粉末成型液压机的液压及控制系统设计.docx

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粉末成型液压机的液压及控制系统设计

摘要

粉末成型压力机是通过加压、加热方法使粉末成形的压力机。

用于生产橡胶块、瓶塞、密封圈、轮胎等橡胶制品。

用途比较广泛。

粉末成型液压机由主机及控制机构两大部分组成。

液压机主机部分包括机身、主缸、顶出缸及充液装置等。

动力机构由油箱、液压泵、电动机及各种压力阀和方向阀等组成。

本文讨论如何用PLC控制动力机构，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环。

本论文研究了粉末自动成型动作要求，分析了粉末自动成型液压机液压系统控制特点，设计了相应的液压和控制系统，实现了粉末自动成型控制，系统工作可靠，压制产品品质优良。

关键词：

液压系统粉末成型液压机

ABSTRACT

Powderbycompressionmoldingpress,heatingmethodtopowderformingpress. Fortheproductionofrubberblocks,corks,seals,tiresandotherrubberproducts. Moreextensiveuse.

Powdermoldinghydraulicmachineandthecontrolmechanismbythehostoftwomajorcomponents. Hydraulicpress,includingthehostpartofthefuselage,themaintank,atanktopandfilleddevices. Powersectorfromthefueltank,hydraulicpumps,motorsandallkindsofpressurevalvesanddirectionofthevalve. ThisarticlediscusseshowtocontrolthedynamicorganizationwithaPLCthroughavarietyofhydraulicpumpsandcylindersandvalvestoachievetheenergyconversion,regulationanddistribution,tocompletethecycleofthevariousprocessaction.

Thispaperinvestigatesautomaticmoldingpowderoperationalrequirementsofthepowdermoldingpresshydraulicsystemcontrolautomaticallythecharacteristicsofthecorrespondinghydraulicdesignandcontrolsystem,andautomaticpowdermoldingcontrolsystemisreliable,goodqualitysuppression.

Keywords:

Hydraulicsystempowderforminghydraulicpres

1前言

1.1选题意义和背景

品粉末制品液压机是一种新型的液压专用设备,广泛应用于各种金属粉末、磁性粉末、陶瓷粉末、硬质合金制品，药品等的压制成型。

目前，粉末制品液压机加工企业所使用的粉末

制品压力机，由于那些改制型设备和冲床不能满足高精度、复杂形状粉末制品的加工要求，致使我国粉末制品加工行业和粉末冶金工业的发展缓慢，据相关资料显示，在一些发达国家如美国、日本、欧洲等，其粉末制品在汽车配件中的应用已达到37%，而我国仅达到10%，相差甚远。

尤其是对高精度、复杂形状的粉末制品市场需求量已呈强势扩大趋势。

粉末成型液压机，主要适用以结构件为主的粉末冶金，机械零件的生产，此液压机有独立的液压和电器系统，具有浮动压制，使制品成型密度得到有效控制，保护性脱模和一般性脱模两种脱模方式可供选择，电气控制采用PLC可编程控制器，液压系统采用先进的插装集成阀，保证液压机连续，频繁的稳定工作。

配有油液冷却装置。

采用按钮集中控制，同时装有机械限位装置，从而保证制品的一致性。

1.2国内粉末成型工艺发展及其特点

（1）操作简单。

这几年粉末成型机制造企业开始重视产品质量，大都奉信“以质取胜”的经营理念。

针对国内制药厂家众多、片剂品种繁多、生产规模小特点。

粉末成型机制造企业，开发的粉末成型机产品具有操作简单、清理方便快捷的特点，特别是更换品种时，清场迅速方便。

（2）技术含量较低、技术创新后力不足。

目前，国内40余家制药装备企业生产六十多个品种规格的粉末成型机。

虽然，每年都有新的产品在不断推出。

但这其中真正技术水平高、附加值大的品种却寥寥无几。

产品重复开发严重、抄袭剽窃盛行，某一品种的粉末成型机生产厂家多达几十家。

为了生存，许多小规模的制药装备企业不仅在技术创新上采取“模仿型”战略，有的厂家甚至完全靠抄袭别人的技术作为自己的技术“创新”，有的甚至在“粗制滥造”。

为了争夺定单，往往采取压价手段，因为品牌忠诚度低，价格战打起后，这些品牌更加吃亏，现在品牌正在不断贬值。

如果这种情况得不到扭转，必将导致我国粉末成型机设计制造水平整体倒退。

我国绝大部分的企业都是民营的企业，在技术、设备、人才等方面都不具备优势，严重制约企业的技术创新。

部分企业研发机构缺乏、创新体系不健全，技术人员缺乏技术创新意识，企业整体技术实力不强，科研生产技术装备更新速度十分缓慢。

最值得关注的是，整个行业的科技人才都处于一个“青黄不接”的阶段。

可以说，人才危机正在整个行业里蔓延。

1.3国外粉末成型工艺发展及其特点

我们与国外发达国家的粉末成型机与粉末成型技术的差距还在扩大，高速高产、密闭性、模块化、自动化、规模化及先进的检测技术是国外粉末成型机技术最主要的发展方向。

先进的粉末成型机基本在欧美，如德国FETTE、KORSCH，英国MANESTY，比利时COURTOY，美国STOKES等。

其产品自动化程序高,符合FDA要求及21CFRPART11的要求。

（1）高速高产量。

高速高产量是粉末成型机生产厂商多年以来始终追求的目标，目前世界上主要的粉末成型机厂商都已拥有每小时产量达到100万片的粉末成型机。

如Manestry公司生产的Xpress700型粉末成型机高产量达100万片；Korsch公司生产的XL800型粉末成型机最高产量达102万片/h；Courtoy公司生产的ModulD型粉末成型机最高产量达107万片/h；Fette公司生产的4090i型粉末成型机最高产量达150万片/h。

其产量远远高于国内粉末成型机的产量，国内粉末成型机要在速度产量上赶上超过国外，需要在粉末成型机设计创新、加工工艺、自动控制等方面有长足的发展。

（2）粉末成型工艺环节的密闭性及人流、物流的隔离。

国外的粉末成型机输入输出的密闭性非常好，尽可能地减少交叉污染。

粉末成型用的颗粒通过密闭的料桶及密闭输送系统进入料斗，粉末成型过程中采取有效地手段防止粉尘飞扬和颗粒分层，压好的片剂通过筛片、片中检测、金属探测等进入包装工序，整个过程相当密闭。

而国内大多数粉末成型机粉末成型过程是敞开的，或者是没有完全密闭，断裂的工序致使粉末成型间粉尘飞扬。

随着GMP的深入实施，在粉末成型工艺环节的密闭性及人流、物流的隔离变的尤为重要，这是我们设计生产制造设备所必须具有的基本功能。

（3）在位清洗。

WIP（在位清洗）粉末成型机，使得用户设备使用成本大大降低。

改善粉末成型机的清洗功能，除了设计上充分考虑各个部分清洗之外，粉末成型机的清洗功能是强调可拆卸性，只有方便而快速拆卸，才能保证清晰的彻底性。

（4）与整条生产线连接的控制技术。

把一台粉末成型机能够连接到一条生产线中，德国和英国的粉末成型机都具有这种功能。

它具有开始、结束以及转速调节功能。

利用这一选项功能，可以可靠地、自动地与生产线的其它设备，例如筛片、吸尘、检测、输送、桶装等连接在一起，同步完成药片的压制生产任务。

同时，在外部设备上也采用了不同的监测手段，提供了很高的安全可靠性能。

利用在线检测仪可以为压制的药片清除毛刺、飞边，清除粉尘；吸尘监控功能是利用流量监控仪定期地对吸气管中指定位置的吸气压力进行检测。

连续地对设定值和实测值进行比较，若检测仪在吸气管中10s中内没有检测到吸气压力（没有流量）时，粉末成型机即发出故障报警提示并停止运行。

这一功能最大程度地保障了生产的可靠性，能够连续清除药片压制生产过程中的粉尘。

与整条片剂生产线连接的控制技术是片剂生产控制新技术，是今后的发展趋势。

这种技术在国内也刚刚起步。

（5）粉末成型机的远程监测和远程诊断系统。

随着网络、宽带网、虚拟等计算机高新技术的迅速发展，设备远程监测和远程诊断技术也日益兴起。

计算机控制的粉末成型机开始在药厂广泛应用，使的远程监测和远程诊断技术在粉末成型机行业有了用武之地。

目前，国外发达国家先进的粉末成型机上已普遍具备远程监测和远程诊断功能。

建立这种系统也是为了实现技术支持中心（服务方）与粉末成型机使用方（用户）通过互联网进行网络对话，使服务方可以在异地通过互联网了解用户粉末成型机出现的故障所在，以及粉末成型机在执行指令的工作状态，进而对粉末成型机的故障进行判断并提出可行的解决方案。

通过粉末成型机远程监测和远程诊断系统的建立，可以实时排除故障，大大提高了粉末成型机生产厂商的售后服务响应能力和速度，同时也提高了企业的经济效益。

粉末成型机远程监测和远程诊断系统应包括人员的配备、网络的建设、硬件设施、软件的选择等，分别来完成故障的监测、分析、反馈、下达及实时解决服务这些过程，以保证整个系统的有效运行。

当前国外粉末成型机技术发展的方向是向智能化、柔性化、精密化以及符合cGMP的要求，产品高新技术含量不断提升，机械、气、液、光、磁等一体的自动化技术、数控技术、传感器技术、新材料技术等在粉末成型机上得到广泛的应用。

国内的粉末成型机设计、生产制造水平近几年得到了长足的发展，但国外粉末成型机相比还有很大的差距，国产粉末成型机发展任重而远，还需要我们不断地努力。

由于继电器接触器控制是采用固定接线的硬件实现逻辑。

如果生产任务或生产工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。

另外，大型控制系统用继电器接触控制，使用继电器数量多，控制系统体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。

而PLC控制能改善继电器控制器上述的不足,PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术.PLC以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优势，迅速占领了工业控制领域。

从运动控制到过程控制，PLC可靠性高，抗干扰能力强,通用性强，控制程序可变，使用方便,功能强，适应面广,编程简单，容易掌握;体积小、重量轻、功耗低、维护方便,减少了控制系统的设计及施工的工作量等特点,所以设计时我们采用PLC能集中且较方便地控制.

2液压系统设计

2.1液压系统简介

液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。

液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间的相互关系。

液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择。

在分析和设计实际任务时，一般采用方框图显示设备中实际运行状况。

空心箭头表示信号流，而实心箭头则表示能量流。

基本液压回路中的动作顺序—控制元件（二位四通换向阀）的换向和弹簧复位、执行元件（双作用液压缸）的伸出和回缩以及溢流阀的开启和关闭。

对于执行元件和控制元件，演示文稿都是基于相应回路图符号，这也为介绍回路图符号作了准备。

根据系统工作原理，您可对所有回路依次进行编号。

如果第一个执行元件编号为0，则与其相关的控制元件标识符则为1。

如果与执行元件伸出相对应的元件标识符为偶数，则与执行元件回缩相对应的元件标识符则为奇数。

不仅应对液压回路进行编号，也应对实际设备进行编号，以便发现系统故障.DINISO1219-2标准定义了元件的编号组成，其包括下面四个部分：

设备编号、回路编号、元件标识符和元件编号。

如果整个系统仅有一种设备，则可省略设备编号。

实际中，另一种编号方式就是对液压系统中所有元件进行连续编号，此时，元件编号应该与元件列表中编号相一致。

这种方法特别适用于复杂液压控制系统，每个控制回路都与其系统编号相对应的。

2.2设计要求

⑴综合运用所学知识完成粉末成型液压机的液压及控制系统设计，解决设计中的实际问题。

⑵设计方案正确、合理。

图纸视图表达完整，布局合理，计算机绘制，符合国家有关标准。

⑶设计说明书内容完整、数据计算正确，引据准确可靠。

格式符合《毕业设计（论文）工作手册》规定。

3.原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）

粉末成型压力机是通过加压、加热方法使粉末成形的压力机。

用于生产橡胶块、瓶塞、密封圈、轮胎等橡胶制品。

用途比较广泛。

设计参数：

⑴负载700KN。

⑵最大液压压力18Mpa。

⑶主缸行程500mm。

⑷主缸速度（快、慢）35mm/s、2mm/s。

图2-1液压原理图

2.3液压系统动作简要说明

（1）主液压缸（16号原件）快进，到达工作位置（行程开关SQ2）转工进。

（2）主液压缸工进，压力值达到预设值时卸荷，定时保压。

（3）主液压缸定时完成后快退至SQ1处停止。

（4）主液压缸停止运转后副液压缸启动，推进至SQ3处停止。

（5）副液压缸退回，至SQ4处停止运转，系统完成一次动作循环。

2.4液压系统动作循环表

主液压缸快进

主液压缸工进

定时保压

主液压缸快退

副液压缸工进

副液压缸退回

YA1

+

+

+

-

-

-

YA2

-

-

-

+

-

-

YA3

+

-

-

+

-

-

YA4

-

-

-

-

+

-

YA5

-

-

-

-

-

+

YA6

-

-

+

-

-

-

2.5液压元件控制动作详细说明

（1）液压系统进入运转（控制方法请见PLC系统说明部分），YA1得电上位接通，

（2）YA3得电启用差动链接，主液压缸快进。

（3）主液压缸快进至行程开关SQ2处，YA1保持得电，YA3失电关闭差动链接，主液压缸工进，压力表显示压力值。

（4）YA1保持得电，当压力之达到预设值时YA6得电，系统卸荷时间继电器启动进入定时保压阶段。

（5）20秒计时结束以后，YA1失电YA2得电下位接通，YA3得电启动差动链接主液压缸快退。

（6）主液压缸快退至行程开关SQ1处停止运转。

（7）主液压缸停止运转后副液压缸启动，YA4得电接通至上位副液压缸推进至SQ3处停止。

（8）YA5得电下位接通，副液压缸退回至SQ4处副液压缸停止运转完成一次工作循环。

2.6液压缸的尺寸选取

2.6.1主液压缸参数计算

主液压缸的负载力：

F=2000KN

最大液压压力：

P=18Mpa

（1）活塞杆直径的选取

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。

对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：

=

[

]

设计中活塞杆取材料为碳钢，故[

]=100-120MPa.

d

=

=159mm

查《液压系统设计原器件选型手册》，选取尾部法兰式液压缸，取d=160mm。

（2）液压缸内径

根据JB826-66，选择标准液压缸内径系列，选择D=220mm.

（3）液压缸外径

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为227mm.

2.6.2副液压缸参数计算

副液压缸的负载力：

F=500KN

最大液压压力：

P=18Mpa

（1）活塞杆直径的选取

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。

对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：

=

[

]

设计中活塞杆取材料为碳钢，故[

]=100-120MPa.

d

=

=79mm

查《液压系统设计原器件选型手册》，选取尾部法兰式液压缸，取d=80mm。

（2）液压缸内径

根据JB826-66，选择标准液压缸内径系列，选择D=110mm.

（3）液压缸外径

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为117mm.

2.6.3液压缸选定程序

图2-2

行程的确定原则

行程S=实际最大工作行程Smax+行程富裕量△S；

行程富裕△S=行程余量△S1+行程余量△S2+行程余量△S3。

（2）行程富裕量△S的确定原则

一般条件下应综合考虑：

系统结构安装尺寸的制造误差需要的行程余量△S1、液压缸实际工作时在行程始点可能需要的行程余量△S2和终点可能需要的行程余量△S3（注意液压缸有缓冲功能要求时：

行程富裕量△S的大小对缓冲功能将会产生直接的影响，建议尽可能减小行程富裕量△S）；

（3）对长行程或特定工况的液压缸需针对其具体工况（负载特性、安装方式等）进行液压缸稳定性的校核。

初选缸径/杆径（以单活塞杆双作用液压缸为例）

※条件一

已知设备或装置液压系统控制回路供给液压缸的油压P、流量Q及其工况需要液压缸对负载输出力的作用方式（推、拉、既推又拉）和相应力（推力F1、拉力F2、推力F1和拉力F2）的大小（应考虑负载可能存在的额外阻力）。

针对负载输出力的三种不同作用方式，其缸径/杆径的初选方法如下：

（1）输出力的作用方式为推力F1的工况：

初定缸径D：

由条件给定的系统油压P（注意系统的流道压力损失），满足推力F1的要求对缸径D进行理论计算，参选标准缸径系列圆整后初定缸径D；

初定杆径d：

由条件给定的输出力的作用方式为推力F1的工况，选择原则要求杆径在速比1.46~2（速比：

液压缸活塞腔有效作用面积与活塞杆腔有效作用面积之比）之间，具体需结合液压缸回油背压、活塞杆的受压稳定性等因素，参照相应的液压缸系列速比标准进行杆径d的选择。

（2）输出力的作用方式为拉力F2的工况：

假定缸径D，由条件给定的系统油压P（注意系统的沿程压力损失），满足拉力F2的要求对杆径d进行理论计算，参选标准杆径系列后初定杆径d，再对初定杆径d进行相关强度校验后确定。

（3）输出力的作用方式为推力F1和拉力F2的工况：

参照以上

（1）、

（2）两种方式对缸径D和杆径d进行比较计算，并参照液压缸缸径、杆径标准系列进行选择。

※条件二

已知设备或装置需要液压缸对负载输出力的作用方式（推、拉、既推又拉）和相应力（推力F1、拉力F2、推力F1和拉力F2）大小（应考虑负载可能存在的额外阻力）。

但其设备或装置液压系统控制回路供给液压缸的油压P、流量Q等参数未知，针对负载输出力的三种不同作用方式，其缸径/杆径的初选方法如下：

（1）根据本设备或装置的行业规范或特点，确定液压系统的额定压力P；专用设备或装置液压系统的额定压力由具体工况定，一般建议在中低压或中高压中进行选择。

（2）根据本设备或装置的作业特点，明确液压缸的工作速度要求。

（3）参照“条件一”缸径/杆径的初选方法进行选择。

3PLC控制系统设计

3.1PLC的概念

可编程控制器简称PLC，英文名programmableLogicController，是以微处理器为核心的新型自动化控制装置，在工作环境中使用的数字操作电子系统，使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，用这些指令来实现逻辑运算、顺序操作、定时计数以及算术运算，并通过数字和模拟输入/输出来控制各类型的机械或过程，他将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体。

其具体的组成部分可有如下模块：

基本单元、I/O（输入/输出）、扩展单元以及外围设备[8]。

如图：

图3-1PLC组成模块简图

传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。

这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:

只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。

3.2PLC与普通继电器相比的优点

继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动[8]。

如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。

而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。

对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。

至于PLC对外部的联系，只有I/O点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。

从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。

而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。

而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。

PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。

继电器逻辑只能对开关量进行控制。

而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的PLC还具有A/D、D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。

3.3扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

（三