卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计.docx
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卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计
Preparedon24November2020
卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计
兰州工业学院
毕业设计（论文）
题目:
卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计
系别机械工程系
专业机电一体化
班级
姓名
学号
指导教师（职称）朱琪（副教授）
日期
兰州工业学院
毕业设计（论文）任务书
机械工程系2013届机电一体化技术专业
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目
卧式钻镗两用组合机床液压系统设计
课题内容性质
理论研究/实验研究/工程技术研究/软件开发
课题来源性质
结合教师科研课题/教师收集的结合生产实际的课题/学生自立课题
设计/论文
校内（外）指导教师
职称
工作单位及部门
联系方式
朱琪
副教授
兰州工业学院机械工程系
一、题目说明（目的和意义）：
毕业设计是学生在校结束了全部理论课程和相应实践教学环节后进行的一项大型综合性实践教学环节，是学生在能将所学理论知识全面应用并结合理解实际问题的工程实践过程中不可或缺的、较系统的工程化训练，是完成工程师初步训练的重要步骤。
通过毕业设计，学生应达到以下基本要求：
1、具有综合应用所学理论知识和实践技能，初步解决本专业范围内的工程技术问题的能力，善于应用新技术、新工艺、新材料。
2、具有查阅科技文献资料、使用各种标准、手册以及独立工作、创新的能力。
3、深刻认识理解联系实际的工作作风对技术人员的重要性。
二、设计（论文）要求（工作量、内容）：
设计一台卧式钻镗两用组合机床液压系统，完成8个Φ14mm孔的加工进给传动。
该系统工作循环为：
快速前进→工作进给→快速退回→原位停止。
原始数据：
⑴快进快退速度约为s；
⑵工进速度可在～s范围内无极调速；
⑶最大行程为400mm，工进行程为180mm；
⑷最大切削力为18KN；运动部件自重为25KN；
⑸启动换向时间为；
⑹采用平导轨，静摩擦系数
，动摩擦系数
。
主要要求：
要求根据系统的工作要求，进行工况分析和计算，拟定方案，确定液压传动系统，计算和选择液压元件，并进行系统的验算，确定合理的液压系统结构，绘制相关工作图并编制技术文件。
设计者须提交的文件：
1）液压系统原理图
2）液压泵站装配图、液压缸装配图
3）列出所有标准件总成型号和性能
4）典型零件图
5）PLC系统硬件接线图、软件流程图、梯形图
6）撰写设计说明书
图纸要求：
机械结构装配图视图完整清晰，符合最新国家标准，图面整洁，质量高，所设计图纸至少有两张零号图纸有计算机绘制打印。
设计说明书的撰写
设计说明书的论证要有科学根据，要有说服力；计算部分须指出公式来源并说明公式中的符号所代表的意义，公式中所有常数或系数必须正确，计算结果要足够准确，计算过程可省略，计算中采用的数据及计算结果可列表表示；说明书分章节段落叙述，通顺简练，有条理；所有图表，线图，简图应规范。
设计说明书和图纸的装订
工程图按国标规定装订，图幅小于或等于
图幅时应装订在论文封底后，大于
图幅时按国标规定单独装订作为附图。
三、进度表
日期
内容
根据毕业设计任务，收集、阅读整理有关资料，初步拟定液压系统原理图，在实验台上验证系统功能
设计绘制液压系统装配图
典型零件液压缸、邮箱、控制板等结构图的绘制
绘制PLC系统硬件接线图、软件流程图、梯形图
编写设计说明书
毕业答辩
完成日期
答辩日期
四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：
参考资料：
1.液压传动与控制重庆大学出版社
2.液压系统的计算与结构设计宁夏人名出版社
3.新编液压工程手册北京理工大学出版社
4.机床液压传动机械工业出版社
5.机械零件设计手册机械工业出版社
6.机床电气控制及可编程序控制器兰州大学出版社
7.机械设备电气控制华南理工大学出版社
实习地点：
机械系实验中心
指导教师签字
教研室主任签字
主管系领导签字
年月日
年月日
年月日
注：
本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。
摘要
针对卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计，除了满足主机在动作和性能方面规定的要求外，还必须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维修方便等一些公认的普遍设计原则。
液压系统的设计主要是根据已知的条件，来确定液压工作方案、液压流量、压力和液压泵及其它相关元件的设计。
作为一种高效率的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。
本次设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设计步骤，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择、系统性能验算以及相关的PLC控制设计等。
关键词：
组合机床；液压系统；液压元件；PLC
ABSTRACT
Accordingtothedesignofhydraulicsystemofhorizontaldrillingandboringmachine,inadditiontomeetthehostspecifiedintheactionandperformancerequirements,butalsomustmeetthesmallsize,lightweight,lowcost,highefficiency,simplestructure,reliablework,convenienttouseandrepairandotherrecognizeduniversaldesignprinciples.Thedesignofhydraulicsystemisbasedontheknownconditions,todeterminethedesignofhydraulicproject,hydraulicflow,pressureandhydraulicpumpsandotherrelatedelements.
Asaspecialmachineforhighefficiency,combinedmachinetooliswidelyusedinlargenumbers,manymechanicalprocessingproduction.Thedesignofthecombinationmachinetoolhydraulicpressuresystemdesignasanexample,introducesthedesignmethodofthehydraulicsystemofmodularmachinetoolandthedesignprocedure,includingcombinationmachinetoolhydraulicpressuresystemconditionanalysis,determinationofmainparameters,formulate,principlediagramofhydraulicsystemofhydrauliccomponentsselection,systemperformancecalculationandtherelatedPLCcontroldesignetc..
Keywords：
combinationmachine;hydraulicsystem;hydrauliccomponents
1绪论
设计的目的、范围和背景
随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样的质量优、性能好、能耗低、价格廉的液压机床产品。
其中，产品设计是决定产品性能、质量、水平、市场竞争能力和经济效益的重要环节。
产品的设计包括液压系统的功能分析、工作原理方案设计和液压传动方案设计等。
这些设计内容可作为液压传动课程设计的内容。
很明显，液压系统设计本身如果存在问题，常常属于根本性的问题，可能造成液压机床的灾难性的失误。
因此我们必须重视对学生进行液压传动设计能力的培养。
液压传动的发展历程及特点
液压传动相对机械传动来说，是一门比较新的学科，它具有结构紧凑、传动平稳、输出功率大、易于实现无级调速及自动控制等特点，因此发展很快。
从1795年英国制造出世界上第一台水压机至今，液压传动已有二三百年的历史，但广泛的应用和推广仅有六七十年。
19世纪末，德国制造出液压龙门刨床，美国制成液压六角车床和液压磨床，但因当时没有成熟的液压元件以及机械制造工艺水平的限制，液压传动技术的应用仍不普遍。
第二次世界大战期间，一些兵器采用精度高、功率大的液压传动装置，大大提高了兵器的性能，同时推动了液压技术的发展。
战后，其迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车、船舶等行业中逐步推广。
20世纪60年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术的应用更加广泛。
目前，正在向高压、高速、高效、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化和模块化、提高可靠性技术及污染控制技术的方向发展。
同时，液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等，又使液压技术的发展进入到了一个新的阶段。
我国的液压工业始于20世纪50年代，最初只是应用于机床和锻压设备，后来发展到拖拉机和工程机械上。
自1964年开始引进国外液压元件生产技术，并自行设计液压产品以来，我国的液压元件生产从低压刀高压形成了系列。
几十年来，随着我国工业水平的不断提高，液压传动技术被广泛应用在机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、航空航海、轻工、农机、渔业、林业等各个方面，也被应用在宇宙航行、海洋开发、核能建设、地震预测等新的技术领域中。
液压技术的发展趋势
液压技术中的重大进展是微电子技术和计算机技术在液压系统中的应用。
微电子技术与液压技术相结合，创造出了很多高可能性、低成本的微型节能元件，为液压技术在工业中的应用开辟了更为广阔的前景。
计算机控制是必然趋势，电液比例阀和伺服阀只能接受连续变化的电压或电流信号，而计算机要求数字开关量，使用电液比例阀和伺服阀与计算机接口必须经过D/A转换和A/D转换，极不方便。
而数字液压泵、数字控制阀、数字液压缸等，即用数字量进行控制并具有数字量输出响应特性的液压元件。
由于是可以直接与计算机接口，不需D/A数模转换器，是今后液压技术发展的重要趋向之一。
计算机与液压技术的结合包括：
计算机实时控制技术、计算机辅助设计（液压元件CAD和液压系统CAD）、液压产品的计算机辅助试验（CAT）及计算机仿真和优化设计。
利用计算机闭环控制、最优控制和自适应控制以及灵活的多余度控制等。
计算机辅助设计的基本特点是利用计算机的图形功能，由设计者通过人机对话控制设计过程以得到最优设计结果，并能通过动态仿真对设计结果进行检测。
计算机辅助试验则可运用计算机技术对液压元件及液压系统的静、动态性能进行测试，对液压设备故障进行诊断和对液压元件和系统的数学模型辨识等。
此外，高压大流量小型化与液压集成技术、液压节能与能量回收技术也成为近年研究的重要课题。
总之，随着科学技术的进步，液压技术也随之发展，拓宽范围，以适应各行各业新技术的发展需求。
液压传动的组成及特点
（1）动力元件（油泵）：
它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动的动力部分。
（2）执行元件（油缸、液压马达）：
它是将液体的液压能转换成机械能。
其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。
（3）控制元件：
包括压力阀、流量阀和方向阀等。
它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。
（4）辅助元件：
除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件及油箱等，它们同样十分重要。
（5）工作介质：
工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。
液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比较有以下优点：
（1）在相同功率的情况下，体积小、重量轻、结构紧凑，从而惯性小，可快速启动和频繁换向，且能传递较大的力和转矩。
（2）能方便地实现无级调速，且调速范围大，可达100：
1至2000：
1。
而最低稳定转速可低至每分钟几转，即可实现低速强力或低速大扭矩转动，不需减速器。
（3）传递运动均匀平衡、方便可靠，负载变化时速度较稳定。
（4）控制调节比较方便、省力，易于实现自动化，当与电气控制或气动控制配合使用时，能实现各种复杂的自动工作循环，还可远程控制。
（5）易于实现过载保护。
同时液压元件可自行润滑，使用寿命较长。
（6）液压元件易于实现标准化、通用化、系列化，便于设计制造和推广使用。
元件之间用管路连接时，在系统中的排列布置有较大的机动性。
（7）用液压传动实现直线运动一般比机械传动简单。
液压传动同时存在的缺点如下：
（1）由于采用液体传递压力，系统不可避免地存在泄漏，因而传动效率较低，不宜于作远距离传动。
（2）液压装置对油温变化比较敏感，运动件的速度不易保持稳定，同时对油液的清洁程度要求较高。
（3）为减少泄漏，液压元件制造精度要求高，加工工艺复杂，因而成本较高。
（4）系统发生故障时，不易查找原因，维修难度较大。
（5）系统或元件的噪声较大。
总的来说，液压传动的优点是主要的，随着科学技术和设计、制造工艺水平的发展，其缺点正逐步得到改善，因此，液压传动有着广阔的发展前景。
理论依据、实验基础和研究方法
液压传动系统的设计是整个机器设计的一部分，它与主机的设计是密切相关的。
当经过全面方案论证，确定一部机器或机器的一部分的传动方式采用液压传动后，则考虑液压传动系统设计的基本内容和一般流程如下：
1明确对液压系统的要求；
2分析主机工况，确定液压系统的主要参数；
3进行方案设计，初拟液压系统原理图；
4计算和选择液压元件；
5验算液压系统的性能；
6绘制正式系统工作图，编织技术文件。
组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。
组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。
组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。
液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。
预期的结果及其地位、作用和意义
本次设计主要针对液压泵站的结构设计以及对液压系统的设计和电气控制系统的设计。
液压系统设计包括拟定液压系统原理图，液压元件的选择，液压系统参数的计算与校核以及液压缸主要参数的确定；控制系统的设计主要包括电气控制原理图的拟定，电气元件的选型等。
本文共分为6部分：
1.绪论简述本课题研究的主要目的和意义，介绍液压传动的发展历程及特点，以及液压泵站在国内外的发展概况，提并出本文的主要研究工作和内容。
2.液压系统设计通过所给数据进行计算，并设计出合理的液压系统。
3.液压缸的设计根据所得数据和液压缸工况的分析，对液压缸进行结构设计。
4.验算液压系统性能对液压系统在不同工况下的损失进行计算，以及对油箱温升的计算来确定是否需要冷却装置。
5.液压泵站的设计对回路换接和调速方式进行选择，以及油源的选择和能耗的控制，最终组成原理图。
6.控制系统设计设计电气控制原理图，并选择相关的电气元件。
本章小结
本部分主要内容包括：
针对卧式钻镗两用组合机床的液压系统设计，说明了本次设计课题的作用和意义，并对本论文所涉及的内容进行了概括性的讲述。
2液压系统设计
组合机床工作情况分析，确定液压系统主要参数
①工作负载
②摩擦负载
静摩擦负载
动摩擦负载
③惯性负载
根据以上计算，得出液压缸在各工作阶段的负载如表2-1所示。
表2-1液压缸在各工作阶段的负载/N
工况
负载组成F
系统负载
时间
启动
5556
——
加速
7026
——
快速进、退
2778
；
工进
22778
90
制动
-1470
——
注：
1.取工进时的最大速度
mm/s；
2.
；
；
3.取液压缸的机械效率
。
由表2-1数值绘制负载循环图如图2-1所示。
图2-1负载循环图图2-2速度循环图
根据
，取
，绘制出速度循环图如图2-2所示。
执行元件的工作压力可以根据伏在循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型了确定（见表2-2和表2-3）。
表2-2按负载选择执行元件的工作压力
负载/KN
<5
5
10
10
20
20
30
30
50
>50
工作压力/MPa
<
1
2
3
3
4
4
5
≥5
表2-3各种机械常用的系统工作压力
机械类型
机床
农业机械
小型工程机械
建筑机械
液压凿岩机
液压机
大中型挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力/MPa
2
3
5
2
8
8
10
10
18
20
32
所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为22778N，其它工况时的负载都相对较低，参考表2-2和表2-3按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=3MPa。
为了节省能源宜选用较小流量的油源。
利用单活塞缸差动连接满足快进速度的要求，且往复快速运动速度相等，这样就给液压缸内径D和活塞杆直径d规定了
的关系。
在钻孔加工时，为了防止孔被钻通时负载突然消失而产生的钻头前冲，液压缸回油腔应有一定的背压，查液压工程手册（回油路带调速阀的调速系统<
>/回油路带背压阀<
>）取背压为
。
由此求得液压缸无杆腔面积为
由GB/T2348-1980查得标准值为D=10cm，d=8cm。
由此计算出液压缸的实际有效面积为
按工作进给速度检验液压缸结构尺寸。
查产品样本，Q型调速阀的最小稳定流量为
，则
本例
，能满足工作进给速度要求。
快速进给时液压缸做差动连接。
由于管路中有压力损失，去此项损失为
，同时假定快退时回油压力损失为。
根据以上数据，可以计算出液压缸在一个工作循环各阶段的压力、流量和功率，如表2-4所示，并根据此绘制出其工况图如图2-3所示。
表2-4液压缸在不同阶段所需压力、流量和功率
工作阶段
系统负载
/N
回油腔压力
/MPa
工作腔压力
/MPa
输入流量q/
）
输入功率P/kW
快速前进
2778
工作进给
22778
快速退回
2778
注：
取液压缸机械效率
。
（a）p-t（b）q-t
（c）P-t
图2-3液压缸工况图
设计方案，初拟液压系统原理图
根据组合机床液压系统的设计任务和工况分析，所设计机床对调速范围、低速稳定性有一定要求，因此速度控制是该机床要解决的主要问题。
速度的换接、稳定性和调节是该机床液压系统设计的核心。
此外，与所有液压系统的设计要求一样，该组合机床液压系统应尽可能结构简单，成本低，节约能源，工作可靠。
由于机床液压系统调速是关键问题，因此首选调速回路。
有工况图可知：
所设计的机床液压系统功率小，为了防止孔被钻通时负载突然消失而产生的钻头前冲，液压缸回油腔应有一定的背压，故可采用回油路调速阀调速回路。
本系统已选定差动连接回路作为快速回路。
所设计多轴钻床液压系统对换向平稳性的要求不高，流量不大，压力不高，所以选用价格较低的电磁换向阀控制换向回路即可。
为便于实现系统保压，选用三位四通电磁换向阀。
为便于实现系统保压，应考虑选用O型中位机能。
由前述计算可知，当工作台从快进转为工进时，进入液压缸的流量由L/min降为L/min，可选二位二通电磁换向阀来进行速度换接，以减少速度换接过程中的液压冲击，如图2-4所示。
由于工作压力较低，控制阀均用普通滑阀式结构即可。
由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。
为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用行程开关做终点转换控制。
图2-4速度换接回路
油源的选择和能耗控制
从工况图上可以清楚地看到：
整个工作循环过程中，液压缸要求交替提供快行程的低压大流量和慢行程的高压小流量油液。
最大流量与最小流量之比约为24。
而快进、快退所需时间为
工进时间为
即
从降低成本的角度出发，不宜选用双联泵，只需用单个定量泵就可以。
现确定定量泵方案如图2-5所示。
图2-5泵供油油源
根据上面选定的基本回路，在综合考虑设计要求，便可组成完整的液压系统原理图，如图2-6所示。
本章小结
通过调速方式的选择，和液压换接回路的选择，以及油源和能耗的控制，最后初步拟定液压系统原理图，从而初步确定设计方案。
图2-6原理图
3液压缸的设计
液压缸是液压传动系统中的执行元件，用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。
活塞缸结构简单、工作可靠，因此在液压系统中得到了广泛的使用。
在完成了液压系统的设计后，还必须对主要参数进行计算与校核，确定液压缸的材料，并对液压缸各部分的结构进行了设计。
液压缸的主要零件确定及其技术要求
缸体
液压缸缸体的常用材料一般为20、35、45号无缝钢管，铸铁可采用HT200—HT350间的几个牌号或球墨铸铁。
由于球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳强度，也具有良好的塑性和韧性，其屈服度比钢高。
因此，球墨铸铁制造承受静载荷的构件比铸钢节省材料，重量也轻。
所以本设计的液压缸采用Q235。
铸件需进行正火消除内应力处理。
1.缸体的内径因为须与活塞配合，防止漏油，所以要尽量减少表面粗糙度，可采用H8、H9配合。
当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为～μm，当活塞用活塞环密封时，Ra为～μm，且均需研磨。
2．缸体内径
的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差应按8级精度选取。
3．缸体端面的垂直度公差可按7级精度选取。
4．缸体与缸头采用螺纹连接时，螺纹应用6级精度的米制螺纹。
5．当缸体带有耳环或轴销时，孔径
或轴径
的中心线对缸体内孔轴线垂直公差值按9级精度选取。
此液压缸体的外径需要与机架配合，应进行加工，且与中心线同轴度的要求。
装卸时需把吊环螺栓吊起。
所以缸体端部选用螺纹连接，螺纹连接径向尺寸小，质量轻，使用广泛。
装卸需用专用工具，安装时应防止密封圈扭曲。
缸盖
本液压缸采用在缸盖中压入导向套，缸盖选用HT200铸铁，导向套选用铸铁HT200，以使导向套更加耐用。
活塞
液压缸活塞常用的材料为耐磨铸铁，灰铸铁，钢及铝合金等。
本设计液压缸活塞材料选用45号钢，需要经过
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