高空液压驱动作业平台的控制系统设计研究毕业论文.docx
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高空液压驱动作业平台的控制系统设计研究毕业论文
高空液压驱动作业平台的控制系统设计研究
摘要
高空作业车大量应用于市政建筑、工厂、园林、机场等场所,从事消防、抢险救灾、安装、维护等工作。
本文是以蜘蛛车为模型,熟悉分析该车的各种动作功能,在此基础上进行高空作业车电气控制系统的设计与研究,根据设计要求,本设计采用西门子S7-300作为集中控制,通过各种传感器完成对信号的采集,处理信号完成后发送给各执行机构,高空作业车的各个动作之间实现限位与安全互锁。
论文第一章首先介绍了高空作业车的应用方面,发展历程,国内外发展现状及发展方向,总结了国内外的水平差距,然后介绍了课题的来源和此次研究的主要内容。
论文的第二章主要介绍了高空作业车整体的结构及框架,给定了作业车基本的工作参数,分析了各个组成部分的动作原理和动作关系,用图解的方式解释了整车主要元件的用途和名称,在不同的工作和控制方式下,实现安全互锁,给出了高空作业车的负载曲线,详细介绍了各个控制面板的各个开关的作用及操作方式,各指示灯的作用。
并在附图标出了元器件的详细位置,明确作业车的工作状态及危险状况,为下一步电气系统的设计做好准备工作。
设计的核心是围绕控制器西门子PLCS7-300设计电气控制系统,仔细分析液压原理图,并进行各动作部分相对应的电路设计,通过程序完成对作业车的实时监控,系统要求的控制量较多,因此使用了很多传感器卡,很多信号是经传感器卡处理后得到相应的开关量或模拟量输入PLC,经反复修改,最后将程序输入,进行调试,基本上达到了设计题目的要求。
关键词:
高空作业车,S7-300,仿真,传感器
ABSTRACT
Theaerialplatformisusedinmunicipalconstructions,factories,airportswidelywhichworksforfire-fighting,installation,maintenance,alsodealswithemergency.Thisstudyresearchestheelectriccontrolsystemfortheaerialplatformbasedontheanalysisofallmovementsandfunctions.Accordingtotherequest,thisstudyusesSIEMENS7-300PLCasthecentralcontrollerandcollectsallkindsofsignals,then,transmitsthemtoexecutingagenciesafterprocessing.Eachmovementoftheaerialplatformcanlimitandlock.
Thefirstchapterintroducestheapplication,developmentcourse,currentsituationathomeandabroad,outlookandconcludesthegapofhomeandabroad,thenintroducestheproblemsourceandmaincontentoftheresearch.
Thesecondchaptermainlyintroducesthewholestructureandframe,givesthebasicparameter,analyzesthemovementprincipleandrelationshipofeachsection,explainsthenameandtheuseofmainelements.Itcanalsorealizelimitandlock,drawthemovementcurveatdifferentworkingandcontrollingmethod.Besidesthat,theuseandoperatingmethodofeachswitchandindictorsineverycontrolpanelareintroducedindetails,thespecificpositionsofelementsaremarkedinthepictures,theworkconditionanddangeroussituationarefixedwhicharepreparedforthefurtherdesign.
ThecoreofthedesignistheelectriccontrolsystembasedonSIEMENS7-300PLC.Thissectionanalyzeshydraulicprinciplepictureanddesignthecorrespondingelectroniccircuit,alsorealizethereal-timemonitoringfortheaerialplatform.Becauseofmanysignals,itusesplentyofsensorcardtoprocessitandthedigitalandanaloguesignalsaretransmittedtoPLC.Atlast,compileanddebugtheprogramsuccessfullyandcompletethedesign.
Keyword:
aerialworkplatform,S7-300,simulation,sensor
1.2.3高空作业车的发展趋势-----------------------------------7
2.1高空作业车主要技术参数--------------------------------------10
2.3液压系统说明------------------------------------------------16
2.4高空作业车的正常使用状况和说明------------------------------18
2.4.1交流电动机驱动平台工作--------------------------------19
2.4.2平台启动步骤------------------------------------------19
2.4.3安全装置----------------------------------------------19
2.4.4负载管理系统------------------------------------------20
2.4.5负载限制装置------------------------------------------21
2.4.6吊篮的自平衡和旋转------------------------------------21
2.5高空作业车的各个模块----------------------------------------21
3.1.1控制器介绍--------------------------------------------23
3.1.2PLC选择----------------------------------------------23
第一章绪论
1.1引言
据统计工程机械广泛应用于经济建设的各部门,并且在整个经济发展中占有十分重要的地位。
建国以来,我国的机械工业在十分薄弱的基础上,经过五十多年的艰苦努力,从小到大,从修配到制造,从仅仅仿造一般机械产品到能制造大型、中型精密设备,从制造单机到制造重大成套设备,逐步形成了一个门类比较齐全,具有较大规模,较先进技术水平和成套水平不断提高的工业体系。
高空作业机械(高空作业车)作为工程机械领域的一个重要分支,现在广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防、港口货运等行业,是新兴的技术产业,有着广阔的发展前景。
我国高空作业机械只有二十几年的发展历史,发展初期由于经济环境和技术水平限制,没有得到很好的发展。
而这一时期,国外高空作业机械行业伴随着新技术的不断应用取得了长足的发展,涌现出一批国际知名的专业生产制造企业。
国外高空作业机械制造企业早已意识到了中国巨大的市场潜力,纷纷携带这自己的产品抢占中国市场。
由于国外的产品技术先进、种类齐全,具有良好的安全性和使用性,以及完善的维修和技术支持体系,因此对国内高空作业机械制造企业冲击很大。
国内高空作业机械制造企业也已经意识到了该产品市场的巨大蕴涵量,目前在引进国外先进产品的同时,积极消化吸收国外先进技术,不少企业已经推出了达到国外技术水平的产品。
但是总体上我国的生产技术水平与国外相比仍然存在一定的差距。
综上所述,在我国目前的高空作业车的生产水平上,改进高空作业车的工作性能,开发研制机动灵活、技术含量高、安全可靠的高空作业机械具有现实的意义。
1.2高空作业车国内外发展现状
1.2.1高空作业车的国外发展现状
国外高空作业机械是在工程起重机械基础上发展起来的高新技术产业系统,只有近四十年的历史。
但是其高空作业机械,发展十分迅速,技术水平不断提高,现已形成一个完整的专用产品研发、生产体系。
工业发达国家,一般都有专门的跨国公司和集团主营和兼营高空作业机械,如美国的CROVE(格洛夫)、GENIE(吉尼)、英国的COLES(西蒙)、意大利的RICO(利高)、芬兰的BRONTO(布朗托)公司、日本的多田野和爱知株式会社等,并且它们的产品各有特点和不同的应用侧重,如BRONTO侧重于高空消防车系列,COLES侧重于车载高空作业平台等等。
为了满足不同行业、不同作业性能要求,国外高空作业机械制造企业已经开发了不同种类、规格齐全的系列化品,如图1-1所示。
为了满足实际工程的需要,高空作业车的作业高度越来越高,随之作业半径也越来越大。
如西蒙公司S600高度已达62m、芬兰BROTO公司产品最高已达72m,自命为“天梯”,高空作业车的下车、工作斗均采用嵌入式系统进行操纵。
在结构设计方面具有下列特点:
(1)国外高空作业车一般采用三种升降机构,即伸缩臂式、折臂式和剪叉式高空作业车,还有其它特殊形式的升降机构,但是应用不广泛。
图1-2给出了美国GENIE公司的生产的三种升降型式的高空作业车。
(2)国外高空作业机械的底盘结构分通用型和专用型。
采用通用汽车底盘的高空作业机械,机动灵活,能快速转移,作业高度较高;采用专用底盘的高空作业机械,即自行式高空平台车,适用于固定场所作业,具有微动行驶、扩大作业半径等特点。
(3)国外高空作业车采用多种作业斗调平方式,对于作业高度小于30m的高空作业车一般采用自重式、机械式及液压式的调平方法。
对于作业高度30m以的高空作业车一般采用电液调平方式。
在液压系统设计方面,高空作业车的主要工作装置,如转台的回转、伸缩臂的变幅及伸缩等,均采用液压驱动的方式工作。
其基本特点可以概括如下:
(1)国外高空作业车的主要执行机构几乎均采用电液比例控制技术。
广泛的应用发展已经较成熟的比例多路阀实现执行机构的比例控制。
大为简化了系统的设计,控制方式灵活可靠。
(2)在行走驱动系统中广泛采用液压传动作为驱动装置,它不仅可实现车辆行走机构无极调速,而且是实现机、电、液一体化的操作与控制的保证,所以全液压技术是高空作业车的一个重要发展方向。
国外自行式高空作业车几乎均采用这种行走驱动方式。
(3)系统中多采用防爆阀和平衡阀,充分保证液压系统的安全性和可靠性。
整个系统趋向于集成化、封闭式设计,采用封闭式循环油路设计,可以有效的防止泄露和污染,更重要的是防止灰尘、污染、化学物质侵入系统,延长了液压系统的使用寿命。
电气系统设计包括强电系统和弱电系统。
强电系统包括照明灯、转向灯、报警灯等。
弱电系统主要是PLC控制系统以及各种显示仪表。
国外高空车的发展主要体现在其弱电控制系统中,国外早AN网络的构建。
综上所述,伴随着各种新技术的不断运用,国外高空作业车的可靠性安全性、舒适性、操作方便性等方面都有较大提高,特别随着电子计算机的普及和发展以及机、电、液一体化研究的进展,国外各大公司竞相采用嵌入式车载微电操控系统,极大地提高了整机性能;性能优异的比例多路阀已经摒弃了应用几十年的继电器的控制方式,现在国外生产的所有高空作业车均采用了嵌入式控制系统,采用为工程机械专门设计的控制器实现整车的自动控制。
CAN总线技术广泛的应用于车辆的控制系统中,保证了多任务协同控制系统的实时通信,大量特别设计的基于CAN总线的设备,如控制器、显示器,非常方便C的广泛使用,减少了整机液压元件的数量,减小了整机体积及重量,提高了操控的精度与灵敏度。
归纳起来,国外高空作业车主要发展方向是实现六化、三性,六化即液压化、最优化(采用计算机辅助设计)、轻量化(采用高强度材料、减轻构件重量)、机电液一体化(如安全保护、报警装置等)、通用化、系列化。
三性即可靠性、安全性和舒适性
1.2.2高空作业车国内发展现状
在我国,虽然对高空作业车的研制、生产起步较晚,但是随着我国经济的快速发展,高空作业车的使用面、服务领域不断扩大,现正处于较快的发展阶段,特别是各生产厂家积极引进和消化国外先进技术,开发新品种,提高产品技术和质量水平,已有部分产品达到国际同类产品的水平。
如浦沅集团公司已能生产作业高度6m到60m共12种规格近30个品种的高空作业车,杭州园林机械厂引进日本先进技术和管理经验,在近几年内开发出适合国内用户需要的l0多个新品种,能生产26m内的各种绝缘及通用高空作业车,形成年产350台以上的生产能力,占有国内中小高度高空作业车市场50%左右的份额,并有部分产品出口;抚顺起重机总厂锦州重型机械股份有限公司和徐州重型机械厂针对国内大高度消防救援作业车依赖进口状况,先后开发了30m以上的高空消防作业车,产销良好,深受用户欢迎;徐工集团主要生产适合路灯、隧道维护使用的20以内的高空作业车,并完成了53m大高度高空消防车的研制。
有关专家预测,我国高空作业车在未来几年仍将保持较高的产销增长率,特别是大中城市基础设施建设和维护等方面的需求增长更快。
尽管我国在高空作业车设计制造上取得了一些成绩,但是国内生产制造的高空作业机械同国外同类型高空作业机械产品相比仍有一定差距,
1.2.3高空作业车发展趋势
高空作业车行业的四大特征:
功能极其多样化;载体空间限制;能源供给有限;使用环境千差万别。
相对应的,高空作业车液压技术必须的努力方向是:
更高效、更环保、更简便、更可靠。
更高效、更环保
更高的效率意味着充分利用能量和更少的能源消耗。
任何能量转换只能力求效率更高,而无法做到百分之百。
液压技术在机械能至压力能或相反方向的转换方面,虽然已经取得了很大进展,但能量损耗是一直存在的,包括与泄漏有关的容积损失和与磨擦润滑的机械损失。
从诞生的第一天起,液压技术就在不断努力,以求达到更高的效率。
1.发展多型化、轻量化、集成化技术。
我们可以看到,高空作业车已普遍使用插装元件、铝合金阀体、液压回路的集成技术等。
而在功能性的箱体结构、最新的驱动机构以及执行元件技术方面,也大量地采用了抗拉强度750MPa高强度钢、高强度铝合金材料。
甚至全铝结构的液压油缸和驱动机构也不乏其身影。
在高空作业车上,任何降低重量的措施都可以直接提高能源的利用率,降低燃料的消耗。
这就是为什么高空作业车行业追求轻量化,并乐此不疲的根本原因。
广泛采用现代化的精密制造技术,提高元件的制造精度。
尺寸精度的提高意味着更小的泄漏,而表面精度的提高则可以减少元件和系统的内部压力损失,从而减少功率损失。
先进制造技术还使集成化回路的广泛应用成为可能。
集成化回路可以使元件之间的距离缩短,减小流道的长度,从而降低管路的损失。
3.优化的回路设计、恒功率技术在泵、马达等元件上广泛使用,避免采用节流系统来调节流量和压力,减少或消除了液压系统的节流损失,以及非安全需要的溢流损失。
4.采用先进的静(动)压轴承技术、新型的润滑材料和新型密封材料,从而减少磨擦损失。
5.更高的系统压力以及表型的泵、马达的结构被采用,大幅度提高了转换效率。
超过25MPa压力的液压系统并不少见。
而一些技术先进的元器件制造公司推出的新结构产品更是让人耳目一新。
6.采用新型的密封结构和密封材料,提高密封寿命,降低泄漏损失。
7.广泛采用高效低功率的电磁控制元件,降低电能消耗。
小型化电磁插装阀已被大量采用,甚至微型电磁组件已得到越来越广泛的使用。
高效率带来的结果是更环保。
根据泵类产品制造商英国Concentric公司介绍,如果高空作业车采用的液压系统的效率提高5%,仅仅在美国和英国,每年将减少数百万吨燃料的燃烧和排放。
更简便、更可靠
简便并不意味着简单。
而是代表更智能化、更简便使用、更简便维护等等.在本届IAA展会上,现代与传统技术的结合所带来的强烈冲击更胜以往。
与上届展会相比,本届展会的车体车箱或功能上也许没有大的区别,但高空作业车液压系统由于采用机电一体化技术,在可靠性、柔性化、智能化等方面有了非常大的提高。
为液压系统配备自动监控系统,自我诊断、自动调节系统成为高空作业车液压技术的一个发展方向
综上所述,国外高空作业机械品种规格繁多,已形成一个非常大的行业,并且成立了国际标准化组织。
纵观近10年的国际工程机械博览会,可以清楚地看到,高空作业车是一个非常大的产业,也是一个非常大的行业,其总的趋势是:
(1)产品进一步智能化。
(2)零部件制造进一步向专业化、精细化、个性化发展。
(3)安全与环保意识不断提高。
(4)致力于扩大作业范围,满足不同作业的需要。
1.3课题来源及主要研究内容
课题主要是基于蜘蛛车的使用说明书,设计此车的电气控制系统是这次毕业设计的主要目标。
课题的主要研究内容包括
1详细了解说明书和同类产品的条件下,从实用角度和要求设计高空作业车的电气控制系统,根据电气系统设计任务书的要求,采用西门子S7-300作为控制器集中控制,控制的系统有地面行走转向系统,支腿平衡调节系统,大臂伸缩提升与下降,小臂及吊篮的调平系统等,要控制的有手动阀,比例阀,各个运动部分的驱动油缸的电磁阀,在不同的工况下,采用合适的方法来控制这些执行元件,提高系统的可操作性,优化系统整体设计。
2.采用当前普遍用到的合理方对机车进行电气系统设计,全车是液压式驱动工作,因此,正确的运用电气元件合理的对液压系统有效的控制,保证各个行动元件按指定要求动作,是此次设计的主要工作,设计吊篮部分的安全互锁也是设计中的重要部分,使机车能够安全的完成各个动作。
能实现具有远程控制,危险情况自动报警,及对突发不安全因素的处理等。
3.此次采用的是以西门子S7-300作为集中控制,S7-300系列是中型PLC系统,具有模块化扩展功能,设计紧凑,完全可以满足此次设计的需要,电气系统中主要考虑到安全互锁和优化控制,是机车各种功能实现的根本保证,体现着车辆的技术先进性,使用可靠性,操作方便性。
完成电气控制系统的网络构建,然后采用STEP7软件编程,程序调试。
第二章高空作业车的系统结构
2.1高空作业车的主要技术参数
高空作业车如图所示,整车平时主要靠牵引车进行远距离运送,工作时车上自带的动力系统进行位置调整,自动化程度高,有多种安全互锁作为保证。
可靠性高,最大载重量为200kg,通常是由220v电源提供动力,另有24直流电源,还可配备柴油机作为辅助动力。
车辆由行走转向装置,支腿检测调平系统,机架回转装置,大臂伸缩提升装置,小臂提升调平装置,吊篮调平及摆动,液压动力系统,三个操作面板系统,和自身安全互锁系统等组成,主要技术参数如下
规格
工作高度
25m
底盘高度
23m
侧面达到的最远距离
14m
吊篮最大载重
200kg
吊篮旋转
140°
起重臂长度
2
最大长度
6,1m
最大宽度
0,83m
车轴距
2m
静止时的高度
-
离地面的高度
-
吊篮的尺寸
1,6-2,0×0,8m
移动速度
0-2,5km/h
外部旋转半径
0m
转动架旋转角度
360°
平台旋转角度
-
电池
480Kw36V
控制器
比例控制器
最大倾斜度%
25
轮胎
-
液压罐
100l
燃油罐
50l
总重量
5000kg
测斜仪
两个
最大倾角
-
电压回路
12v
备用电池
12V×80AH
工作风速
45km/h
2.2高空作业车各工作部分说明
用图解来说明的模型可能会与实际的模型有微小的差别。
1转动架
2卡车
3左车轮
4右车轮
5伸缩臂千斤顶
6伸缩臂
7起重臂
8起重臂连接汽缸
9吊篮
10地面控制器
11吊篮控制器
12吊篮旋转机械装置
13伸缩部件
14遥控控制面板
15左前支脚②
16右前支脚①
17左后支脚④
18右后支脚③
卡车的牵引力,动力装置(电机,内燃机)和电池安装在它的负载支承架—底盘上。
电机是24直流电机。
底盘在前方有驱动轮,在后方有转向轮,机器的支脚也安装在卡车上。
支脚是可伸缩的当四个支脚放到地面上,支撑整个车体上车部分为了能够运转,支脚必须打开,而且四个支脚必须保持水平,有专门的监测装置来监测支脚是否水平,当它不平时,上车部分是不能动作的,此时,可通过调节面板上的调节按钮直到支脚车体水平,地面控制面板位于底盘的后面并且附近是遥控连接插口。
机动式平台的所有动作都是由连接到电动机的液压泵驱动的,该电动机由电池或一个柴油发动机提供动力。
根据要求,向机器提供一个220v的电流发生器以便电机可以在吊篮中被使用。
转动架,安装在回转支承上,是由液压齿轮(使其旋转。
它维系着机器的整个空中部分(吊杆/吊篮)。
驱动机器空中部分的一些电磁阀安装在转动架里面。
伸缩臂有两个或更多的扩展部件。
连接到汽缸的一系列链条协调这些扩展部件的运动。
伸缩臂在水平方向可伸长到14m,最高可达到23m
该起重臂包括以平行四边形配置的两个部件,并且构成了起重臂的另一个连接点。
一个或两个操作者根据吊篮的容量来决定采取什么样的做法。
吊篮是靠铰链系统来完成转动的,并由电动装置来保持平衡。
为了便于卡车通过狭小的空隙并使它更容易爬上斜坡,吊篮必须是可卸载的。
2.2.1地面控制面板
01支腿1,选择大臂收缩和动作启动。
02支腿2,转台旋转。
03支腿3,吊篮旋转。
04支腿4,小臂动作。
05支腿加速-大臂-交流或直流电机启动-自驱动
06面板启动报警灯
07负载控制系统干预(报警灯)
08急停按钮
09特殊按钮
10选择钥匙开关“吊篮-地面-支腿”。
HL1地面控制启动指示灯(绿灯)
HL3吊篮控制启动指示灯(绿灯)
HL136底盘倾斜角控制指示灯(红灯)
HL16机座对中指示灯(绿灯)
HL10大臂完全落下指示灯(绿灯)
HL152右前支腿压力状态报警灯(黄灯;亮,则表示需
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