两缸顺序动作专用组合机床的液压系统设计.docx

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两缸顺序动作专用组合机床的液压系统设计

目录

第一章绪论……………………………………4

第二章液压系统设计…………………………5

第一节明确液压系统设计要求………………………………5

第二节分析液压系统工况……………………………………5

第三节确定液压缸的主要参数………………………………6

第四节初选液压缸的工作压力、流量和功率………………7

第五节液压系统原理图的拟订………………………………10

第六节选择液压元件…………………………………………14

第三章机床电器原理图的设计………………16

第一节设计概述和设计要求…………………………………16

第二节电器元件的选择…………………………………17

第四章PLC编程设计……………………………20

第一节PLC设计的概述及要求………………………………20

第二节PLC功能图I/O接线图和梯形图的设计…………20

第五章致谢………………………………………25

第六章参考文献…………………………………26

第一章绪论

主要介绍了一台两缸顺序动作专用组合机床的液压系统、电气控制系统、液压缸的设计和计算过程，以液压系统设计指导进行电气控制线路等设计。

在设计液压系统的过程中还对进给缸进行了设计，同时，还对液压缸进出油口工序的设计以及流量、流速的控制与设计。

第二章液压系统设计

第一节明确液压系统设计要求

1、工作循环：

A缸水平向左快进---A缸水平向左工进---A缸死挡铁停留---B缸垂直向上快进---B缸垂直向上工进---B缸垂直向下快退---B缸原位停止---A缸水平向右快退---A缸原位停止

2、A、B缸快进速度为4m/min、快退速度为5m/min,工进速度20—100mm/min;

3、A、B缸进给最大行程为400mm，其中工进行程200mm;

4、A、B缸最大切削力为12000N,运动部件自重均为8000N；

5、启动换向时间0.05s;

6、导轨为平导轨，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。

第二节分析液压系统工况

1、A液压缸在工作过程各阶段的负载为：

启动加速阶段：

快进阶段：

工进阶段：

快退阶段

2、B液压缸在工作过程各阶段的负载为：

启动加速阶段：

快进阶段：

工进阶段：

快退阶段：

将液压缸在各阶段的速度和负载值列于表1中：

表1

工作阶段

速度v/（m·s-1））

负载F/N

A快进阶段

0．067

888．9

A工进阶段

0．0003-0.00167

14222.2

A快退阶段

0.083

14598.6

B缸启动加速阶段

10104.3

B快进阶段

0．067

8888．9

B工进阶段

0．0003~0.00167

22222.2

B快退阶段

0.083

0

第三节确定液压缸的主要参数

一、初选液压缸的工作压力

由负载值大小查表9-3，参考同类形组合机床，取液压缸工作压力为2MP。

二、确定液压缸的主要结构参数

1、A进给缸

﹙1﹚液压缸内径和活塞杆直径设计

由表1得最大负载为快退阶段的负载F=14598.6N则

查设计手册按液压缸内径系列列表将以上计算值圆整为标准直径，取D1=100mm.因工作压力p＜5Mpa,所以d1=0.5D=50mm,

由于快进速度与快退速度不相等,故采用一般连接：

由D1=100mm，d1=50mm,算出进给缸无杆腔有效作用面积AI1=78.5cm2,有杆腔作用面积AI2=58.9cm2

工进若采用调速阀,查产品样本,调速阀最小流量

故能满足最低稳定性要求.

﹙2﹚活塞组件

活塞组件由活塞杆和连接件等组成.随工作压力、安装方式和工作条件的不同。

但由于本系统是轻载，所以才用螺纹连接。

活塞受油压的作用在缸内做往复运动，则其外圆表面应当耐磨并有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。

密封装置

﹙3﹚密封装置主要是用来防止液压油的泄漏，液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力和速度，故密封装置的优势，将直接影响液压缸的工作性能。

而活塞是往复运动的时候活塞两端压力高，而Y型密封圈一般适用于工作压力小于20Mpa、工作温度为-30~+100C。

、速度小于0.5m/s的场合，因此选用Y型密封圈。

缓冲装置

﹙4﹚当液压缸拖动质量较大的部件作往复运动时，运动部件具有很大的动能，这样，当活塞运动到液压缸的终端时，会与端盖发生碰撞，产生很大的冲击和噪声，会引起液压缸的损坏，故还要有缓冲装置。

当缓冲柱塞进入到缸盖内孔时，回油路被柱塞堵住，只能通过节流阀回油，调节节流的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。

当活塞反向运动时，压力油通过单向阀很快进入液压缸内，并作用在活塞的整个有效面积上，故活塞不会因为推力不足而产生启动缓冲现象。

这一缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀的开度大小，改变缓冲压力的大小，故选用可调节流孔式缓冲装置。

2、B垂直缸

﹙1﹚垂直缸内径和活塞杆直径的设计

垂直缸的工作压力由表1得，最大负载为工进阶段负载F=22222.2N则查表9-3，参考同类形组合机床，取液压缸工作压力为3MP。

查设计手册按液压缸内径系列表将以上计算值圆整为标准直径：

取D2=100mm,同样取d2=50mm;

由D2=78.5cm2,有杆腔面积A22=58.9cm2

﹙2﹚液压缸缸筒长度L

液压缸缸筒长度L由液压缸最大行程、活塞宽度、活塞导向长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定。

缸筒的最大行程

活塞宽度

导向长度（加工在端盖上）

活塞杆密封长度

挡圈厚度

（两片）

锁紧螺母厚度

（2×M20）

后端盖（有缓冲装置）厚度

B4取40mm

则缸筒长度

﹙3﹚液压缸校核

因液压缸工作为轻载运行，可选用无缝钢管壁厚§≤0.08D=8mm,取§=6mm,活塞杆直径为d=60mm,无需校核，强度足够。

﹙4﹚活塞组件

活塞组件由活塞杆和连接件等组成。

随工作压力、安装方式和工作条件的不同。

但由于本系统是轻载，所以才用螺纹连接。

活塞受油压的作用在缸筒内作往复运动，因此活塞具备一定的强度和良好的耐磨性。

则活塞由钢材料铸造而成。

同时活塞杆在导向套内往复运动，则其外圆表面应当耐磨并有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。

﹙5﹚密封装置

密封装置主要是用来防止液压油的泄漏，液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力和速度，故密封装置的优势，将直接影响液压缸的工作性能。

而活塞是往复运动的时候活塞两端压力高，而Y型密封圈一般适用于工作压力小于20Mpa、工作温度为-30~+100C。

、速度小于0.5m/s的场合，因此选用Y型密封圈。

﹙6﹚缓冲装置

当液压缸拖动质量较大的部件作往复运动时，运动部件具有很大的动能，这样，当活塞运动到液压缸的终端时，会与端盖发生碰撞，产生很大的冲击和噪声，会引起液压缸的损坏，故还要有缓冲装置。

当缓冲柱塞进入到缸盖内孔时，回油路被柱塞堵住，只能通过节流阀回油，调节节流的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。

当活塞反向运动时，压力油通过单向阀很快进入液压缸内，并作用在活塞的整个有效面积上，故活塞不会因为推力不足而产生启动缓冲现象。

这一缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀的开度大小，改变缓冲压力的大小，故选用可调节流孔式缓冲装置。

则B缸装配图如图B缸装配图。

第四节算液压缸的工作压力、流量和功率

1、复算工作压力

根据表9-5,本系统的背压估计只值可在0.5~0.8Mpa范围选取,故暂定:

工进时:

Pb=0.8Mpa;快进时:

Pa=0.5Mpa液压缸在工作循环各阶段的工作压力P11后又用公式（9-10）、（9-11）或（9-12）等公式计算。

A缸快进阶段

A工进阶段

A快退阶段

B缸快进阶段

B工进阶段

B快退阶段

2、计算各缸的输入流量

因为快进速度0.067m/s,快退速度0.083m/s,最大工进速度0.0017m/s,则液压缸各阶段的输入流量为:

A缸快进阶段

工进阶段

Qv1=A11XV3=78.5X10-4X0.0017m3/s=0.013x10-3m3/s=0.8L/min

快退阶段

3、计算各缸的输入功率

A缸快进阶段

工进阶段

快退阶段

B缸快进阶段

工进阶段

快退阶段

将以上进给缸的压力\流量和功率值整理列入下表:

工作阶段

工作压力p11/MPa

输入流量qv1（L/min）

输入功率P11/kw

A缸快近阶段

2

7.9

0.260

工进阶段

2.41

0.8

0.031

快退阶段

3.15

29.3

1.544

B缸快进阶段

6.04

7.9

0.785

工进阶段

3.43

0.8

0.045

快退阶段

0.67

29.3

0.328

第五节液压系统原理图的拟订

根据组合机床的设计任务和工况的分析,该机床对调速范围、低速定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题，速度调节、换接和稳定性是该机床液压系统设计的核心。

1、速度控制回路的选择

本机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性，故采用调速阀调速。

这样有三样方案供选择，进油节流调速、回油节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。

本系统的小功率系统、效率和发热问题并不突出；钻镗属于连续切削加工，切削力变化不大，而是正负载，在其他条件相同的情况下，进油节流调速比回油接流调速能获得更低的稳定调速。

故本机床液压系统采用调速阀的进油节流调速，为防止孔钻通过时发生前冲，应在回路上加背压阀。

由表1.2得知，液压系统的供油主要为低压大流量和高压小流量两个阶段，若采用单个定量泵，显然功率损失大，功率低。

为了提高系统效率和节约能源，所以采用双泵供油回路。

由于选定了节流调速方案，所以油路采用开式循环油路。

此外，根据本机床的运动和要求，选用单杆活塞式液压缸；为了使快进和快退速度不相同，故使用一般连接增速回路。

2、换向回路和顺序动作回路的选择

本系统对换向平稳性的要求不是很高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制的换向回路。

为了便于一般连接，选用二位三通、二位五通电磁换向阀。

由于此回路用于使两缸按预定的顺序动作，所以选择顺序动作回路，用压力续电器进行控制。

3、压力控制回路的选择

由于采用双泵供油回路，故用外空顺序阀实现低压大量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。

为了观察调整压力，在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。

将上述所选定的液压回路进行归并，并根据需要作必须的修改调整，最后画出液压系统原理如图液压系统原理图。

第六节选择液压元件

1、选择液压泵

由表1.2可知工进阶段液压缸的工作压力最大，若取进油路总压力损失∑ΔP1=0.5Mpa,则液压泵最高工作压可按公式（9-13）算出:

因此,泵是额定压力可取

将表1-2的流量值带入式（9-14）,可分别求出快速以及工进阶段泵的供油流量.

快进、快退时泵的流量为：

工进时泵的流量为：

考虑到节流阀系统中溢流阀的性能特点，须加上溢流阀稳定工作的最小溢流，一般取3L/min,所以小流泵的流量为：

查产品样本，选用小泵排量v=6mL/r的YB1型双联叶片泵，额定转速n=960r/min.则小泵的额定流量为：

因此，大流量泵的流量为：

查产品样本，选用大泵排量mL/r的YB1型双联叶片泵，额定转速n=1450r/min.则大泵的额定流量为：

由于qvN2接近QVp2基本可以满足要求。

故本系统选用一台YB1-16/6型双联叶片泵。

由表1-2和表1-3得，快退时的功率最大，故按快退时估算电动机的功率，若取快退时进油路是压力损失∑Δp1=0.2Mpa.液压泵的总效率：

ηp=0.7.则电动机的功率为:

查电动机产品样本，选用Y112M-4型异步电动机。

P=4kw.n=1440r/min.

2、选用液压阀

根据所拟定的液压系统原理图。

计算分析通过各液压阀的最高压力和最大流量，选择各液压阀的型号规格，列于下表

元件表如下

序号

元件名称

通过流量去qv/（L/min）

型号规格

1

双联叶片泵

44.33

YB1-16/6

2

溢流阀

5.18

YF3-10B

3

调速阀

<1

L-25B

4

溢流阀

5.18

YF3-10B

5

二位二通电磁换向阀

21

23D1-25B

6

三位五通电磁换向器

44.33

35EF3Y-E10B

7

压力继电器

DP1-63B

8

单向阀

5.18

AF3-Ea10B

9

过滤器

44.33

XU-J40X80

10

单向阀

39.5

AF3-Ea10B

11

行程阀

12

顺序控制阀

26.95

XF3-10B

13

压力计

Y-100T

14

压力计开关

KF3-E3B

15

三位四通电磁换向器

44.33

35EF3Y-E10B

3、选择辅助元件

油管内径一般可参照所接元件的型号尺寸确定，也可按管路元件允许流速进行计算，本系统油管选10x1无缝钢管，油箱容量：

第四章机床电器原理图的设计

第一节设计概述和设计要求

一台两缸顺序动作专用组合机床是性能优良应用广泛的普通机床，进给的最大行程为400mm，其中工进行程200mm.

1、电动机的选择

根据设计要求需要一台电动机来驱动液压泵，设该电机为M，则电动机的型号选择为：

液压泵的电机M选为Y112M-4（4KW、8.8A、1440r/min）

2、主电路设计

液压泵电机M，由于电动机的功率较大，额定电流为8.8A，但该电动机在工作时是常时间工作，则控制电动机的接触器为KM。

由于工作时间较长，则还要有短路保护和过载保护。

3、控制电源设计

考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求，采用控制变压TC供电。

其一次则为交流380V，二次则为交流127V、36V、和6.3v。

其中127V提供接触器和中间继电器的线圈。

36V交流安全电压提供给局部照明电路，6.3V提供给电路。

4、控制电路设计

主电机M的控制，该电机由驱动按钮SB1和停止按钮SB4进行操纵，可得到M的控制电路如图

5、局部照明与信号指示灯电路设计

设置照明灯EL和灯开关SA和照明回路熔断器FU3，可设三相电源接通指示灯HL2（绿色），在电源开关QS接通以后立即发光显示，表示机床电气线路已处于供电状态。

另设指示灯HL1（红色）表示液压泵电动机是否运行。

此两指示灯HL1和HL2可分别由接触器KM的常开和长闭触点进行切换通电显示

综合如下图

第二节电器元件的选择

1、电源开关的选择

电源开关QS1的选择主要考虑电动机M的额定电流和起动电流，而在控制变压器TC二次侧的接触器及继电器线圈，照明灯和显示灯在TC一次产生的电流相对来说较小，因而可不作考虑，已知M额定电流为8.8A，由于电动机的功率较大，则额定电流放大1.5倍，为13.2倍A。

因电源开关的额定电流就选15A左右，具体选择QS为：

三极转换开关（组合开关）为：

HZ10-25/3型，额定电流为25A。

2、热继电器的选择

据电动机M的额定电流选择如下，FR1应该选用JR16-20/3D，热元件额定电流为16A,额定电流调节范围为10~~16A，工作使调整电流为13.8A。

3、接触器的选择

因为液压泵电动额定电流为8.8A，控制回路电源127V，需要主触电三对，辅助常开触电两对，辅助常闭触电一对。

所以接触器KM应选用CJ10-20型接触器，主触电额定电流20A，线圈电压127V。

4、中间继电器的选择

中间继电器KA1、KA2、KA3和KA4，由于在本系统中电动机的额定电流较大，所以这些中间继电器可以选普通的JZ7-44型交流中间继电器代替接触器进行控制，每个中间继电器常开闭触点各四对，额定电流为5A，线圈电压127V。

5、熔断器的选择

熔断器FU1对M进行短路保护，额定电流为8.8A，则可选RL1-15型熔断器，配用10A的熔体；熔断器FU2和FU3的选择将同控制变压器的选择结合进行。

6、按钮的选择

两个起动按钮SB1和SB2，可选择LA-18型按钮，黑色，两个停止按钮KT3的常闭触点和SB4选择LA-18型按钮，红色

7、照明灯及开关的选择

照明灯EL和灯开关SA成套购置，EL可选用JC2型，交流360V、40W。

8、指示灯选择

指示灯HL1和HL2，都可选ZSD-0型，6.3v、0.25A分别为红色和绿色

9、压力继电器的选择

压力继电器是在一定压力下工作的，则应选在工进时压力大一点的压力，才能实现停留这一阶段，所以选用交流板式DP-10B型。

3A、360A。

10、行程开关的选择

行程开关是机床在工作运行时改变为工作的状况，为了能使工作继续运行，行程开关有自动复位，则五个常开自动复位行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4和SQ5，均可选LX12-2型，300V、4A。

11、控制变压器的选择

控制变压器可实现高低压电路隔离，使得控制电路中的电器元件，如按钮，行程开关和接触器及中间继电器线圈等同电网电压不直接相接，提高了安全性，另外各种照明灯，指示灯和电磁阀等执行元件的提供电压有多种，有时也需要控制变压器降压提供，常用的控制变压器有BK-50、100、150、200、300、400、和1000等型号，其中的数字为额定功率（VA）一次侧电压一般为380V和220V二次侧电压一般为交流6.3V,12V,24V,36V和27V。

控制变压器具体选用时要考虑所需要电压的种类和进行容量计算。

控制变压器的容量P可以根据由它提供的最大工作负载所需要的功率来计算，并留有一定的余量。

这样可得经验公式：

式中Pi为电磁元件的吸持功率和灯负载等其他负载消耗的功率；K为变压器的容量储备系数，一般取1.1~1.5,虽然电磁线圈在起动吸合时消耗功率较大，但变压器有短时过载能力。

故式子中，对电磁器件仅考虑吸持功率。

对本设计而言，接触器KM的吸持功率为12W，中间继电器KA1、KA2、KA3和KA4的吸持功率为12W，而照明电路EL的功率为40W，指示灯HL1和HL2的功率都为1.15W，易算出总功率为89.15W。

若取K为1.15。

则算得p约等于102.5W，因此控制变压器TC可选用BK-100A，380V，220V/127，36，6.3V易算得KM、KA1、KA2、KA3、KA4线圈电流及HL1和HL2电流之和小于4A，EL的电流也小于2A，故熔断器FU2和FU3可选用RL1-15型，熔体4A。

这样就可以在电气原理图上作出电气元件目录表

电气元件目录表

序号

符号

名称

型号

规格

数量

1

M

液压泵电机

Y112M-4

4KW，8.8A

1440r/min

1

2

QS1

三极转换开关

HZ10-25/3

三极，500V，

25A

1

3

KM

交流接触器

CJ10-20

20A，线圈

电压127V

1

4

KA1-KA4

交流中间继电器

JZ7-44

5A，线圈

电压127V

7

5

FR1

热继电器

JR16-20/3D

热元件额定电流

16A，整定电流

13。

8A

1

6

FU1

熔断器

RL1-15

500V熔体

10A

1

7

FU2，FU3

熔断器

RL1-15

500V

熔体2A

2

8

TC

控制变压器

BK-100

100VA,380V/127

36,6.3V

1

9

SB1，SB2

控制按钮

LA-18

5A，黑色

2

10

SB3，SB4

控制按钮

LA-18

5A红色

2

11

SQ1~SQ5

行程开关

LX12-2

500V,4A

5

12

HL1，HL2

指示灯

ZSD-0

6.3V绿色

红色

2

13

EL，SA

照明灯及开关

JC2

36V,40W

各1

14

KP1

压力继电器

DP-10B

3A,360V

1

第四章PLC编程设计

第一节PLC设计的概述及要求

根据加工要求，该系统的工作循环由进给缸和夹紧缸共同完成，而进行PLC在设计时主要考虑系统在工作进给，则工作循环如下：

A缸快进—A缸工进—A缸缸停留—B缸快进---B缸工进---B缸快退—B缸停止—A缸快退—A缸停止

第二节PLC功能图I/O接线图和梯形图的设计

一、控制要求，根据系统原理图1-2中电磁动作表所示。

在电气原理图中用压力继电

器来控制死挡铁停留，功能图

二、PLC采用FX1N系列，其选择元件如下

1、中央处理单元为CPU

2、存储器选用RAM

3、输入/输出（I/O）单元

输入选用交流220V输入，输出选用继电器输出

4、电源

选用单相交流电源，额定电压为AC220V，额定频率为50Hz,电压允许范围为

85-264V，瞬间停电时间10ms以下。

5、编程器

主要选用键盘，显示器和通用接口等组成，

主要任务是输入程序，调试程序和监控程序执行。

6、辅助继电器选用M8002

7、定时器T选用10ms时钟脉冲计数器

8、智能接口模板

选用高速计数模板

三、设计过程

电动机已启动，按下SB2，A缸向左快进，触碰SQ2A缸左工进，死挡铁A缸停留，0.05s后B缸垂直向上快进，触碰SQ3，B缸垂直向上工进，触碰SQ4，B缸垂直向下快退，触碰SQ5，B缸原位停止0.05s后A缸向右快退，触碰SQ1，A缸原位停止。

所对应接口如下：

1、I/O接线图

2、功能图如下

3、根据梯形图以及电气原理图来实行控制电路工作过程，梯形图

如下

四、根据梯形图写出以下控制指令表

0

LD

M8002

1

LD

2

OR

3

ANB

4

OR

5

ANI

6

ANI

7

OUT

8

LD

9

AND

10

OR

11

ANI

12

ANI

13

OUT

14

LD

15

OR

16

ANI

17

ANI

18

OUT

19

LD

20

OUT

SP

23

LD

24

OR

25

OUT

26

OUT

27

OUT

28

LD

29

OR

30

ANI

31

ANI

32

OUT

33

LD

34

OR

35

ANI

36

OUT

37

LD

38

OR

39

ANI

40

OUT

41

LD

42

OUT

SP

45

LD

46

OUT

47

END

第五章致谢

大学三年的学习以及毕业论文画了一个句号。

感谢长沙航空职业技术学院，给了