床控制系统设计毕业设计论文.docx
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变速箱箱体卧式双面铣削组合机床控制系统设计毕业设计论文
毕业设计论文
变速箱箱体卧式双面铣削组合机床控制系统设计
摘要
本课题是根据已给出的参数，设计出某组合机床的液压系统，具体包括液压传动系统设计和电气控制系统设计。
对于液压传动系统设计，要使系统完成“夹紧缸夹紧
工作台快速接近工件
工作台进给
工作台后退
夹紧缸松开
原位停止”的工作循环。
根据此要求，设计出液压回路，再根据参数，选择符合要求的液压元件，例如液压泵、液压阀、滤油器、行程开关等；对于非标准件液压缸，则要确定所有尺寸，选择合理结构形式，用AUTOCAD软件绘制出装配图；系统设计完成后，要对系统进行性能验算，例如回路压力损失验算、油液温升验算等，以确定系统是否符合实际要求。
对于电气控制系统设计，现在，由于PLC可靠性高、编程简单、使用方便、体积小、重量轻等优点，普遍采用PLC控制来代替继电器接触器控制，本系统也采用PLC控制。
根据系统的输入输出性质、对相应功能、I/O点数、系统容量的要求，选择合适型号的PLC，PLC选定后，分配I/O点并绘制PLC外部接线图，确定输入输出信号与I/O点的对应关系，最后设计出程序，并修改，直至符合要求。
关键词：
液压传动；液压控制；PLC
GEAR-BOXHORIZONTALDOUBLE-SIDEDMILLINGCOMBINATIONMACHINETOOLSCONTRONLSYSTEMDESIGN
Abstract
Thistopicisalreadygivenparametersaccordingto,thedesigngivesacombinationmachinetoolssystem,specificincludinghydraulictransmissionsystemdesignandelectricalcontrolsystemdesign.
Forthehydraulictransmissionsystemdesign，tomakethesystemtoaccomplishthejobcycleofcombinationmachinetoolssystem--clampingcylinderforclamping–workbenchfastapproachingworkpiece—workbenchfeeding—workbenchback—clampingcylinderloosen—In-situstop.Accordingtothisrequirement,designahydrauliccircuit,then,accordingtoparameters,selecttomeettherequirementsofhydrauliccomponents,suchashydraulicpumps,hydraulicvalves,filters,Travelswitch,etc.Fornon-standardhydrauliccylinders,willhavetodetermineallsizes,choosetherightstructure,then,mappingtheassemblydrawingbyAUTOCAD.Afteraccomplisheddesign,therearesomecheckingofsystemperformance,suchasthecheckingofthecircuitpressurelossandtheoiltemperaturerise,todeterminewhetherthesystemmeettheactualrequirements.
Toelectricalcontrolsystem,nowadays,toPLC,becauseofitshighreliability,convenientuse,simpleprogramming,smallsize,lightweight,etc.,itiswidelyusedtoinsteadofrelayandcontactor.So,thiselectricalcontrolsystemusesPLC,too.Accordingtothenatureofthesysteminputandoutput,thedemandofcorrespondingfunctions,I/Opointsandsystemcapacity,choosethesuitabletypeofPLC,afterthat,distributeI/OpointsandexternalwiringdiagramofPLCtodeterminetheinputandoutputsignalsandI/Opointsofcorrespondence,finally,designtheprogram,andmodify,untilitmeetstherequirements.
Keywords:
Hydraulictransmission;Hydrauliccontrol;PLC
1绪论
1.1课题背景
液压传动是流体传动的一种，它起源于17世纪的液体静压力传动原理，在现代被明确定义为一种通过液体作为介质来传递能量和进行控制的传动形式，液压传动技术在工农业生产部门都有着极大的应用空间，其水平的高低已经成为国家工业发展程度的标志之一。
液体传动的先驱者是英国的约瑟夫•布拉曼，他于1795年在伦敦制造了世界上第一台水压机，这是液压传动技术以水为介质的第一次工业应用，后来到1905年时，约瑟夫•布拉曼将工作介质从水改为了油，使得液压机械又向前迈进了一步。
液压传动技术的广泛研究是开始于第一次世界大战之后，从1920年开始液压传动技术得到了迅速的发展，液压传动技术领域涌现了一批杰出的人才，液压元件也逐步走入了正规的工业生产阶段。
液压传动技术和液压元件工业在1925年迎来了维克斯（F.Vikers），他发明的压力平衡式叶片泵为后来者奠定了基础。
到20世纪初叶，康斯坦丁•尼斯克提出了能量波动传递理论，而后在1910年又在液力传动方面提出了自己的理论见解，为这一领域的发展做出了贡献。
液压传动技术被工业企业所应用则是开始于第二次世界大战期间，在这个时期美国已经有30%的机床应用了液压传动。
液压传动技术现居世界领先位置的日本，其科研活动实际上比欧美等国晚了将近20年，但是靠着后期的努力，日本在现代液压传动领域得到了巨大发展。
液压技术与现代社会中人们的日常生活、工农业生产、科学研究活动产生着日益密切的关系，已成为现代机械设备和装置中的基本技术构成、现代控制工程的基本技术要素和工业及国防自动化的重要手段，自上世纪60年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术（微电子技术）等的发展又一次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，使它在国民经济的各方面都得到了应用。
其在某些领域内甚至已占有压倒性的优势，例如，国外今日生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动[4]。
因此液压技术的发展程度现在已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。
1.2液压传动技术的发展趋势
液压传动作为一种传动方式，由于具备功率密度高，结构小巧，配置灵活，组装方便，可靠耐用等独到的特点，已成功地用于一切需要中等以上功率输出，且需对运动过程进行灵活控制和调节的地方，是现代化传动与控制的关键技术之一。
2l世纪是一个高度自动化的社会，随着科技的发展和人类的新需要，大型智能型行走机器人将应运而生。
资料表明，液压技术作为能量传递或做功环节是其中必不可少的一部分。
故无论现在还是将来，液压技术在国民经济中都占有重要的一席之地，发挥着无法替代的作用。
现代液压技术与微电子技术、计算机控制技术、传感技术等为代表的新技术紧密结合，形成一个完善高效的控制中枢，成为包括传动、控制检测、显示乃至校正、预报在内的综合自动化技术。
它是中大功率机械设备实现自动化不可缺少的基础技术，应用面极其广泛。
下面从考查其主要服务领域需求入手，来展望液压技术的发展趋势。
1．可靠性和性能稳定性逐渐提高
可靠性和性能稳定性是涉及面最广的综合指可靠性设计、制造以及可靠性维护三大方面。
随着诸如工程塑料、复合材料、高强度轻合金等新材料的应用，新工艺新结构的出现，元、器件性能的可靠性得以大大增加。
系统可靠性设计理论的成熟与普及，使合理地进行元器件的选配有了理论依据。
此外，过滤技术的完善和精度的提高（过滤器精度可达1～3pm，而典型现代液压元件的动态间隙为0.5～5um），除了能彻底清除固体杂质外，还能分离油中的气体和水分。
在线实时油污检测器和电子报警逻辑系统的应用，使得液压系统的维护从过去的简单拆修发展到主动维护，对可预见的诸因素进行全面分析，最大限度地提前消除诱发故障的潜在因素。
2．增强对环境的适应性，拓宽应用领域液压传动虽然具有很多优点，但由于存在着热、噪声、工作介质污染等不尽人意的地方，其应用受到某种程度上的制约。
面对环保意识来越强的未来，应采取相应措施逐步解决和改以上问题。
比如，对于泵电动机全封闭式动力组合，通采用降噪、隔声结构，并用专门材料做外壳，可将噪声降至60dB以下。
又如，选择环保介质、水基介质和新型的“电流变”液体作为介质，将优化系统性能，控制污染，扩大其应用场合。
此外，能耗控制技术也越来越受到重视，因为这不仅意味着节约能源，降低损耗，而且能消除发升温这个诱发液压系统故障的根本潜因，提高统的工作可靠性和性能稳定性，更重要的是它使冷却系统的必要性不断缩小。
通过采用集成回路和铸造流道以减少管道损失，减少非安全要的溢流量，减少系统的节流损失等，以达到控制系统的能耗。
3．机电液一体高度集成化
微电子技术的飞速发展，为液压技术的进步注入了新的活力。
液压器件是机电一体化的重要接口器件，充分考虑到液压技术的特点，而开发研制出的集液压、电子、传感技术于一体的新产品及其组成系统，兼备了电气和液压技术的双重优势。
如低耗高速（10mA以下响应时间在2ms以内）电磁铁及数字式电液器件，可作为直接接口的电液转换器。
内藏位移传感器的液压缸用于高精度闭环控制时，可实现工况监视和传感功能。
液电技术的融合使得液压技术的发展超出自身传统的科学领域，向着包括传动、控制、检测在内的综合自动化技术方向发展。
为提高液压技术的应用水平和加速拓展其应用领域并最大限度地方便用户，发展集成式多功能元器件已成为必然的趋势。
集成化发展分为三个层次：
首先是单功能元件的组合向多功能元件的发展，如用于工程机械闭式泵一马达系统的一种多功能阀，能完成单向补油、高压溢流、旁路和压力释放。
其次是集成器件子系统化。
最后，是开发智能型一体化器件，它可以实现功率的合理分配，修正人为控制信号，使元器件或系统自动保持最佳工作状态。
如此一来，组成系统时技术含量高的部分工作就逐渐向生产厂家转移，这样就可最大限度地方便用户，普及其应用。
4．液压CAD技术
CAD技术使人工设计方式变为自动化和半自动化的方式，尤其是CAD／CAM／CAPP的推广和应用使液压技术得到迅速发展。
在液压CAD的开发和研究方面应注意以下几点：
（1）充分利用现有的液压CAD设计软件，进行二次开发，建立知识库信息系统，它将构成设计—制造—销售—使用—设计的闭式循环系统。
（2）将计算机的仿真及适时控制结合起来，将模型放入“硬”件和系统中，借此在建造实际样机之前，便可在软件里修改其特性参数，以达到最佳设计结果。
下一个比较长远的目标是，利用技术全面支持液压产品从概念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计到零部件详细设计的全过程，并把计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助工艺规划、计算机辅助检验、计算机辅助测试和现代管理系统集成在一起，建立计算机制造系统，使液压设计与制造技术有一个突破性的进展。
5．新材料新工艺的应用
新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂料，可使液压技术的发展有一个新的飞跃。
为了保护环境，减少漏油对环境的危害，可采用生物降解迅速的压力流体，如菜油基和合成脂基的传动用介质将得到广泛应用。
据专家预测，今后10年大部分行走机械中使用的液压油（矿物油）将会为生物降解迅速的流体所替代。
铸造工艺的发展，将促进液压元件性能的提高，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，可减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化。
如果上述提高液压技术的方向得到充分实现，可以肯定，液压技术和其他传动方式相比将继续持其有力的竞争地位。
总之，液压技术具有十分广泛的应用面，它作为一种重要的工业自动化基础件，已与微电子技术、传感技术紧密结合，形成并发展成为包括传动、控制、检测、校正在内的综合自动化技术，其内涵较之传统的液压技术更加丰富而完整。
1.3液压传动技术的应用
液压传动是以流体作为工作介质对能量进行传动和控制的一种传动形式。
利用有压的液体经由一些机件控制之后来传递运动和动力。
相对于电力拖动和机械传动而言，液压传动具有输出力大，重量轻，惯性小，调速方便以及易于控制等优点，因而广泛应用于工程机械，建筑机械和机床等设备上。
由于要使用原油炼制品来作为传动介质，近代液压传动技术是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的，最早实践成功的液压传动装置是舰船上的炮塔转位器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用车床到20世纪30年代末才用上了液压传动。
第二次世界大战期间，在一些兵器上用上了功率大，反应快，动作准的液压传动和控制装置，大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。
战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善，各类元件的标准化，规格化，系列化而在机械制造，工程机械，材料科学，控制技术，农业机械，汽车制造等行业中推广开来。
由于军事及建设需要的刺激，液压技术日益成熟。
20世纪60年代后，原子能技术，空间技术，计算机技术等的发展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动，控制，检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个方面都得到了应用。
如工程机械，数控加工中心，冶金自动线等。
液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性优势。
液压传动系统的主要优点：
（1）在相同功率下，液压执行元件体积小，重量轻，结构紧凑。
液压传动一般使用的压力在7Mpa左右，也可高达50Mpa。
而液压装置的体积比同样输出压力的电机及机械传动装置的体积小得多。
（2）液压传动的各个元件，可根据需要方便，灵活地来布置。
（3）液压。
（4）易于自动化。
液压设备配上电磁阀，电气元件，可编程控制器和计算机等，可装配成各式自动化机械。
（5）速度调整容易。
液压装置速度调整非常简单，只要调整流量控制阀即可轻易且可实行无级调速。
（6）不会有过载的危险。
液压系统中装有溢流阀，当压力超过设定压力时，阀门开启，液压经由溢流阀流回油箱，此时液压油不处在密闭状态，故系统压力永远无法超过设定压力。
。
今天，为了和最新技术的发展保持同步，液压技术必须不断发展，不断提高和改进元件和系统的性能，以满足日益变化的市场需求。
这是液压技术的创新特征，液压技术的不断发展体现在如下一些比较重要的特征上：
一，提高元件性能，创制新元件，体积不断缩小。
为了能在尽可能小的空间里传递尽可能大功率，液压元件的结构不断地在向小型化发展。
市场上出现了一种新型的被称为“肌腱”的执行元件。
它的形状像一根两端有接头的软管，把它接入系统使用时，它的径向和轴向都会发生伸缩，轴向的伸缩量可达其总长的15%--30%。
在相同条件下，它的作用力是普通汽缸的10倍。
这种元件抗污染，运动时不会生抖动，在有些场合还可用它的径向膨胀去夹持工件等，是一种极有应用前景的元件，而微型元件也得到发展，如活塞直径小到2.5mm的汽缸，10mm宽的气阀以及相关的辅助元件已成为系列化产品。
由于这些元件能在0.2---0.7Mpa压力下工作，所以可被方便地集成到标准的系统中。
新小型阀，在流量相同时，它的体积仅是过去的7%。
这些小，微型的元件已被应用于精密机械加工，电子工业，制药工业，食品加工和包装技术等场合。
二，高度的组合化，集成化和模块化。
液压系统由管式培配置经板式配置，箱式配置，集成块式配置发展到叠加式配置，插装式配置，使连接的通道越来越短。
也出现了一些组合集成件，如把液压泵和压力阀作成一体，把压力阀插装在液压泵的壳体内，把液压缸和换向阀作成一体，只需接一条高压管与液压泵相连，一条回油管与油箱相连，就可以构成一个液压系统。
这种组合件不但结构紧凑，工作可靠，而且简便，也容易维护保养。
三，与微电子结合，走向智能化。
液压技术从本世纪70年代中期起就开始和微电子工业接触，并相互结合。
在迄今30多年时间内，结合层次不断提高，由简单拼装，分散混合到总体组合，出现了多种形式的独立产品如数字液压泵，数字阀，数字液压缸等，其中的高级形式已发展到把编了程的芯片和液压控制元件，液压执行元件或能源装置，检测反馈装置，数模转换装置，集成电路等汇成一体，这种汇在一起的联结体只要一收到微处理机或微型计算机处送来的信息，就能实现预先规定的任务。
液压技术的智能化阶段虽然开始不久，但是从它的星星点点实践成功的事例来看，成果已非常诱人。
例如，折臂式小汽车装卸器能把小汽车吊起来，拖入集装箱内，按最紧凑的排列位置堆放好，最多时能装入8辆。
装卸器内装有微型计算机，它能按预定程序操纵8个液压缸，在传感器的配合下协调连杆机构的动作，完成堆装任务。
卸车时的操作按相反的顺序协调动作，以使受训练的波音民航喷气客机驾驶员不用上天就可以经历6个自由度的颠簸摇摆，座椅振动，着陆弹跳等项的运动感觉，并能对驾驶员的操作作出拟真的响应。
总之，液压技术在与微电子技术紧密结合后，在微型计算机或微处理机的控制下，可以进一步拓宽它的应用领域，形形式式机器人和智能元件的使用不过是它最常见的例子而已。
1.4本文主要研究内容
某卧式双面铣削组合机床用于加工铸铁变速箱箱体的两个端面，试设计该机床的液压控制系统。
机床的动作循环为夹紧缸夹紧
工作台快速接近工件
工作台进给
工作台后退
夹紧缸松开
原位停止。
要求夹紧力可调并保压，工作台运动平稳且进给速度可调。
已知参数如下：
夹紧缸：
夹紧力800N，快进行程30mm、快退行程30mm，快退的速度4000
。
工作台：
重量4000N，轴向最大工作负载为12000N，快进行程100mm，速度3500
，工进200mm，速度80~300
，快退300mm，速度6000
，加减速时间0.2s，工作台为平导轨，静、动摩擦系数分别为0.2，0.1.
2液压系统设计
2.1液压系统原理及组成
以液体作为工作介质来进行能量传递和控制的传动形式称为液压传动，与利用液体动能的液力传动不同的是它以液体的压力能来传递动力，是根据17世纪帕斯卡提出液体静压力传动原理来实现的。
液压系统一般是由以下5个部分组成：
动力源——用来将原动机的机械能转变为液体的压力能，输出有一定压力的油液，最常见的形式就是液压泵。
执行器——用来将液体的压力能转变为机械能，来驱动工作机构带动负载工作，可实现往复直线运动、连续回转运动、摆动等。
有液压缸、液压马达等。
控制调节装置——控制液压系统油液压力、流量和方向，以保证执行器驱动的工作机构完成预期动作。
有各种液压阀。
辅助装置——用来存放、提供、回收油液，滤除油液杂质，给油液降温；存储、释放液压能或吸收液压脉动、冲击；显示系统压力、油温等。
有邮箱、管件、过滤器、热交换器、蓄能器、各种指示仪表等。
液压工作介质——传递能量的介质，同时起着润滑、冷却等作用。
有各种液压油。
2.2双组合铣面床液压系统主功能结构
如图2.1所示为双面组合铣床主机结构布局示意图
图2.1
1，3-底座；2-中间底座；4，16-纵向底座；5-纵向滑台；6-立柱；7-立置滑座；8-立置滑台；9，13-洗削头；10-加紧液压缸；11-夹紧机构支架；12-压板；14-纵向滑台；15-横向滑座（兼做纵向滑台）
该铣床的主机结构如图2.1所示，它采用了立，卧复合式双面双主轴洗削头跨两个工位的大主轴箱配置方案。
穿越本机床及自动线中其他各机床中间底座的运输带完成工件的自动拔销，向前和定位；门式夹紧机构安装在中间底座2上方，由两个同规格液压缸10分别驱动两个压板12完成工件1和工件2的夹紧，松开。
铣床左面的双面洗削头9由立置动力滑台8驱动，完成洗削加工时的垂直进给和复位动作，立柱6安装在卧式纵向动力滑台上，故滑台5用以驱动立柱与滑台8完成洗削前后的空程快速进退动作。
机床右面的两个滑台均卧式配置，横向动力滑台14驱动双轴洗削头13完成洗削加工时的横向进给和复位动作，纵向动力滑台15兼作滑台14的滑座，来驱动滑台14完成洗削前后的空程快速进退动作。
空腔立柱6装有铸铁块平衡锤，用以平衡立置滑台8及洗削头9的自重。
滑台5及滑台15快速前进采用可调限位挡块限位，以防止冲程。
除洗削头的旋转切削动力是由电动机提供外，夹具及各动力滑台的动力均由液压系统提供。
2.3负载分析
负载分析中，暂不考虑回油腔的背压力，液压缸的密封装置产生的摩擦阻力在机械效率中加以考虑。
因工作部件是卧式放置，重力的的水平分力为零，这样需要考虑的力有：
切削力，导轨摩擦力和惯性力。
导轨的正压力等于动力部件的重力，设导轨的静摩擦力为Ffs，动摩擦力为Ffd则
工作负载Fft=12000N
G=4000Ng=10
=0.2s
=3500-300=3200
=0.0533
惯性负载Fm=
=
=106.7N
=0.2
=0.1
阻力负载静摩擦Ffs=0.2
4000=800N
动摩擦Ffd=0.1
4000=400N
如果忽略切削力引起的颠覆力矩对导轨摩擦力的影响，并设液压缸的机械效率
，则液压缸在各工作阶段的总机械负载可以算出，见表2.1
表2.1液压缸各运动阶段负载表
工况
负载组成
负载值F/N
推力
起动
800
888.9N
加速
506.7
563N
快进
400
444.4N
工进
12400
13777.8N
快退
400
444.4N
根据负载计算结果和已知的各阶段的速度，可绘制出负载图（F-l）和速度图（F-2）
图2.2
2.4液压缸主要参数的确定
表2.2按负载选择执行元件工作压力
负载F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
压力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
组合机床液压系统的最大负载约为14000N，初选液压缸的设计压力P1=3MPa，为了满足工作台快速进退速度相等，并减小液压泵的流量，这里的液压缸课选用单杆式的，并在快进时差动连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的等效面积A1与A2应满足A1=2A2（即液压缸内径D和活塞杆直径d应满足：
d=0.707D。
为防止铣削后工件突然前冲，液压缸需保持一定的回油背压，暂取背压为0.5并取液压缸机械效率
=0.9。
则液压缸的平衡方程：
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