四柱液压机的自动控制毕业设计.docx
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四柱液压机的自动控制毕业设计
湖北文理学院
毕业设计（论文）正文
题目
四柱式液压机的自动控制
专业
机械设计制造及其自动化
班级
机械与汽车工程学院机制0812班
姓名
王凡
学号
08115053
指导教师
职称
吴和副教授
四柱式液压机的自动控制
摘要
：
本设计以四柱式液压机的机械及液压装置为基础，配以可编程控制器，根据液压机的工作过程，按照生产工艺要求进行自动控制。
利用PLC最具优势的开关量控制与自身具备的PTO控制及PID控制功能紧密结合，对液压机的运行速度及液压油温进行控制。
通过高精度比例溢流阀和PLC的模拟输入输出模块对顶出缸的油压进行控制,并结合板材变压边力成形工艺,在单动液压机上实现变压边力控制。
在板材成形过程中通过可编程控制终端对成形力、压边力及凸模行程进行实时监视和控制。
文中详述了PLC的特性及发展趋势，具体介绍了所选PLC的特点，及其控制单元和所选控制模块的使用和参数设定，给出了液压机的工作流程图、程序运行流程图并编制出了运行程序。
关键词：
四柱式液压机；自动控制；PLC；PTO控制；PID控制。
AutomaticControlofFourPolesLiquidPress
Abstract
：
Thedesignwasbasedonmachineryandliquidpressesdeviceoffourpolesliquidpress.Thedesignercombineditwithprogram-controller.Accordingtotheworkpressesoftheliquidpressandrequestofproducetechnology.Themachinescarryonanautomaticcontrol.TomakinguseofthePTOcontrolfunctionandtheswitchcontrolfunctionofPLC.Theyhavebeenmostclosecombinedtocontrolthemovementspeedandoiltemperatureoftheliquidpress.TheoilpressurewascontrolledbythehighaccuracyproportionalspillovervalveandtheanalogI/OmodelofthePLC.Withthedeepdrawingprocessofsheetmetalthevariableblank-holderforcecontrolwasrealizedonthesingle-actionhydraulicmachine.ThedesignerdetailedthecharacteristicandthedevelopmentofPLC.AndconcretelyintroducedthecharacteristicsofthechosenPLCandtheusageofitscontrolunitandparametersettingofthemoldpiece.Theflowdiagramandprogramweredesignedinthearticle.
Keywords:
Fourpolesliquidpress;Automaticcontrol;PLC;PTOcontrol;PIDcontrol.
1引言
自动化一词的含义十分广泛，它是指采用能自动开停、调节、检测、加工和控制的机器人、设备进行各种作业，以代替人力来直接操作的措施。
它是机械化的高级阶段。
近年来由于电子技术、计算机技术和通信技术的迅速发展，自动化得到了长足的进步。
自动化的原意就是设计一种控制设备来取代人力操作机械的动作，以达到各种机械自动、半自动运行的目的。
可编程控制器（PLC）由于它的功能完善、操作方便、可靠性高、价格也比较实惠，近年来普及很快，当前已成为工厂自动化的重要支柱。
PLC是一种应用于工业控制的智能型可编程序的顺序控制器，是每一接点可重复使用的智能型继电器阵列。
过去，PLC仅作为顺序控制器来使用，常规情况下，对于一些过程控制，都采用上位微机控制来完成即所谓的集散控制系统（DCS）。
随着微电子技术的发展，PLC的功能日趋完善，它已有单一的顺序控制功能发展成为集顺序控制和过程控制于一身的复合型工业控制器。
与DCS系统相比，采用PLC单一控制，其系统成本可降低一半，因此，使用PLC实现复合控制是未来工业控制的主流。
目前，我国PLC的应用还处在初级阶段，一般仅用于中、小型企业的顺序控制中，但在一些从国外引进的大型制造业的装备中，PLC实现复合控制使用的已相当广泛。
PLC作为开关量控制的顺序控制器在液压设备上的应用已很普遍。
PLC在数控机床中应用，通常有两种形式：
一种称为内装式；一种称为独立式。
内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的交换速度和较宽的信息通道。
它们可以共用一个cpu，也可以是单独的cpu，这种结构从软硬件整体上考虑，PLC和NC之间没有多余的导线连接,增加了系统的可靠性,而且NC和PLC之间易实现许多高级功能。
PLC中的信息也能通过CNC的显示器显示,这种方式对于系统的使用具有较大的优势。
高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。
独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。
在采用这种应用方式时，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。
PLC在数控机床和非数控机床中都有使用，在数控机床中，PLC是数控机床的大脑，何时进刀，何时退刀，刀量多少，工件的加工流程及所有要控制的操作都要由PLC发出指令，机床的限位开关等机械控制部分以及液压控制部分也会应用到PLC。
通过计算机与PLC的组合，实现对刀架换刀的准确控制。
机床行业中PLC的应用以小型PLC为主，日系PLC在小型PLC领域占有很大优势，因此在机床行业中日系PLC占据大部分市场份额，而三菱、西门子由于其数控系统在机床行业中占有优势，因此在机床行业中占有一席之地。
机床行业中PLC品牌集中度比较高，主要集中于日系品牌（三菱、欧姆龙）和西门子，台湾品牌台达在其中也占有一定的市场份额，而其他的品牌主要有富士、倍福、ls、施耐德、光洋、abb和横河等。
机床行业在保持了最近这些年的持续高速增长之后，于今年开始出现衰退现象，特别是在受金融危机冲击后，从7月份开始与去年同期相比都有不同程度的下降，11月份甚至下降幅度达到20.2%，如此高幅度的下降是历年很少见的，其中普通机床的影响尤为明显，库存开始增加，而数控机床的影响稍微少一些，从而给这个行业重新洗牌，未来机床的方向是数控化和逐步高端化，这些机床都需要使用大量PLC和运动控制器/卡来逐步取代继电器或机械控制，使得机床的整体性能得到提升，因此从长远来看，PLC和运动控制器/卡在机床行业的应用还是会很有潜力，在金融危机的冲击下，用户对PLC的性价比会越来越高，在同等价位水平下，希望PLC能够集成更多功能，如多轴插补功能等，甚至把原来不带有运动控制模块的PLC转化成带有运动模块，这些都是PLC厂商面对这场危机时所需要考虑的，在人人捂紧钱包的时候，只有更加高性价比的产品才能在这场危机中胜出，而对于运动控制器/卡，开放性将是其发展趋势，不需要借助相关平台即能实现运动控制功能。
众所周知，工作液体是液压能的载体，其基本功能是进行能量的转换和传递。
此外，它还对液压元件和系统进行润滑和冷却。
因此，液压油的参数对液压设备能否正常运转起着举足轻重的作用，利用PLC对液压油油温进行过程控制是本论文研究的其中一个方面。
四柱式液压机主要适用小批或成批生产的金属压力加工工艺。
本论文引入现代控制理论及方法对其控制实施逻辑判断，根据生产工艺要求如何在PLC上将顺序控制与过程控制有机结合，实现这种复合控制。
机床根据编制好的程序自动运行，这样就简化了工人的操作，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。
在编制程序过程中把设备所有可能出现的情况考虑进去，确保液压设备本身及操作使用人员的安全:
同时可大大提高设备的整体性能及压力设备的高技术含量；为我国的装备制造业的发展方向提供经验。
2四柱式液压机的结构和工作原理
分析YB32-500四柱式液压机机械结构；简述液压机液压系统的结构组成及其工作原理；为下一步采用PLC控制系统的方案设计做基础。
2.1四柱式液压机的机械结构
机身由电机、与立柱联接成一体的底座、立柱内装有油箱、行程开关和电磁换向阀组成，其特征是：
底座上通过螺栓装有立柱，在立柱的外侧上安装油箱，立柱内装有缸套，立柱下端安装下缸盖，在缸套内装有由上和下活塞杆通过密封圈套装在一起的活塞，活塞的下活塞杆穿出下缸盖，活塞的上活塞杆穿出立柱上端安装的上缸盖，另外立柱上端还安装有罩住上缸盖的防尘透明罩，在其罩内的穿出上缸盖的活塞的上活塞杆端部装有限位碰块，上缸盖上通过螺栓固装有两个顶杆，在两个顶杆上分别安装带有调节螺柱的行程开关座，行程开关座上装有行程开关。
外观图见图2.1。
图2.1四柱式液压机外观图
2.2液压系统构成
1.主缸
主缸缸体是用锻缸制成的。
缸体依靠缸口台肩及大锁母紧固于上横梁内。
活塞下端利用法兰用螺栓与活动横梁紧固联接。
活塞的头部装有铸铁导向套，导向套的环行槽内装有方向相反的Y型密封圈，将缸内形成上下两个油腔。
缸口部分也装有铸铁导向套和Y型密封圈。
Y型密封圈是用聚氨脂橡胶制成的。
2.顶出缸
顶出缸装于工作台中心孔内，用锁紧螺母固定之，其结构与主缸相同。
3.动力结构
动力结构是产生和分配工作油液的装置。
其油箱为钢板焊接件，箱内装有过滤板，箱前装有油位标志。
油箱用四个支柱支起，其下面装有油泵和电动机。
油箱的上面装有低压控制系统以及各压力阀和方向阀等元件。
（l）主油泵和主电动机的型号
轴向柱塞泵选用16OWCY14一IB型微机控制变量泵。
此类泵是在DCY14-1B泵的基础上改进设计而成的一种新的变量形式，它以步进电机代替DCY14-1B泵上的可逆电动机，利用步进电机带动变量头改变泵的斜盘角度来实现其控制功能，以滚珠丝杆代替普通丝杆，可实现高精度的流量控制。
主油泵电动机选用Y200L-445KW，转速1475r/m。
（2）控制系统
控制系统包括齿轮泵、溢流阀及电机等。
齿轮泵型号为:
HY01-25X25Q=25L/minP=2.5MPa
溢流阀型号为:
DBW11-35X25Q=35L/minP=2.5MPa
电机型号为:
JOZ-22-4P=1.5KWr=1410r/m
本机液压系统中的控制油压力应调整为1.5-2.0MPa
（3）标准阀类元件
本机使用的标准阀类元件均为天津市高压泵阀厂生产。
包括有6MF1a和7KF1a电液动滑阀、B1I1电动滑阀、2Y和6Y溢流阀、6D单向阀、以及电接点压力表等。
其中6MFla电液动滑阀于装配时在主阀和导阀中间增设一阀板，以便于接通控制管路。
4.冷却装置
油液的工作温度最好在15℃、55℃范围内。
夏季气温高，油温超过55℃，应当冷却。
本设备在油箱内及工作油路上设有冷却管路，需要冷却时通循环冷却水，不需要冷却时，停止通冷却水。
5.加热装置
由于北方冬季气温低，最低温度达到零下20几度，为了液压机的正常运转，本设备在油箱内设置加热装置。
当液压油温度低于15℃时，启动加热装置。
2.3液压系统工作原理
YB32-500型四柱式液压机的液压系统原理图见图2.2。
注：
1－恒功率变量泵2－定量泵3、4－溢流阀5－远程调压阀6、21－电液换向阀
7－压力表8－电磁阀9－液控单向阀10－顺序阀11－卸荷阀（带阻尼孔）
12－压力继电器13－单向阀14－充液阀（带卸荷阀芯）15－充液箱16－主缸
17－顶出缸18－溢流阀19－节流器20－背压阀22－滑块23－挡铁
2.2四柱式液压机的液压系统原理图
四柱式液压机的工作原理
1.快速下行
按下启动按钮。
电磁铁1DT、5DT通电吸合。
低压控制油使电液阀6切换至右位，同时经阀8使液控单向阀9打开。
泵1供油经阀6右工位、单向阀13至主缸16上腔，而主缸下腔液压油经液控单向阀9、阀6右工位、阀21中位回油箱。
实际上，此时主阀滑块22在自重作用下快速下降，泵1的全部流量还不足以补充主腔上腔空处的容积，因而在上腔形成局部真空，置于液压缸顶部的充液箱15内的油液在大气压及油位作用下，经液控单向阀14（充液阀）进入主缸上腔。
2.慢速接近
工件加压当主缸滑块22上的挡铁23压下行程开关XW2时，电磁铁5DT断电，阀8处于常态位，阀9关闭。
主缸回油经背压（平衡）阀10、阀6右位、阀21中位至油箱。
由于回油路上有背压力，滑块单靠自重就不能下降，油泵1供给的压力油使之下行，下行速度减慢。
这时主缸上腔压力升高，充液阀14关闭。
主泵1的压力油推动活塞使滑块慢速接近工件，当主缸活塞的滑块22抵住工件后，阻力急剧增加，上腔油压进一步提高，变量泵1的排油量自动减小，主缸活塞的速度变得更慢，以极慢的速度对工件加压。
3.保压
当主缸上腔的油压达到预定值时，压力继电器12发出信号，使电磁铁1DT断电，阀6回复中位，将主缸上、下油腔封闭。
同时泵1经阀6、阀21的中位卸荷。
单向阀13保证了主缸上腔良好的密封性，主缸上腔保持高压。
保压时间可由压力继电器12控制的时间继电器调整。
4.泄压、快速回程
保压过程结束，时间继电器12发出信号，使电磁铁2DT通电（当定程压制成型时，可由行程开关XW3发出信号），主缸处于回程状态。
为了防止液压冲击，保压后必须先泄压然后再回程。
但由于液压机油压高，而主缸的直径大，行程长，缸内液体在加压过程中受到压缩而储存相当大的能量。
如果此时上腔立即与回油相通，则系统内液体积蓄的弹性能突然释放出来，产生液压冲击，造成机器和管路的剧烈振动，发出很大的噪声，为此，保压后必须先泄压后再回程。
当电液换向阀6切换至左位后，主缸上腔还未泄压，压力很高，卸荷阀11（带阻尼孔）呈开启状态，主泵1的油经阀6的左工位,阀11的回油。
这时主泵1在较低压力下运转，此压力不足以使主缸活塞回程，但能够打开液控单向阀14的卸荷阀芯，主缸上腔的高压油经此卸荷阀芯的开口而泄回充液箱15，这是泄压过程。
这一过程持续到主缸上腔压力降低到较低时，卸荷阀11关闭为止。
主泵1的供油压力升高,推开充液阀14的主阀芯。
此时泵1的压力油经阀6的左位,液控单向阀9进入主缸下腔,而主缸上腔油液经阀14回油到充液箱15实现主缸开始快速回程。
2.4主要技术规格
YB32-500型四柱式液压机的主要技术规格见表2.1
表2.1四柱式液压机的主要技术规格
序号
项目
单位
规格
1
公称压力
t
500
2
液体最大工作压力
MPa
25
3
回程压力
t
100
4
顶出压力
t
100
5
顶出回程压力
t
30
6
拉伸时压边压力
t
125
7
拉伸时顶出缸液体最大工作压力
MPa
32
8
控制油路工作压力
MPa
1.5-3
9
活动横梁最大行程
mm
900
10
顶出活塞最大行程
mm
350
11
活动横梁距工作台面最大距离
mm
1500
12
顶出活塞距工作台最大距离
mm
430
13
活动横梁形成速度
空载下行最大
mm/s
100
工作时最大
mm/s
10
回程时最大
mm/s
80
14
总工率
KW
46.5
3总体设计方案
3.1液压机的基本工作过程
其工作流程框图如图3.1：
图3.1四柱式液压机工作流程框图
液压机的工作流程由滑块快速下行、慢下加压、压制、保压延时、卸压回程、顶出缸顶出、顶出缸退回7个过程组成.在现使用的液压机中，这7个过程是在半自动及手动控制下实现的。
而在自动控制的液压机中，这7个过程可做到全自动依次运行，只有人工按停止按纽或急停按纽干预方能停车。
3.2设备控制要求
液压机的自动控制系统要求能实现自动及手动欧诺个控制方式。
液压机在正常工作时选择自动控制方式。
1.设定手动控制方式的主要原因有三个:
（1）液压机在压制不同形状的工件时，能准确调整其工作范围。
（2）液压机利用手动控制顶出缸作薄板反拉伸。
（3）液压机出现故障时，便于快速查找故障原因。
2.液压机自动工作状态:
将转换开关打到自动工作状态，按下自动启动按钮
（1）液压机滑块靠自重快速下行
（2）液压机滑块漫下加压
（3）接触工件进行压制
（4）达到设定压力开始保压
（5）保压延时到卸压回程
（6）回程到位后，延时一定的时间顶出缸顶出
（7）顶出到位后，延时一定的时间顶出缸退回
（8）延时一定的时间进行下一个工作循环
3.液压机手动工作状态:
将转换开关打到手动工作状态
（1）按“压制、回程”按钮，液压机滑块动作，抬手停止。
（2）按“顶出、退回”按钮，顶出缸动作，抬手停止。
4.工作过程的控制:
（1）对液压机滑块的速度，根据产品工艺的要求进行设定。
其速度由
变量泵的流量来控制，利用步进电机带动变量头改变泵的斜盘角度来实现其
控制功能。
速度等级分高、中、低三挡。
（2）对油温进行控制，使其保持在15℃、55℃的最佳工作状态。
（3）为了设备及人身安全设置急停按钮及光栏保护开关。
3.3电气系统设计
电气原理图如图3.2所示：
图3.2电气原理图
根据液压机的控制要求，所需的器件有：
西门子S7-200系列PLC、起动按钮SB1、停止按钮SB2、红绿色信号灯等，输入／输出端口接线如外部接线图所示。
由图可见：
起动按钮SB1接于输入继电器I0.0端，停止按钮SB2接于输入继电器I0.1端，将输出端的COM1及COM2用导线相连，输出端的电源为交流220V。
如果电磁阀的功率较大，一个输出继电器不能带动，可以采用输出继电器先带动中间继电器，再由中间继电器驱动电磁阀。
4控制系统程序设计
4.1可编程控制器应用于液压机的可行性分析
4.1.1可编程控制器的特点
现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。
可编程控制器由于具有以下特点而深受欢迎:
1.可靠性高，抗干扰能力强。
这往往是用户选择控制装置的首要条件。
PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。
目前各生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了EIC规定的10万小时。
而且为了适应特殊场合的需要，有的PLC生产商还采用了冗余设计和差异设计（如德国Pi12公司的PLC），进一步提高了其可靠性。
2.适应性强，应用灵活。
由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。
3.编程方便，易于使用。
PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。
近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言，也称功能图，使编程更简单方便。
4.控制系统设计、安装、调试方便。
PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。
又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。
设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。
5.维修方便、维修工作量小。
LPC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。
LPC对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。
工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。
6.功能完善。
除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PDI运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。
由于具有上述特点，使得LPC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。
4.1.2PLC的组成及作用
PLC实质是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成十分相似。
从硬件结构看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等，如图4.1
图4.1PLC基本组成框图
1.中央处理器（CPU）
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊的进行工作，其主要任务有:
控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储;用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
2.存储器
LPC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。
它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。
第一部分为系统管理程序，它主管控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。
第二部分为用户指令解释程序。
通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令:
再由CPU执行这些指令。
第三部分为标准程序模块与系统调用。
它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。
PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。
3.脉冲量处理
脉冲量，是除了逻辑量、模拟量外，另一个常见的物理量。
如机床部件的位移，常以脉冲数量表示。
数字控制技术实质就是用脉冲实现控制的技术。
4.数据采集与存储
PLC有种种接口与人机界面，可用其去获得有关信息。
PLC的数据存储区，随着技术的发展，也越来越大。
已出现兆级的，这样庞大的数据存储器区，则可存储大量数据。
PLC访问数据区，有多种方法，可直接访问，也可间接访问。
同时，PLC又有众多的定时期、计数器以及实时时钟。
所以，PLC有强大的数据采集与存储功能。
5.诊断功能
PLC有自诊断功能。
PLC有很多指示灯，可显示LPC自身的状态与控制对象的状态。
PLC总是周期地自检，如出现故障，其代码将实时存于相应的内存区中，不同的代码代表不同的故障。
近期的PLC，出现故障还可自动记录，可记故障出现的具体时间。
时间精度可到秒级，甚至更精。
可记下近期的20次，甚至更多故障记录。
近期的LPC，还有更多的自检手段，不仅可定位故障出现的时间，还可定位故障出现的位置。
6.连网、通信
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