無心外圓砂帶磨床自動上下料控制設(shè)計(jì)
無心外圓砂帶磨床自動上下料控制設(shè)計(jì),無心,無意,外圓砂帶,磨床,自動,上下,控制,節(jié)制,設(shè)計(jì)
?基于PLC 控制的液壓控制系統(tǒng)
??[ 摘要] 采用可編程控制器(PLC)代替繼電器控制器，對機(jī)械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過輸入輸出接口
建立與機(jī)械手液壓系統(tǒng)開關(guān)量和模擬量的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手搬運(yùn)工件的順序動作和自動控制，達(dá)到準(zhǔn)確度高、控
制方便、可靠性好的目標(biāo)，大大提高了生產(chǎn)率和自動化程度，減少了系統(tǒng)故障，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
??[ 關(guān)鍵詞] PLC；液壓控制；機(jī)械手
??1、 前言( Introduction)
??目前PLC 在工業(yè)生產(chǎn)過程控制自動化和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造等方面得到了廣泛應(yīng)用, 與傳統(tǒng)的繼電器控制相比, PLC 具有控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、可靠性高、通用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、易于編程、體積小、可在線修改、設(shè)計(jì)與調(diào)試周期短、便于安裝和維修等突出優(yōu)點(diǎn), 而且一般不需要采取什么特殊措施, 就能直接在工業(yè)環(huán)境中使用, 更加適合工業(yè)現(xiàn)場的要求, 使用PLC 控制液壓控制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)的整體性能,具有較明顯的優(yōu)越性。本文介紹基于PLC 控制的某液壓機(jī)械手的典型液壓控制回路及其PLC 控制方法。
??2、 控制要求分析(Analys is of control demands )
??在生產(chǎn)現(xiàn)場工作開始后, 機(jī)械手在一個(gè)工作循環(huán)中需要依次完成以下順序動作: 下降、夾緊、上升、左移、下降、松開、上升、右移( 共8個(gè)順序動作) , 這是一個(gè)典型的順序控制問題。采用PLC 實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動循環(huán)控制, 需要在某些動作位置設(shè)置位移傳感器或行程開關(guān)來檢測動作是否到位, 并確定從一個(gè)動作轉(zhuǎn)入到下一個(gè)動作的條件。根據(jù)機(jī)械手的動作要求, 選用3 個(gè)液壓缸來完成該8 個(gè)順序動作: 升降缸1 在工件兩個(gè)位置( 原位與目標(biāo)位置) 上方的下降和上升運(yùn)動, 移動缸2 的左移和右移運(yùn)動, 夾緊缸3 的夾緊和松開動作。缸1 下降或上升到位時(shí)應(yīng)停止運(yùn)動, 缸2 左移或右移到位時(shí)也應(yīng)停止運(yùn)動, 故需分別設(shè)置一行程開關(guān)S1、S2、S3、S4。根據(jù)機(jī)械手的動作過程和要求, 繪制出系統(tǒng)的控制功能流程圖, 如圖1 所示。
?????????????????
????????????????????????????????????圖?1
??3、 液壓系統(tǒng)圖(Hydraulic scheme)
??根據(jù)機(jī)械手的動作要求和工作循環(huán)設(shè)計(jì)出液壓系統(tǒng)圖, 如圖2所示:
?????????
??????????????????????????????圖?2?
??按下啟動按鈕, 電磁鐵1DT 得電, 閥4 左位接入, 液壓泵9 輸出的壓力油經(jīng)閥4 左位接入升降缸1 的上腔, 其活塞向下運(yùn)動, 推動機(jī)械手下降( 動作①右位下降) ; 當(dāng)缸1 下降到下限位置, 壓下行程開關(guān)S1, 使得電磁鐵1DT 斷電, 閥4 切換至中位(O 型中位機(jī)能) , 缸1 停止在下限位, 而電磁鐵5DT 得電, 閥8 左位接入, 泵輸出的壓力油經(jīng)過單向閥6、減壓閥7 進(jìn)入夾緊缸3 的上腔, 推動其活塞下移夾緊工件( 動作②夾緊) ; 夾緊工件后, 當(dāng)缸3 上腔壓力達(dá)到減壓閥7 的調(diào)定壓力時(shí), 壓力繼電器11 動作發(fā)出信號, 控制電磁鐵2DT 得電, 閥4 的右位接入系統(tǒng), 推動缸1 向上運(yùn)動( 動作③右位上升) ; 缸1 上升到上限位置時(shí), 壓下行程開關(guān)S2, 電磁鐵2DT 斷電, 閥4 切換到中位, 缸1 停止在上限位, 而電磁鐵3DT 得電( 此時(shí)工件仍被夾緊, 壓力繼電器11 仍在動作) , 閥5 左位接入, 缸2 向左運(yùn)動( 動作④左移) ; 缸2 左移到左限位置, 壓下行程開關(guān)S3, 電磁鐵3DT 斷電, 閥5 切圖2 換至中位,缸2 停止在左限位, 而電磁鐵1DT 得電, 閥4 左位接入系統(tǒng), 缸1 向下運(yùn)動( 動作⑤左位下降) ; 缸1 下降到下限位置, 壓下行程開關(guān)S1( 此時(shí)缸2 處于左限位置) , 電磁鐵5DT 斷電, 閥8 回復(fù)右位, 缸3 活塞上移放下工件于目標(biāo)位置( 動作⑥松開) ; 松開工件后, 缸3 油腔壓力降低, 壓力繼電器11 復(fù)位, 發(fā)出信號控制電磁鐵2DT 得電, 缸1 向上運(yùn)動( 動作⑦左位上升) ; 上升到上限位置, 壓下行程開關(guān)S1, 電磁鐵2DT斷電, 缸1 停止在上限位置, 同時(shí)電磁鐵4DT 得電, 閥5 右位接入, 缸2 向右移動( 動作⑧右移) ; 右移到右限位置, 壓下行程開關(guān)S4, 閥5 切換至中位, 缸2 停止在右限位置( 復(fù)位) 。至此完成了機(jī)械手的8 個(gè)自動控制動作, 進(jìn)入到下個(gè)動作循環(huán)。電磁鐵動作順序表如表1(“+”表示得電,“- ”表示斷電) 所示。
??????????????????????????????表1 電磁鐵動作順序表
???????????
??該液壓系統(tǒng)中, 利用電液比例換向閥4 和5 控制升降缸1 和移動缸2 的運(yùn)動速度, 用比例溢流閥12 控制夾緊缸的夾緊速度; 減壓閥的作用是限定并保持夾緊壓力, 單向閥的作用是對夾緊液壓缸3 進(jìn)行保壓, 比例溢流閥12 還起到平衡作用。在PLC 對各輸入輸出量的控制下, 完成順序動作。
????4、 PLC 選型與I/O 分配(PLC lectotype and input--output allocation)
??目前市場上的PLC 品種規(guī)格眾多, 控制功能也各有特點(diǎn)。綜合分析機(jī)械手的動作要求, PLC 在機(jī)械手中需要完成的控制功能較多, 控制精度較高, 運(yùn)算速度較快且具有數(shù)據(jù)處理能力, 并考慮整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo), 由于PLC 的輸出電流較小, 需要用功率模塊來控制比例液壓閥, 選用西門子公司的S7- 200 系CPU226 型PLC, 其I/O 功能和指令系統(tǒng)都能滿足對該機(jī)械手的控制要求。控制按鈕、各處的行程開關(guān)及壓力繼電器等開關(guān)量信號直接與PLC 的輸入端子相連, PLC的開關(guān)量輸出端子直接與各個(gè)電磁閥相連, 用PLC 上所帶的24V 電源或外接24V 電源驅(qū)動, 采用編程軟件( STEP 7-Micro/WIN V4.4 版)進(jìn)行編程和運(yùn)行監(jiān)控。圖3 為PLC 的I/O 地址分配和外部接線圖, 限于篇幅沒有具體給出硬件布置原理圖和控制系統(tǒng)梯形圖及其程序語句。
????????????
??????????????????????????????圖?3
???系統(tǒng)設(shè)有5 種工作方式: 手動、連續(xù)、單周期、單步和回原點(diǎn), 可以滿足不同的工作要求。
????5、 結(jié)論(Conclus ions )
?????采用PLC 控制的搬運(yùn)工件機(jī)械手的液壓控制系統(tǒng), 使系統(tǒng)模塊化, 減小了液壓系統(tǒng)和設(shè)備的體積, 其工作性能穩(wěn)定且各I/O 指示簡單、明了, 大大縮短了維修、改制、安裝和調(diào)試液壓系統(tǒng)和設(shè)備的時(shí)間。克服了采用繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝、改動所需要花費(fèi)大量時(shí)間及人力和物力的缺點(diǎn), 也克服繼電器控制系統(tǒng)的可靠性差、控制不方便、響應(yīng)速度慢等不足。用PLC 控制的機(jī)械手的液壓控制系統(tǒng), 可使其工作平穩(wěn)、準(zhǔn)確, 更有利于改善工人的勞動環(huán)境, 降噪增效,節(jié)約能源, 而且提高了液壓系統(tǒng)的性能, ?延長液壓設(shè)備的使用壽命, ?大大提高了生產(chǎn)率和自動化程度, ?特別是改變機(jī)械手的某些動作時(shí)時(shí)僅需進(jìn)行程序的調(diào)整。
???總之, 基于PLC 控制的液壓控制系統(tǒng), 可大大簡化控制設(shè)備的結(jié)構(gòu), 節(jié)能降耗, 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、液一體化的控制裝置, 使生產(chǎn)平穩(wěn)可靠、效率和自動化程度提高。
??參考文獻(xiàn):
?[1] 章宏甲,黃誼,王積偉.液壓與氣壓傳動[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.5.
?[2] 何存興,張鐵華. 液壓與氣壓傳動(第二版) [M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.8.
?[3] 姜繼海,宋錦春,高常識. 液壓與氣壓傳動[M].北京:高等教育出版社,2002.8.
?[4] 陳在平,趙相賓.可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.6.
?[5] 高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2004.7.
?[6] 廖常初.PLC 編程及應(yīng)用(第2 版) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.5.
天津工業(yè)大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目：擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)及PLC控制
姓 名 朱永生
學(xué) 院 機(jī)械電子學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械工程及自動化
班 級 機(jī)自S071班
學(xué) 號 0750310107
指導(dǎo)教師 肖放 王恩鴻
職 稱 教授
2009年6月18日
摘 要
本文主要介紹了擠壓機(jī)的現(xiàn)狀，擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)分析液壓系統(tǒng)各個(gè)元件的特點(diǎn)、工作條件，根據(jù)計(jì)算通過對電控閥、流量控制閥、壓力控制閥等元件的選擇設(shè)計(jì)連接液壓回路，形成液壓的傳動系統(tǒng)；根據(jù)液壓系統(tǒng)的傳動特點(diǎn)設(shè)計(jì)電氣接線圖，分析在電氣控制與液壓系統(tǒng)的自動、手動控制方式、開閉環(huán)特點(diǎn)，利用原理分析、計(jì)算找出可能出現(xiàn)的控制問題，編寫PLC梯形圖程序，最終由PLC程序控制液壓系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)整體，達(dá)到利用自動化手控制液壓系統(tǒng)完成特定的工作行程的目的。
關(guān)鍵詞： 液壓系統(tǒng) PLC控制 擠壓機(jī)
Abstract
This paper introduces the present situation of extruder, the working principle and the characteristics of hydraulic system, , from the design point of view of analysis the various components of hydraulic system characteristics, working conditions, according to the calculation of electric control valves, flow control valves, pressure control valves, such as the choice of components designed to connect the hydraulic circuit to forming the hydraulic drive system; the transmission hydraulic system in accordance with the characteristics of the design of electrical wiring diagram, analysis in the electrical control and hydraulic system of automatic, manual control mode, the closed-loop characteristics.Use of the principle to analysis and computation the control to identify possible problems and the preparation of PLC ladder program, ultimately form the PLC control hydraulic system to control the formation, achieved the popuse of automated hand-controlled hydraulic system to complete the work of a particular trip.
Keywords：PLC 、Order control、 Hydraalic system
目 錄
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論………………………………………………………………………1
1.1液壓傳動與控制概述………………………………………………………………………1
1.2 液壓機(jī)的發(fā)展及工藝特點(diǎn) ………………………………………………………………1
1.3 PLC的國內(nèi)外 ………………………………………………………………………………2
1.4 PLC的特點(diǎn)…………………………………………………………………………………3
第二章 明確設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工況分析……………………………………………4
2.1運(yùn)動分析……………………………………………………………………………………4
2.2 動力分析……………………………………………………………………………………5
第三章 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù) …………………………………………………10
3.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………………10
3.2液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………………………11
第四章 液壓元件的選擇 …………………………………………………………12
4.1液壓泵的確定與所需功率的計(jì)算…………………………………………………………12
4.2閥類元件的選擇 …………………………………………………………………………13
4.3 蓄能器的選擇 ……………………………………………………………………………14
4.4管道的選擇 ………………………………………………………………………………14
4.5油箱的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………………16
4.5濾油器的選擇 ……………………………………………………………………………16
第五章 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 ……………………………………………………………17
5.1管路系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算 ………………………………………………………………17
第六章 PLC控制 ……………………………………………………………………………19
6.1 控制要求 ………………………………………………………………………………19
6.2梯形圖程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………19
6.3 電氣系統(tǒng)圖、程序及PLC外部接線圖………………………………………………… 20
6.4.程序分析及設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………23
6.6 系統(tǒng)特點(diǎn)…………………………………………………………………………………25
第七章 結(jié)論 ……………………………………………………………………26
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………… ……27
致謝 ………………………………………………………………………………28
附錄 中英文翻譯…………………………………………………………………29
天津工業(yè)大學(xué)2009屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1 液壓傳動與控制概述
液壓傳動與控制是以液體（油、高水基液壓油、合成液體）作為介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械量的輸出（力、位移或速度等）的。它與單純的機(jī)械傳動、電氣傳動和氣壓傳動相比，具有傳遞功率大，結(jié)構(gòu)小、響應(yīng)快等特點(diǎn)，因而被廣泛的應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備及精密的自動控制系統(tǒng)。液壓傳動技術(shù)是一門新的學(xué)科技術(shù)，它的發(fā)展歷史雖然較短，但是發(fā)展的速度卻非常之快。自從1795年制成了第一臺壓力機(jī)起，液壓技術(shù)進(jìn)入了工程領(lǐng)域；1906年開始應(yīng)用于國防戰(zhàn)備武器。
第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事工業(yè)迫切需要反應(yīng)快、精度高的自動控制系統(tǒng)，因而出現(xiàn)了液壓伺服控制系統(tǒng)。從60年代起，由于原子能、空間技術(shù)、大型船艦及電子技術(shù)的發(fā)展，不斷地對液壓技術(shù)提出新的要求，從民用到國防，由一般的傳動到精確度很高的控制系統(tǒng)，這種技術(shù)得到更加廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
在國防工業(yè)中：海、陸、空各種戰(zhàn)備武器均采用液壓傳動與控制。如飛機(jī)、坦克、艦艇、雷達(dá)、火炮、導(dǎo)彈及火箭等。
在民用工業(yè)中：有機(jī)床工業(yè)、冶金工業(yè)、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)方面，汽車工業(yè)、輕紡工業(yè)、船舶工業(yè)。
另外，近幾年又出現(xiàn)了太陽跟蹤系統(tǒng)、海浪模擬裝置、飛機(jī)駕駛模擬、船舶駕駛模擬器、地震再現(xiàn)、火箭助飛發(fā)射裝置、宇航環(huán)境模擬、高層建筑防震系統(tǒng)及緊急剎車裝置等，均采用了液壓技術(shù)。
總之，一切工程領(lǐng)域，凡是有機(jī)械設(shè)備的場合，均可采用液壓技術(shù)。它的發(fā)展如此之快，應(yīng)用如此之廣，其原因就是液壓技術(shù)有著優(yōu)異的特點(diǎn)，歸納起來液壓動力傳動方式具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：其單位重量的輸出功率和單位尺寸輸出功率大；液壓傳動裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、布局靈活，易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍寬，便于與電氣控制相配合實(shí)現(xiàn)自動化；易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)與保壓，安全可靠；元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；液壓易與微機(jī)控制等新技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成“機(jī)-電-液-光”一體化便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
1.2 液壓機(jī)的發(fā)展及工藝特點(diǎn)
液壓機(jī)是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一，自19世紀(jì)問世以來發(fā)展很快，液壓機(jī)在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。由于液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)和整機(jī)結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)外液壓機(jī)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面，也主要表現(xiàn)在高速化、高效化、低能耗；機(jī)電液一體化，以充分合理利用機(jī)械和電子的先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的完善；自動化、智能化，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理功能；液壓元件集成化、標(biāo)準(zhǔn)化，以有效防止泄露和污染等四個(gè)方面。
作為液壓機(jī)兩大組成部分的主機(jī)和液壓系統(tǒng)，由于技術(shù)發(fā)展趨于成熟，國內(nèi)外機(jī)型無較大差距，主要差別在于加工工藝和安裝方面。良好的工藝使機(jī)器在過濾、冷卻及防止沖擊和振動方面，有較明顯改善。在油路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外液壓機(jī)都趨向于集成化、封閉式設(shè)計(jì)，插裝閥、疊加閥和復(fù)合化元件及系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中得到較廣泛的應(yīng)用。特別是集成塊可以進(jìn)行專業(yè)化的生產(chǎn)，其質(zhì)量好、性能可靠而且設(shè)計(jì)的周期也比較短。
近年來在集成塊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型液壓元件組成的回路也有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它不需要另外的連接件其結(jié)構(gòu)更為緊湊，體積也相對更小，重量也更輕無需管件連接，從而消除了因油管、接頭引起的泄漏、振動和噪聲。邏輯插裝閥具有體積小、重量輕、密封性能好、功率損失小、動作速度快、易于集成的特點(diǎn)，從70年代初期開始出現(xiàn)，至今已得到了很快的發(fā)展。我國從1970年開始對這種閥進(jìn)行研究和生產(chǎn)，并已將其廣泛的應(yīng)用于冶金、鍛壓等設(shè)備上，顯示了很大的優(yōu)越性。
液壓機(jī)工藝用途廣泛，適用于彎曲、翻邊、拉伸、成型和冷擠壓等沖壓工藝，壓力機(jī)是一種用靜壓來加工產(chǎn)品。適用于金屬粉末制品的壓制成型工藝和非金屬材料，如塑料、玻璃鋼、絕緣材料和磨料制品的壓制成型工藝，也可適用于校正和壓裝等工藝。
由于需要進(jìn)行多種工藝，液壓機(jī)具有如下的特點(diǎn)：
（1） 工作臺較大，滑塊行程較長，以滿足多種工藝的要求；
（2） 有頂出裝置，以便于頂出工件；
（3） 液壓機(jī)具有點(diǎn)動、手動和半自動等工作方式，操作方便；
（4） 液壓機(jī)具有保壓、延時(shí)和自動回程的功能，并能進(jìn)行定壓成型和定程成型的操作，特別適合于金屬粉末和非金屬粉末的壓制；
（5） 液壓機(jī)的工作壓力、壓制速度和行程范圍可隨意調(diào)節(jié)，靈活性大。
1.3 PLC的國內(nèi)外狀況
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認(rèn)的第一臺PLC.
限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。
20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。
上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。
20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。
1.4 PLC的特點(diǎn)
（1） 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。
(2) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
(3) PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。
(4) PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
(5)以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)設(shè)備
第二章 明確設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工況分析
在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)明確以下問題，并將其作為設(shè)計(jì)依據(jù)。
1.主機(jī)的用途、工藝過程、總體布局以及對液壓傳動裝置的位置和空間尺寸的要求。
2.主機(jī)對液壓系統(tǒng)的性能要求，如自動化程度、調(diào)速范圍、運(yùn)動平穩(wěn)性、換向定位精度以及對系統(tǒng)的效率、溫升等的要求。
3.液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度、濕度、振動沖擊以及是否有腐蝕性和易燃物質(zhì)存在等情況。
在上述工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)對主機(jī)進(jìn)行工況分析，工況分析包括運(yùn)動分析和動力分析，對復(fù)雜的系統(tǒng)還需編制負(fù)載和動作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載和速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，以下對工況分析的內(nèi)容作具體介紹。
2.1運(yùn)動分析
主機(jī)的執(zhí)行元件按工藝要求的運(yùn)動情況，可以用位移循環(huán)圖(L—t)，速度循環(huán)圖(v—t)，或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析。
2.1.1位移循環(huán)圖L—t
圖2-1為液壓機(jī)的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標(biāo)L表示活塞位移，橫坐標(biāo)t表示從活塞啟動到返回原位的時(shí)間，曲線斜率表示活塞移動速度。該圖清楚地表明液壓機(jī)的工作循環(huán)分別由快速下行、減速下行、壓制、保壓、泄壓慢回和快速回程六個(gè)階段組成。
圖2-1位移循環(huán)圖
2.1.2速度循環(huán)圖v—t(或v—L)
工程中液壓缸的運(yùn)動特點(diǎn)可歸納為三種類型。圖9-2為三種類型液壓缸的v-t圖，第一種如圖2-2中實(shí)線所示，液壓缸開始作勻加速運(yùn)動，然后勻速運(yùn)動，
圖2-2 速度循環(huán)圖
最后勻減速運(yùn)動到終點(diǎn)；第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運(yùn)動，在另一半作勻減速運(yùn)動，且加速度的數(shù)值相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半以上以較小的加速度作勻加速運(yùn)動，然后勻減速至行程終點(diǎn)。V-t圖的三條速度曲線，不僅清楚地表明了三種類型液壓缸的運(yùn)動規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動力特性。
2.2 動力分析
動力分析，是研究機(jī)器在工作過程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力情況，對液壓系統(tǒng)而言，就是研究液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載情況。
2.2.1液壓缸的負(fù)載及負(fù)載循環(huán)圖
(1)液壓缸的負(fù)載力計(jì)算：
工作機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動時(shí)，液壓缸必須克服的負(fù)載由六部分組成：
(2-1)
式中：Fc為切削阻力；Ff為摩擦阻力；Fi為慣性阻力；FG為重力；Fm為密封阻力；Fb為排油阻力。
圖2-3導(dǎo)軌形式
① 切削阻力Fc：
為液壓缸運(yùn)動方向的工作阻力，對于機(jī)床來說就是沿工作部件運(yùn)動方向的切削力，此作用力的方向如果與執(zhí)行元件運(yùn)動方向相反為正值，兩者同向?yàn)樨?fù)值。該作用力可能是恒定的，也可能是變化的，其值要根據(jù)具體情況計(jì)算或由實(shí)驗(yàn)測定。該主液壓缸的活塞直徑為180，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查詢主切削力為F407.15N
②摩擦阻力Ff：
為液壓缸帶動的運(yùn)動部件所受的摩擦阻力，它與導(dǎo)軌的形狀、放置情況和運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)，其計(jì)算方法可查有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊。
圖2-1為最常見的兩種導(dǎo)軌形式，其摩擦阻力的值為：
此處采用平導(dǎo)軌：
(2-2)
V形導(dǎo)軌： (2-3)
式中：f為摩擦因數(shù)，參閱表2-1選??；∑Fn為作用在導(dǎo)軌上總的正壓力或沿V形導(dǎo)軌橫截面中心線方向的總作用力；α為V形角，一般為90°。?
③慣性阻力Fi：
慣性阻力Fi為運(yùn)動部件在啟動和制動過程中的慣性力，可按下式計(jì)算：
(2-4)
表2-1 摩擦因數(shù)f
導(dǎo)軌類型
導(dǎo)軌材料
運(yùn)動狀態(tài)
摩擦因數(shù)(f)
滑動導(dǎo)軌
鑄鐵對鑄鐵
啟動時(shí)
低速(v＜0.16m/s) 高速(v＞0.16m/s)
0.15～0.20 0.1～0.12 0.05～0.08
滾動導(dǎo)軌
鑄鐵對滾柱(珠) 淬火鋼導(dǎo)軌對滾柱(珠)
0.005～0.020.003～0.006
靜壓導(dǎo)軌
鑄鐵
0.005
式中：m為運(yùn)動部件的質(zhì)量(kg)； a為運(yùn)動部件的加速度(m/s2)；
G為運(yùn)動部件的重量(N)； g為重力加速度，g=9.81 (m/s2)；
Δv為速度變化值(m/s)； Δt為啟動或制動時(shí)間(s)，
一般機(jī)床Δt＝0.1～0.5s，運(yùn)動部件重量大的取大值。
④重力FG：
垂直放置和傾斜放置的移動部件，其本身的重量也成為一種負(fù)載，當(dāng)上移時(shí)，負(fù)載為正值，下移時(shí)為負(fù)值。
由于此主缸采用水平放置， 所以FG =0.
⑤密封阻力Fm：
密封阻力指裝有密封裝置的零件在相對移動時(shí)的摩擦力，其值與密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)。在初 算時(shí)，可按缸的機(jī)械效率(ηm=0.9)考慮；驗(yàn)算時(shí)，按密封裝置摩擦力的計(jì)算公式計(jì)算。
（2-5）
⑥排油阻力Fb：
排油阻力為液壓缸回油路上的阻力，該值與調(diào)速方案、系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定性、執(zhí)行元件等因素有關(guān)，在系統(tǒng)方案未確定時(shí)無法計(jì)算，可放在液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮。
(2)液壓缸運(yùn)動循環(huán)各階段的總負(fù)載力：
液壓缸運(yùn)動循環(huán)各階段的總負(fù)載力計(jì)算，一般包括啟動加速、快進(jìn)、工進(jìn)、快退、減速制動等幾個(gè)階段，每個(gè)階段的總負(fù)載力是有區(qū)別的。 對此液壓系統(tǒng)，上述計(jì)算過程可簡化。例如采用單定量泵供油，只需計(jì)算工進(jìn)階段的總負(fù)載力，若簡單系統(tǒng)采用限壓式變量泵或雙聯(lián)泵供油，則只需計(jì)算快速階段和工進(jìn)階段的總負(fù)載力。
工進(jìn)階段：
(2-7)
(3)液壓缸的負(fù)載循環(huán)圖：
對較為復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，為了更清楚的了解該系統(tǒng)內(nèi)各液壓缸(或液壓馬達(dá))的速度和負(fù)載的變化規(guī)律，應(yīng)根據(jù)各階段的總負(fù)載力和它所經(jīng)歷的工作時(shí)間t或位移L按相同的坐標(biāo)繪制液壓缸的負(fù)載時(shí)間(F—t)或負(fù)載位移(F—L)圖，然后將各液壓缸在同一時(shí)間t(或位移)的負(fù)載力疊加。
圖2-4負(fù)載循環(huán)圖
圖2-4為一部機(jī)器的F—t圖，其中：0～t1為啟動過程；t1～t2為加速過程；t2～t3為恒速過程； t3～t4為制動過程。它清楚地表明了液壓缸在動作循環(huán)內(nèi)負(fù)載的規(guī)律。圖中最大負(fù)載是初選液壓缸工作壓力和確定液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)。
2.2.2 液壓馬達(dá)的負(fù)載
工作機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，液壓馬達(dá)必須克服的外負(fù)載為：
(2-9)
(1) 工作負(fù)載力矩Me：
工作負(fù)載力矩可能是定值，也可能隨時(shí)間變化，在此為額定力矩
。
(2) 摩擦力矩Mf：
為旋轉(zhuǎn)部件軸頸處的摩擦力矩，其計(jì)算公式為：
(2-10)
式中：G為旋轉(zhuǎn)部件的重量(N)；f為摩擦因數(shù)，啟動時(shí)為靜摩擦因數(shù)，啟動后為動摩擦因數(shù)；R為軸頸半徑(m)。
(3)慣性力矩Mi。為旋轉(zhuǎn)部件加速或減速時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩，其計(jì)算公式為：
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查表得該型號馬達(dá)
綜上力矩之和 ：
根據(jù)上式，便可繪制液壓馬達(dá)的負(fù)載循環(huán)圖。
第三章 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)
3.1液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1．1.初定液壓缸工作壓力 液壓缸工作壓力主要根據(jù)運(yùn)動循環(huán)各階段中的最大總負(fù)載力來確定，此外，還需要考慮以下因素：
(1)各類設(shè)備的不同特點(diǎn)和使用場合。
(2)考慮經(jīng)濟(jì)和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高。
所以，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式：
一是根據(jù)機(jī)械類型選；二是根據(jù)切削負(fù)載選。
如表3-1、表3-2所示。
表3-1 按負(fù)載選執(zhí)行文件的工作壓力
負(fù)載/N
＜5000
500～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
＞50000
工作壓力/Mpa
≤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
表3-2 按機(jī)械類型選執(zhí)行文件的工作壓力
機(jī)械類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
工程機(jī)械
磨床
組合機(jī)床
龍門刨床
拉床
工作壓力/MPa
a≤2
3～5
≤8
8～10
10～16
20～32
3.1.2.液壓缸主要尺寸的計(jì)算
缸的有效面積和活塞桿直徑，可根據(jù)缸受力的平衡關(guān)系具體計(jì)算，詳見第五章第一節(jié)。
3.1.3液壓缸的流量計(jì)算
下式中：A為液壓缸的有效面積A1或A2(m2)；vmax為液壓缸的最大速度，vmin為液壓缸的最小速度，該主液壓缸的速度為：2.5~ 12(mm/s)。所以液壓缸的流量為：
液壓缸的最大流量：
(3-1)
液壓缸的最小流量：
(3-2)
液壓缸的最小流量qmin，應(yīng)等于或大于流量閥或變量泵的最小穩(wěn)定流量。若不滿足此要求時(shí)，則需重新選定液壓缸的工作壓力，使工作壓力低一些，缸的有效工作面積大一些，所需最小流量qmin也大一些，以滿足上述要求。
流量閥和變量泵的最小穩(wěn)定流量，可從產(chǎn)品樣本中查到。
3.2液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 計(jì)算液壓馬達(dá)排量
液壓馬達(dá)排量根據(jù)下式?jīng)Q定：
(3-3)
式中：T為液壓馬達(dá)的負(fù)載力矩(N·m)；Δpm為液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力差為14MP；ηmin為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，一般齒輪和柱塞馬達(dá)取0.9～0.95，葉片馬達(dá)取0.8～0.9。
所以
2.計(jì)算液壓馬達(dá)所需流量液壓馬達(dá)的最大流量：
式中：vm為液壓馬達(dá)排量(m3/r)；nmax為液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速(r/s)。
第四章 液壓元件的選擇
4.1、液壓泵的確定與所需功率的計(jì)算
4.1.1 液壓泵的確定
(1)確定液壓泵的最大工作壓力。液壓泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力，再加上油泵的出油口到缸進(jìn)油口處總的壓力損失ΣΔp，
根據(jù)表4-1中的壓力損失計(jì)算：
即 3個(gè)溢流閥，
2個(gè)單向閥，
7個(gè)換向閥，
1節(jié)流閥，
所以確定泵的最大工作壓力為：
(4-1)
ΣΔp包括油液流經(jīng)流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設(shè)計(jì)之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，一般管路簡單的節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)ΣΔp為(2～5)×105Pa，用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)ΣΔp為(5～15)×105Pa，ΣΔp也可只考慮流經(jīng)各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計(jì)，各閥的額定壓力損失可從液壓元件手冊或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表3-1選取。
表4-1 常用中、低壓各類閥的壓力損失(Δpn)
閥名
Δpn(×105Pa)
閥名
Δpn(×105Pa)
閥名
Δpn(×105Pa)
閥名
Δpn(×105Pa)
單向閥
0.3～0.5
背壓閥
3～8
行程閥
1.5～2
轉(zhuǎn)閥
1.5～2
換向閥
1.5～3
節(jié)流閥
2～3
順序閥
1.5～3
調(diào)速閥
3～5
(2)確定液壓泵的流量qB：泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。
多液壓缸同時(shí)動作時(shí)，液壓泵的流量要大于同時(shí)動作的幾個(gè)液壓缸(或馬達(dá))所的最大流量，并應(yīng)考慮系統(tǒng)的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，下式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；(Σq)max為同時(shí)動作的液壓缸(或馬達(dá))的最大總流量(m3/s)。
(4-2)
(3)選擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計(jì)算的最大壓力pB和流量qB，查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與pB和qB相當(dāng)?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。
上面所計(jì)算的最大壓力pB是系統(tǒng)靜態(tài)壓力，系統(tǒng)工作過程中存在著過渡過程的動態(tài)壓力，而動態(tài)壓力往往比靜態(tài)壓力高得多，所以泵的額定壓力pB應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%～60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。若系統(tǒng)屬于高壓范圍，壓力儲備取小值；若系統(tǒng)屬于中低壓范圍，壓力儲備取大值。
(4)確定驅(qū)動液壓泵的功率。
①當(dāng)液壓泵的壓力和流量比較衡定時(shí)，所需功率為：
(4-5)
式中：pB為液壓泵的最大工作壓力(N/m2)；qB為液壓泵的流量(m3/s)；ηB為液壓泵的總效率，各種形式液壓泵的總效率可參考表4-2估取，液壓泵規(guī)格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，變量泵取小值。
表4-2 液壓泵的總效率
液壓泵類型
齒輪泵
螺桿泵
葉片泵
柱塞泵
總效率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
所以液壓泵所需功率：
按上述功率和泵的轉(zhuǎn)速，可以從產(chǎn)品樣本中選取標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)，再進(jìn)行驗(yàn)算，使電動機(jī)發(fā)出最大功率時(shí)，其超載量在允許范圍內(nèi)。
4.2、閥類元件的選擇
4.2.1選擇依據(jù)
選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動作方式，安裝固定方式，壓力損失數(shù)值，工作性能參數(shù)和工作壽命等。
4.2.2選擇閥類元件應(yīng)注意的問題
(1)應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，除非不得已時(shí)才自行設(shè)計(jì)專用件。
(2)閥類元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時(shí)，應(yīng)按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時(shí)，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機(jī)器低速性能的要求。
(3)一般選擇控制閥的額定流量應(yīng)比系統(tǒng)管路實(shí)際通過的流量大一些，必要時(shí)，允許通過閥的最大流量超過其額定流量的20%。
4.3 蓄能器的選擇
4.3.1蓄能器用于補(bǔ)充液壓泵供油不足時(shí)，其有效容積為：
(4-7)
式中：A為液壓缸有效面積(m2 )；L為液壓缸行程(m)；K為液壓缸損失系數(shù)，
估算時(shí)可?。耍?.2；qB為液壓泵供油流量(m3/s)；t為動作時(shí)間(s)，根據(jù)工作狀況測得該液壓缸的行程為L=6000mm。
液壓缸的有效面積為活塞桿與活塞之間的面積差：
所以蓄能器補(bǔ)充液壓泵供油不足時(shí)，有效容積為：
4.3.2蓄能器作應(yīng)急能源時(shí)，其有效容積為：
(4-8)
當(dāng)蓄能器用于吸收脈動緩和液壓沖擊時(shí)，應(yīng)將其作為系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)與其關(guān)聯(lián)部分一起綜合考慮其有效容積。
4.4、管道的選擇
4.4.1油管類型的選擇
液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，選擇的油管應(yīng)有足夠的通流截面和承壓能力，同時(shí)，應(yīng)盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。
(1)鋼管：中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價(jià)格低，性能好，使用廣泛。
(2)銅管：紫銅管工作壓力在6.5-10MPa以下，易變曲，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，達(dá)25MPa，不如紫銅管易彎曲。銅管價(jià)格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應(yīng)盡量少用，只用于液壓裝置配接不方便的部位。
(3)軟管：用于兩個(gè)相對運(yùn)動件之間的連接。高壓橡膠軟管中夾有鋼絲編織物；低壓橡膠軟管中夾有棉線或麻線編織物；尼龍管是乳白色半透明管，承壓能力為2.5～8MPa，多用于低壓管道。因軟管彈性變形大，容易引起運(yùn)動部件爬行，所以軟管不宜裝在液壓缸和調(diào)速閥之間。
4.4.2油管尺寸的確定
(1)油管內(nèi)徑d按下式計(jì)算：
(4-9)
式中：q為通過油管的最大流量(m3/s)；v為管道內(nèi)允許的流速(m/s)。一般吸油管取0.5～5(m/s)；壓力油管取2.5～5(m/s)；回油管取1.5～2(m/s)。
所以吸油管內(nèi)經(jīng)為尺寸為：
(2)油管壁厚δ按下式計(jì)算：
(4-10)
式中：p為管內(nèi)最大工作壓力；〔σ〕為油管材料的許用壓力，〔σ〕=σb/n；σb為材料的抗拉強(qiáng)度；n為安全系數(shù)，鋼管p＜7MPa時(shí)，取n=8；p＜17.5MPa時(shí)，取n=6；p＞17.5MPa時(shí)，取n=4。由于系統(tǒng)最大工作壓力為p=21Mp>17.5Mp，所以n=4。采用20#鋼，抗拉強(qiáng)度查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得。
所以許用應(yīng)力和油管壁厚為：
根據(jù)計(jì)算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊選取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格油管。
4.5油箱的設(shè)計(jì)
油箱的作用是儲油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。其形式有開式和閉式兩種：開式油箱油液液面與大氣相通；閉式油箱油液液面與大氣隔絕。開式油箱應(yīng)用較多。
4.5.1油箱設(shè)計(jì)要點(diǎn)
(1)油箱應(yīng)有足夠的容積以滿足散熱，同時(shí)其容積應(yīng)保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時(shí)不滲出，油液液面不應(yīng)超過油箱高度的80%。
(2)吸箱管和回油管的間距應(yīng)盡量大。
(3)油箱底部應(yīng)有適當(dāng)斜度，泄油口置于最低處，以便排油。
(4)注油器上應(yīng)裝濾網(wǎng)。
(5)油箱的箱壁應(yīng)涂耐油防銹涂料。
4.5.2油箱容量計(jì)算
油箱的有效容量V可近似用液壓泵單位時(shí)間內(nèi)排出油液的體積確定。
(4-11)
式中：K為系數(shù)，低壓系統(tǒng)取2～4，中、高壓系統(tǒng)取5～7；Σq為同一油箱供油的各液壓泵流量總和。根據(jù)管路流量估算選取容量為6300L的油箱。
4.6濾油器的選擇
選擇濾油器的依據(jù)有以下幾點(diǎn)：
(1)承載能力：按系統(tǒng)管路工作壓力確定。
(2)過濾精度：按被保護(hù)元件的精度要求確定，選擇時(shí)可參閱表9-6。
(3)通流能力：按通過最大流量確定。
(4)阻力壓降：應(yīng)滿足過濾材料強(qiáng)度與系數(shù)要求。
表4-3 濾油器過濾精度的選擇
系統(tǒng)
過濾精度(μm)
元件
過濾精度(μm)
低壓系統(tǒng)
100～150
滑閥
1/3最小間隙
70×105Pa系統(tǒng)
50
節(jié)流孔
1/7孔徑(孔徑小于1.8mm)
100×105Pa系統(tǒng)
25
流量控制閥
2.5～30
140×105Pa系統(tǒng)
10～15
安全閥溢流閥
15～25
電液伺服系統(tǒng)
5
高精度伺服系統(tǒng)
2.5
第五章 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算
為了判斷液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，需要對系統(tǒng)的壓力損失、發(fā)熱溫升、效率和系統(tǒng)的動態(tài)特性等進(jìn)行驗(yàn)算。由于液壓系統(tǒng)的驗(yàn)算較復(fù)雜，只能采用一些簡化公式近似地驗(yàn)算某些性能指標(biāo)，如果設(shè)計(jì)中有經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐考驗(yàn)的同類型系統(tǒng)供參考或有較可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以采用時(shí)，可以不進(jìn)行驗(yàn)算。
5.1管路系統(tǒng)壓力損失的驗(yàn)算
當(dāng)液壓元件規(guī)格型號和管道尺寸確定之后，就可以較準(zhǔn)確的計(jì)算系統(tǒng)的壓力損失，壓力損失包括：油液流經(jīng)管道的沿程壓力損失ΔpL、局部壓力損失Δpc和流經(jīng)閥類元件的壓力損失ΔpV，即：
(5-1)
5.1.1沿程壓力損失
計(jì)算沿程壓力損失時(shí)，如果管中為層流流動，可按下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
(5-2)
式中：q為通過管道的流量(m3/s)；L為管道長度(m)；d為管道內(nèi)徑(mm)；υ為油液的運(yùn)動粘度(m2)。液壓油推薦使用N68號，其粘度在正常工作條件40時(shí)為61.2 ~ 76.8，已知管道內(nèi)徑d=17.3mm，流量，管路總長度約為L=308m。
所以沿程壓力損失為：
5.1.2局部壓力損失可按下式估算：
(5-3)
取
5.1.3閥類元件的ΔpV值可按下式近似計(jì)算：
(5-4)
式中：qVn為閥的額定流量(m3/s)；qV為通過閥的實(shí)際流量(m3/s)；Δpn為閥的額定壓力損失(Pa)。
計(jì)算系統(tǒng)壓力損失的目的，是為了正確確定系統(tǒng)的調(diào)整壓力和分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞。
5.1.4系統(tǒng)的調(diào)整壓力：
(5-5)
式中：p0為液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力；p1為執(zhí)行件的工作壓力。
由于系統(tǒng)的最大工作壓力為21Mp，支路的調(diào)整壓力為16Mp，同時(shí)只需考慮最大工作壓力及調(diào)整壓力，所以系統(tǒng)的調(diào)整壓力。
如果計(jì)算出來的Δp比在初選系統(tǒng)工作壓力時(shí)粗略選定的壓力損失大得多，應(yīng)該重新調(diào)整有關(guān)元件、輔件的規(guī)格，重新確定管道尺寸。
第六章 PLC控制
6.1 控制要求
鋁型材擠壓機(jī)是一種把鋁或鋁合金棒料擠壓成各種規(guī)格型材的機(jī)器 擠壓機(jī)工作時(shí)，鋁棒坯料由加熱爐加熱到所需擠壓溫度，然后送至供錠器中，供錠器自動把坯料和擠壓墊送至模筒口，由工作缸活塞推^模筒直至?？?，并在快速推科過程中，供錠器自動復(fù)位，同時(shí)，擠壓筒及模具進(jìn)行預(yù)熱，最后，由工作缸進(jìn)行擠壓加工。在擠壓過程中，棒料靠裝在擠壓筒內(nèi)的電熱元件保持一定的溫度 擠壓結(jié)束后，由剪切裝置將制品與壓余分離，剩料和壓墊掉人殘料溜槽，壓機(jī)各部件全部復(fù)原，一次擠壓加工結(jié)束。擠壓機(jī)加工時(shí)的工藝流程如下，整個(gè)擠壓過程分模具閉合、送錠到位、擠壓快進(jìn)、送錠復(fù)位、擠壓工進(jìn)、頂出殘料、擠壓軸退、模具開啟、剪切殘料、剪切復(fù)位、換模進(jìn)、換模退等工序。這些動作是由液
壓系統(tǒng)中的電動機(jī)帶動大小油泵產(chǎn)生油壓來執(zhí)行的，而控制這些動作的裝置是各種電器，有按鈕開關(guān)sB、行程開熒sA，轉(zhuǎn)換開關(guān)及電磁鐵YA。
圖6-1 工藝流程圖
6.2梯形圖程序設(shè)計(jì)
梯形圖程序根據(jù)擠壓機(jī)工藝流程圖和PLC的I／O地址分配情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，所得梯形圖如圖6-1所示。此擠壓機(jī)選用西門子S7-200系統(tǒng)
梯形圖設(shè)計(jì)說明：
6.2.1擠壓機(jī)加工過程為順序控制，其工作循環(huán)從模具閉合開始一步一步依次進(jìn)行，每一工序都執(zhí)行部分命令，使相應(yīng)的電磁鐵運(yùn)作，并由行程或工藝過程時(shí)問來判斷該工序是否完成，同時(shí)，只有上一步工序完成后才能進(jìn)入下一步工序。
6.2.2 各工序?qū)?yīng)的輔助繼電器控制支路一般包括下列觸點(diǎn)：手動起動按鈕、手動停止按鈕、該工序原位行程開關(guān)、該工序終端行程開關(guān)、上一工序輔助繼電器常閉觸點(diǎn)、相應(yīng)工序的互鎖觸點(diǎn)。
6.3 電氣系統(tǒng)圖、程序及PLC外部接線圖
6.3.1 控制線路分析
圖6-2 電氣控制原理圖
圖6-2為電氣控制線路原理圖，圖中KM為接觸器，控制線路中相對應(yīng)的常開常閉觸點(diǎn)，電動觸頭SB1為停機(jī)，常開觸頭SB2為開機(jī)，F(xiàn)R1、FR2、FR3為熱繼電器，當(dāng)系統(tǒng)過熱時(shí)三個(gè)常閉觸點(diǎn)會斷開，按下點(diǎn)動SB2，繼電器KA1得電，KA1常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)斷開線路自鎖，此時(shí)SD1指示燈亮起，表示該線路就緒。按下SB4點(diǎn)動，接觸器KM2得電，同時(shí)KM2常開觸點(diǎn)閉合，線路自鎖，此時(shí)與KM2線路并聯(lián)的KM1及時(shí)間繼電器KT1同時(shí)得電，在主電路中電機(jī)M1啟動；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間值KT1常開觸點(diǎn)延時(shí)閉合，常閉觸點(diǎn)延時(shí)斷開，（此過程中有KM1與KM3的互鎖，防止二者同時(shí)帶電）；之后KM1繼電器斷電同時(shí)KM3繼電器得電，完成M1電機(jī)的星角啟動，如圖6-3 主電路圖。
KT線路中的KM3常開觸點(diǎn)閉合后，KT時(shí)間繼電器線圈得電，KT常開觸點(diǎn)延時(shí)閉合，KM5接觸器線圈得電，KM5常開觸點(diǎn)閉合形成KM5接觸器線路的自鎖，同時(shí)接通KM4接觸器其常開觸點(diǎn)閉合，同理與KM6形成互鎖線路，此線路與M1電機(jī)啟動方式相同，為星角啟動，目的是為了防止啟動電流過大燒毀線路。
6.3.2主電路及接線圖分析
圖6-3為主電路圖，有三相交流電線路，個(gè)分別由兩個(gè)星角啟動的分線路組成，這種方式的特點(diǎn)是在啟動時(shí)能夠防止啟動電流過大燒毀電路，在其中有兩個(gè)熱繼電器，在線路過熱時(shí)斷開，能過有效地保護(hù)線路，同時(shí)電流表也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控線路中的電流異常情況。
圖6-3 主電路圖
擠壓機(jī)的控制是順序控制，它的工作循環(huán)從閉模開始一步一步有條不紊地進(jìn)行，每個(gè)工序步執(zhí)行一些指令使電磁鐵動作，用行程開關(guān)或工藝過程時(shí)間來判斷每一步是否已完成?？刂浦兄挥星耙徊襟E完成后，才能進(jìn)入下一步工序，即下一步接通的條件取決于上一步的邏輯結(jié)果以及附加在這一步上的條件。而PLC內(nèi)部有多組輔助繼電器，這些繼電器可記系統(tǒng)工作狀態(tài)；可編程控制器內(nèi)部定時(shí)器可以完成定時(shí)控制 下圖是根據(jù)擠壓機(jī)工藝流程對控制系統(tǒng)的要求，相應(yīng)的并對照VO端子分配表。
在線路中利用接觸器控制相應(yīng)觸點(diǎn)的閉合，接觸器的特點(diǎn)是能夠在大功率、大電流的電路中使用，由于這個(gè)特點(diǎn)再加上電路中的其他保護(hù)元件，能夠使主電路正常工作。
圖6-4 系統(tǒng)接線總圖
功能實(shí)現(xiàn)方式：
利用行程開關(guān)、輔助繼電器順序完成各道工序。在“原點(diǎn)” 工步時(shí)，行程開關(guān)
閉合，按啟動按鈕SB1時(shí)，相應(yīng)輔助繼電器打開，使輸出繼電器得電，電磁鐵YA2、YA3、YA15通電，進(jìn)人“模具閉合”工步。當(dāng)行程開關(guān)SA5閉合時(shí)，相應(yīng)的繼電器得電，電磁鐵YA2、YA15斷電，YA3、YA9通電，“模具閉合”工步結(jié)束，進(jìn)入“送錠到位 工步 這樣依次完成其它工步。
表6-1
SA1
手動自動轉(zhuǎn)換開關(guān)
SQ6
擠進(jìn)轉(zhuǎn)擠壓
SA2
噸位選擇
SQ7
快進(jìn)限位/料架返回
SA3
排氣動作
SQ8
擠退停止
SB5
動作停止
SQ9
剪切到位
SB6
半自動啟動
SQ10
剪切返回到位
SB13
擠壓筒閉合
SQ11
模架內(nèi)限
SB14
擠壓筒開放
SQ12
模架外限
SB15
擠壓桿前進(jìn)
SQ13
料架上限
SB16
擠壓桿后退
SQ14
料架下限
SB17
料架上
SQ15
定位返回到位
SB18
料架下
SQ16
擠壓速度1
SB19
剪切向下
SQ17
擠壓速度2
SB20
剪切退上
SQ18
擠壓速度3
SB21
模架向內(nèi)
KT11
定位時(shí)間
SB22
模架向外
KT12
打開時(shí)間
SQ1
閉合到位
KT13
擠退時(shí)間
SQ2
連動
壓力繼電器1
邊缸壓力
SQ3
擠壓筒開停
壓力繼電器2
高壓保護(hù)
SQ4
擠壓到位
點(diǎn)動
泵4選擇
SQ5
允許剪切
6.4.程序分析及設(shè)計(jì)
梯形圖程序根據(jù)擠壓機(jī)工藝流程圖和PLC的I／O地址分配情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，所得梯形圖如圖6-3所示。
梯形圖設(shè)計(jì)說明：
6.2.1擠壓機(jī)加工過程為順序控制，其工作循環(huán)從模具閉合開始一步一步依次進(jìn)行，每一工序都執(zhí)行部分命令，使相應(yīng)的電磁鐵運(yùn)作，并由行程或工藝過程時(shí)問來判斷該工序是否完成，同時(shí)，只有上一步工序完成后才能進(jìn)入下一步工序。
6.2.2 各工序?qū)?yīng)的輔助繼電器控制支路一般包括下列觸點(diǎn)：手動起動按鈕、手動停止按鈕、該工序原位行程開關(guān)、該工序終端行程開關(guān)、上一工序輔助繼電器常閉觸點(diǎn)、相應(yīng)工序的互鎖觸點(diǎn)。
圖6-5 PLC程序圖
6.4.1通常擠壓機(jī)都具有手動、自動、半自動、調(diào)速及報(bào)警等功能，其作用為：
1)手動．自動、半自動功能手動功能用于單段運(yùn)行，供維修用；半自動功能用于單周期生產(chǎn)或試車；自動功能用于連續(xù)生產(chǎn)。
2)嚴(yán)格的動作及保護(hù)功能 擠壓機(jī)動作順序要求嚴(yán)格，因而電氣互鎖保護(hù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)密。
3)故障指示及報(bào)警功能 當(dāng)擠壓機(jī)工作期間有故障時(shí)要發(fā)出報(bào)警信號，并通過操
作面板閥位動作等指示燈查找故障點(diǎn)。
4)主柱塞位移及速度顯示 主要用于方便調(diào)整擠壓速度，使產(chǎn)品產(chǎn)量高，質(zhì)量好。
5)手動、自動調(diào)速功能調(diào)整比例泵改變進(jìn)油量，進(jìn)而調(diào)整擠壓速度。
6)暫停、緊急停車功能暫停功能用于處理自動循環(huán)運(yùn)行中的微小問題，緊急停車
功能用于處理發(fā)生重大異常情況。
6.4.2 可編程控制器主要程序分析
編程方式有2種，即梯形圖法、語句法，園梯形圖法與實(shí)際電路接近，直觀易懂，故本編程采用梯形圖法本擠壓機(jī)程序設(shè)計(jì)主要分為機(jī)器零位及起始條件設(shè)計(jì)，自動、半自動循環(huán)程序設(shè)計(jì)，手動單步運(yùn)行程序設(shè)計(jì)，自動調(diào)速程序設(shè)計(jì)。
1)機(jī)器零位及起始條件設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)就是考慮通電后到擠壓機(jī)自動循環(huán)開動前，機(jī)器各部位應(yīng)處在何種位置，各種泵運(yùn)行是否正常，操作臺指令開關(guān)狀態(tài)是否處在正確位置，設(shè)置手動、自動軟件互鎖及暫停指令等。
在擠壓機(jī)自動循環(huán)開動前要求所有動作都在零位16當(dāng)中任一點(diǎn)接通，即1號、2號送錠機(jī)都在低部位置，剪刀在上升極限位置，主柱塞在回程極限位置，擠壓筒松開，模架處在1～4任一位置，只有這樣才能保證運(yùn)行后不發(fā)生損壞設(shè)備的現(xiàn)象。
2)自動、半自動循環(huán)程序設(shè)計(jì)因本循環(huán)控制是按順序依次發(fā)生的，因此采用步進(jìn)的控制方式，即選
收藏