机电设备液压系统的电器与PLC控制课程设计说明书 精品.docx
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机电设备液压系统的电器与PLC控制课程设计说明书精品
佛山科学技术学院
课程设计说明书
设计名称：
机电一体化综合课程设计
题目：
机电设备液压系统的电器与PLC控制
学生姓名：
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学号：
指导教师：
日期：
年月日
课程设计任务书
机械设计制造及其自动化专业年级班
一、设计题目
机电设备液压系统的电器与PLC控制
二、主要内容
设计一台小型液压机的液压系统，要求实现快速空程下行—慢速加压—保压—快速回程—停止的工作循环。
快速往返速度为v1=3m/min，加压速度为v2=40mm/min，压制力为F=200KN，运动部件总重量G=18KN。
快速行程380mm；慢速行程：
20mm，起动时间为0.2s。
三、具体要求
1、设计系统液压图，根据题目要求计算系统压力，并选择所有阀的型号（压力、流量等）；
2、绘制电器控制线路图，能满足基本工作要求；
3、编制PLC控制程序，能考虑整个液压系统的安全工作过程、工作速度、工作平稳性；程序包含手动、自动程序；
四、进度安排
1、阅资料，复习相关课程2天
2、熟悉力士乐电子液压控制系统4天
3、设计某台常用机械设备液压和电器控制系统10天
4、完成元器件安装、接线、调试，模拟出设备的工作过程4天
5、整理和编写说明书，准备答辩3天
五、完成后应上交的材料
1、液压系统设计实物连接图2、课程设计说明书
六、总评成绩
指导教师签名日期年月日
系主任审核日期年月日
目录
一．课程设计的主要内容和任务……………………………………………………4
二．力士乐电子液压控制系统原理…………………………………………………4
三．各系统的设计过程，考虑方案的合理性………………………………………5
3.1分析负载……………………………………………………………………5
3.2确定执行元件主要参数………………………………………………………7
3.3设计液压系统方案和拟定液压系统原理图……………………………………8
四．各系统液压原理图，电器图和梯形图…………………………………………12
4.1液压系统原理图………………………………………………………12
4.2电气控制系统原理图…………………………………………………13
五．选用的相应元器件清单…………………………………………………………17
六．结论与心得体会…………………………………………………………………22
七．参考文献…………………………………………………………………………22
八．附件…………………………………………………………………………23
一、课程设计的主要内容和任务
设计一台小型液压机的液压系统，要求实现快速空程下行—慢速加压—保压—快速回程—停止的工作循环。
快速往返速度为v1=3m/min，加压速度为v2=40mm/min，压制力为F=200KN，运动部件总重量G=18KN。
快速行程190mm；慢速行程：
10mm，起动时间为0.2s。
要求：
1、设计系统液压图，根据题目要求计算系统压力，并选择所有阀的型号；（压力、流量等）
2、绘制电器控制线路图，能满足基本工作要求；
3、编制PLC控制程序，能考虑整个液压系统的安全工作过程、工作速度、工作平稳性；程序包含手动、自动程序；
二、力士乐电子液压控制系统原理
力士乐设备说明：
为适应对液压传动与控制技术知识日益提高的要求，特别为进行职业培训和专业进修开发了液压技术实验教，学系统－TS-DS4。
基本的实验教学系统，主要由以下部分组成：
实
验台支架
（1）－配有稳固而转向灵活的承载滚轮
（2）、并集成液压动力站（3），电气开关柜（4），工具箱（5），玻璃量筒（6）和P/T分配器（7）。
结构上，可以选择或者配置2个网孔栅实验板（8）用于液压元件，或者配置2个铝型材实验板（9）用于气动元件。
或者是各选1个网孔栅实验板和1个铝型材实验板。
训练系统就在网孔栅实验板或铝型材实验板上组装，用软管连接。
液压软管的快速接头，可以使训练实验既快速又安全地进行。
有选择的提供一个负载模拟器（10），并有大量的成套组件可供选择。
这样，基本实验教学系统，可成为一个完整的、按用户要求定制的、接近实践的确保职业培训和专业进修要求的系统。
设备特点：
－用于职业培训和专业培训的实验教学系统
－适合于进行BiBB（柏林联邦职业培训研究所）所推荐的学习训练。
－设备结构坚固，稳定性好。
－低噪音运行。
－便携式，滚轮稳定而转向灵活。
－模块化结构，多种变型。
－采用REXROTH公司NG6标准阀元件。
－一目了然而又深思熟虑的设计。
－大量成套组件可供选择。
•液压传动
•故障诊断
•电控元件
•基础成套组件液压传动与电液控制
•电液比例技术
•行走机械（工程机械）液压技术
•直线控制轴
－工艺技术交叉兼容的方案构思，适用于
•液压传动与控制
•气压传动与控制
•机电一体化
－有选择的备有详细的、一目了然的
三、各系统的设计过程，考虑方案的合理性
3.1分析负载：
（一）外力负载：
因为压制力为F1=200KN，运动部件总重量G=18KN，所以外力负载为：
F=200KN-18KN=182KN
（二）惯性负载：
活塞杆的质量m=18KN/10=1800KG,快速往返速度V1=3m/min=0.05m
取加速时间t=0.2s，所以加速度:
所以惯性负载为
（三）阻力负载：
因为本系统忽略所有的静摩擦和动摩擦，所以阻力负载为0。
由上所知，液压缸在各工作阶段的负载如下表。
工况
负载组成
负载值F
工况
负载组成
负载值F
启动
静摩擦
0
工进
外负载+动摩擦
182KN
加速
惯性负载
450N
保压
外负载
182KN
快进
动摩擦
0
快退
动摩擦
0
所以负载图如下图所示
速度图如下所示。
3.2确定执行元件主要参数：
因为组合机床的最大负载约为182000N，所以液压系统取压力P1=19MPa。
因为系统要求快进快退速度相等，所以液压缸选用单活塞杆式。
这种情况下，液压缸无杆腔的工作面积A1等于有杆腔的工作面积A2的两倍，即T=A1/A2=2,并且活塞杆直径d与杆筒直径D成d=0.707D的关系。
为防止压头突然向下冲，在回油路上应设有背压P2，按书上资料取P2=0.5MPa。
由工进的负载值按书上资料计算液压缸面积
将这些直径按GB/T2348—2001圆整成就近标准值得D=0.12m,d=0.08m
由此求得液压缸两腔的实际面积为
。
经验算，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。
根据上述D和d的值，可估算出液压缸的各个工作阶段中的压力、流量和功率，如下表所示。
工况
负载
F/N
回油腔压力
P2/MPA
进油腔压力
P1/MPA
输入流量
q*10^-3/m^3*s^-1
输入功率
P./kW
快进
启动
0
—
0.805
—
—
加速
450
—
0.844
—
—
恒速
0
1.375
0.805
0.6084
0.490
工进
182000
0.6
7.767
0.0170
0.132
快退
启动
0
0
1.17
—
—
加速
450
0.6
7.34
—
——
恒速
0
1.15
0.66
0.759
工况图如下：
3.3设计液压系统方案和拟定液压系统原理图
（一）设计液压系统方案
由于该系统是固定式机床，且不存在外负载对系统作功的工况，并由工况图可知，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，所以系统采用节流调速方式和开式循环为宜。
为了防止压头突然下冲，回油路上要设置背压。
（二）选择基本回路
a.选择快速运动和换向回路
系统中采用节流调速回路后不论采用何种油源形式都必须有单独的油路直接通向液压缸两腔，以实现快速运动。
b.选择工进回路
通过在进油路和回油路上分别接入一个调速阀来调节工进过程中的运动速度。
从快进转到工进时，输入液压缸的流量从36.5l/min降至1.02l/min，速度变化较大，可选用电感式限位开关来控制速度的换接，以减少液压冲击。
当工进转为快退的时候，回路中的流量很大，进油路中流量通过39.6l/min。
为保证换向平稳，应采用电磁换向阀式换接回路。
c.选择保压回路
当快进到达预定位置时，系统处于保压状态，为实现这样的功能，系统中选用M型和O型电磁换向阀，当保压的时候，O型电磁换向阀处于中位，通过溢流阀的调节作用使整条回路处于保压状态。
（三）将液压回路综合成液压系统
将以上回路组合在一起并经过修改和整理可以组合成一个如图所示的液压系统原理图。
（四）选择液压元件
a.液压泵
液压缸在整个工作循环的最大工作压力为7.767MPa，如取进油路上压力损失为0.8MPa,则液压泵最大工作压力为
P=7.767+0.8=8.567MPa
因系统较为简单，故取泄漏系数为1.05，则液压泵实际流量为
由于溢流阀最小稳定溢流量为3L/min，而工进时输入液压缸流量为1.02L/min,故液压泵流量规格最小应为4.02L/min。
根据以上压力和流量，查阅相关产品样本，最后确定选取从CBN-E425型齿轮液压泵，其排量是25ml/r,当液压泵的额定转速是2000r的时候，输出的理论流量是25mlx2000r=50L/min，取液压泵的容积效率是0.93，则液压泵的实际输出流量是50L/minx0.93=46.5L/min。
由于液压缸在快退时输入功率最大，这时候液压泵工作压力是1.95Mpa，流量是46.5L/min,取液压泵的总效率是0.84，则液压泵的驱动电机所需要的功率是
=1.799KW
查阅电机产品样本选择Y90L-2,其额定功率是2.2KW，额定转速是2000r/min
b.阀类元件及辅助元件
根据阀类及辅助元件所在油路的最大工作压力和通过该元件的最大实际流量，可选出如下图所示这些液压元件的型号及规格。
序号
元件名称
估计通过流量/L*min^-1
确定流量
/L*min^-1
确定压力
/MPA
确定压降/
MPA
型号，规格
1
M型三位四通电磁换向阀
60
80
16
<0.5
34DYF3Y-E10B
2
调速阀
40
0.07~50
16
-
AXGF-E10B
3
O型三位四通电磁换向阀
40
80
16
<0.5
34GF-E10B
4
两位四通电磁换向阀
40
80
16
<0.5
24DYF3Y-E10B
5
溢流阀
5
63
16
-
YF3-E10B
6
背压阀
0.3
63
16
-
YF3-E10B
7
液压泵
-
46.5
16
-
CBN-E425
（五）验算液压系统性能
验算系统压力损失并确定压力阀的调整值。
因为系统为中小型的液压系统，管道压力损失很少，可以不如考虑。
压力损失的验算应该按一个工作循环中不同阶段分别进行。
1、快进
由液压原理图可知，进油路上油液通过M型三位四通电磁换向阀的流量是46.5ml/min，通过二位四通换向阀的流量是46.5ml/min，因此进油路的总压力损失为
回油路上，流经O型三位四通电磁换向阀的流量是24.3ml/min，因此回油路的总压力损失为：
2、工进
由液压控制原理图可知，工进时，进油路上油液通过M型三位四通电磁换向阀的流量是1.02ml/min，通过两位四通电磁换向阀的流量是1.02ml/min，因此进油路的总压力损失为
回油路上，流经O型三位四通换向阀的流量是0.53ml/min，因此回油路的总压力损失为：
a
3、快退
由液压控制原理图可知，快退时，进油路上油液通过4通3位阀的流量是39.6ml/min，通过4通2位换向阀的流量是39.6ml/min，因此进油路的总压力损失为
回油路上，流经4通3位换向阀的流量是75.72ml/min，因此回油路的总压力损失为：
则由此可知，溢流阀的调定压力是
P=0.245+7.767=8.012MPa
四、各系统液压原理图，电器图和梯形图
本系统由液压系统跟电气控制系统组成，以下是各系统的原理和介绍。
4.1液压系统原理图
液压回路的工作原理
工作过程：
快速空程下行——慢速加压——保压——快速回程——停止的工作循环
a）快速空程下行工作原理：
A2通电,B2通电。
进油路：
液压泵1——三位四通电磁换向阀4的左位——调速阀5——二位四通电磁换向阀7左位——液压缸8上腔。
回油路：
液压缸8下腔——三位四通电磁换向阀9左位——溢流阀10——油箱2
速度通过调速阀5调节
b）慢速加压工作原理：
A2通电，B1通电。
进油路：
液压泵1——三位四通电磁换向阀4的左位——调速阀5——二位四通电磁换向阀7左位——液压缸8上腔
回油路：
液压缸8下腔——三位四通换向阀9的右位——节流阀11——三位四通电磁换向阀4左位——油箱2
速度通过调速阀5和节流阀11共同调节
c）保压工作原理：
A2通电，三位四通电磁换向阀9处于中位。
通过调节溢流阀3保持系统压力
d）快速回程：
A1通电，B1通电，C1通电。
进油路：
液压泵1——三位四通电磁换向阀4的右位——节流阀11——三位四通电磁换向阀9的右位——液压缸8下腔
回油路：
液压缸8上腔——二位四通电磁换向阀7左位——调速阀6——油箱2
速度通过调速阀6调节
4.2电气控制系统原理图
a）电气系统由三菱FX1N-24MRPLC部分和力士乐电气系统学习板组成，下面是该系统的组成电路图以及程序梯形图。
外部信号与PLC的I/O接点地址编号对照
输入信号
输出信号
名称
功能
I/O编号
名称
功能
I/O编号
双掷开关
自动或手运行选择
X001
KM1
C1接通
Y000
SB2
手动快进
X002
KM2
A1接通
Y001
SB3
手动工进
X003
KM3
A2接通
Y002
SB4
手动快退
X004
KM4
B1接通
Y003
SB5
自动加工运行
X005
KM5
B2接通
Y004
KM6常开
快进限位
X006
KM7常开
工进限位
X007
b）PLC程序设计部分
1、手动操作
手动操作：
手动快进，手动工进，手动快退。
手动PLC程序如图所示。
控制流程：
1、将双掷开关打在手动挡。
2、液压缸在原位（最左位），按下SB2，启动手动快进功能，液压缸向左以3m/min的速度快进。
当松开SB2后，停止快进。
3、按下SB3，启动手动工进，液压缸向左以40mm/min的速度工进。
4、按下SB4，启动手动快退，液压缸向左以3m/min的速度快退。
2、自动控制
自动控制的程序图如下图所示。
其工作过程是典型的顺序控制，所以采用步进指令来实现顺序控制。
控制流程：
1、保证双掷开关在自动挡。
2、按下SB5，启动自动运行程序。
a在程序的驱动下先0.2s，然后启动快进程序段，液压缸以3m/min的速度快进
b当液压缸被感应式行程开关X6感应到时，液压缸以40mm/min的速度工进；c当液压缸被感应式行程开关X7感应到时，液压缸停止保压5S.
d保压5s后液压缸以3m/min的速度快退至原位停止。
五、选用的相应元器件清单
1.油管（若干）
2.M型三位四通电磁换向阀1个
3.O型三位四通电磁换向阀1个
4两位四通电磁换向阀1个
5.节流阀1个
6.液压缸1个
7.溢流阀2个
8.调速阀2个
9.分流器2个
10感应式行程开关2个
11电磁铁电缆若干
六、结论与心得体会
经过过几个星期的努力，终于完成了这次的综合课程设计。
设计的过程是痛苦的，也是快乐的。
在设计的过程中，必须要查阅大量的资料，而且要进行大量的计算。
很多时候，几经艰苦把原理图给画了出来，等到实际操作起来后，却发现有些元件是在实验室找不到的。
在连接元件的时候很考虑人的细心和耐性，一个不小心就会连接错误。
想要设计一个正确的系统，必须要有宏观且紧密的思维，不能忽略任何微小的错误，要不然就会造成蝴蝶效应。
在设计的程中，我深深地感受到人要懂得放弃，当所选择的方案行不通时，一定要放弃，不能钻牛角尖。
同时我也体会一个人的力量是有限的，在遇到想不懂的问题时，一定要向别人请教。
总之，设计的过程就是一个慢慢探索，逐渐成功的过程。
经过这一次的综合课程设计，我的专业知识水平有了很大的提高，同时对力士乐电子液压控制系统的使用有了很好的认识。
我坚信这次的综合课程设计将会对我以后的工作道路产生巨大影响。
七、参考文献
1.力士乐液压技术教学培训系统TS-DS4手册
2.王积伟，液压与气压传动。
北京：
机械工业版社，2006.1
3.李粤，液压系统PLC控制。
北京：
化学工业出版社，2009.8
4.史国生，电气控制与可编程控制器技术。
北京：
化学工业出版社，2010.5
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