基于fluidsim的铣床装置系统仿真.docx
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基于fluidsim的铣床装置系统仿真
陕西航空职业技术学院
毕业论文
毕业设计题目
基于FluidSIM的铣床装置系统仿真
机电工程系
机电一体化技术专业
学生姓名白云杰
班级学号46
指导教师王晓辉
2013年12月20日
毕业设计任务书
机电工程系机电一体化技术专业
学生姓名白云杰学号46
一、毕业设计题目：
基于FluidSIM的铣床装置系统仿真
二、毕业设计时间2013年10月8日至2013年12月20日
三、毕业设计地点：
陕西航空职业技术学院
四、毕业设计的内容要求：
1、Festo液压实验平台的介绍。
2、FluidSIM仿真软件的功能及特点。
3、液压控制回路的设计
4、电气控制回路的设计
5、毕业设计说明书包含实验平台介绍、软件功能与特点、液压控制回路的设计、电气控制回路的设计及基于FluidSIM软件的系统仿真实现等，字数不少于6000字。
4、设计格式按照要求完成。
指导教师王晓辉2013年10月8日
摘要
随着科学技术的进步，液压传动与控制技术的应用领域正在不断拓展，几乎囊括了国民经济的各个部门，目前它已成为现代机械工程的基本要素和控制工程的关键技术之一。
本论文以Festo实验教学系统为基础，对电气液压实验台进行开发与设计，并应用FluidSIM仿真软件进行仿真。
主要内容包括：
（1）介绍了液压传动与控制系统的组成和实验教学系统中的液压及电气控制元件；
（2）针对不同工作机械的工况要求设计其液压控制和电气控制回路，并设定技术参数；
（3）利用FluidSIM仿真软件对所设计的液压控制和电气控制回路进行仿真，得到不同工况下的仿真结果；
（4）在电气液压实验台上搭建控制回路，进行模拟实验，得到实验结果，并通过讨论与分析给出了最终结论。
关键词：
液压传动与控制，FluidSIM仿真软件，电气控制
第1章液压传动与控制技术概论.......................................1
1.1液压传动与控制技术发展概况和特点...............................2
1.1.1............................................................3
1.1.2..............................................................4
1.2液压传动与控制系统的工作原理及其组成部分.......................5
1.2.1液压系统传动与控制系统的工作原理..............................6
1.2.2..............................................................7
1.3本课题的研究内容................................................8
第2章液压传动与控制系统主要元件的介绍.............................9
2.1Festo液压实验平台的介绍.........................................10
2.1.1Festo液压实验平台的结构特点...................................11
2.1.2基于Festo电气液压实验平台的介绍..............................12
2.2液压阀..........................................................13
2.2.1方向控制阀....................................................14
2.2.2压力控制阀....................................................15
2.2.3流量控制阀....................................................16
2.3传感器..........................................................17
2.4电磁铁..........................................................18
2.5铣床.............................................................19
2.6FluidSIM仿真软件的功能及特点....................................20
2.6.1FluidSIM仿真软件的功能介绍....................................21
2.6.2FluidSIM仿真软件的特点........................................22
第3章铣床装置电气液压控制系统的设计................................23
3.1工作对象.........................................................24
3.2实验目的.........................................................25
3.3铣床装置电气液压控制系统的设计...................................26
3.3.1液压控制回路的设计.............................................27
3.3.2电气控制回路的设计.............................................28
第4章基于FluidSIM软件的铣床装置电气液压控制系统的仿真............29
4.1基于FluidSIM软件的系统仿真实现.................................30
4.2仿真结果小结....................................................31
主体部分
第1章液压传动与控制技术概论
1.1液压传动与控制技术发展概况和特点
1.1.1液压传动技术的历史进展与趋势
液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年英国约瑟夫•布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。
1905年将工作介质水改为油,又进一步得到改善。
20世纪初康斯坦丁•尼斯克（G•Constantimsco）对能量波动传递所进行了理论及实际研究；1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。
第一次世界大战爆发后液压传动技术得到广泛应用，特别是1920年以后,发展更为迅速。
1925年维克斯（F.Vikers）发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。
第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。
20世纪60年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。
在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。
近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。
目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成等方向发展；同时，减小元件的重量和体积，提高元件寿命，研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机防真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果[1]。
1.1.2液压传动技术的特点
液压传动技术与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：
（1）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置；
（2）重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；（3）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：
1）；（4）可自动实现过载保护；（5）一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；（6）很容易实现直线运动；（7）很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。
液压传动也存在着缺点：
（1）由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低，如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故；
（2）由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作；（3）液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵；（4）由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比；（5）液压传动出故障时不易找出原因；（6）使用和维修要求有较高的技术水平[2]。
1.2液压传动与控制系统的工作原理及其组成部分
1.2.1液压系统传动与控制系统的工作原理
以实现工作台往复运动的简单机床的液压传动系统为例进行分析，如图图1-1所示。
图1-1简单机床的液压传动系统
1-油箱2-滤油器3-液压泵4-节流阀5-溢流阀
6-换向阀7-手柄8-液压缸9-活塞10-工作台
液压缸8固定在床身上，活塞9连同活塞杆带动工作台10作直线往复运动。
电动机带动液压泵3旋转，液压泵3从油箱1经过滤油器2吸油，油液通过节流阀4流至换向阀6。
当手柄7处于图1-1（a）所示位置时，P与A、B、T均不通，液压缸8不通油，所以工作台停止。
若将手柄7推至图1-1（b）所示位置，这时油液从P→A→液压缸8左腔，液压缸8右腔→A→T，工作台10向左移动。
若将手柄7拉至图1-1（c）所示位置，这是油液从P→B→液压腔8右腔，液压缸8左腔→A→T，工作台10向左移动。
由此可见，由于设置了换向阀6，所以可改变压力油的通路，使液压缸不断换向实现工作台的往复运动。
工作台速度v可通过节流阀4来调节。
节流阀的作用是利用改变节流阀开口的大小，来调节通过节流阀油液的流量，以控制工作台的速度。
工作台运动时，要克服阻力、切削力和相对运动件表面的摩擦力等，这些阻力由油液泵输出油液的压力来克服，根据工作情况的不同，液压泵输出油液的压力应该能够调整。
另外，一般情况下，液压泵排出的油液往往多于液压缸所需油液，多于的油液经溢流阀5流回油箱。
图中2为网式滤油器，起滤油作用[3]。
通过对上面系统的分析可见：
（1）液压传动是以液体作为工作介质老传递动力的；
（2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传动是不同的。
（3）液压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的，因此液压传动和液压控制难以截然分开。
1.2.2液压传动与控制系统的组成部分
液压传动装置主要由以下四部分组成：
（1）能源装置——把机械能转换成油液液压能的装置。
最常见的形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油；
（2）执行装置——把油液的液压能转换成机械能的装置。
它可以是作直线运动的液压缸，也可以使作旋转运动的液压马达；
（3）控制调节装置——对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。
例如上例中的节流阀、溢流阀、换向阀等。
这些元件的组合形成了不同功能的液压系统；
（4）辅助装置——上述三部分以外的其他装置，例如上例中单油箱、过滤器、油管等。
它们对保证系统正常工作也起重要作用[4]。
1.3本课题的研究内容
本论文研究的主要内容是围绕Festo液压实验平台为基础介绍了主要以TP601和TP02部分实验中液压传动与控制系统的组成和实验教学系统中的液压及电气控制元件；
根据各个机械装置工作（装配装置、管道阀门装置、铣床装置、薄板压力机、拉床）的具体工况要求设计其电气液压控制回路并设定技术参数；利用FluidSIM仿真软件对所设计的电气液压控制回路进行仿真实现并进行排障和改进，然后在电气液压实验台上搭建控制回路，进行模拟实验，得到实验结果，并通过讨论与分析给出了最终结论，完成对电气液压实验台的开发与仿真实现。
第2章液压传动与控制系统主要元件的介绍
2.1Festo液压实验平台的介绍
2.1.1Festo液压实验平台的结构特点
Festo的自动化控制技术培训装置满足各种培训及职业技能需要，基础部分培训装置提供广泛的基础技术知识；此外FestoDidactic液压实验台具有模块化结构特点，可进行除独立实验装置以外的多种组合应用。
它的资料部分提供重要的闭环和开环控制技术知识；功能部分说明自动化系统的基本功能；应用部分包含下列领域：
气动、电气气动、可编程控制器、PC自动化、液压、电气比例液压和应用技术。
在本论文中采用的是TP601和TP602电气液压控制实验部分。
2.1.2基于Festo电气液压实验平台的介绍
Festo液压控制实验平台在TP601电气液压实验装置中的应用包括：
各液压电气元件的原理及应用；电气控制单元的工作原理；元件及回路的符号表述标准；绘制电气及液压基本回路控制图。
在TP602的应用包括：
设计搭建带平衡控制的快速进给回路、带两通或三通流量阀的快速进给回路、卸压回路及进口节流调速回路、压力顺序回路的使用；以及带急停开关、缓动模式等安全保护控制的应用[4]。
2.2液压阀
液压阀方向控制阀压力控制阀流量控制阀方向控制阀方向控制阀控制液压系统中油液流动的方向或液流的通与断单向阀换向阀双向液压锁单向阀二、换向阀工作原理利用阀芯和阀体的相对运动使油路接通、关断或变换油流的方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的启动、停止或变换运动方向分类按操作方式分：
手动换向阀、机动换向阀（亦称行程阀）、电磁换向阀、液动换向阀和电液换向阀等按阀芯工作时在阀体中所处的位置和换向阀所控制的通路数不同分：
二位二通换向阀、二位三通换向阀、二位四通换向阀、三位四通换向阀等按阀的安装方式分：
管式（亦称螺纹式）换向阀、板式换向阀和法兰式换向阀等按阀的结构形式分：
滑阀式换向阀、转阀式换向阀和锥阀式换向阀等换向阀的图形符号方格数即“位”数，三格即三位箭头表示两油路连通，但不表示流向。
“”表示油路不通。
在一个方格内，箭头或“”符号与方格的交点数为油路的通路。
2.2.1方向控制阀
方向控制阀（方向阀）是控制液压系统中的液流方向的阀，用来对系统中各个支路的液流进行通、断的切换，以适应工作的要求。
一个液压系统所应用的各个控制阀中，方向阀占的数量相当多。
常规方向阀的基本作用是对液流进行通、断（开、关）切换。
因此，工作原理比较简单，它的结构也并不复杂。
但是，为了满足不同液压系统对液流方向的控制要求，方向阀的品种规格名目繁多。
一、分类
方向阀按其功能，大致可分成以下几种类型：
有时把压力表开关也归到方向控制阀中。
除了上述一般的方向控制阀外，还有可以进行阀芯位置连续控制的电液比例方向阀。
从阀芯的结构特征来区分，又有锥阀式、球阀式、滑阀式和转阀式等。
（一）单向阀
单向阀类似于电路中的二极管。
在液压系统中单向阀只允许液流沿一个方向通过，反方向流动则被截止。
它是一种结构最简单的控制阀。
图5-1分别是钢球式直通单向阀和锥阀式直通单向阀。
液流从
流入时，克服弹簧力而将阀芯顶开，再从
流出。
当液流反向流入时，由于阀芯被压紧在阀座密封面上，所以流动被截止。
钢球式单向阀的结构简单，但密封性不如锥阀式，并且由于钢球没有导向部分，所以工作时容易产生振动，一般用在流量较小的场合。
锥阀式应用最多，虽然加工要求较钢球式高一些，但是它的导向性好，密封可靠。
图5-1所示单向阀是管式结构，尺寸小巧紧凑，可以直接安装在管路中。
此外还有板式结构的单向阀，它的装拆维修比较方便，不过需要另行设置安装底板。
此外，由于板式单向阀内的流道有转弯，所以流动阻力损失较管式结构大。
单向阀中的弹簧主要是用来克服摩擦力、阀芯的重力和惯性力，使阀芯在液流反方向流动时能迅速关闭。
但弹簧过硬会影响阀的开启压力并造成过大的流动损失。
一般单向阀的开启压力大约0.03~0.05MPa，并可根据需要更换弹簧。
例如，单向阀作为背压阀使用时，需要具有与系统工作相适应的开启压力，因此采用较硬的弹簧。
单独应用的单向阀，其符号见图5-3a。
设置在阀块中或与其它元件组合应用的单向阀，其符号见图5-3b。
对单向阀的基本要求是：
正向流动阻力损失小，反向时密封性好，动作灵敏。
液控单向阀是可以根据需要来实现逆向流动的单向阀。
图5-4是具有卸载阀的外泄式液控单向阀。
它除了进油口
和出油口
外，还有一个控制油口
。
在通常情况下，它的作用与一般单向阀相同，只允许液流从
流向
，反向时截止。
当需要允许反向流动时，接通控制压力
，控制活塞上移而顶开单向阀阀芯，使液流可以反向流动。
采用具有卸载小阀芯的复式单向阀芯结构时，控制活塞只要用不大的力顶开小阀芯，使单向阀上部卸压，然后再顶开单向阀芯。
由于控制活塞与卸载阀芯的面积比通常大于10~30，因此显著降低了所需要的控制压力。
对于流量较小、压力不高的液控单向阀，为了简化结构，可以不采用复式阀芯而由控制活塞直接推动单向阀芯。
单向阀的用途很广。
例如，在泵的出口处安装单向阀以防止油液倒流；在回油管上安装单向阀作为背压阀，或防止系统不工作时油液泄出而造成空气进入系统；与各种阀组成单向节流阀、单向减压阀、单向调速阀、单向顺序阀等复合式阀；与节流器并联后组成单向节流缓冲器件；由于单向阀具有优良的密封性，所以液控单向阀还广泛用作为液压缸的保压阀或闭锁阀。
（二）换向阀
换向阀是借助于改变阀芯的位置，来实现与阀体相连的几个油路之间的接通或断开。
根据阀芯可能实现的工作位置数目，换向阀可分为二位、三位等形式。
根据阀芯所控制的油路通道数目，换向阀可分为二通、三通、四通、五通等形式。
换向阀的阀芯结构，最常见的是滑阀式，少数采用转阀。
采用锥阀的组合式换向阀，一般归入逻辑阀的范畴。
通常，换向阀还常以操纵方式来命名。
只要能够可靠而简单地实现阀芯工作位置的更换，原则上任何适当的操纵方式都可以采用。
例如，采用手柄操纵（手动）；滚轮推杆、拨叉等机械操纵（机动）；气缸控制（气动）；液压油直接推动（液动）；电磁铁控制（电磁）；分别采用电磁铁和液压油控制先导阀和主阀（电液动）等。
以下介绍几种最为常见的换向阀型式。
1.手动换向阀图5-5是手动三位四通换向滑阀，阀芯的位置由手柄2来直接操纵。
阀体上有四个通道：
——压力油；
——回油；
、
——分别连到被控回路的进、出油口。
图示位置时阀芯处于中位，
、
，
、
互相隔断。
推动手柄可将阀芯移到左、右两个位置。
阀芯移到左端时，
与
通，
与
通；移到右端时，
与
通，
与
通。
滑阀的定位方式可以用图示的钢球定位机构来实现，也可以不用定位机构而由手来操纵确定，一旦手放开，由复位弹簧使阀芯回到中位。
图5-6是手动二位四通转阀。
手柄转动
后，可以实现通路
、
与
、
的切换。
转阀的优点是外形尺寸小，但在设计时应充分考虑使阀芯所受径向液压力平衡，否则会由于径向作用力而造成摩擦力过大，操纵阀芯困难。
这种转阀一般只用在中、低压或小流量的场合。
2.电磁换向阀电磁换向阀是利用电磁铁通电吸合时产生的推力来操纵滑阀。
由于它可以借助于按钮开关、行程开关、即位开关等发出的信号来进行控制，所以使用方便，应用广泛。
换向阀所用的电磁铁有交流及直流两种型式。
还有一种本整型，采用交流电源进行本机整流后，由直流进行控制，电磁铁仍为一般的直流型，并无其它特殊之处。
按照电磁铁内部是否有油浸入，又分为干式和湿式两种。
干式电磁铁与阀体之间有密封隔开，电磁铁内部没有油。
湿式则相反。
这几种阀用电磁铁的特点已在第二章中介绍过，此处不再重复。
图5-7是二位四通干式电磁换向阀。
在该图上，左面画的是交流电磁铁，右面画的是直流电磁铁。
电枢线圈通电后，衔铁被吸引，通过推杆而推动阀芯换向。
两端的弹簧用来固定衬套3的位置。
从图可见，由于电磁铁与阀体、推杆间有
型密封圈，所以没有油进入电磁铁内部。
当电磁铁失控或需要检验阀的功能时，可以通过手动按钮从外部用手来改变阀芯的位置。
图5-8是三位四通湿式电磁换向阀。
图中左面画的是交流电磁铁，右面画的是直流电磁铁。
与图5-7的区别在于：
回油腔的油可以进入电磁铁内部。
此外，左右两个电磁铁都不通电时，阀芯在复位弹簧3的作用下，处于中位。
因此，换向阀具有三个位置。
电磁换向阀除了上述双电磁铁控制的三位四通型式外，还常用弹簧复位的单电磁铁式二位二通、二位三通或二位四通阀。
上述几种电磁换向阀的有关符号见图5-9（双电磁铁二位换向阀虽然比弹簧复位的单电磁铁二位换向阀多用一个电磁铁，但是由于没有复位弹簧的阻力，所以电磁铁的推力可以充分利用。
由于电磁铁的推力所限，一般电磁换向阀只用在流量不太大的场合（不超过通径10）。
中低压时可配用通径15的换向阀，流量在63L/min以下。
流量更大时，采用电磁换向阀与液动换向阀组合的电液换向阀。
前者作为先导级，后者作为主级。
3.电液换向阀
电液换向阀是以电磁换向阀作为先导级阀，用它输出的压力油来控制主级换向滑阀。
由于先导级输出的压力油足以控制一个大尺寸的换向滑阀，因此就可以实现对不同流量范围的液流进行方向控制。
此外，电液换向阀的主级阀的换向速度较易控制，这也是电液换向阀的一个优点。
图5-10是弹簧对中式的三位四通电液换向阀。
当先导电磁阀1的一个电磁铁通电时，其输出控制油口
、
分别与导阀的压力油及回油接通，主阀芯由于两端的压差而移向左端或右端，实现主油路
、
、
、
的通断。
如果两个电磁铁都断电，由于先导阀具有Y型中位机能，使先导阀的
、
口以及主阀芯两端容腔都与回油相通，主阀芯3在对中弹簧2的弹簧力推动下，处于中间位置。
这时主阀的
、
油口的状况，取决于主阀芯的中位机能（详见本节的滑阀机能部分）。
上述弹簧对中式电液换向阀的详细符号和简化符号，均见图5-10。
有时为了控制液流的换向速度，避免产生液压冲击现象，就要求主阀芯的换向时间可调节。
为此，在电液换向阀或液动换向阀的两端附设单向节流阀作为阻尼器，通过调节节流阀的开度来改变阻尼的大小，以控制主阀芯的换向时间。
图5-11是一个简单的结构示例，并表示了它在换向阀中的安放位置。
（三）多路阀
多路阀是一种集中布置的组合式手动换向阀。
多路阀的主体是几个手动换向阀。
根据不同的工作要求，还可以将安全（溢流）阀、单向阀、补油阀等也组合在阀块内。
多路阀主要用在各种工程机械、起重运输机械等行走机械上，进行多个工作机构的集中控制。
它具有便于操作、结构紧凑、通用性好、流道阻力损失小等特点。
按照多路阀所构成的液压系统性质，有并联、串联、顺序三种形式。
图5-12上分别表示了这三种多路换向阀的组合形式。
在此图上只画了三个手动换向阀，根据需要还可以将更多的手动换向阀组合在一起。
并联式多路阀的主泵同时向多路阀控制的各个执行器件（液压缸、液压马达）供油，各换向阀进口压力等于主泵的供油压力。
几个阀同时操纵来完成
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