机电控制基础课程设计方案书

1、机电控制基础课程设计指导书适用专业：机械电子工程江苏科技大学机械工程学院2008年8月第一章液压系统的设计1.1液压系统的设计步骤液压系统设计的步骤大致如下：1）明确设计要求，进行工况分析。2）初定液压系统的主要参数。3）拟定液压系统原理图。4）计算和选择液压元件。5）估算液压系统性能。6）绘制工作图和编写技术文件。根据液压系统的具体内容，上述设计步骤可能会有所不同，下面对各步骤 的具体内容进行介绍。1.1.1明确设计要求进行工况分析在设计液压系统时，首先应明确以下问题，并将其作为设计依据。1）主机的用途、工艺过程、总体布局以及对液压传动装置的位置和空间 尺寸的要求。2）主机对液压系统的性能要

2、求，如自动化程度、调速范围、运动平稳性、 换向定位精度以及对系统的效率、温升等的要求。3）液压系统的工作环境，如温度、湿度、振动冲击以及是否有腐蚀性和 易燃物质存在等情况。在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和 动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液 压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。图1.1位移循环图运动分析主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图(L t)，速度循环图(v t)，或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。1) 位移循环图Lt图1.1为液压机的液压缸位移循环图， 纵坐标L

3、表示活塞位移，横坐标t 表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚 地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢 回和快速回程六个阶段组成。2) 速度循环图v1(或vL)工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图2为三种类型液压缸的vt图，第一种如图然后匀速运图1.2速度循环图动，最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运 动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行 程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。vt图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律， 也间接 地

4、表明了三种工况的动力特性。动力分析动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系 统而言，就是研究液压缸或液压马达的负载情况。1 )液压缸的负载力计算。工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服 的负载由六部分组成：F =Fc + Ff +Fi +Fg+F(1)式中：Fc为切削阻力；Ff为摩擦阻力；Fi为惯性阻力；FG为重力；Fm 为密封阻力；Fb为排油阻力。图1.3导轨形式 切削阻力Fc：为液压缸运动方向的工作阻力，对于机床来说就是沿工 作部件运动方向的切削力，此作用力的方向如果与执行元件运动方向相反为 正值，两者同向为负值。该作用力可能是恒定的，也可能是变化的，其值要 根据

5、具体情况计算或由实验测定。 摩擦阻力Ff为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和 运动状态有关，其计算方法可查有关的设计手册。图 1.3为最常见的两种导 轨形式，其摩擦阻力的值为：平导轨：|Ff = f送Fn|V形导轨:Fff'sin(a /2)13 / 23式中：f为摩擦因数，参阅表1选取；刀Fn为作用在导轨上总的正压力 或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力；a为V形角，一般为90。 惯性阻力Fi。Fi惯性阻力Fi为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算：导轨类型导轨材料运动状态摩擦因数滑动导轨铸铁对铸铁启动时低 速 (V V0.16m/s)高速(

6、v> 0.16m/s)0.15 0.200.1 0.120.05 0.08滚动导轨铸铁对滚柱（珠） 淬火钢导轨对滚柱（珠）0.005 0.020.003 0.006G v t表1.1 摩擦因数f静压导轨铸铁0.005式中：m为运动部件的质量（kg） ； a为运动部件的加速度（m/s2） ； G为运 动部件的重量（N） ；g为重力加速度，g=9.81 （m/s2） ； v为速度变化值（m/s）; t为启动或制动时间（s），一般机床 t = 0.10.5s，运动部件重量大的取 大值。 重力FG垂直放置和倾斜放置的移动部件，其本身的重量也成为一种负载，当上移 时，负载为正值，下移时为负值。 密

7、圭寸阻力Fm密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置 的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初算时，可按缸的机械效率（n m=0.9）考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。 排油阻力Fb排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定 性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的 设计计算中考虑。2）液压缸运动循环各阶段的总负载力。液压缸运动循环各阶段的总负载力计算，一般包括启动加速、快进、工进、 快退、减速制动等几个阶段，每个阶段的总负载力是有区别的。 启动加速阶段：这时液压缸或活塞处于由静止到启动并加速到一定

8、速度，其总负载力包括导轨的摩擦力、密封装置的摩擦力（按缸的机械效率nm=0.9计算）、重力和惯性力等项，即：F =Ff +Fi 土Fg +Fm +F（5）快速阶段：|f = Ff 土 Fg +Fm +fJ工进阶段：F =Ff +Fc 土 Fg +Fm + Fb减速：F =Ff ±Fg Fj +Fm+Fb(8)对简单液压系统，上述计算过程可简化。例如采用单定量泵供油，只需计 算工进阶段的总负载力，若简单系统采用限压式变量泵或双联泵供油，则只 需计算快速阶段和工进阶段的总负载力。3）液压缸的负载循环图。对较为复杂的液压系统，为了更清楚的了解该系统内各液压缸 （或液压马 达)的速度和负载的

9、变化规律，应根据各阶段的总负载力和它所经历的工作时 间t或位移L按相同的坐标绘制液压缸的负载时间(F t)或负载位移(F L) 图，然后将各液压缸在同一时间t (或位移)的负载力叠加。图1.4为一部机器的Ft图，其中：0t1为启动过程；t1t2为加速 过程；t2t3为恒速过程；t3t4为制动过程。它清楚地表明了液压缸在 动作循环内负载的规律。图中最大负载是初选液压缸工作压力和确定液压缸 结构尺寸的依据。1.1.2液压缸的设计计算1) 初定液压缸工作压力液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：(1) 各类设备的不同特点和使用场合。(2) 考虑经济和重

10、量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选 得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高 所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：一是根据机械类型选；二是根 据切削负载选。如表1.2、表1.3所示。表1.2 按负载选执行文件的工作压力负载/NV 50005001000010000 2000020000 3000030000 50000> 50000工作压力/MPa< 0.8 11.5 22.5 33445> 5表1.3按机械类型选执行文件的工作压力机床农业机械工程机械机械类型磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MPaa< 235< 8810

11、10 1620 322) 液压缸主要尺寸的计算缸的有效面积和活塞杆直径，可根据缸受力的平衡关系具体计算，详见 液压与气压传动教材。3) 液压缸的流量计算液压缸的最大流量：qmax = AHUmax(m / S)(10)式中：A为液压缸的有效面积凶或凶(ml) ； |： max为液压缸的最大速度(m/s)。液压缸的最小流量:3qmin 二 A min (m / S)(11)式中：I： min |为液压缸的最小速度液压缸的最小流量西,应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量 若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些， 缸的有效工作面积大一些，所需最小流量 匾J也大一些，以满

12、足上述要求。流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。1.1.3液压元件的选择1) 液压泵的确定与所需功率的计算 液压泵的确定(1) 确定液压泵的最大工作压力。液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大 压力P，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失工 p，即卩Pp = P1 +E 邙|(12)2 Ap包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等,在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，一般管路简单的节流阀 调速系统 2 A p为(25) X105Pa,用调速阀及管路复杂的系统 2 A p为(5 15) X105Pa, 2 A p也可只考虑

13、流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿 程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找， 也可参照表1.4选取。表1.4 常用中、低压各类阀的压力损失(A pn)阀名 pn( x105Pa)阀名 pn( x105Pa)阀名 pn( x105Pa)阀名 pn( x105Pa)单向阀0.30.5背压阀38行程阀1.5-2转阀1.5 2换向阀1.5 3节流阀23顺序阀1.5-3调速阀35(2) 确定液压泵的流量qj。泵的流量qj根据执行元件动作循环所需最大 流量|qmax |和系统的泄漏确定。 多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸(或马达)所需的最大流量，

14、并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的 下降，即3qp ZKI： qmax(m /s)|(13)式中：K为系统泄漏系数，一般取1.11.3，大流量取小值，小流量取 大值；|瓦qmax|为同时动作的液压缸(或马达)的最大总流量(m3/s) o 采用差动液压缸回路时，液压泵所需流量为：qp 王 K(A A2)max(m /s)|(14)式中：囚，A为分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积(m) ； |： max|为 活塞的最大移动速度(m/s) o 当系统使用蓄能器时，液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流 量选取，即zqp =送 Vi XK/T(15)i#式中：Vi为液压缸在工作周期中的总耗

15、油量(m3); |tJ为机器的工作周期 (s) ; Z为液压缸的个数。(3) 选择液压泵的规格：根据上面所计算的最大压力9和流量 应，查液压元件产品样本，选择与|_pj和|q相当的液压泵的规格型号。上面所计算的最大压力应是系统静态压力，系统工作过程中存在着过渡 过程的动态压力，而动态压力往往比静态压力高得多， 所以泵的额定压力|pp| 应比系统最高压力大25%-60%使液压泵有一定的压力储备。若系统属于高 压范围，压力储备取小值；若系统属于中低压范围，压力储备取大值。(4) 确定驱动液压泵的功率。 当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为：p = pp 汉qp 汉n/iooo(kW)|(16

16、)式中：也J为液压泵的最大工作压力(N/m2);囤为液压泵的流量(m3/s);为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考表1.5估取，液压泵规格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。表1.5液压泵的总效率液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.6 0.70.65 0.800.60 0.750.80 0.85 在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时， 可分别计算出工作循 环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，即P= JtF2 UP；十FPn2/(ti 壮 + 十tn)|(17)式中：忖，日，池为一个工作循环中各阶段所需的时间(s) ;回，回，, 赳为一个工作循环中各

17、阶段所需的功率(kW)。按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算， 使电动机发出最大功率时，其超载量在允许范围内。阀类元件的选择(1) 选择依据选择依据为：额定压力，最大流量，动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等。(2) 选择阀类元件应注意的问题1) 应尽量选用标准定型产品，除非不得已时才自行设计专用件。2) 阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。 选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考 虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。3) 一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量大一些，必

18、要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%蓄能器的选择(1)蓄能器用于补充液压泵供油不足时，其有效容积为：V =送 AhK qpt(m )|(18)式中：A为液压缸有效面积(|m)；山为液压缸行程(m) ; |k为液压缸损失系数，估算时可取 0二1.2 ;囤为液压泵供油流量(|m3/s|) ； t为动作时间(s) o(2)蓄能器作应急能源时，其有效容积为:3(19)V =L AliK(m )当蓄能器用于吸收脉动缓和液压冲击时，应将其作为系统中的一个环节与 其关联部分一起综合考虑其有效容积。 根据求出的有效容积并考虑其他要求， 即可选择蓄能器的形式。管道的选择(1) 油管类型的选择液压系统

19、中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流截面 和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变。1) 钢管：中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低， 性能好，使用广泛。2) 铜管：紫铜管工作压力在6.510MPe以下，易变曲，便于装配；黄铜 管承受压力较高，达25MPa不如紫铜管易弯曲。铜管价格高，抗震能力弱， 易使油液氧化，应尽量少用，只用于液压装置配接不方便的部位。3) 软管：用于两个相对运动件之间的连接。高压橡胶软管中夹有钢丝编织 物；低压橡胶软管中夹有棉线或麻线编织物；尼龙管是乳白色半透明管，承压能力为2.58MPa多用于低压管道。因软管弹性变形大，容

20、易引起运动部 件爬行，所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间。(2) 油管尺寸的确定1)油管内径d按下式计算：(20)= 1.13 103 . q(mm)式中：q为通过油管的最大流量(m3/s);匸为管道内允许的流速(m/s)。一般吸油管取0.55(m/s);压力油管取2.55(m/s);回油管取1.52(m/s)2) 油管壁厚S按下式计算：2 p d/2八(21)式中：p为管内最大工作压力；为油管材料的许用压力，=c b/n ； (T b为材料的抗拉强度；n为安全系数，钢管pv 7MPaP寸，取n=8; pv 17.5MPa时，取n=6; p> 17.5MPa时，取n=4。根据计算出的油管

21、内径和壁厚， 查手册选取标准规格油管。油箱的设计油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的气体。其 形式有开式和闭式两种：开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面 与大气隔绝。开式油箱应用较多。(1) 油箱设计要点1) 油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%2) 吸箱管和回油管的间距应尽量大。3) 油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。4) 注油器上应装滤网。5) 油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。(2) 油箱容量计算油箱的有效容量 V可近似用液压泵单位时间内排出油 液的体积确定。V=K2 q(22

22、)式中：K为系数，低压系统取24,中、高压系统取57;工q为同一油 箱供油的各液压泵流量总和。滤油器的选择选择滤油器的依据有以下几点：(1) 承载能力：按系统管路工作压力确定。(2) 过滤精度：按被保护元件的精度要求确定，选择时可参阅表1.6。(3) 通流能力：按通过最大流量确定。(4) 阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。表1.6 滤油器过滤精度的选择系统过滤精度(卩m)元件过滤精度(卩m)低压系统100150滑阀1/3最小间隙70 x 105Pa 系统50节流孑L1/7孔径(孔径小于1.8mm)100X 105Pa 系统25流量控制阀2.5 30140X 105Pa 系统10 15安全

23、阀溢流阀1525电液伺服系统5高精度伺服系统2.51.2设计内容1.2.1题目(1) 设计一台钻镗两用组合机床动力滑台的液压控制系统。要求其完成的工作循环是：快进工进二工进死挡铁停留快退原位停止。快进快退速度为7.3m/min，工进速度应能在6.6660mm/mir范围内无 级调速，最大行程为 400mm(其中一工进为100mm 二工进为80mm,最大切 削力为18KN运动部件的总重量为25KN采用平面导轨，往复运动加、减速 时间均为0.05s。(2) 某厂要设计制造一台双头车床，加工压缩机拖车上一根长轴两端的轴颈。由于零件较长，拟采用零件固定，刀具旋转和进给的加工方式。其加 工动作循环是快进

24、一工进一快退一停止。同时要求各个车削头能单独调整。 其最大切削力在导轨中心线方向估计为12000N所要移动的总重量估计为15000N,工作进给要求能在0.0201.2m/min范围内进行无级调速，快速进、 退速度一致，为4 m /min，试设计该液压传动系统。该机床的外形示意图1-左主轴头；2-夹具；3-右主轴头；4-床身；5-工件(3) 设计某专用铣床的机电液控制系统，要求其完成的工作循环是：工 件夹紧一一动力头快进一一动力头工进一一延时停留1s动力头快退到原位一一工件松开。运动部件的总重量为 25000N,快进与快退速度相等，均为 5m/min,工进速度为1001200mm/mir,最大行

25、程为400mm其中工进行程为 180mm最大切削力为18000N采用平面导轨，往复运动加、减速时间均为 0.05s 。（4）某立式组合机床的动力滑台采用液压传动， 已知切削负载为 28000N， 滑台工进速度为50mm/mir，快进、快退速度为6m/min，滑台（包括动力头） 的质量为1500kg，滑台对导轨的法向作用力为 1500N往复运动的加、减速 时间为0.05s，滑台采用平面导轨，fs=0.2,fd=0.1,快速行程为100mm工作 行程为 50mm1.2.2 设计要求液压系统工况分析（含负载分析、速度循环分析、负载循环图等） 拟定液压系统原理图（附运动部件动作循环图、电磁铁动作顺序表

26、等） 液压系统的计算1.2.3 分组每个班级，根据学号分组设计1 ） 1 7 号第 1 题2） 814号第2题3）1521 号 第 3 题4） 22第 4 题第二章 机床电气控制2.1三菱F1系列PLC的编程元件编程元件的编号规则以英文字母开头 字母表示编程元件的的功能 后跟三位八进制数字编程元件输入继电器（ X）输出继电器（ Y） 定时器（ T） 计数器（ C） 辅助继电器（ M） 特殊辅助继电器（ M） 状态器（ S）输入继电器（ X）数量 输入继电器共有 24 个编号X400X407X410X413X500 X507X510 X513特点 在梯形图中只能有输入继电器的触点，而不能出现输入

27、继电器的线圈。 输出继电器（ Y）数量 输出继电器共有 16 个编号Y430 Y437Y530 Y537特点输出继电器的线圈不能由PLC的外部信号来驱动，只能由程序的执行结 果来驱动。定时器（ T）数量定时器共有 32 个编号T050T057T450T457T550 T557T650 T657特点定时器相当于继电 - 接触器控制系统中的时间继电器， 它能提供无数对常 开、常闭延时触点供用户编程使用。定时器的延时时间是由编程中的设定值 K 来决定的。 计数器（ C）数量 计数器共有 32 个编号C060 C067C460 C467C560 C567C660 C667特点 计数器主要于记录脉冲个数

28、或根据脉冲个数设定某一时间。 计数器的计数范围是 0 999 辅助继电器（ M）种类 一是通用型，不具备掉电保护功能 另一种是掉电保护型，失电后不复位。数量 通用型辅助继电器共有 128 个 掉电保护型辅助继电器 64 点 编号 通用型 M100 M277掉电保护型 M300 M377特点 辅助继电器的功能相当于继电 - 接触器控制系统电路中的中间继电器。 它不能由任何外部设备来驱动，也不能直接驱动外部负载。特殊辅助继电器（M和状态器（S） 特殊辅助继电器数量 15 个 特殊辅助继电器编号M70M74M76M77M470M473M570M573特殊辅助继电器用途进行运行监视、初始化脉冲、电池电

29、压下降指示等 状态器的数量 40 个 状态器的用途在编制步进程序中使用的基本元件状态器的编号 S600 S647状态器的特点属于掉电保护继电器2.2三菱F1系列PLC的基本指令与编程LD LDI、OUT旨令指令的作用LD（LoaD） : 取指令，是常开触点与母线的连接指令。 LDI（LoaD Inverse） ：取反指令，是常闭触点与母线的连接指令。 OUT驱动线圈的输出指令。指令的使用说明LD LDI可与后面讲到的块操作指令 ANB ORB相配合，用于分 支电路的起点OUT旨令用于丫、M T、C、S及F （功能指令线圈），不能用于X； 并联输出OUT旨令可连续使用任意次OUT指令用于T和C,

30、其后须跟常数K。K为延时时间或计数次 数 指令举例10 / 25LD LDI、OUT旨令的例子X400(Y430)X401*(Y431) K 10 (T450)LD X400OUT Y430LDI X401OUT Y431OUT T450K 10LD T450OUT Y431T450fY431) (a)梯形图(b)语句表AND ANI指令指令的作用AND与指令，用于单个常开触点的串联；ANI(ANd In verse):与反指令，用于单个常闭触点的串联。 指令的使用说明AND和ANI指令用于单个触点与左边触点的串联，可连续使用; 若是两个并联电路块(两个或两个以上触点并联连接的电路) 串联，则

31、需用后面的ANB旨令指令举例X400X401LDX400ANDX401OUTY430LDX402ANIY430OUTY431ANDX403OUTY432(b)语句表OR ORI指令指令的作用OR或指令，用于单个常开触点的并联；ORI(OR In verse):或反指令，用于单个常闭触点的并联指令的使用说明OR ORI指令仅用于单个触点与前面触点的并联；若是两个串联电路块(两个或两个以上触点串联连接的电路) 相并联，则用后面将学的 ORB指令。指令举例LD X400OR X402AND X401OUT Y430LD X403AND Y430OR Y431AND X404ORI M101OUT Y

32、431（b）语句表ORE指令指令的作用ORB(OR Block)：或块指令，用于串联电路块的并联连接 指令的使用说明串联电路块与前面的电路并联连接时，分支的开始用LD指令，分支结束用ORB指令；串联支路并联的次数不受限制，但每并联一次就要用一次 指令；ORB指令不带目标编程元件，是一个独立指令。LDIORB指令举例X400X401HI-_ll-qX402X403TilX404X405(Y430)X406(a)梯形图LD X400AND X401LD X402AND X403ORBLDI X404OR X406ANI X405ORBOUT Y430(b)语句表ANB指令指令的作用ANB(And

33、Block):与块指令，用于并联电路块的串联连接 指令的使用说明并联电路块与前面的电路串联连接时，分支的开始用 LD、LDI 指令，分支结束用ANB指令；多个并联电路块连续串联连接，按顺序用ANB指令进行连接，ANB使用次数不受限制；ANB指令不带目标编程元件，是一个独立指令。 指令举例X400X401X402II I II I IM丫430)X403X404 X405HF-UAb-X4061(a)梯形图LD X400OR X403LD X401ORI X404ANBLD X402OR X405ANBORI X406OUT Y430(b)语句表S、R指令指令的作用S (Se)置位指令,使操作保持的指令。R(Reset):复位指令，使操作保持复位的指令。指令的使用说明S指令用于将丫、S、M200M377等元素置1并具有保持功能；R指令用于取消丫、S、M200M377等元素的自保持功能并置0。X400(S M205) _(R M205(a)梯形图指令举例LD X400S M205$LDI X401R M205(b)语句表RST指令指令的作用RST (ReSeT):复位指令，用于计数器或移位寄存器的复位。指令的使用说明程序执行时优先执行RST指令,在复位状态时，计数器或移