设计一台两缸顺序动作专用组合机床的液压系统.docx
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设计一台两缸顺序动作专用组合机床的液压系统
********学院
毕业设计(论文)
设计课题题目:
设计一台两缸顺序动作专用
组合机床的液压系统
专业系:
机械制造工程系
专业:
班级:
姓名:
学号:
指导老师
一、设计课题题目:
(05)
设计一台两缸顺序动作专用组合机床的液压系统,要求液压系统:
1、工作循环:
A缸水平向左快进---A缸水平向左工进---A缸死挡铁停留---B缸垂直向上快进---B缸垂直向上工进---B缸垂直向下快退---B缸原位停止---A缸水平向右快退---A缸原位停止
2、A、B缸快进速度为4m/min、快退速度为5m/min,工进速度20—100mm/min;
3、A、B缸进给最大行程为400mm,其中工进行程200mm;
4、A、B缸最大切削力为12000N,运动部件自重均为8000N;
5、启动换向时间0.05s;
6、导轨为平导轨,静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1。
二、设计内容及要求:
1、液压系统:
(1)设计液压系统图(含:
工作循环图、电磁铁及其他元件动作表、液压系统
原理图、液压元件目录表,用一张2号图纸打印);
(2)设计液压缸(B缸)并绘制液压缸组件装配图(用一张1号图纸打印);
2、设计液压系统的电气控制原理图(含:
工作循环图、电磁动作表电气控制系统原理图、电气元件目录表,用一张2号图纸打印);
3、PC编程(指令表、梯形图、功能图、PLC外部接线图),以实现自动控制;(功能图和接线图画在一张3号图纸上\梯形土图用一张3号图纸);
4、设计说明书一份(不少于30页),应有:
封面、目录、封底、任务书、毕业小结、参考文献及书目、致谢等内容。
目录
第一章绪论……………………………………4
第二章液压系统设计…………………………5
第一节明确液压系统设计要求………………………………5
第二节分析液压系统工况……………………………………5
第三节确定液压缸的主要参数………………………………6
第四节初选液压缸的工作压力、流量和功率………………7
第五节液压系统原理图的拟订………………………………10
第六节选择液压元件…………………………………………14
第三章机床电器原理图的设计………………16
第一节设计概述和设计要求…………………………………16
第二节电器元件的选择…………………………………17
第四章PLC编程设计……………………………20
第一节PLC设计的概述及要求………………………………20
第二节PLC功能图I/O接线图和梯形图的设计…………20
第五章致谢………………………………………25
第六章参考文献…………………………………26
第一章绪论
主要介绍了一台两缸顺序动作专用组合机床的液压系统、电气控制系统、液压缸的设计和计算过程,以液压系统设计指导进行电气控制线路等设计。
在设计液压系统的过程中还对进给缸进行了设计,同时,还对液压缸进出油口工序的设计以及流量、流速的控制与设计。
第二章液压系统设计
第一节明确液压系统设计要求
1、工作循环:
A缸水平向左快进---A缸水平向左工进---A缸死挡铁停留---B缸垂直向上快进---B缸垂直向上工进---B缸垂直向下快退---B缸原位停止---A缸水平向右快退---A缸原位停止
2、A、B缸快进速度为4m/min、快退速度为5m/min,工进速度20—100mm/min;
3、A、B缸进给最大行程为400mm,其中工进行程200mm;
4、A、B缸最大切削力为12000N,运动部件自重均为8000N;
5、启动换向时间0.05s;
6、导轨为平导轨,静摩擦系数为0.2,动摩擦系数为0.1。
第二节分析液压系统工况
1、A液压缸在工作过程各阶段的负载为:
启动加速阶段:
快进阶段:
工进阶段:
快退阶段
2、B液压缸在工作过程各阶段的负载为:
启动加速阶段:
快进阶段:
工进阶段:
快退阶段:
将液压缸在各阶段的速度和负载值列于表1中:
表1
工作阶段
速度v/(m·s-1))
负载F/N
A快进阶段
0.067
888.9
A工进阶段
0.0003-0.00167
14222.2
A快退阶段
0.083
14598.6
B缸启动加速阶段
10104.3
B快进阶段
0.067
8888.9
B工进阶段
0.0003~0.00167
22222.2
B快退阶段
0.083
0
第三节确定液压缸的主要参数
一、初选液压缸的工作压力
由负载值大小查表9-3,参考同类形组合机床,取液压缸工作压力为2MP。
二、确定液压缸的主要结构参数
1、A进给缸
﹙1﹚液压缸内径和活塞杆直径设计
由表1得最大负载为快退阶段的负载F=14598.6N则
查设计手册按液压缸内径系列列表将以上计算值圆整为标准直径,取D1=100mm.因工作压力p<5Mpa,所以d1=0.5D=50mm,
由于快进速度与快退速度不相等,故采用一般连接:
由D1=100mm,d1=50mm,算出进给缸无杆腔有效作用面积AI1=78.5cm2,有杆腔作用面积AI2=58.9cm2
工进若采用调速阀,查产品样本,调速阀最小流量
故能满足最低稳定性要求.
﹙2﹚活塞组件
活塞组件由活塞杆和连接件等组成.随工作压力、安装方式和工作条件的不同。
但由于本系统是轻载,所以才用螺纹连接。
活塞受油压的作用在缸内做往复运动,则其外圆表面应当耐磨并有防锈能力,故活塞杆外圆表面有时需镀铬。
密封装置
﹙3﹚密封装置主要是用来防止液压油的泄漏,液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力和速度,故密封装置的优势,将直接影响液压缸的工作性能。
而活塞是往复运动的时候活塞两端压力高,而Y型密封圈一般适用于工作压力小于20Mpa、工作温度为-30~+100C。
、速度小于0.5m/s的场合,因此选用Y型密封圈。
缓冲装置
﹙4﹚当液压缸拖动质量较大的部件作往复运动时,运动部件具有很大的动能,这样,当活塞运动到液压缸的终端时,会与端盖发生碰撞,产生很大的冲击和噪声,会引起液压缸的损坏,故还要有缓冲装置。
当缓冲柱塞进入到缸盖内孔时,回油路被柱塞堵住,只能通过节流阀回油,调节节流的开度,可以控制回油量,从而控制活塞的缓冲速度。
当活塞反向运动时,压力油通过单向阀很快进入液压缸内,并作用在活塞的整个有效面积上,故活塞不会因为推力不足而产生启动缓冲现象。
这一缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀的开度大小,改变缓冲压力的大小,故选用可调节流孔式缓冲装置。
2、B垂直缸
﹙1﹚垂直缸内径和活塞杆直径的设计
垂直缸的工作压力由表1得,最大负载为工进阶段负载F=22222.2N则查表9-3,参考同类形组合机床,取液压缸工作压力为3MP。
查设计手册按液压缸内径系列表将以上计算值圆整为标准直径:
取D2=100mm,同样取d2=50mm;
由D2=78.5cm2,有杆腔面积A22=58.9cm2
﹙2﹚液压缸缸筒长度L
液压缸缸筒长度L由液压缸最大行程、活塞宽度、活塞导向长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定。
缸筒的最大行程
活塞宽度
导向长度(加工在端盖上)
活塞杆密封长度
挡圈厚度
(两片)
锁紧螺母厚度
(2×M20)
后端盖(有缓冲装置)厚度
B4取40mm
则缸筒长度
﹙3﹚液压缸校核
因液压缸工作为轻载运行,可选用无缝钢管壁厚§≤0.08D=8mm,取§=6mm,活塞杆直径为d=60mm,无需校核,强度足够。
﹙4﹚活塞组件
活塞组件由活塞杆和连接件等组成。
随工作压力、安装方式和工作条件的不同。
但由于本系统是轻载,所以才用螺纹连接。
活塞受油压的作用在缸筒内作往复运动,因此活塞具备一定的强度和良好的耐磨性。
则活塞由钢材料铸造而成。
同时活塞杆在导向套内往复运动,则其外圆表面应当耐磨并有防锈能力,故活塞杆外圆表面有时需镀铬。
﹙5﹚密封装置
密封装置主要是用来防止液压油的泄漏,液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力和速度,故密封装置的优势,将直接影响液压缸的工作性能。
而活塞是往复运动的时候活塞两端压力高,而Y型密封圈一般适用于工作压力小于20Mpa、工作温度为-30~+100C。
、速度小于0.5m/s的场合,因此选用Y型密封圈。
﹙6﹚缓冲装置
当液压缸拖动质量较大的部件作往复运动时,运动部件具有很大的动能,这样,当活塞运动到液压缸的终端时,会与端盖发生碰撞,产生很大的冲击和噪声,会引起液压缸的损坏,故还要有缓冲装置。
当缓冲柱塞进入到缸盖内孔时,回油路被柱塞堵住,只能通过节流阀回油,调节节流的开度,可以控制回油量,从而控制活塞的缓冲速度。
当活塞反向运动时,压力油通过单向阀很快进入液压缸内,并作用在活塞的整个有效面积上,故活塞不会因为推力不足而产生启动缓冲现象。
这一缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀的开度大小,改变缓冲压力的大小,故选用可调节流孔式缓冲装置。
则B缸装配图如图B缸装配图。
第四节算液压缸的工作压力、流量和功率
1、复算工作压力
根据表9-5,本系统的背压估计只值可在0.5~0.8Mpa范围选取,故暂定:
工进时:
Pb=0.8Mpa;快进时:
Pa=0.5Mpa液压缸在工作循环各阶段的工作压力P11后又用公式(9-10)、(9-11)或(9-12)等公式计算。
A缸快进阶段
A工进阶段
A快退阶段
B缸快进阶段
B工进阶段
B快退阶段
2、计算各缸的输入流量
因为快进速度0.067m/s,快退速度0.083m/s,最大工进速度0.0017m/s,则液压缸各阶段的输入流量为:
A缸快进阶段
工进阶段
Qv1=A11XV3=78.5X10-4X0.0017m3/s=0.013x10-3m3/s=0.8L/min
快退阶段
3、计算各缸的输入功率
A缸快进阶段
工进阶段
快退阶段
B缸快进阶段
工进阶段
快退阶段
将以上进给缸的压力\流量和功率值整理列入下表:
工作阶段
工作压力p11/MPa
输入流量qv1(L/min)
输入功率P11/kw
A缸快近阶段
2
7.9
0.260
工进阶段
2.41
0.8
0.031
快退阶段
3.15
29.3
1.544
B缸快进阶段
6.04
7.9
0.785
工进阶段
3.43
0.8
0.045
快退阶段
0.67
29.3
0.328
第五节液压系统原理图的拟订
根据组合机床的设计任务和工况的分析,该机床对调速范围、低速定性有一定要求,因此速度控制是该机床要解决的主要问题,速度调节、换接和稳定性是该机床液压系统设计的核心。
1、速度控制回路的选择
本机床的进给运动要求有较好的低速稳定性和速度负载特性,故采用调速阀调速。
这样有三样方案供选择,进油节流调速、回油节流调速、限压式变量泵加调速阀的容积节流调速。
本系统的小功率系统、效率和发热问题并不突出;钻镗属于连续切削加工,切削力变化不大,而是正负载,在其他条件相同的情况下,进油节流调速比回油接流调速能获得更低的稳定调速。
故本机床液压系统采用调速阀的进油节流调速,为防止孔钻通过时发生前冲,应在回路上加背压阀。
由表1.2得知,液压系统的供油主要为低压大流量和高压小流量两个阶段,若采用单个定量泵,显然功率损失大,功率低。
为了提高系统效率和节约能源,所以采用双泵供油回路。
由于选定了节流调速方案,所以油路采用开式循环油路。
此外,根据本机床的运动和要求,选用单杆活塞式液压缸;为了使快进和快退速度不相同,故使用一般连接增速回路。
2、换向回路和顺序动作回路的选择
本系统对换向平稳性的要求不是很高,所以选用价格较低的电磁换向阀控制的换向回路。
为了便于一般连接,选用二位三通、二位五通电磁换向阀。
由于此回路用于使两缸按预定的顺序动作,所以选择顺序动作回路,用压力续电器进行控制。
3、压力控制回路的选择
由于采用双泵供油回路,故用外空顺序阀实现低压大量泵卸荷,用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。
为了观察调整压力,在液压泵的出口处、背压阀和液压缸无杆腔进口处设测压点。
将上述所选定的液压回路进行归并,并根据需要作必须的修改调整,最后画出液压系统原理如图液压系统原理图。
第六节选择液压元件
1、选择液压泵
由表1.2可知工进阶段液压缸的工作压力最大,若取进油路总压力损失∑ΔP1=0.5Mpa,则液压泵最高工作压可按公式(9-13)算出:
因此,泵是额定压力可取
将表1-2的流量值带入式(9-14),可分别求出快速以及工进阶段泵的供油流量.
快进、快退时泵的流量为:
工进时泵的流量为:
考虑到节流阀系统中溢流阀的性能特点,须加上溢流阀稳定工作的最小溢流,一般取3L/min,所以小流泵的流量为:
查产品样本,选用小泵排量v=6mL/r的YB1型双联叶片泵,额定转速n=960r/min.则小泵的额定流量为:
因此,大流量泵的流量为:
查产品样本,选用大泵排量mL/r的YB1型双联叶片泵,额定转速n=1450r/min.则大泵的额定流量为:
由于qvN2接近QVp2基本可以满足要求。
故本系统选用一台YB1-16/6型双联叶片泵。
由表1-2和表1-3得,快退时的功率最大,故按快退时估算电动机的功率,若取快退时进油路是压力损失∑Δp1=0.2Mpa.液压泵的总效率:
ηp=0.7.则电动机的功率为:
查电动机产品样本,选用Y112M-4型异步电动机。
P=4kw.n=1440r/min.
2、选用液压阀
根据所拟定的液压系统原理图。
计算分析通过各液压阀的最高压力和最大流量,选择各液压阀的型号规格,列于下表
元件表如下
序号
元件名称
通过流量去qv/(L/min)
型号规格
1
双联叶片泵
44.33
YB1-16/6
2
溢流阀
5.18
YF3-10B
3
调速阀
<1
L-25B
4
溢流阀
5.18
YF3-10B
5
二位二通电磁换向阀
21
23D1-25B
6
三位五通电磁换向器
44.33
35EF3Y-E10B
7
压力继电器
DP1-63B
8
单向阀
5.18
AF3-Ea10B
9
过滤器
44.33
XU-J40X80
10
单向阀
39.5
AF3-Ea10B
11
行程阀
12
顺序控制阀
26.95
XF3-10B
13
压力计
Y-100T
14
压力计开关
KF3-E3B
15
三位四通电磁换向器
44.33
35EF3Y-E10B
3、选择辅助元件
油管内径一般可参照所接元件的型号尺寸确定,也可按管路元件允许流速进行计算,本系统油管选10x1无缝钢管,油箱容量:
第四章机床电器原理图的设计
第一节设计概述和设计要求
一台两缸顺序动作专用组合机床是性能优良应用广泛的普通机床,进给的最大行程为400mm,其中工进行程200mm.
1、电动机的选择
根据设计要求需要一台电动机来驱动液压泵,设该电机为M,则电动机的型号选择为:
液压泵的电机M选为Y112M-4(4KW、8.8A、1440r/min)
2、主电路设计
液压泵电机M,由于电动机的功率较大,额定电流为8.8A,但该电动机在工作时是常时间工作,则控制电动机的接触器为KM。
由于工作时间较长,则还要有短路保护和过载保护。
3、控制电源设计
考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求,采用控制变压TC供电。
其一次则为交流380V,二次则为交流127V、36V、和6.3v。
其中127V提供接触器和中间继电器的线圈。
36V交流安全电压提供给局部照明电路,6.3V提供给电路。
4、控制电路设计
主电机M的控制,该电机由驱动按钮SB1和停止按钮SB4进行操纵,可得到M的控制电路如图
5、局部照明与信号指示灯电路设计
设置照明灯EL和灯开关SA和照明回路熔断器FU3,可设三相电源接通指示灯HL2(绿色),在电源开关QS接通以后立即发光显示,表示机床电气线路已处于供电状态。
另设指示灯HL1(红色)表示液压泵电动机是否运行。
此两指示灯HL1和HL2可分别由接触器KM的常开和长闭触点进行切换通电显示
综合如下图
第二节电器元件的选择
1、电源开关的选择
电源开关QS1的选择主要考虑电动机M的额定电流和起动电流,而在控制变压器TC二次侧的接触器及继电器线圈,照明灯和显示灯在TC一次产生的电流相对来说较小,因而可不作考虑,已知M额定电流为8.8A,由于电动机的功率较大,则额定电流放大1.5倍,为13.2倍A。
因电源开关的额定电流就选15A左右,具体选择QS为:
三极转换开关(组合开关)为:
HZ10-25/3型,额定电流为25A。
2、热继电器的选择
据电动机M的额定电流选择如下,FR1应该选用JR16-20/3D,热元件额定电流为16A,额定电流调节范围为10~~16A,工作使调整电流为13.8A。
3、接触器的选择
因为液压泵电动额定电流为8.8A,控制回路电源127V,需要主触电三对,辅助常开触电两对,辅助常闭触电一对。
所以接触器KM应选用CJ10-20型接触器,主触电额定电流20A,线圈电压127V。
4、中间继电器的选择
中间继电器KA1、KA2、KA3和KA4,由于在本系统中电动机的额定电流较大,所以这些中间继电器可以选普通的JZ7-44型交流中间继电器代替接触器进行控制,每个中间继电器常开闭触点各四对,额定电流为5A,线圈电压127V。
5、熔断器的选择
熔断器FU1对M进行短路保护,额定电流为8.8A,则可选RL1-15型熔断器,配用10A的熔体;熔断器FU2和FU3的选择将同控制变压器的选择结合进行。
6、按钮的选择
两个起动按钮SB1和SB2,可选择LA-18型按钮,黑色,两个停止按钮KT3的常闭触点和SB4选择LA-18型按钮,红色
7、照明灯及开关的选择
照明灯EL和灯开关SA成套购置,EL可选用JC2型,交流360V、40W。
8、指示灯选择
指示灯HL1和HL2,都可选ZSD-0型,6.3v、0.25A分别为红色和绿色
9、压力继电器的选择
压力继电器是在一定压力下工作的,则应选在工进时压力大一点的压力,才能实现停留这一阶段,所以选用交流板式DP-10B型。
3A、360A。
10、行程开关的选择
行程开关是机床在工作运行时改变为工作的状况,为了能使工作继续运行,行程开关有自动复位,则五个常开自动复位行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4和SQ5,均可选LX12-2型,300V、4A。
11、控制变压器的选择
控制变压器可实现高低压电路隔离,使得控制电路中的电器元件,如按钮,行程开关和接触器及中间继电器线圈等同电网电压不直接相接,提高了安全性,另外各种照明灯,指示灯和电磁阀等执行元件的提供电压有多种,有时也需要控制变压器降压提供,常用的控制变压器有BK-50、100、150、200、300、400、和1000等型号,其中的数字为额定功率(VA)一次侧电压一般为380V和220V二次侧电压一般为交流6.3V,12V,24V,36V和27V。
控制变压器具体选用时要考虑所需要电压的种类和进行容量计算。
控制变压器的容量P可以根据由它提供的最大工作负载所需要的功率来计算,并留有一定的余量。
这样可得经验公式:
式中Pi为电磁元件的吸持功率和灯负载等其他负载消耗的功率;K为变压器的容量储备系数,一般取1.1~1.5,虽然电磁线圈在起动吸合时消耗功率较大,但变压器有短时过载能力。
故式子中,对电磁器件仅考虑吸持功率。
对本设计而言,接触器KM的吸持功率为12W,中间继电器KA1、KA2、KA3和KA4的吸持功率为12W,而照明电路EL的功率为40W,指示灯HL1和HL2的功率都为1.15W,易算出总功率为89.15W。
若取K为1.15。
则算得p约等于102.5W,因此控制变压器TC可选用BK-100A,380V,220V/127,36,6.3V易算得KM、KA1、KA2、KA3、KA4线圈电流及HL1和HL2电流之和小于4A,EL的电流也小于2A,故熔断器FU2和FU3可选用RL1-15型,熔体4A。
这样就可以在电气原理图上作出电气元件目录表
电气元件目录表
序号
符号
名称
型号
规格
数量
1
M
液压泵电机
Y112M-4
4KW,8.8A
1440r/min
1
2
QS1
三极转换开关
HZ10-25/3
三极,500V,
25A
1
3
KM
交流接触器
CJ10-20
20A,线圈
电压127V
1
4
KA1-KA4
交流中间继电器
JZ7-44
5A,线圈
电压127V
7
5
FR1
热继电器
JR16-20/3D
热元件额定电流
16A,整定电流
13。
8A
1
6
FU1
熔断器
RL1-15
500V熔体
10A
1
7
FU2,FU3
熔断器
RL1-15
500V
熔体2A
2
8
TC
控制变压器
BK-100
100VA,380V/127
36,6.3V
1
9
SB1,SB2
控制按钮
LA-18
5A,黑色
2
10
SB3,SB4
控制按钮
LA-18
5A红色
2
11
SQ1~SQ5
行程开关
LX12-2
500V,4A
5
12
HL1,HL2
指示灯
ZSD-0
6.3V绿色
红色
2
13
EL,SA
照明灯及开关
JC2
36V,40W
各1
14
KP1
压力继电器
DP-10B
3A,360V
1
第四章PLC编程设计
第一节PLC设计的概述及要求
根据加工要求,该系统的工作循环由进给缸和夹紧缸共同完成,而进行PLC在设计时主要考虑系统在工作进给,则工作循环如下:
A缸快进—A缸工进—A缸缸停留—B缸快进---B缸工进---B缸快退—B缸停止—A缸快退—A缸停止
第二节PLC功能图I/O接线图和梯形图的设计
一、控制要求,根据系统原理图1-2中电磁动作表所示。
在电气原理图中用压力继电
器来控制死挡铁停留,功能图
二、PLC采用FX1N系列,其选择元件如下
1、中央处理单元为CPU
2、存储器选用RAM
3、输入/输出(I/O)单元
输入选用交流220V输入,输出选用继电器输出
4、电源
选用单相交流电源,额定电压为AC220V,额定频率为50Hz,电压允许范围为
85-264V,瞬间停电时间10ms以下。
5、编程器
主要选用键盘,显示器和通用接口等组成,
主要任务是输入程序,调试程序和监控程序执行。
6、辅助继电器选用M8002
7、定时器T选用10ms时钟脉冲计数器
8、智能接口模板
选用高速计数模板
三、设计过程
电动机已启动,按下SB2,A缸向左快进,触碰SQ2A缸左工
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