基于PLC的组合机床液压控制系统

液压传动课程设计

姓 名： 仪忠山 学 号： 20100460246 班 级： 10机械本科2班 指导教师： 谷晓妹 完成日期： 2012-12-29

机电工程学院课程设计 任务书

题 目 基于PLC控制卧式钻、镗组合机床的液压系统设计 设计一台卧式钻、镗组合机床液压系统。该机床用于加工铸铁箱形零件的孔系，运动部件总重G=10000N，液压缸机械效率为0．9，加工时最大切削力为12000N，工作循环为：“快进——工进——死挡铁停留——决退——原位停止”。行程长度为0.4m，工进行程为0.1 m。快进和快退速度为0.1m／s，工过速度范围为3×10-4～5×10-3m／s，采用平导轨，启动时间为0.2s。要求动力部件可以手动调整，快进转工进平稳、可靠。 设计内容及基本要求

设计要求： 1）、绘制液压原理图。 2）、设计液压站和油缸的装配图 包括：① 泵、电机和阀的选用 ② 油箱、油缸、阀座的零件设计 3）、课程设计计算说明书一份。 学生签名 指导教师签名 年 月 日 年 月 日

目录

第一章 绪论 .......................................................................................................... 4 1.1 开发背景及系统特点 .................................................................................. 4

第二章 负载分析 ................................................................................................... 4

第三章 负载图和速度图的绘制 .............................................................................. 5

第四章 液压缸主要参数的确定 .............................................................................. 6

第五章 液压系统的拟定 ........................................................................................ 8 5.1 液压回路的选择 ....................................................................................... 8 5.2 液压回路的综合 ..................................................................................... 11

第六章 液压元件的选择 ...................................................................................... 11 6.1 液压泵 ................................................................................................... 11 6.2 阀类元件及辅助元件 .............................................................................. 13 6.3 油管和油箱 ............................................................................................ 13

第七章 液压系统性能的验算 ............................................................................... 14 7.1 验算系统压力损失并确定压力阀的调整值 ............................................... 14

3

7.2 油液温升验算 ........................................................................................ 16

第八章 设计总结 ................................................................................................. 17

参考文献 ............................................................................................................. 17

第一章 绪论 1.1 开发背景及系统特点

本次课程设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设计步骤，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。

组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用

4

以组成自动生产线。组合机床通常采用多轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。液压系统由于具有结构简单、动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应用。

第二章 负载分析

一、工作负载

工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，即

FW =12000N 二、惯性负载

最大惯性负载取决于移动部件的质量和最大加速度。已知加、减速时间为0.2s，工作台最大移动速度，即快进、快退速度为0.1m/s，因此惯性负载为：

Fm?m?vG?v10000?0.1????510.2N ?tg?t9.8?0.2 三、阻力负载

阻力负载主要是工作台的机械摩擦阻力，分为静摩擦阻力和动摩擦阻力两部分。

静摩擦阻力 Ffs?fsFN?0.2?10000?2000N 动摩擦阻力 Ffd?fdFN?0.1?10000?1000N

根据上述负载力计算结果，可得出液压缸在各个工况下所受到的负载力和液压缸所需推力情况，如下表所示：

注：1、液压缸的机械效率为0.9

2、不考虑动力滑台上的颠覆力矩的作用。

液压缸各运动阶段负载表

运动阶段 负载组成 负载F/N 推力F'??F/?m?/N 5

起动 加速 快进 工进 快退

F=Ffs 2000 1510.2 1000 13000 1000 2222.2 1687 1111.1 14444.4 1111.1 F=Ffd+Fm F=Ffd F?Fw?Ffd F?Ffd

第三章 负载图和速度图的绘制

按上面计算的数值以及已知条件进行绘制，即可绘制出负载和速度图，如下所示：

速度图

6

负载图

第四章 液压缸主要参数的确定

由《液压传动》表11-2和表11-3可知，组合机床液压系统在最大负载约为14444.4N是宜取P1=4MPa。快退时回油腔中也是有背压的，这时选取背压值

P2=0.6MPa。

取液压缸无杆腔有效面积等于有杆腔有效面积的2倍

F/?m?A1p1?A2p2?A1p1?(A1/2)p2

?F??P2?14444.4?32?故有 A1???P???4.012?10m ??1????0.82??6??m??4???102??快进速度V快=0.1m/s，工进速度V工进=0.005m/s,相差很大,应进行差动换接,取k= A2/ A1=0.5,则：

D?4F工?75.83mm

?(p1 -kp2)d = 0.707D=0.707×75.83=53.62mm，

7

根据GB/T2348—2001对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，圆整后取液压缸缸筒直径为D=80mm，活塞杆直径为d=60mm。

中低压液压系统,由其切削加工性能确定液压缸筒壁厚，按薄壁圆筒计算壁厚： 额定工作压力： Pn=7MPa<16MPa 试验压力为：

Py=1.5Pn=1.5×7=10.5MPa

许用应力取：

????11000N/mm2 （?????b/n 取安全系数n=5）

??pyD2????38mm

此时液压缸两腔的实际有效面积分别为：

A1??D2/4?5.03?10?3m2 A2??(D2?d2)/4?2.20?10?3m2

按最低工进速度验算液压缸尺寸，查产品样本，调速阀最小稳定流量

q=0.05L/min因工进速度为0.00265m/s为最小速度，则有

A1≥q/v=50000/15.9mm2=3145mm2

因为A1=5024mm≥3145mm，满足最低速度的要求。

22初步确定液压缸流量为：

快进：Q1?vA1=30L/min

Q2?vA2=15L/min Qp?Q1?Q2=15L/min

工进：Q工?v2A1=0.8L/min

根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值，如下表所示：

8

工作循环 差动快进 工进 计算公式 负载F （N） 进油压力回油压力所需流量Q输入功Pj（Mpa） Pb（Mpa） （L/min） 率P(kw) Pj=(F+△p A2)/（A1-A2） Q=v× 1111.1 0.78 0.5 16.95 0.22 （A1-A2） P= Pj×Q Pj=(F+Ph A2)/A1 Q=v ×A1 P= Pj×Q 14444.44 1111.11 1.68 0.6 3.23 0.8 1.51 0.081 快退 Pj=(F+Ph A1)/ A2 Q=v× A2 P= Pj×Q 13.19 0.369

第五章 液压系统图的拟定

5.1液压回路的选择

首先要选择调速回路。这台机床液压系统的功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，故采用节流调速的开式回路是合适的，为了增加运动的平稳性，防止钻孔时工件突然前冲，系统采用调速阀的进油节流调速回路，并在回油路中加背压阀。

从工况图中可以清楚地看到，在这个液压系统的工作循环中，液压缸要求油源交替地提供低压大流量和高压小流量的油源。最大流量和最小流量之比约

9

为11，而快进快退的时间和工进所需的时间

分别为：

即是/=3。因此从提高系统效率、节省能量的角度上来说，采用单个

定量泵作为油源显然是不合适的，而宜选用大、小两个液压泵自动并联供油的油源方案。如下图所示：

双泵供油油源

其次是选择快速运动和换向回路。系统中采用节流调速回路后，不管采用什么油源形式都必须有单独的油路直接通向液压缸的两腔，以实现快速运动。本系统中，单杆液压缸要作差动连接，所以它的快进快退换向回路，如下图所示：

换向回路

再次是选择速度缓解回路，工况图可以看出，当动力头部件从快进转为工进时滑台速度变化较大，可选用行程阀来控制快进转工进的速度换接，以减少液压冲击，图如下所示：

10

速度换接回路

夹紧回路的选择，用三位四通电磁阀来控制夹紧、松开换向动作时，为了避免工作时突然失电而松开，应采用失电夹紧方式。考虑到夹紧时间可调节和当进油路压力瞬时下降时仍能保持夹紧力，所以单向阀保压。在该回路中还装有减压阀，用来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定，

图示如下所示：

5.2液压回路的综合

11

液压回路的综合和整理

第六章 液压元件的选择

6.1液压泵

工进阶段液压缸工作压力最大，取进油总压力损失Σ?p=0.5MPa,压力继电器可靠动作需要压力差0.5MPa,则液压泵最高工作压力

Pp=p1+Σ?p+0.5MPa=4.8MPa

因此泵的额定压力Pr≥1.25×4800000Pa=6MPa

工进时所需要流量最小是0.8L/min,设溢流阀最小流量为2.5L/min,则小流量泵的流量

qp1≥（1.1*0.32+2.5）L/min=2.85L/min

快进快退时液压缸所需的最大流量为15.4L/min,则泵总流量

qp=1.1*15.4L/min=16.9L/min。即大流量泵的流量

12

qp2≥qp-qp1=（16.9-2.85）L/min=14L/min

根据上面计算的压力和流量，查产品样本，选用双联叶片泵，该泵额定压力6.3MPa，额定转速960r/min

二、电动机的驱动功率

系统为双泵共有系统，其中小泵的流量qp1=（0.04/60）m3/s=0.000667m3/s

大泵的流量q2=（0.012/60）m3/s=0.0002m3/s

差动快进，快退时的两个泵同时向系统供油；工进时，小泵向系统供油，大泵卸载。快进时，小泵的出口压力损失0.45MPa，大泵出口损失0.15MPa。 小泵出口压力pp1=1.26MPa(总功率?=0.5) 大泵出口压力pp2=1.41MPa（总功率?=0.5) 电动机功率p1=pp1q1/?+pp2q2/?=0.73Kw

工进时调速阀所需要最小压力差0.5MPa。压力继电器可靠需要动力差0.5MPa。因此工进时小泵的出口压力pp1=p1+0.5+0.5=4.8Pa. 大泵的卸载压力取pp2=0.2Pa 小泵的总功率?=0.565 大泵总功率?=0.3

电动机功率p2=pp1q1/?+pp2q2/?=0.7Kw 快退时小泵出口压力pp1=1.65MPa(总功率?=0.5) 大泵出口压力pp2=1.8MPa(总功率?=0.5) 电动机功率p3=pp1q1/?+pp2q2/?=0.9Kw

快退时所需的功率最大。根据查样本选用Y90L-6异步电动机，电动机功率1.1Kw。额定转速910r/min

6.2阀类元件及辅助元件

13

液压系统原理图中包括调速阀、换向阀、单项阀等阀类元件以及滤油器、空气滤清器等辅助元件。

阀类元件的选择

规格 最大通过序号 元件名称 流量额定流量额定压力MPa 型号 L/min?1 三位五通电磁阀 行程阀 调速阀 单向阀 单向阀 液控顺序阀 背压阀 溢流阀 单向阀 单向阀 过滤器 压力继电器 L/min?1 63 63 10 25 25 25 10 10 25 25 60 — 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

20 20 1.51 20 18 16 0.125 4 16 16 30 — 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 — — 35D1-63BY AXQF-E10B (单向行程调速阀) AF3-Ea10B XF3-E10B YF3-E10B YF3-E10B AF3-Ea10B AF3-Ea10B XU-63x80-J HED1kA/10 6.3油管和油箱

各元件间连接管道的规格按元件接口处尺寸决定，液压缸进、出油管则按输入、输出的最大流量计算。由于液压泵的具体选定之后液压缸在各阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算如表所示

液压缸的进、出流量和运动速度

流量、速度

快进 工进 快退 14

输入流量/(L/min) 排出流量/(L/min) 运动速度/(m/min)

q1?v?A1?A2??qp?38.93 q1?1.51 q1?qp?21.888 q2??A2?q1?/A1?0.66 q2??A1?q1?/A2?50.01q2??A2?q1?/A1?16.97 v1?q1/A1?7.75 v2?q1/A1?0.30 v3?q1/A2?0.69 当油液在压力管中流速取3m/min时，可算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为：

q38.93?106d?2?2??16.59mm 3?v??3?10?60q21.888?106d?2?2??12.44mm

?v??3?103?60这两根有关按GB/T2351-2005选用外径?16mm、内经?13mm的无缝钢管。

油箱容积按公式计算，当去K为6时，求得其容积为V=6×40=240L，按GB2876-81规定，取最靠近的标准值V=250L。

第七章 液压系统性能的验算

7.1 验算系统压力损失并确定压力阀的调整值

一、工进

工进时管路的流量仅为0.8L/min,因此流速很小，所以沿程压力损失和局部损失都非常小，可以忽略不计。这时进油路上仅考虑调速阀的损失0.5MPa，回油路上只有背压阀损失，小流量泵的调整压力：Pp= +0.5+0.5=4.8MPa 二、快退时的压力损失及大流量泵卸载压力的调整

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快退时进油管和回油管长度为1.8m，有油管直径d=0.015m，通过的流量为进油路 =16L/min，回油路 =32L/min。液压系统选用N32号液压油，考虑最低工作温度为15℃，有手册查出此时油的运黏度V=1.5st，油的密度P=900kg/ ，液压系统元件采用集成块式的配置形式Re?vd?则进油路中的液流雷诺数为：R=10000vd/r=151<2300 回油路中液流的雷诺数为：R=302<2300 由上可知，进回油路的流动都是层流 进油路上，流速 v?4Q?d2?1.5m/s 则压力损失为：Σ =64lp /Rd2=0.52MPa

在回油路上，流速为进油路速的两倍即V=3.02m/s， 则压力损失为：Σ =1.04MPa

三、局部压力损失

元件名称 额定流量 实际流量 *10000?12732q/dv

额定压力损实际压力损失 失 0.082 0.082 0.026 0.026 单向阀 电液换向阀 电磁阀 顺序阀

25 25 63 63 16 16 16 16 2 2 4 4 取集成块进油路的压力损失0.03MPa，回油路压力损失为0.05MPa，则进油路和回油路总的压力损失为：

P1=0.082+0.082+0.026+0.082+0.03=0.275MPa P2=0.082+0.082+0.026+0.082+0.026+0.05=0.348MPa 快退负载时液压缸负载F=1111N，则快退时液压缸的工作压力

P=（F+P2A1）/A2=1.16MPa 快退时工作总压力为

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P+P1=1.435MPa

大流量泵卸载阀的调整压力应大于1.435MPa

综上，各种工况下世纪压力损失都小于初选的压力损失值，而且比较接近，说明液压系统满足要求

7.2 油液温升验算

系统的主要发热是在工进阶段造成的 工进时输入功率：P1=701Kw

工进时液压缸的输出功率：P2=FV=(14444×0.00265)W=38.3W 系统总发热功率Φ=P1-P2=662.7W

已知油箱容积V=250L，则油箱近似散热面积A=2.58

假定通风良好，取消散热系数Cr=0.015Kw/( ℃)可得油液升温为 T1=Φ/CrA=17.1℃

设环境温度T2=25℃则热平衡温度为 T=T1+T2=42.5℃≤55℃ 所以油箱散热可达到要求

第八章 设计总结

本次液压传动课程设计耗费了整整一个周的时间。在这一周的课程设计中，

17

能学到的东西真的很有限，但是不能说一点收获都没有，我想我知道了一般机床液压系统的设计框架而且我也掌握了设计一个液压系统的步骤，本次课程设计是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在液压知识学习方面的一次有意义的实践。

一开始做课程设计时自己根本就不知道从哪儿开始做，看着书本的以及各种参考书费了很长时间才慢慢的搞懂，本次设计涉及了液压传动的大部分知识，也使我们很好的将课本上的知识与实际结合起来，收获颇多，特别是收集资料和信息的能力，这也是我们大学期间一次难得机会，总之是获益匪浅。

参考文献

1.《液压与气压传动》 曾亿山.合肥工业大学出版社 2．《液压传动》 王积伟.章宏甲.机械工业出版社 3.《液压系统设计元器件选型手册》 周恩涛.机械工业出版社 4. 《液压传动与控制》（第二版） 国防工业出版社

卧式钻、镗组合机床的液压动力系统图

18

1、大泵，2、小泵，3、滤油器，4、外控顺序阀，5、单向阀， 6、溢流阀，，7、电液换向阀，8、单向行程调速阀，，9、压力继电器，10、主液压缸，11、二位三通电磁换向阀，12、背压阀，13、二位二通换向阀，

A、快进： 1YA通电，电液换向阀左位工作，

大泵→单向阀5→电液换向阀7→行程阀14→主液压缸无杆腔 小泵2→单向阀5→电液换向阀7→行程阀14→主液压缸无杆腔 液压缸有杆腔→电磁阀11→电液换向阀7→单向行程调速阀8→油箱（差动换接）

B：工进： 3YA通电，切断差动油路，

快进行程到位，挡铁压下行程阀8，切断快进油路，3YA通电，切断差动油路，快进转工进，液压系统工作压力升高到溢流阀5调定压力，进油路高压油切断单向阀5供油路,打开外控顺序阀4，大泵卸荷，接通经背压阀12通油箱油路。

19

大泵→外控顺序阀4（卸荷阀）→油箱（大泵卸荷）

小泵2→→电液换向阀7→单向行程调速阀8→主液压缸无杆腔 主液压缸有杆腔→电磁阀11→电液换向阀7→背压阀12→油箱

C、快退： 1YA断电，2YA、3YA、4YA通电

工进结束，液压缸碰上死挡铁，压力升高到压力继电器调定压力，压力继电器发出信息，1YA断电，2YA、3YA、4YA通电

大泵→单向阀5→电液换向阀7→电磁阀11→主液压缸有杆腔 小泵2→单向阀5→电液换向阀7→电磁阀11→主液压缸有杆腔 主液压缸无杆腔→单向行程调速阀8→电液换向阀7→电磁阀13→油箱 小泵2→单向行程调速阀8→电液换向阀7→电磁阀13→油箱 主液压缸无杆腔快退到位碰行程开关，行程开关发信，6YA通电，下步工件松夹。

D、工件松夹： 6YA通电

压力油→减压阀14→单向阀15→电磁阀→定位缸19和定位缸18的有杆腔

定位缸19无杆腔→电磁阀→油箱

夹紧缸18无杆腔→单向顺序阀的单向阀→电磁阀→油箱 工件松夹后发出信息，操作人员取出工件。

20

机电工程学院

《液压传动》课程设计考核报告单

2012-2013学年度第二学期期末

选课课号：（2012-2013-1）-2005119-09268－1 批阅日期： 年 月 日 姓名 仪忠山 班级 10机械本二班 学号 20100460246 满分 得分 评分标准 课程设计过程中学习认真，平时每个阶段都能按进度要求完成任务，遵守纪律，每天都能按指导教师的要求在固定教室做设计。 设计过程表现出独立的工作能力，能按老师布置的课程设计任务，独立完成总体方案的设计，设计结构正确。 评分标准设计计算说明书完整、符合标准要求，各部分的及 得分 设计计算过程正确，校核合理。 10 20 30 设计图纸绘制清晰、正确，各种技术要求、结构尺寸表达清楚，装配图能够清楚的表达各个零件之间的装配关系。 20 答辩过程回答问题。要求对老师提问问题能够有条理的做出回答。 20 考核成绩

折合 成绩 任课教师签名 21

机电工程学院

《液压传动》课程设计考核报告单

2012-2013学年度第二学期期末

选课课号：（2012-2013-1）-2005119-09268－1 批阅日期： 年 月 日 姓名 仪忠山 班级 10机械本二班 学号 20100460246 满分 得分 评分标准 课程设计过程中学习认真，平时每个阶段都能按进度要求完成任务，遵守纪律，每天都能按指导教师的要求在固定教室做设计。 设计过程表现出独立的工作能力，能按老师布置的课程设计任务，独立完成总体方案的设计，设计结构正确。 评分标准设计计算说明书完整、符合标准要求，各部分的及 得分 设计计算过程正确，校核合理。 10 20 30 设计图纸绘制清晰、正确，各种技术要求、结构尺寸表达清楚，装配图能够清楚的表达各个零件之间的装配关系。 20 答辩过程回答问题。要求对老师提问问题能够有条理的做出回答。 20 考核成绩

折合 成绩 任课教师签名 21

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0x38.html