机电液课程设计说明书终极版.docx

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机电液课程设计

题目:

设计一台加工气缸底面钻床的机电液控制系统

班级学号:

机械133班

所在学院:

机械工程学院

姓名:

毛俊豪李佳翱黄益聪陈仲恒文银寇广鹏

指导教师:

董华军

结束日期:

2016年7月19日

前言 3

1.设计内容与设计要求：

2.设计方法与步骤 3

第一章钻床机械系统的设计与计算 5

1.钻床整体分布图 5

2.机械部分相关参数 5

3.同工况下液压缸载荷和速度的分布 6

第二章钻床液压系统的设计与计算 8

1.工作液压缸的计算和选择 8

2.夹紧缸的计算和选择 9

3.工况分析 10

4.拟定液压原理图 12

第三章钻床液压元件及液压装置的机构设计 14

1.液压泵和电动机的选择 14

2.阀类元件的选择 14

3.油管 15

4.油箱的选择 16

第四章钻床控制系统的设计与计算 18

1.电磁阀磁铁动作表 18

2.电磁阀磁铁运动过程 18

3.控制系统 19

总结 23

参考文献 24

前言

液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。

通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程，不同方向的动作。

完成设备不同的动作需要。

液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到越来越广泛的应用，而且越来越先进的设备，其应用液压的部分就愈多。

所以像我们这样的大学生学习和亲手设计一个液压系统是非常有意义的。

液压传动是用液体来传递能量，具有以下几个优点：

易于获得较大的力或力矩，功率重量比大，易于实现往复运动，易于实现较大范围的无级变速，传递运动平稳，可实现快速而且无冲击，与机械传动相比易于布局和操纵，易于防止过载事故，自动润滑、元件寿命较长，易于实现标准化，系列化。

而且随着可编程控制器（PLC）技术的发展，把PLC控制技术应用于起重机液压装置的控制中，取代原有的液压装置控制线路。

简化了电器控制电路，提高了可靠性，取得了很好的使用效果。

并且易于修改控制程序，提高了控制系统的可扩展性。

1.设计内容与设计要求：

1.控制要求：

液压系统要求完成的工作循环是：

工件定位——工件加紧——进给缸快进——进给缸工进——进给缸快退到原位——工件松开——拔出定位销。

2．设计参数

工件的定位、加紧都采用液压控制，运动部件重质量为9800N。

快退与快进速度都为6m/min，快进行程为100mm，工进速度为60～1000mm/min，工进行程为50mm,最大切削力为30468N，采用平面导轨，往复运动加减速时间为0.2s，加紧力为152340N，采用两个加紧缸，加紧缸行程为20mm，加紧时间为1s。

3．设计任务

（1）对系统进行工况分析（含负载分析、速度循环分析、负载循环分析）；

（2）按要求计算和设计液压系统，并绘制液压系统图；

（3）绘制进给液压缸装配图和油箱装配图（含电动机与液压泵的连接等）;

（4）编写设计说明书一份（含液压系统设计、控制线路设计、直流电机调速实验报告等）;

2.设计方法与步骤

首先对机电液系统功能进行分解，综合应用机械技术，电子技术和液压与气压传动技术的各自优势，力求系统结构构成简单模块化。

设计策略如下：

（1）减少机械传动部件，使机械结构简化，体积减小，提高系统动态性能与运动精度；

（2）注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上重新设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发进度；

（3）充分应用硬件功能软件化原则，使硬件组成最简单，使系统只能化；

（4）以液压系统及plc控制系统为核心的设计方案；

第一章钻床机械系统的设计与计算

机械系统是机电液系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支撑部件。

机械的主要功能是完成机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。

1.钻床整体分布图

本钻床是用来加工气缸，在气缸底部钻孔，所以设计成卧式机床，钻台移动进给，夹具采用双缸夹紧，四爪卡盘，这样可以实现夹紧和定位，钻床关键部位分布图见图1-1。

图1-1钻床整体分布图

2.机械部分相关参数

计算各部件质量、位移、速度和力的大小。

钻床的工进、快进、夹紧都属于机械移动系统，故可按运动学方程计算各参数。

移动部件总质量m总=980kg

快进加速度大小a快进=0.5m/s

运动部件总重G=9800N

快进、快退速度V快进=V快退=100mm/s

快进行程L快进=100mm

工进速度V工进=1~17mm/s

工进行程L工进=50mm

工进时阻力（切削力）Fw=30468N

夹紧力F夹紧=152340N

夹紧行程L夹紧=20mm

夹紧速度V夹紧=20mm/s

3.同工况下液压缸载荷和速度的分布

液压缸推动钻台移动，实现快进、快退和工作进给，液压缸受到的载荷随工况变化而变化，而且启动时受到的摩擦力为静摩擦，运行后为动摩擦，计算过程见表1-2，随工况变化，液压缸受到的作用力和速度均在变化，详细见图1-3和图1-4。

表1-2工作缸在各工作阶段的负载

工况

负载组成

负载值F/N

启动

F=Fs1+Fa+Ff+Fb

4686

加速

F=Fs2+Fa+Ff+Fb

3886

快进

F=Fs2+Ff

2186

工进

F=Fw+Ff+Fb+Fs2

33846

快退

F=Fs2+Ff

2186

图1-3速度图图1-4受力图

第二章钻床液压系统的设计与计算

液压系统的设计与主机的设计是密切相关的，首先应满足主机的功能要求：

主机拖动、动作要求、循环要求等；其次还应符合结构组成简单、工作安全可靠、使用维护方便、体积小重量轻等要求。

因此，液压系统的设计应遵循从总体到细部的原则，首先从分析机械系统开始，充分理解、分析设计要求，然后做出液压系统总体方案设计，设计出液压系统原理图，并对液压系统中所涉及到的液压元件进行选择。

1.工作液压缸的计算和选择

工作负载

Fw=30468N

液压缸所需推动负载总质量m：

G=9800N

m=Gg=98009.8=1000kg（2-1）

计算惯性力：

液压缸推动钻台运动时有速度变换，则会带来惯性力，根据牛顿第二定律可知其惯性力可由公式F=m*a计算。

快进时速度最大变化量:

∆V=0.1m/s

速度变化时间：

∆T=0.2s

则惯性力为：

Fa=m*a=m*∆V∆T=1000*0.10.2=500N（2-2）

计算密封阻力：

缸的密封阻力折算为密封阻力所需的等效压力乘以液压缸有效面积，采用Y型结构密封，则等效密封压力Peg=0.2MPa；缸的有效面积粗估值为80cm2

则密封力为：

启动时：

Fs1=Peg*A1=2*105*80*10-4=1600N（2-3）

运行时：

Fs2=Fs12=16002=800N（2-4）

计算导轨摩擦阻力：

V形块夹角α取：

α=90°，取摩擦系数ｆ=0.1，

则摩擦阻力Ff为：

Ff=Gsinα2*ｆ=1386N（2-5）

计算回油背压阻力Fb:

液压缸运行中位了防止液压缸受外力作用而滑动需要在回油路上设置一定的压力，压力作用在无杆腔。

背压压力Pb取Pb=0.3MPa。

动力滑台要求快进快退速度相等，则液压缸可选单活塞杆式。

并在快进时作差动连接，这无杆腔工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，即A1A2=2。

则有杆腔面积A2=40cm2

背压阻力Pb为：

Pb=Pb*A1-A2=1200N（2-6）

则作用在活塞缸上总载荷

F=Fw+FS+Ff+Fb=30468+800+1386+1200=33584N（2-7）

钻床为半精加工机床，系统工作压力取P=4MPa。

则无杆腔有效面积A1为：

A1=FP=0.0084m2（2-8）

D=4A1π=4×0.008463.14=0.1038m（2-9）

有杆腔面积A2为：

d=D2=0.10381.414=0.7276m（2-10）

直径按GB/T2348—2001圆整成标准值为：

D=100mm

d=70mm

行程L=200mm

液压缸各腔实际面积为：

A1=π×D24=7850mm2（2-11）

A2=π×d24=3846.5mm2（2-12）

计算实际工作压力：

P实=FA1=4.3MPa（2-13）

由于钻床工作时需做低速进给运动，在确定油缸活塞面积A1之后还必须按最低进给速度验算油缸尺寸，即油缸有效工作面积A1应满足：

A1≥QminVmin（2-14）

式中：

Qmin为流量阀最小稳定流量取50ml/min

Vmin活塞最低进给速度取60mm/min

>A1满足条件

2.夹紧缸的计算和选择

夹紧时负载

Fw=1523402=76170N（2-15）

管道中沿程压力损失按0.3MPa计算

回油背压压力Pb=0.3MPa

工作压力P=4.3MPa

有效工作面积A1=FwP-Pb=761704×106=0.01904m2（2-16）

计算无杆腔直径D=4A1π=4×0.019043.14=0.155m（2-17）

取标准值D=160mm

有杆腔液压杆直径d=50mm

则无杆腔面积A1=π×D24=200cm2（2-18）

有杆腔面积A2=π×（D2-d2）4=180cm2（2-19）

夹紧缸行程L夹紧=40mm

3.工况分析

液压系统要求完成的工作循环见图2-1。

进给缸工进

进给缸快进

工件加紧

工件定位

快进缸退回到原位

拔出定位销

工件松开

图2-1工作循环图

计算各工况所需要的油源压力：

设管道中压力损失为0.3MPa,差动连接时出口压力比进口压力高出0.2MPa，液压缸的机械效率取ηm=0.96

快进：

P进口×A1-P出口×A2=Fηm（2-20）

P进口+0.3=P出口

则：

P进口=0.6MPa

P出口=0.9MPa

工进：

P工进进口×A1-P工进出口×A2=F总ηm（2-21）

工进出口压力为背压压力取0.3MPa

则：

P工进进口=4.5MPa

快退：

P进口×A2-P出口×A1=Fηm（2-22）

出口压力也为背压压力

则：

P进口=1.2MPa

夹紧：

夹紧时压力与工进时压力相等。

计算各工况所需流量：

快进时采用差动连接，液压缸速度为100mms

Q快进=A1-A2×V快进（2-23）

Q快进=100×4003.5=400.35mls

经单位换算后得：

Q快进=24.021Lmin

工进时：

Q工进=A1×V工进（2-24）

Q工进=7850×9=70mls

经单位换算后得：

Q工进=4.2Lmin

快退时与快进时所需流量一样Q快退=24.021Lmin

夹紧：

Q夹紧=2A1×V夹紧（2-25）

Q夹紧=48Lmin

经过分析计算得出各工况下液压缸实际压力、负载、功率见图2-2

表2-2各工况下液压缸实际压力、负载、功率

工况

负载

回油腔压力P2/MPa

进油腔压力P1/MPa

输入流量

Q/10-3m3/min

输入功率

p/Kw

夹紧

76170

0.3

4.5

48.0

快进

启动

4686

0.6

24.0

0.24

加速

3886

恒速

2186

工进

33846

0.3

4.5

4.2

0.61

快退

启动

4686

0.3

1.2

24.0

0.48

加速

3886

恒速

2186

松开

0.3

4.拟定液压原理图

由于该机床为固定式机床，不存在外负载对系统做功的工况，且液压系统的功率较小，钻台移动速度较低，工作负载变化小，系统采用节流调速方式和开式循环，采用进油路节流调速回路。

从表2-2可知液压缸要求油源交替的提供低压大流量和高压小流量，夹紧缸只有在夹紧一瞬间才需要高压，所以采用大小两个液压泵自动两级并联供油的供油方案。

液压原理图见图2-3。

图2-3液压系统原理图

1.液压泵；

2.单向阀；

3.溢流阀；

4.顺序阀；

5.溢流阀；

6.单向阀；

7.单向阀；

8.三位五通液电换向阀；

9.调速阀；

10.二位二通换向阀；

11．工作液压缸；

12.液控溢流阀；

13.单向阀；

14.三位四通换向阀；

15.夹紧液压缸；

16.夹紧液压缸；

17.调速阀；

第三章钻床液压元件及液压装置的机构设计

1.液压泵和电动机的选择

由表2-2可知系统所需流量的最大值与最小值相差8倍，且需要高压小流量低压大流量，所以采用双泵供油，并考虑液压泵存在容积损失，最后确定选取PV2R12-6/52型双联叶片泵。

其小流量泵和大流量泵的排量分别为6mL/r和41mL/r,当液压泵的转速为时，其理论流量为54.76L/min，若取液压泵容积效率η=0.9

QP=6+52×9601000=54.76Lmin（3-1）

由表2-2可知在工进时所需功率最大为0.6kw，考虑到液压管道中的能量损失和液压系统的泄露、元件的效率取电动机功率为有效功率的3倍。

查阅《机械设计手册》取电动机型号为Y112M-6型电动机，额定功率为2.2KW，额定转速为940r/min，额定电压为380V。

2.阀类元件的选择

液压系统的核心部件确定之后还要对其他组成元件进行选择，考虑到对性能的要求和维修的便捷选取通用的阀类元件，各元件的名称和参数见表3-1。

序号

元件名称

额定流量/（L/min）

额定压力

型号规格

双联叶片液压泵

54.76

6.4

PV2R12-6/52

单向阀

AF3—Ea10B

溢流阀

YE3—E10B

顺序阀

XF3—E10B

溢流阀

YE3—E10B

单向阀

AF3—Ea10B

单向阀

AF3—Ea10B

三位五通电液阀

35DYE3Y—E10B

调速阀

0.07~50

AXQF—E10B

二位二通换向阀

工作液压缸

液控卸荷溢流阀

单向阀

AF3—Ea10B

三位四通换向阀

34SM-B20H-T/W

夹紧液压缸

调速阀

0.07~50

AXQF—E10B

表3-1各元件的规格

3.油管

各元件间连接管道的规格按液压元件接口处的尺寸决定，液压缸进、出管则按输入、排除的最大流量计算。

由于液压泵选定之后液压缸在各个工作阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算，结果表3-2所示：

表3-2液压缸的进、出流量

工况

快进

工进

快退

输入流量/（L/min）

q1=A1qpA1-A2=

78.5×24.078.5-38.46=47.05

q1=4.2

q1=24.0

排出流量/（L/min）

q2=A2q1A1=

38.46×47.0578.5=23.05

q2=A1q1A2=

78.5×4.238.46=2.1

q2=A2q1A1=

24.0×38.4678.5=11.8

运动速度/（m/min）

v1=qpA1-A2=

24.0×1078.5-38.46=5.99

v1=qpA1=

4.2×1078.5=0.53

v1=q1A2

=24.0×1038.46=5.89

由上表可以看出，液压缸在各个工作阶段的实际运动速度符合设计要求。

根据上表的数值，并按推荐取油液在压油管的流速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/（πv）=2×（47.05×106/60）/（π×3×103）=18.24mm（3-2）

d=2×（24.0×106/60）/（π×3×103）=13.46mm（3-3）

这两根油管都按GB/T2351—2005选用内径=20mm、外径=24mm的冷拔钢管。

4.油箱的选择

油箱必须有足够大的容量，以保持系统工作时能保证一定的高度，在最高液面上要留出等于油液容量的10%～15%的空气容量，本系统管路较短不必考虑液压系统停止工作时油液自由流回油箱的体积，按照经验公式确定油箱容积：

油箱容量经验公式为：

V=a×Q（3-4）

对于低压系统a取2～4

V=4×48=192L

按GB/T7938—1999规定，取最靠近的标准值V=250L。

第四章钻床控制系统的设计与计算

1.电磁阀磁铁动作表

液压系统要完成夹紧、快进等工况，根据液压原理图，各工况下按钮和换向阀的动作如表4-1所示。

表4-1电磁阀动作顺序表

电磁铁

工况

YA1

YA2

YA3

YA5

YA6

转换主令

夹紧

SB2

快进

SB4

工进

SB6

快退

SB5

松开

SB3

停止

SB7

2.电磁阀磁铁运动过程

输入输出接口在控制系统（plc）中的位点见表4-2

表4-2输入输出点

输入电器

输入点

输出电器

输出点

启动按钮SB1

0001

继电器YA1

0501

停止按钮SB7

0007

继电器YA2

0502

夹紧SB2

0002

继电器YA3

0503

松开SB3

0003

继电器YA5

0505

快进SB4

0004

继电器YA6

0506

快退SB5

0005

电动机

0500

工进SB6

0006

a.夹紧：

YA5得电，压力油经过调速阀17进入夹紧缸的下腔，推动活塞杆向上运动，回油通过单向阀13流入油箱，实现夹紧。

b.快进：

YA1得电，压力油通过油管到达主液压缸无杆腔，液控单向阀4关闭，回油通过单向阀6与压力油相连接，实现差动连接，实现快进，主液压缸向上运动。

c.工进：

YA1、YA3得电，压力油通过调速阀9进入主液压缸无杆腔，主液压缸向上运动；此时液控单向单向阀4开启，回油通过液控单向阀4流经溢流阀5流入油箱。

液控单向阀的调定压力应大于无负载时的压力油压力，小于有负载时的压力油压力。

d.快退：

YA2得电，压力油经过油管到达主液压缸有杆腔，回油通过单向阀7流回油箱，主液压缸向下运动。

e.松开：

YA6得电，压力油进入夹紧缸的上腔，推动活塞杆向下运动，回油流经调速阀17单向阀13流入油箱，实现松开。

3.控制系统

钻床液压系统功能简单所需要的控制接口少，由此使用通用型C20P型plc，plc的接线端子图、T形图、语句变分别见图4-3、图4-4、表4-5。

图4-4PLC程序梯形图

图4-3plc接线端子图

表4-5PLC程序语句表

0001

0500

ANDNOT

0007

OUT

0500

AND

0002

TIM

#0010

0500

AND

0003

TIM

#0010

0500

AND

TIM00

ANDNOT

0506

OUT

0505

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