自动化课程设计;电液比例控制,PLC控制

1、目录1、设计课题 31.1设计目的 31.2设计要求 31.3设计参数 31.4设计方案 32、设计方案 42.1工况分析 42.2拟定液压系统 63、机械部分计算 93.1液压缸的设计计算 93.2液压缸的校核计算123.3液压缸结构设计153.4选择液压元件175、电气部分设计 235.1控制系统基本组成 235.2PLC控制系统的流程图241 设计课题1.1 设计目的通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：1、培养学生综合运用所学的

2、基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。2、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。3、培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。1.2设计要求执行元件：液压油缸；传动方式：电液比例控制；控制方式：PLC控制；控制要求：速度控制；控制精度：0.011.3设计参数油缸工作行程600 mm；额定工作油压4MPa；移动负载质量2000 kg；负载移动阻力10000 N；移动速度控制6m/m

3、in；1.4 设计方案利用设计参数和控制要求设计出液压油缸，进而设计出液压系统，通过PLC对液压油缸进行速度控制。2 设计方案2.1工况分析首先根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图2.1所示。然后计算个阶段的外负载并绘制负载图。液压缸所受负载F包括有效工作负载，摩擦阻力和惯性力三种类型，即 (2-1) 式中 有效工作负载，在本设计中即为题目给定的负载移动阻力Fw=10000N； 运动部件速度变化时的惯性负载； 导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨可由下式求得 运动部件重力； 垂直于导轨的工作负载，本设计中为零； 导轨摩擦系数，在本设计中取静摩擦系数为0.

4、2，动摩擦系数为0.1则求得=0.29800N=1960N (2-2) =0.19800N=980N (2-3)上式中为静摩擦阻力，为动摩擦阻力。 (2-4) 式中 m负载质量 加速或减速时间，本次设计中取t=0.2s； 时间内的速度变化量,本次设计最大速度为0.1m/s,取=0.1m/s；在本设计中 (2-5) 根据上述计算结果，列出个工作阶段所受的外负载（见表2.1），并画出如图2.2所示的负载循环图。表2.1 工作循环各阶段的外负载前进时最大负载启动加速F=+12960匀速移动+10980减速制动+- Fa9980速度循环图vt工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。第一种如图2-1中实

5、线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动， 图2-1 速度循环图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，也间接地表明了三种工况的动力特性。2.2拟定液压系统2.2.1系统类型大量的实践工程表明，在现有的技术条件下，开环控制的比例系统，其位置控制精度只能达到0.3mm(即位置控制误差大于0.3mm)，速度控制精度最高只能达到3%（加速或减速过程为00.5s），压力控制精度最高只能

6、达到比例压力阀最大设定压力的3%（采用带位置调节型比例电磁铁的压力阀）。题目要求精度为0.01m/s,故采用闭环控制。2.2.2确定供油方式考虑到题目给定额定工作油压为4MPa，以及系统采用电液比例控制单个执行元件，故拟选用定量叶片泵。2.2.3调速方式的选择在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据题目的速度控制要求，选用定量泵-回油节流调速。这种调速方式的优点是结构简单，价廉，调速范围大，适用于低速小功率场合。2.2.4调压方式的选择本系统采用溢流阀旁接在液压泵出口用以控制系统压力在进、回油路节流调速系统中保证系统压力恒定。2.2.5回路的选择本次设计为电液比

7、例控制，故选用电液比例换向阀，根据产品实际型号选择二位三通或者三位四通阀。2.2.6拟定液压系统图 液压系统计算简图电液比例速度控制系统原理图3 机械部分设计计算3.1液压缸的设计计算3.1.1系统压力Ps的估算系统工作压力指的是泵站的调定压力，其值应该在液压泵的额定压力范围内。对于阀控系统，由于本质上是节流控制，为保证系统有足够高的效率，系统压力应按照低于2/3的液压泵的额定压力的原则选择。此处就按题目给定的额定工作油压初步估计作为系统压力，即Ps=4MPa.根据经验，设计刚开始的时候，可将系统压力减去管道流动的局部损失和沿程损失之后剩余的压力，其1/3用于克服执行机构恒速时的负载，1/3用

8、于产生执行元件的加速度，1/3用于产生执行元件的速度。前两项（即2/3的系统压力）就是克服执行元件外负载的压力。只是一部分是静态负载（含摩擦），另一部分是加速度负载。产生执行元件速度的压力时压力油通过阀口流动所必须的，实际上是流动的压力油在液压阀上的压力降。3.1.2计算液压缸内径D和活塞杆直径d由于启动加速阶段工作负载力最大，故按牛顿运动定律， pA-=ma (3-1) (3-2) 式中 液压缸有效工作面积(m2)。分配给执行元件用于克服执行元件外负载的压力（MPa）,为局部损失和沿程损失之和，初步估计为0.4MPa.在本设计中，A=20000.5+1960+100002.4106=54cm

9、2 由此求得，活塞缸内径为D=4A=454=8.295cm=82.95mm (3-4) 根据液压缸内径尺寸系列，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=80mm；活塞杆直径d按求得d=56mm。由此求得 A1=54CM2 A2=24.6CM2液压缸内径与活塞杆直径的关系。考虑到活塞杆受压，且液压缸工作压力在15MPa之间，故取为0.7。液压缸最大工作压力 p1=FmaxA1=129605410-4=2.4MPa （3-5） 根据液压缸公称压力系列（GB/T7938-1987）取液压缸额定工作压力为3MPa。按最低工进速度验算液压缸的最小稳定速度 (3-6) 式中 是由产品样本查的GE系列调速阀AQF

10、30-E10B的最小稳定流量为。调速阀是安装在回油路上，故液压缸节流腔有效工作面积应选取液压缸有杆腔的实际面积. 3.1.3液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。工程机械的液压缸，一般是用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 (3-10)式中 液压缸壁厚(m)； 液压缸内径(m)； 试验压力，取最大工作压力的1.5倍（MPa）； 缸筒材料的许用应力。无缝钢管45钢。 1.52.40.082100=1.4410-3 (3-11) 液压缸壁厚取最小值 =1.44mm 液压缸壁厚算出后，可求出缸体的外径 D1D+2=80+21.44=82.88mm (3

11、-12) 3.1.5液压缸工作行程的确定根据题目给定，参照液压缸活塞行程参数系列选用工作行程为630mm。3.1.6缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖有孔时 (3-13) 无孔时 (3-14) 式中 t缸盖有效厚度(m)； 缸盖止口内径(m)； 缸盖孔的直径(m)。在本设计中有孔时t0.433D2PY=0.433801.52.4100=3.57mm （3-15） 无孔时t0.433D2PyD2D2-d0=0.433801.52.480100(80-56)=12.00mm（3-16） 3.1.7最小导向长度的确定 HL20+D2=71mm （3-17）活塞宽度B取 B=0.6D=48mm （3

12、-18）缸盖滑动支承面的长度，在缸径小于100mm时取l1=0.6D=0.680=48mm （3-19）隔套的长度C=H-12l1+B=71-48=23mm （3-20） 3.1.8缸体长度的确定液压缸刚体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两短端盖的厚度。因此取缸体长度为660mm。3.2液压缸的校核计算活塞杆直径d，在高压系统中必须进行强度校核。活塞杆需要进行稳定性的校核。（1） 活塞杆直径校核 活塞杆直径的校核按下式进行 （3-21） 式中F 活塞杆上的作用力；活塞杆材料的许用应力，。d4129606001061.4=6.2mm（2） 活塞杆稳定性的验算活塞杆

13、受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆稳定性的校核依下式（稳定条件）进行： (3-22) 式中：为安全系数，一般取。当活塞杆的细长比时, (3-23) 当活塞杆的细长比时，且，则 (3-24) 式中：安装长度，其值与安装方式有关；活塞杆截面最小回转半径，；柔性系数；由液压缸支承方式决定的末端系数，其值见表3-1；活塞杆材料的弹性模量，对钢取；活塞杆横截面惯性矩；为活塞杆横截面积；由材料强度决定的实验值、为系数，。活塞杆的细长比为47.1

14、（3-25） 柔性系数取85，采用一端铰接，一端固定的支承方式，末端系数取2所以，=120，采用拉金公式计算Fk=fA1+a2(lrk)2=4.91080.002461+15000247.12=988033NFk2=494016N安全系数取n=2 则所以，活塞杆稳定。3.3液压缸的结构设计3.3.1液压缸的安装形式本次设计负载为直线运动，负载力不是很高，故采用液压缸筒固定，活塞杆运动的尾部法兰安装方式，其特点为螺钉受力较小。3.3.2缸体与缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、半环连接。a法兰连接 优点：(1)结构简单、成

15、本低(2)容易加工、便于装拆(3)强度较大、能承受高压 缺点：(1)径向尺寸较大(2)重量比螺纹连接的大(3)用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些b螺纹连接 优点：(1)外形尺寸小(2)重量较轻 缺点：(1)端部结构复杂、工艺要求较高(2)装拆时需用专用工具(3)拧端盖时易损坏密封圈c 半环连接 优点：(1)结构较简单(2)加工装配方便 缺点：(1)外形尺寸大(2)缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒厚度比较各连接形式，本设计中选取法兰连接的形式。3.3.3活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的连接结构有几种常用的形式，分整体式结构和组合式结构。组合式结构又分螺纹连接、半环连接和锥销连接。a 整体式结构

16、：结构简单，适用于缸径较小的液压缸b 螺纹连接：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。c 半环连接：结构简单，装拆方便，不易松动，但会出现轴向间隙。多应用在压力高、负荷大、有振动的场合d 锥销连接：结构可靠，用锥销连接销孔必须配铰，销钉连接后必须锁紧，多用于负荷较小的场合。 由于本设计假设是组合机床用的液压缸，根据螺纹连接多用于组合机床的叙述，选用螺纹连接的活塞杆与活塞的连接结构。3.3.4活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可以

17、做成与端盖分开的导向套结构。a 端盖直接导向：(1)端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个缸盖(2)盖与杆的密封常用O型，Y型等密封圈(3)防尘圈用无骨架的防尘圈。b 导向套导向： (1)导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料(2)盖与杆的密封常用Y型等密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸(3)防尘方式常用J型或三角形防尘装置。 由于密封圈的是选用O形圈的密封类型，常于O形圈配合导向套结构为端盖直接导向，因此本设计选用端盖直接导向的导向部分结构。3.3.5活塞及活塞杆处密封圈的选用图3.1 O形圈示意图由于本设计中液压缸的工作压力为4MPa，速度范围

18、0.5m/s，因此选用缸体与缸盖的密封形式选用O形圈的密封形式（如图3.1）。活塞杆与缸盖，活塞与缸体的密封选用Y形圈的密封形式。3.3.6液压缸的缓冲装置本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用圆柱形环状间隙式节流缓冲装置。3.3.7液压缸主要零件的材料(1)缸体 无缝钢管 45钢无缝钢管作缸体毛坯加工余量小，工艺性能好，生产准备周期断，是与大批量生产，标准液压缸大部分都采用无缝钢管，一般常用调质的45号钢。(2)活塞 铸铁HT200活塞常用材料灰铸铁，耐磨铸铁、35及40钢和铝合金等。缸径较小的整体式活塞用35、45钢，其他多用灰铸铁。(3)活塞杆 45钢活塞杆常使用35、45钢

19、等材料。对于冲击震动很大的活塞杆，也可以使用55钢。一般实心的活塞杆用35、45钢。(4)前缸盖 35钢缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用铸铁材料。(5)后缸盖 铸铁HT200缸盖常用35、45钢的短剑或铸造毛坯，也可以使用灰铸铁材料。起导向作用时则用铸铁3.4选择液压元件3.4.1确定液压泵的流量、压力和选择泵的规格1)泵的工作压力的确定。考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为 (3-26)式中 液压泵最大工作压力； 执行元件最大工作压力； 进油管路中的压力损失，本设计根据经验选取 （3-27） 上式中计算所得的是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡

20、阶段出现的动态压力往往超过静态压力。另外考虑到一定的压力储备量，并确保泵的寿命，因此选泵的额定压力应满足。中低压系统去小值，高压系统取大值。在本设计中 3)选择液压泵的规格根据算得的和，选用YB-A32B定量叶片泵，该泵的基本参数为：每转理论排量32.5mL/r，泵的额定压力为7Mpa，电动机转速1000r/min，驱动功率为3.8kW，容积效率，总效率。4)与液压泵匹配的电动机的选定。根据驱动液压泵的功率，查询电动机产品样本，选用Y112M-4三相异步型电动机，其额定功率为4kW，额定转速为1440r/min，堵转转矩为2.2N.m。3.4.2电液比例阀的选择使用 根据泵的最高压力和最大出口

21、流量，选择BQY-G16型电液比例三通调速阀，其公称直径为16,mm，额定工作压力为25MPa，最低1.5MPa，最高31.5MPa，额定工作流量63L/min，流量范围6.3L/min80L/min,线性度5%，滞环3%，阶跃响应0.25s。3.4.3蓄能器的选择机床的液压系统多采用气囊式蓄能器，其重量轻、结构紧凑，气囊惯性小，反应灵敏，气液间密封可靠，油不易氧化，充气方便。故以此类蓄能器作为设计元件。按蓄能器作为应急能源考虑，其有效容积为： （3-29）式中：A为液压缸有效面积(m2)；L为液压缸行程(m)；K为液压缸损失系数，估算时可取1.2； 本次设计蓄能器有效容积为 V=5410-4

22、0.661.2=2.4L （3-30） 根据公称容积和工作压力选择NXQ1-L2.5*型囊式蓄能器。其公称容积为2.5L，公称直径为32mm,公称压力取10MPa。3.4.4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。采用定量泵或不带压力补偿的变量泵时，油箱的容量至少要大于泵每分钟排出体积的3倍以上。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。 (3-31)式中：K为系数，低压系统取24，中、高压系统取57；Q为液压泵每分钟排除体积额定值。 （3-32）

23、 根据液压泵站油箱公称容量系列（JB/T 7938-1999）选择公称容积为160L的油箱，相关产品拟选为力士乐AB40-01-/0160型油箱。3.4.5滤油器的选择本次设计中，由于油箱为开式，和空气接触，故将过滤器装在液压泵吸油管路上，用来保护液压泵。这种设计要求通油能力大，阻力小，因此一般多采用粗过滤器（网式或西线隙式），初步将过滤精度定在40m。根据通过过滤器的流量（32.5L/min），过滤精度（40m），油液黏度（设为32mm2/s）选择WU-4040-J型吸油过滤器，管式连接。5 电气部分设计5.1 控制系统基本组成图5-1PLC电液比例速度系统控制框图 利用PLC控制电压，对电液比例阀和电动机的进行控制，从而实现对系统速度的控制。5.2 梯形图的设计考虑到在实际控制中的需要，采用转换开关X7、X8来切换两种工作状态，当X7闭合时，动力滑台处于自动工作状态；当X8闭合时，动力滑台处于手动工作状态。同时考虑到动力滑台会存在没有停在原位的情况，采用控制按钮X2控制动力滑台快退来控制液压动力滑台退回原位。根据动力滑台设计要求结合软件流程图作梯形图如图3-3所示。ENDX0X3X7X1M0M0M3X8X0M0M1M3Y1X2X3M0M3T0M1M2Y2Y3M0X4M3T0X1M1M1M1X5M3X1M2M2M2X6M3X1T0T0T0X3X1M