机电液综合课程设计-常福军

机电液综合课程设计

题 目：卧式铣削专用机床设计

学 院：机械工程学院

年 级： 08 专 业：机械工程及自动化

班 级：机械08-1班 学 号： 0804010102

姓 名：

指导教师：

任务书

现有一台卧式铣削专用机床。

1、技术参数

（1）运动部件重量为25000N，最大铣削力为18000N（采用平面导轨），夹紧力为30000N。 （2）快进、快退速度为5m/min，工进速度为100~200mm/min。

（3）主液压缸最大行程为400mm，其中工进行程为180mm；夹紧缸行程为20mm。 （4）夹紧时间为1s。

（5）平面导轨与工作台之间的摩擦系数fjing=0.2，fdong=0.1 2、要求液压系统完成的工作循环

工件夹紧→工作台快进→工作台工进→工作台快退→工件松开 具体要求：（1）每一次循环结束，主轴电机和液压电机不停止。

（2）机床具有“半自动”和“调整”两种工作状态，机床处于“调整”工作循环

时，可分别实现对液压滑台的单独点动控制。

3、需完成的设计任务如下：

（1）计算主运动的切削力、并选择动力部件。

（2）计算液压系统（进给系统）各工作阶段的负载，并选择液压系统的电机、泵和阀。 （3）绘制液压系统原理图。

（4）根据工作循环确定电磁阀磁铁的动作表，选择液压控制系统的输入和输出设备，绘制

PLC(C型)的端子接线图。 （5）PLC的梯形图控制程序。

（6）编写设计说明书（5000字以上）。

参考书：（1）章宏甲等，液压与气压传动，北京；机械工业出版社，2003 （2）赵永成等，机电传动控制，北京；中国计量出版社 （3）液压手册

（4）可编程序控制器

1.液压系统设计

目录

1.1工况分析………………………………………………………………………3

1.1.1主液压缸负载………………………………………………………………………...3 1.1.2夹紧缸负载…………………………………………………………………………...3

1.2确定执行件主要参数…………………………………………………………4 1.2.1主液压缸内径D及活塞杆外径d……………………………………………………4

1.2.2夹紧缸内径D及活塞杆外径d……………………………………………………...4 1.2.3液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值…………………………………...5

1.3设计液压系统方案和拟定液压系统原理图…………………………………6

1.3.1设计液压系统方案…………………………………………………………………...6 1.3.2液压系统合成…………………………………………………………………...........6

1.4选择液压元件…………………………………………………………………7

1.4.1选择液压泵、驱动电机……………………………………………………………...7 1.4.2液压缸进、出流量…………………………………………………………………...7 1.4.3液压元件的选择……………………………………………………………………...8 1.4.4油管、油箱的选择…………………………………………………………………...8

1.5液压系统性能估算…………………………………………………………....9

1.5.1验算系统压力损失并确定溢流阀的调整值…………………………………………9 1.5.2验算油液温升……………………………………………………………………….10

2.PLC设计………………………………………………………...11

2.1电磁阀磁铁的动作…………………………………………………………..11

2.2PLC端子接线图……………………………………………………………..11

2.3PLC梯形图控制程序………………………………………………………..12

3.心得体会.. ………………………………………………………13

参考文献………………………………………………………….14

1.液压系统设计

1.1工况分析

1.1.1主液压缸负载

工作台往复直线运动，要求完成工艺过程是快进→工进→快退

速度分析：快进速度v1=5 m/min，快退速度v3=5 m/min。设加速时间为0.15s。 工进速度v3=0.1 m/min -0.2 m/min 取v3=0.15 m/min 负载分析：外负载Fg=18000N 惯性负载：Fm?m?v5?25000?1417N ?t0.15?9.81?60阻力负载：向力 Fn=mg=25000N

静摩擦阻力F=fjingFn=5000N 动摩擦阻力F=fdongFn=2500N

由此得出主液压缸在各工作阶段的负载如表1所示

表1 主液压缸各工作阶段负载

工况 快进 启动 加速 匀速 工进 快退 启动 加速 匀速 负载组成 F=Fnfjing F= Fdong+ Fm Fdong F=Fg+Fdong F=Fnfjing F= Fdong+ Fm Fdong 负载值F(N) 5000 3917 2500 20500 5000 3917 2500

按上表数值绘制负载和速度图如图1所示。

1.1.2夹紧缸负载

夹紧缸的工艺要求：夹紧→保持→松开 速度分析：v=s/t=1.2m/min 加速时间为0.1 负载分析：外负载Fg=30000N 惯性负载：Fm?m?v1.2?30000?510N ?t9.81?60?0.1阻力负载：法向力 Fn=mg=25000N

静摩擦阻力F=fjingFn=5000N 动摩擦阻力F=fdongFn=2500N

由此得出夹紧液压缸在各工作阶段的负载如表2所示

表2 夹紧液压缸各工作阶段负载

工况 夹紧 启动 加速 匀速 松开 启动 加速 匀速

负载组成 F=Fnfjing F= Fdong+ Fm F= Fdong+Fg F=Fnfjing F= Fdong+ Fm F= Fdong 负载值(N) 5000 3010 32500 5000 3010 2500 1.2确定执行件主要参数

1.2.1主液压缸内径D及活塞杆外径d

查[1]表8-7和8-8 专用机床最大负载20500N时液压系统压力P1=3MPa。

铣床工作台体积小，机构简单，工作可靠且负载功率不大，故采用单泵供油，单活塞杆式液压缸差动连接实现快进，因此无杆腔的面积A1与有杆腔的面积A2的比值φ=A1/A2=2。

在铣削平面时，液压缸回路上必须有背压P，以防止滑台前冲。查[1]表8-3取P2=1MPa。快进时液压缸虽做差动连接，管路中有压力损失，有杆腔的压力应大于无杆腔，取ΔP=0.5MPa 快退时回油腔中是有背压的，这时取P2=1MPa.

在工进时，负载F最大，机械效率?m?0.96所以： 液压缸面积A2?F/[?m(P1??P2)] 主液压缸内径D?4A1??0.068m

及活塞杆外径d?0.707D?0.048m 解得：D=106mm d=74.9mm

将这些直径按GB/T2348-2001圆整就近标准值得：

D=110mm d=80mm

由此求的液压缸两腔的实际有效面积为:

A1=95.03cm2 A2=48.25 cm2

1.2.2夹紧缸内径D及活塞杆外径d

夹紧缸的工作要求较主液压缸简单，可以采用相同的样式，以相同的方法进行分析可得： D=140mm d=90mm A1=153.93 cm2 A2=63.61 cm2

1.2.3液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

在确定了执行件的主要参数之后就可以进行液压缸各工作参数的计算，为选取液压泵，阀以及电动机做准备。

表3主液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

工况 负载F/N 5000 3917 回油腔压力p2/Mpa 0 1.88 进油腔压力p1/Mpa 1.324 1.38 输入流量q×10/m3/s _ _ 输入功率P/kw _ _ 计算式 快进 起动 加速 恒速 p1?[(F/?m)?A2?p]/(A1?A2) q?v1(A1?A2) P?p1q 2500 20500 1 1.07 2.75 0.39 0.024 0.417 0.066 工 进 p1?[(F/?m)?A2p2]/A1 q?A1v2 P?p1q 快退 起动 加速 恒速 5000 3917 2500 0 1 1.234 2.82 2.51 _ _ 0.402

_ _ 1.017 p1?[(F/?m)?A1p2]/A2 q?A2v3 P?p1q 表4 夹紧缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

工况 负载F/N 5000 3010 32500 5000 3010 2500 回油腔压力p2/Mp — — 0 — — 0 进油腔压力p1/Mpa 0.58 0.60 2.61 0.59 2.53 2.42 输入流量q×10/m3/s — — 0.307 — — 0.127 输入功率P/kw — — 0.803 — — 0.307 计算式 夹紧 起动 加速 恒速 p1?[(F/?m)?A2p2]/A1 q?v1A1 P?p1q 松开 起动 加速 恒速 p1?[(F/?m)?A1p2]/A2 q?A2v2 P?p1q 1.3设计液压系统方案和拟定液压系统原理图 1.3.1设计液压系统方案

在此系统中最大流量与最小流量之比为0.402/0.024=16.75 快进、退时间：t1=(s快/v1)+ (s退/v3)=7.44s 工进时间：t2=s工/v2=72s 时间比为：t2/ t1=9.67

从液压缸负载速度图看出该系统如下特点： ①由于液压系统流量很小，铣床工作台工进时采用回油路节流调速，故选用定量泵比较经济。调压回路采用溢流阀维持液压泵出口压力恒定，当换工件时工作台停止运动，液压泵卸荷回路采用小型二位三通电磁阀控制。

②考虑到铣削加工顺、逆情况，宜采用调速阀来保证速度稳定，并将调速阀装在液压缸回油路上起阻力作用，是工作台低速运行平稳。

③铣床工作台采用单杆活塞杆液压驱动，由于工况分析可知，系统压力和流量都不大，同时考虑工作台工作一个循环后装夹时间较长，为方便工作台的手动，选用三位四通电磁换向阀并由电气行程开关并配合。 ④为了实现工作台快进，选用二位三通电磁阀构成液压缸的差动连接。差动连接快速回路结构简单，也比较经济。

⑤为了保证工作台工作时液压油能顺利到主液压缸，应在夹紧油路中设置减压阀控制压力。 1.3.2液压系统合成

1.4选择液压元件

1.4.1选择液压泵、驱动电机 液压泵的流量：

取液压系统的泄漏系数K=1.1 Qmax=0.402×60=24.12L/min 则液压泵的最大流量QB≥K×Qmax =1.1×24.12=26.53 L/min 液压泵的最大工作压力：

由于液压系统采用回油路节流调速，所以使调整压力高出系统最大工作压力0.5Mpa。

最大工作压力值为2.82Mpa??p取0.5Mpa，

pp?p?0.5???p=3.82 Mpa

根据QB 、PB 查[2]选用YB—32型定量叶片泵

额定排量32ml/r ,额定压力 6.3Mpa， 转速960r/min，理论流量q=30.72 L/min 若取液压泵容积效率为ηv=0.92 则实际流量q=30.72×0.92=28.3 L/min 液压泵电动机的功率

pp??ppqp?p

采用叶片泵是因为其流量脉动小，中低压的叶片泵的工作压力与计算值较接近，容积效率高，转速范围大，使用寿命长，所以ηp=0.75。

pp=1.38kw

查[2]选用Y100—6型电动机，其额定功率P=1.5KW，额定转速n=940r/min 1.4.2液压缸进、出流量

由于选定了电动机及液压泵之后，流量发生了变化，所以需要重新计算各工作阶段的实际流量及执行件运动速度。

表5 主液压缸在各个工作阶段的流量及运动速度

输入流量L/min 排出流量L/min 运动速度m/min 快进 57.49 29.19 6.04 工进 1.5 0.75 0.157 快退 28.3 55.73 5.87 表6 夹紧缸在各个工作阶段的流量及运动速度

输入流量L/min 排出流量L/min 运动速度m/min 夹紧 18.42 7.62 1.2 放松 7.62 18.42 1.2 以上各值均在可接受范围内，可以和原理图结合起来作为选液压元件的依据

1.4.3液压元件的选择

根据系统最大工作压力和通过控制元件的最大流量，查【2】表选用各类阀的规格，见表7

表7元件型号及规格 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 元件名称 滤油器 定量叶片泵 单向阀 三位四通电磁阀 二位三通电磁阀 调速阀 背压阀 单向阀 单向阀 减压阀 单向阀 三位四通电磁阀 压力继电器 单向阀 溢流阀 二位两通电磁阀 估计流量L/min 30 —— 30 60 60 1.5 0.3 60 30 30 30 30 —— 30 5 60 额定流量L/min 63 30 63 80 80 0.07-50 63 80 80 63 63 63 —— 63 63 80 额定压力MPa —— 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 额定压降MPa ＜0.02 —— ＜0.2 ＜0.5 ＜0.5 —— —— ＜0.2 ＜0.2 —— ＜0.2 ＜0.5 —— ＜0.2 —— ＜0.5 型号规格 XU-63×80-J YB-32 AF3-E10B qmax=100L/min 35D-63 35D-63 QI-25 YF3-E10B AF3-E10B qmax=100L/min AF3-E10B qmax=100L/min JF-L10G AF3-E10B 35D-63 HED1KA/10 AF3-E10B qmax=100L/min YF3-E10B 25D-63

1.4.4油管、油箱的选择

取液压油管的流速v=3m/s，液压缸无杆腔及有杆腔相连的油管内径分别为：

d?2?q?20.11mm ??q?14.14mm ??d?2?按GB/T2351-2005选内径Φ20mm Φ15mm 取经验数据ζ=7油箱容积公式

V=ζqp=7×28.3＝198.1L

按JB/T7938-1999规定，取V=200L

1.5液压系统性能估算

1.5.1验算系统压力损失并确定溢流阀的调整值 ①主液压缸快进

滑台快进时，主液压缸差动连接，进油路上的元件有三位四通阀和单向阀，回油路上油液通过二位三通阀,由原理图及表6可以推算出通过的流量分别为28.3L/min和27L/min，忽略去溢流损失，可得进油路上的总压降为：

222??27??28.3??57.9????0.5????0.3?????0.28Mpa ??pv??0.2???63??80??80?????较合理，可实现差动运动。

而快进时有杆腔和无杆腔压力值之差

2??29.3???p??0.5?????0.1Mpa

?63?????与所设值0.3Mpa有过大差距，应进行修正，即

p1?[(F/?m)?A2?p]/(A1?A2)?1.08Mpa

②主液压缸工进

滑台工进时，油液在进油路上通过电磁换向阀进入油缸的无杆腔，最大流量为1.5L/min，同时有溢流，溢流流量为26.8L/min;油液在回油路上通过电磁换向阀的流量为0.75L/min，在调速阀处的压力损失为0.8Mpa后，通过电磁换向阀流回油箱，流量为0.75 L/min。 这时，液压缸回油腔的压力的p2为

22??0.75??26.8??p2??0.8?0.5????0.5?????0.85Mpa

6363????????与之前所设值1Mpa出入较大，应修正

Fp1?进油路上的压力损失

?m?p2A2A1?2.70Mpa

??pv?0.5(0.8/100)2?0.3(19.94/63)2?0.03Mpa

故溢流阀的调压P﹥2.75+0.5=3.25MPa

③主液压缸快退

滑台快退时，油液在进油路上通过电磁换向阀的流量为26L/min，通过单向阀的压力损失是0.3Mpa，通过第二个电磁换向阀的流量为26 L/min，然后流入有杆腔。回油路上流过电磁换向阀的流量为55.79L/min，然后流入油箱。

在进油路上的压力损失

222??26.3??26.3??55.79??Mpa ??0.5????0.3?????0.098??pv??0.2???63??80??80?????

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