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

　　-9-

　　－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