关于铣床液压系统的设计解读.docx
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关于铣床液压系统的设计解读
关于铣床液压系统的设计解读
江苏广播电视大学武进学院
毕业设计说明书设计课题半自动液压专用铣床
液压系统的设计
年级___
专业___
姓名_____
指导教师_____
二○○年月
1设计内容及要求（5
1.1设计目的（5
1.2机床类型及动作循环要求:
（5
1.3机床对液压传动系统的具体参数要求（5
1.4机床的制造及技术经济性问题（5
2液压系统的设计与计算（6
2.1分析工况及设计要求,绘制液压系统草图（6
2.2计算液压缸的外负载（7
2.3确定系统的工作压力（7
2.4确定液压缸的几何参数（8
3确定液压泵规格和电动机功率及型号（9
3.1确定液压泵规格（9
3.2确定电动机功率及型号（9
4确定各类控制阀（10
5确定油箱容量与结构（11
5.1油箱容量与结构（11
5.2液压油选择（11
6.PLC的发展与控制原理（12
6.1可编程序控制器概述（12
6.2PLC的工作原理（15
6.3设计方法（17
7.PLC设计（20
7.1动作顺序（20
7.2I/O分配表（20
7.3接线图（20
7.4流程图（21
7.5SFC程序图（22
7.6元件清单（23
8设计小结（23
参考资料..................................................................错误!
未定义书签。
摘要:
本次毕业设计的是半自动液压专用铣床的液压设计,专用铣床是根据工件加工需要,以液压传动为基础,配以少量专用部件组成的一种机床。
在生产中液压专用铣床有着较大实用性,可以以液压传动的大小产生不同性质的铣床。
此次设计主要是将自己所学的知识结合辅助材料运用到设计中,尤其是一些计算、绘图等细小方面。
在设计过程中最主要的是图纸的绘制,这不仅可以清楚的将所设计的内容完整的显示出来,还能看出所学知识是否已完全掌握了。
整个主要设计过程分成六个部分:
参数的选择、方案的制定、图卡的编制、专用铣床的设计、液压系统的设计以及最后有关的验算。
主体部分基本在图的编制和液压系统的设计两部分中完成的。
关键词:
铣削进给液压传动夹具
1设计内容及要求
1.1设计目的
毕业设计是培养学生综合运用所学的基础理论和专业理论知识,独立解决机床设计问题的能力的一个重要的实践性教学环节。
因此,通过设计应达到下述目的。
a初步掌握正确的设计思想和设计的基本方法\步骤,巩固\深化和扩大所学的知识,培养理论联系实际的工作方法和独立工作能力。
b获得机床总体设计,结构设计,零件计算,编写说明书。
绘制部件总装图（展开图,装配图和零件工作图等方面的基本训练及基本技能。
c熟悉有关标准、规格、手册和资料的应用。
d对专用机床的夜压系统初具分析能力和改进设计的能力。
1.2机床类型及动作循环要求:
设计一台用成型铣刀在工件上加工出成型面的夜压专用铣床液压系统,要求机床工作台一次可安装两只工件,并能同时加工。
机床工作循环为:
手工上料→按电钮→自动定位夹紧→工作台快进→铣削进给→工作台快退→夹具松开→手工卸料。
1.3机床对液压传动系统的具体参数要求
表1.1液压系统参数
液压缸名称负载
力
（N
移动件重
力
（N
速度（m/min行程
（mm
启动时
间
（s
定位、夹紧
缸运动时
间
（s
快进工进快退
定位液压
缸
20020101
夹紧液压
缸
400040151
进给液压缸2000150000.03
5
6快
进
工
进
0.5
30080
工作台采用平导轨,导轨面的静摩擦系数f=0.2,动摩擦系数f=0.1。
1.4机床的制造及技术经济性问题
该机床为一般技术改造中自制的专用设备,所以力求结构简单,投产快,工作可靠,主要零部件能适应中小型机械制造工厂的加工能力,配合电气控制可以实现单机半自动化工作的要求。
2液压系统的设计与计算
2.1分析工况及设计要求,绘制液压系统草图
机床工况由题可知为:
电磁铁动作顺序图
工况1DT2DT3DT4DT定位夹紧____快进_++_
工进__+_
快退_+_+
放松+___
按设计要求,希望系统结构简单,工作可靠,估计到系统的功率不会很大,且连续工作,所以决定采用单个定量泵,非卸荷式供油系统;考虑到铣削时可能有负的负载力产生,故采用回油节流调速的方法;为提高夹紧力的稳定性与可靠性,夹紧系统采用单向阀与蓄能器的保压回路,并且不用减压阀,使夹紧油源压力与系统的调整压力一致,以减少液压元件数量,简化系统结构;定位液压缸和加紧液压缸之间的动作次序采用单向顺序阀来完成,并采用压力继电器发讯启动工作,以简化电气发讯与控制系统,提高系统可靠性。
综上考虑,绘制出图2-1所示液压传动系统草图。
液压系统图
4
放松
快退工进快进定位夹紧工况放松
加紧拔销
定位退
进
系统中采用Y型三位四通阀是为了使工作台能在任意位置停留,并使换向稳定。
二位四通阀在1DT失电时,使加紧液压缸处于夹紧状态,其目的是为了增加安全可靠性,并可以延长电磁铁的寿命。
2.2计算液压缸的外负载
（1定位液压缸
已知负载力R≈200N（惯性力与摩擦力可以忽略不计（2加紧液压缸
已知负载力R≈4000N（惯性力与摩擦力可以忽略不计
（3工作液压缸
有效负载力Rw=2000N（已知
惯性力Rm=ma=1500÷9.8×【（6÷60-0÷0.5】=30.6（按等加速处理
摩擦力由液压缸的密封阻力与滑台运动时的摩擦力组成。
当密封阻力按5%有效作用力估算时,总的摩擦阻力
Rf=0.05Rw+fG=0.5×2000+0.2×1500=400N故总负载力
R=Rw+Rm+Rf=2000+30.6+400=2430.6N
2.3确定系统的工作压力
因为夹紧液压缸的作用力最大,所以可以按其工作负载来选定系统的压力。
由参考资料可以初定系统的压力为0.8-1Mpa,为使液压缸体积紧凑可以取系统压力为P1=1.5Mpa。
2.4确定液压缸的几何参数
（1定位液压缸mm。
mPR
446
1
=≈⨯⨯⨯==
π
考虑到液压缸的结构与制造的方便性,以及插销的结构尺寸等因素,可以取D=32mm,
mmd16=
（2夹紧液压缸mmmpR
D58058.010
446
1
==⨯⨯⨯==
π取D=63mm,d=32mm（3进给液压缸
因为采用双出液压缸,所以221
（4dppR
D+-=
π。
按工作压力,可以选杆径d=0.3D,代入上式,求得:
（91.0421ppR
D-=
π。
一般可取背压2p=0.5MPa（对低压系统而言,代入上式有:
mmmD58058.010
.243046
=≈⨯-⨯⨯⨯⨯=
。
按表取进给液压缸系列化的标准尺寸为:
mmD63=,mmd20=。
3确定液压泵规格和电动机功率及型号
3.1确定液压泵规格
min/4824.0/100481
22
11lsm。
。
。
TLDvAQ=⨯≈⨯⨯⨯=∆∙==--π。
夹紧液压缸最大流量:
min/8.2/1068.41
10154063.01434363
22
12'
lsm。
TLDvAQ=⨯≈⨯⨯⨯=∆∙==--π
因为有二个夹紧液压缸同时工作,所以
进给液压缸最大流量:
min
/8.16min/0168.064
（3222223lmvdDvAQ=≈⨯-⨯=⨯-=
由于定位、夹紧、进给液压缸是分时工作的,所以其中某缸的最大流量即是系统的最大理论供油流量。
另外考虑到泄露流量和溢流阀的溢流流量,可以取液压泵为系统最大理论流量的1.1~1.3倍。
现取1.2倍值计算,则有
采用低压齿轮泵,则可选取CB-B25为系统的供油泵。
其额定压力为2.5MPa,额定转速为450r/min24.17r/s（1。
3.2确定电动机功率及型号
电动机功率KW。
pQN28.18
.061225
25612=⨯⨯==
η按CB-B*型齿轮泵技术规格,查得的驱动电动机功率为1.3KW,或取功率略大一点的交流电机。
现选取电动机型号为,JO4222--额定功率为1.5KW,转速为1450r/min。
4确定各类控制阀
系统工作压力为1.5Mpa,油泵额定最高压力为2.5MPa,所以可以选取额定压力大于或等于或等于2.5MPa的各种元件,其流量按实际情况分别选取。
目前中低压系统的液压元件,多按6.3MPa系列的元件选取,所以可以选取:
溢流阀的型号为:
Y-25B;工作台液压缸换向阀型号为:
34D-25BY;快进二位二通电磁阀型号为:
22D-25B;调速阀型号为Q-10B;背压阀型号为B-25B;
定位、夹紧系统的最大流量为2.8l/min,所以可以选取:
单向阀型号为I-10B;换向阀型号为24D-10B;单向顺序阀型号为XI-B10B;蓄能器供油量仅作定位夹紧系统在工作台快进、工进与快退时补充些搂和保持压力之用,其补油量极其有限,所以可以按容量最小的规格选取。
先选取NXQ-0.6/10-I型胶囊式蓄能器,当△p=15%时,其有效补油提极为△V=0.07l。
滤油器可选用型号为WU-25×180J的网式滤油器,过滤精度为180um。
压力表可选用Y-60型量程6.3MPa的普通精度等级的量表。
选用量程较高的压力表可以避免在系统有压力冲击时经常损坏,但量程选得过大会使观察和调整的精度降低。
管道通径与材料:
阀类一经选定,管道的通径基本上已经决定,这是标准化设计的一大方便。
只有在特殊需要是才按管内平均流速的要求计算管道通径。
按标准:
（1
通径
25L/min流量处,选用φ12通径的管道。
10L/min流量处,选用φ8通径的管道
为便于安装,可以采用紫铜管,扩口接头安装方式。
（2
壁厚
按强度公式有δ≥
]
[2σd
p∙,
其中,紫铜的[σ]=250kgf/cm2
=25MPa,为安全起见,取P=2.5MPa来计算mm6.025212
5.212=⨯⨯≥
φδ,
mm4.025
28
5.28=⨯⨯≥φδ,
所以可以取φ12、壁厚1mm和φ8、壁厚0.8mm的紫铜管。
考虑到扩扣处管子得强度,
壁厚可以略有增加,一般按常用紫铜管的规格选取即可（对低压系统而言,对高压系统必须进行计算。
5确定油箱容量与结构
5.1油箱容量与结构
因为是低压系统,油箱容积按经验公式计算:
油箱容积V=（2~4Q
现取V=4Q=4×25=100l
结构可以采用开式、分立、电动机垂直安装式标准油箱（参阅本书第三部分中油箱及液压泵装置的设计部分
5.2液压油选择
该系统为一般金属切削机床液压传动,所以在环境温度为-5℃~35℃之间时,一般可选用20号或30号机械油。
冷天用20号机械油,热天用30号机械油。
6.PLC的发展与控制原理
6.1可编程序控制器概述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程序控制器正是顺应这一要求出现的,它是一微处理器为基础的通用工业控制装置。
可编程序控制器（ProgrammableLogicController简称为PLC,它的应用面广、功能强大、使用方便,已经成为当代工业自动化的主要控制设备之一,在工业生产的所有领域得到了广泛的使用,在其他领域（例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。
国际电工委员会（IEC在1985年的PLC标准草案第三稿中,对PLC作了如下定义:
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”从上述定义可以看出,PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机,除了能完成各种各样的控制功能外,还有与其他计算机通信联网的功能。
PLC的推广应用的我国得到了迅猛的发展,它已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的电器控制装置中。
了解PLC的工作原理,具备设计、调试和维护PLC控制系统的能力,已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程设备组成（见图1—1。
大部分PLC还可以配备特殊功能模块,用来完成呢感某些特殊任务。
1CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片和存储器组成。
在PLC控制系统中,CPU模块相当于人的大脑和心脏,它不断地采集输入信号,执行用户程序,刷新系统的输出:
存储器用来储存程序和数据。
2I/O模块
输入（Input模块和输出（Output模块简称为I/O模块,它们是系统的眼、耳、手、脚,是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号,开关量输入模块用来接收从按纽、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等传来的开关量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信
号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁伐、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警等输出设备,模拟量输出模块用来控制调节伐、变频器等执行装置。
CPU模块的工作电压一般是5V,而PLC的输入/输出信号电压一般较高,例如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件,或使PLC不能正常工作。
在I/O模块中,用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC
的内部电路和外部的I/O电路,I/O模块除了传递信号外,还有电平转换与隔离的作用。
3编程设备
编程设备可以是专用的手持编程器,或者安装了编程软件的计算机,它们用来生成、编辑、检查和修改用户程序,还可以用来监视用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图,只能输入和编辑指令表程序,因此又叫做指令编程器。
它的体积小,价格便宜,一般用来给小型PLC编程,或者用于现场调试和维护。
现在在趋势是用计算机和编程软件来取代手持式编程器,使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图和指令表程序,可以实现不同编程语言的相互转换。
程序被编译后下载到PLC,也可以将PLC中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印,通过网络,还可以实现远程编程和传送。
4电源
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。
内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。
小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关提供24V直流电源,驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
1编程方法简单易学
梯形图是使用得最多的PLC的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制拥护程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言,PLC在执行梯形图程序时,将它“翻译”成汇编语言后再执行。
2功能强,性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,可以实现非常复杂的控制功能。
与相同的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。
PLC还可以通过通信网,实现分散控制,集中管理。
3硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强
PLC产品已经标准化、系统化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选择,用户能灵活方便进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。
硬件配置确定后,通过修改用户程序,就可以方便、快速地适应工艺条件的变化。
4可靠性强,抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良,容易出现故障。
PLC用软件代替中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件,接线可以减少到继电器控制系统的十分之一,因为触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,以被公认为最可靠的工业控制设备之一。
5系统的设计、安装、接线工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中间继电器、时间继电器、记数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。
这种编程方法很有规律,容易掌握。
对于复杂的控制系统,如果掌握了正确的设计方法,设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
可以在实验室模拟调试PLC的用户程序,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后,在现场的统条过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。
6维修工作量小,维修方便
PLC的故障率很低,且有完善的自诊断功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程设备提供的信息方便地查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
7体积小,能耗低
对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2甚至
1/10。
PLC控制系统的配线比继电器控制系统的配线少得多,故可以省下大量的配线和附件,减少很多安装接线工时,加上开关柜体积的缩小,可以节省大量的费用。
在我国,PLC已经广泛地应用在所有的工业部门,随着其性能价格比的不断提高,应用范围不断扩大。
PLC的应用领域主要有:
1开关量逻辑控制
PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令,可以实现触点和电路的串、并联,代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。
开关量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线,其应用领域已遍及各行各业,甚至深入到家庭。
2运动控制
PLC使用专用的指令或运动控制模块,对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制,可以实现单轴、双轴、3轴、和多轴位置控制,使运动控制与顺序控制有机地结合在一起。
PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械场合,例如金属切削机床、金属成型机械、装配机械、机器人、电梯等。
3数据处理
现代的PLC具有数学运算（包括整数运算、浮点数运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位和浮点数运算等、数据传送、转移、排序和查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较,也可以用通信功能传送到别的智能装置,或者将它们打印制表。
我国有不少的厂家研制和生产过PLC,近年来国产PLC有了很大的发展,但目前我国使用的PLC主要还是国外品牌的产品。
在全世界上百个PLC制造厂中,有几家举足轻重的公司,它们是美国
Rockwell自动化公司所属的A—B（Allen&bradly公司、GE—Fanuc公司,德国的西门子（Siemens公司和法国的施耐德（Schneider自动化公司、日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON公司。
与个人计算机相比,PLC在标准化方面做得较差,PLC的软、硬件体系结构是封闭的,绝大多数PLC使用专用的总线、专用通信网络及协议,各种PLC产品的编程语言在表示方式、寻址方式和语法结构上都不一致使得各种PLC互不兼容。
国际电工委员会（IEC的IEC61131—3《可编程序控制器的编程语言标准》为PLC编程的标准化打下了基础。
目前有的厂家已推出了符合或基本符合IEC61131—3标准的编程语言,但是仍然有相当多的PLC产品的编程语言与IEC61131—3有较大的差异。
尽管如此,各种PLC产品在软件上还是比较接近的,学好了一种PLC的编程语言,再学别的PLC就比较容易了。
6.2PLC的工作原理
PLC是从继电器控制系统发展而来的,它的梯形图程序与继电器系统电路图相似,梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称,例如输入继电器和输出继电器。
这种用计算机程序实现的“软继电器”,与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。
由于以上原因,在介绍PLC的工作原理之前,首先简要介绍物理继电器的结构和工作原理。
图1—2是继电器结构示意图,它主要由电磁线圈、铁心、触点和抚慰弹簧组成。
继电器有两种不同的触点,在线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点（例如图1—2中的触点3、4,处于闭和状态的触点称为常闭触点（例如图1—2中的触点1、2。
当线圈通电时,电磁铁产生磁力,吸引衔铁,使常闭触点断开,常开触点闭合。
线圈电流消失后,复位弹簧使衔铁返回原来的位置,常开触点断开,常闭触点闭合。
图1—2是继电器的线圈、常开触点和常闭触点在电路中的符号。
一只继电器可能有若干对常开触点和常闭触点。
在继电器电路中,用同一个由字母和数字组成的名称（例如K1来标注同一个继电器的线圈和触点。
使用继电器电路或PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。
图1—3中上面的图形是PLC的梯形图,梯形图中某些编程元件（例如输出继电器和辅助继电器的线圈“通电”时,其常开触点闭合,常闭触点断开,称该编程元件为1状态。
当它们的线圈“断电”时,其常开触点断开,常闭触点闭合,称该编程元件为0状态。
图1—3中的A和B为输入逻辑变量,M为输出逻辑变量它们之间的“与”、“或”、“非”逻辑运算关系见表1—1。
用继电器电路或梯形图可以实现基本逻辑运算,触点的串联可以实现“与”运算,触点的并联可以实现“或”运算,用常闭触点控制线圈可以实现“非”运算（见图1—3。
多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。
1.扫描工作方式
PLC有两种工作模式,即运行（RUN模式与停止（STOP模式。
在运行模式中,PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是不断地重复执行,直至PLC停机或切换到STOP工作模式。
除了执行用户程序之外,在每次循环过程中,PLC还要完成内部处理、通信服务等工作,依次循环可以分为5个阶段（见图1—4。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高,从外部输入—输出关系来看,处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理阶段,PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些其他内部工作。
在通信服务阶段,PLC与其他带微处理器的智能装置通信,响应编程设备输入的命令,更新编程设备的显示内容。
当PLC处于停止（STOP模式时,只执行以上的操作。
PLC处于运行（RUN模式时,还要完成另外三个阶段的操作。
在PLC的存储器中,设置了一片区域用来存放
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