挤压机的接力器控制系统设计 精品.docx

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挤压机的接力器控制系统设计精品

接力器控制系统设计

专业工程实践课题及任务

课题

简介

水压机的各种动作都是由一组专门的液压机构来控制的，分配器是这个液压机构的主体，并且一台水压机的控制系统由若干个分配器组成。

本课题设计一个分配器的驱动机构（接力器）的控制系统，开启分配器的力很大，是通过液压伺服系统驱动的。

设计一液压驱动系统及控制系统，通过闭环反馈控制，启闭分配器，实现水压机的控制。

课题任

务要求

本课题主要包括以下任务：

1、方案确定；

2、液压控制系统设计；

3、电气控制系统设计；

4、上交资料：

设计说明书，电气原理图，液压系统图。

进程

安排

第一周查阅资料、编写零件加工工艺。

第二周确定结构设计方案。

第三周编写设计计算说明书，绘制总装图和零件工作图。

第四周整理，校核，验算，上交资料。

参考

资料

1、机械设计手册

2、《125MN挤压机操纵控制系统设计与研究》汪顺民中南大学

3、老虎工作室姜勇编著

AutoCAD2006基础培训教程人民邮电出版社2006.1

4、机床电器与PLC李伟西安电子科技大学出版社

5、机械制图刘海渔杨晓红湖南大学出版社

6、液压与气动技术孙涛中南大学出版社

摘要………………………………………..

第一章绪论……………………………..

1.1课题背景……………………………..

1.2挤压机的技术现状…………………….

1.3发展趋势…………………………

1.4控制系统特色……………………..

小结…………………………..

第二章接力器液压驱动系统设计………….

2.1挤压机的工作原理

2．2液压驱动系统简介………………….

2.2.1溢流阀、节流阀、换向阀、控制阀各种阀的选择

2.2.2液压驱动系统的工作原理…………………….

2.2.3液压泵的选择、工作环境……………………

2.2.4液压驱动系统的安全性……………

小结…………………………………..

第三章接力器控制系统设计………………（主要设计分配器凸轮转角控制）

3.1控制系统简介…………………….

3.1.1控制系统的要求…………

3.1.2……………………………………………………

3.1.3控制系统的安全性……………

3.1.4控制系统运行环境…………………………….

小结……………………….

结束语，鸣谢………………………………………..

参考文献………………………………………

附录………..……………………..…………….

摘要

125MN挤压机的分配器由“水控水”到“电控水”到现在的“油控水”这一路历史性的改革意味着我国挤压机不断的更新，与国际接轨，控制系统的更新是必不可少的一部分。

因此，针对操作控制方式进行了多次调查，发现系统已呈现了明显的老式化、落后，挤压机的可靠性得不到保证。

对操纵控制方式进行了深入研究，决定对其进行改造，将原来的电动单元组合模拟仪表控制系统改造为现场总线控制系统。

通过PLC控制油压系统驱动执行油缸，以实现分配器阀的正确动作;由检测系统检测凸轮驱动机构的实际位置，反馈给控制系统，以实现闭环控制;检测系统还检测系统的其它物理量，用以监视挤压机的工作情况。

系统改造遵循以下原则:

1、完全满足系统的原有功能

2、系统的控制精度、响应速度等特性都大幅度提高

3、系统可靠性提高

4、实现自动操作

关键词：

挤压机操纵控制系统油控水PLC现场总线

主要内容

备注

第一章绪论

1.1课题背景

“125MN挤压机的接力器控制系统设计”的背景是西南铝业集团有限公司“125MN挤压机现代化配套改造”的项目。

本设计主要针对125MN挤压机接力器控制系统改造，是其改造之一。

经多次市场调查，125MN挤压机是我国目前最大的挤压机之一，是西南铝业集团有限公司锻造分厂的主要生产设备，在我国国防建设与经济建设中起着至关重要的位置。

该挤压机出世于20世纪60年代，由沈阳重型机床厂设计和制造，突破了历史性的发展，成为了我国第一台生产的大型设备。

125MN挤压机为卧式四缸四柱式带孔系统结构，泵-蓄式传动方式。

挤压力分为55M/70M/125M三级，穿孔力为31.5MN。

该机主要以正向挤压为主，同时也考虑了反向挤压的可能性，主要用于生产大型铝材、铝棒材、铝管材。

科技的步伐突飞猛进，电子技术、液压控制技术成熟对实现自动化，智能化已形成了基本条件，改变落后、精度不高、效率低的弊端义不容辞。

主要内容

备注

1.2挤压机的技术现状

据不完全统计，目前全世界已投产的挤压力大于50MN的铝型材挤压机约65台左右。

我们一般称挤压力大于50MN的为大型挤压机，挤压力大于80MN的为特大型挤压机，其中泵—蓄势器传动方式较多。

我国拥有大型、特大型挤压机数量大约是20台。

在挤压机本体方面，近年来国外发展了钢板组合框架和预应力“T”型头板柱结构机架及预应力混凝土机架，大量采用扁挤压筒、固定挤压垫片、活动模架和内置式独立穿孔系统。

在传动形式方面发展了自给油机传动系统，甚至在100MN—150MN挤压机上也采用了油泵直接传动装置。

现代挤压机及其辅助系统的工作都采用了PLC（程序逻辑控制）系统和CADEX等控制系统，即实现了自动控制和等温—等速挤压、工模具自动快速装卸，乃至全机自动化控制。

近年来，我国进行了改造或者新建的一批大型挤压机，其中2005年，辽宁忠旺集团投资，西安重型机械研究所设计、上海重型机器厂有限公司制造的125MN油压双动铝挤压机。

它是目前世界上采用油压驱动的最大双动卧式铝挤压机，标志着我国重型机械设计制造进入了世界领先的水平。

在这些挤压机改造或者新建过程中，通过采用世界最先进的制造技术、挤压工艺技术、液压技术和电控技术，将其配套改造、开发成具有国际先进水平的现

代化挤压生产线，并且在改造、新建期间研制开发了一系列新设备、新机构、新工具、新工艺，并解决了许多关键技术。

主要内容

备注

1.3发展趋势

随着科技的高速发展，电子技术、计算机的应用和普及，促进了挤压设备控制系统的高度自动化，提高了挤压机速度闭环控制的精度，进一步满足了挤压工艺的要求。

挤压机在以下几个主要方面的发展将引起人们的关注:

（1）挤压设备

挤压机将向大型化、紧凑型、组装式、成套化、自动化、高效节能环保型方向发展。

（2）挤压生产全过程计算机管理

随着电子技术的发展，电子计算机进入挤压生产管理、挤压过程控制已经成为现实。

（3）新材料、新品种挤压制品的开发

在大型型材、壁板的生产方面，产品规格品种明显增加，难度加大，其特征是宽高比大、壁厚薄。

（4）挤压工艺

挤压工艺技术也将会有大的改进和发展。

高效反挤压、扁挤压、宽展挤压、组合模挤压、穿孔挤压、静液挤压、连续挤压、快速挤压等新工艺新技术将得到更广泛的应用和推广。

主要内容

备注

1.4挤压机控制系统特色

控制系统进行了改进，采用了“油控水”，“油控水”是一种较好的分配器驱动方式，操作台上操作手柄、选择开关发出控制信号，由PLC实现油压系统的控制，从而驱动执行油缸，实现分配器阀的正确动作，并由检测系统检测凸轮驱动机构的实际位置，反馈给控制系统，实现闭环的控制，检测系统还检测系统的其它物理量，用以监视挤压机的工作情况。

电控系统的改造，即将原来的电动单元组合式模拟仪表控制系统改造为现场总线控制系统。

在完全满足系统原有的要求下，系统的控制精度、响应速度等特性都大幅度的挺高，系统的可靠性得到了提高，实现了自动化操作。

小结

了解接力器控制系统的发展历史过程、背景，针对其系统设计出新的控制方法构想；着眼于现状，挤压机的技术现状；展望未来，挤压机的发展趋势；对接力器控制系统的特色得到初步的认识。

主要内容

备注

第二章接力器液压驱动系统

2．1液压驱动系统简介

125MN挤压机操纵系统中一个重要部分就是分配器，它是高压液体进入工作缸的必经之路，通过控制分配器上锥阀的开启以及开启高度来控制工作柱（活）塞的方向和移动速度。

而分配器的动作主要是靠驱动系统来控制完成。

液压驱动系统的执行部分是接力器，接力器的动作是靠液压系统驱动。

接力器的工作原理与普通的对称液压缸相似，当一端油缸通高压油，一端回油时，齿条柱塞在两端压差的作用下产生直线运动，从而带动齿轮轴的旋转。

接力器的齿轮轴通过联轴器与分配器的凸轮轴相联。

这样就能通过液压系统驱动齿轮齿条装置，带动分配器的凸轮轴旋转，从而控制分配器阀的开启和开启高度，控制水路的流向和流量，实现相应机构的不同动作。

液压系统驱动接力器柱塞的移动从而控制分配器的工作，是一个循序渐进的过程。

因此，液压驱动部分是机体的重要组成部分。

采用液压驱动系统改变了传统的继电器一接触器控制方式，人工操作启动按钮（开关），经中间执行元件（各种继电器、行程开关、热元件、接触器等），直至受控执行机构，都必须靠硬连接。

而挤压机本体庞大、机构众多、联锁关系复杂，使得接线繁多、维护量大，可靠性差。

模拟信号的传递为一对一的物理连接，信号变化缓慢，精度不高，信号传输的抗干扰能力也较筹。

液压驱动系统从某种程度上来说，消除了电动控制存在的不准确性，误差。

整机系统的精度、响应速度得到了提高，实现了分配器的准确动作。

主要内容

备注

2.1.1液压驱动系统的工作原理

液压驱动系统的原理图首先应从这个操纵系统原理图开始，了解液压系统在操纵系统中充当的角色，然后针对这角色进行设计。

操纵系统原理图：

发出操作信号

系统状态输出

液压系统在其中起着举足轻重的作用，可以说没有液压系统，分配器无法动作，执行机构实现不了工作行程。

执行机构为一个接力器油缸，接力器油缸需要一个液压驱动系统才能动作。

接力器液压驱动系统工作原理图：

驱动系统原理图解读：

若电磁换向阀13右边4YA通电，换向阀右位通，电磁换向阀16右边5YA通电，电磁换向阀13、电磁换向阀16俩者同时得电失电，没有先后顺序之分，柱塞左移，齿轮反转。

接力器的齿轮轴通过联轴器与分配器的凸轮轴相联，因此凸轮轴也反转，和接力器柱塞有着相同的转向。

进油路：

发出控制信号——电动机——过滤器1.1——避震喉3.0——变量式叶片泵4.0——单向阀6.0——高压过滤器10——开关阀8.1——单向阀6.3——节流阀12——三位四通电磁换向阀13右位——等量分流阀15——齿条柱塞液压缸17

回油路：

齿条柱塞液压缸17.1——二位二通电磁换向阀16.1——单向阀6.5——背压阀14——油箱

若电磁换向阀13左边3YA通电，柱塞右移，齿轮正转。

分配器的凸轮轴也正转。

进油路：

：

发出控制信号——电动机——过滤器1.1——避震喉3.0——变量式叶片泵4.0——单向阀6.0——高压过滤器10——开关阀8.1——单向阀6.3——节流阀12——三位四通电磁换向阀13左位——等量分流阀15.1——齿条柱塞液压缸17

回油路：

齿条柱塞液压缸17.0——二位二通电磁换向阀16.0——单向阀6.4——背压阀14——油箱

主要内容

备注

2.1.2液压泵的选择、工作环境

根据整机工况和对驱动系统的设计要求确定液压泵的类型，按照泵的最大工作压力和最大流量选择泵的规格。

（1）确定泵的最大工作压力Pp

Pp≥P1+∑△P1

驱动系统比较简单，因此△P1=0.5~1.5MPa

（2）确定泵的最大流量qvp

qvp≥K∑qvmax

一般取K=1.1~1.3qvmax为同时动作各缸所需流量之和的最大值

（3）选择液压泵的规格型号

（4）按Pp、qvp值在产品样本中选取合适的液压泵的型号与规格，为了使液压泵工作安全，泵的额

定压力可比Pp高25%~60%，额定流量qvp相当，不能超过太多，以免功率损失大。

（5）选择驱动液压系统的泵的电动机

根据驱动功率，泵转速选取，驱动系统采用的是限压式变量叶片泵，只能按流量曲线拐点功率计算。

接力器驱动系统采用了限压式变量叶片泵，可以更好地满足系统的液压流量需求，克服分配器凸轮轴转到一定的角度完成做功之后绕过死点，无溢流功率损失，系统效率较高。

限压式叶片泵需要防止铁屑、杂物等磨损叶片。

叶片对油温也有一定的要求，不能在较高的温度中旋转，油温太高油液黏度下降，在叶片泵体容积内受力不平衡使叶片发生变形，故需采取方式控制油温，使泵正常工作。

主要内容

备注

2.1.3液压驱动系统的安全性

液压驱动系统的压力必须能够满足7个分配器上锥阀的开启;液压驱动系统的流量能够使凸轮轴的旋转速度等于或者大于原来的速度，以保证系统的响应速度。

液压驱动系统需要设计2台限压式变量变，一台正常工作用，一台应急之用。

小结

了解液压驱动系统；熟悉液压驱动系统的工作环境；熟悉液压驱动系统的工作原理；掌握液压泵的选择，驱动线路的设计；对液压驱动系统中出现的安全问题能及时解决。

主要内容

备注

第三章接力器控制系统

3.1控制系统简介

分配器的控制精度要求相对较高。

分配器是通过分配器凸轮轴与接力器的齿轮轴用联轴器相连，因此，接力器的控制系统直接决定了分配器的动作准确性。

接力器控制系统用于控制接力器驱动系统，接力器的驱动系统控制分配器的情况。

接力器的驱动系统是通过液压泵、各种阀、管道组成，控制接力器的动作。

接力器控制系统其实是间接的控制各种阀的开启、闭合、流量等。

控制系统应具有一些值得信赖的地方：

（1）它具有安全卸荷，防止超调的能力。

（2）系统主回路上装有压力传感变送器和流量传感器，实时检测执行部件的参数。

油箱内的液位控制器和电接点温度表分别检测油箱内的液位高度和油液温度。

（3）系统采用一台常规工作泵和一台备用泵，可以提高系统长期连续工作的能力。

（4）电磁比例流量调节回路，电磁比例流量阀可以按输入的电信号连续地、按比例地控制液压系统的流量，有效地解决超调问题。

压力、温度补偿式调速阀可以使调定的流量不受压力（负载）及温度江作油液粘度）变化的影响。

（5）液压元件妥用集成安装种制，便干管理和系统雏护。

控制系统还应具有检测系统的设计，系统通过检测有关信号为控制系统提供反馈信息、提供控制依据。

主要内容

备注

3.1.1控制系统的要求

挤压机项目改造中，7个分配器的驱动方式靠接力器完成。

因此，接力器在整机中相应较多，接力器控制系统变得复杂，I/O配置点增多。

125MN挤压机本体庞大，机构较多，控制信号位置分散，传输距离较远，为了确保安全性，机构之间设置联锁、互锁关系。

改变了原有的控制方式，提高了挤压生产效率和加工精度，因此对控制系统也有了要求。

主要有以下几点：

（1）稳定可靠。

由于生产需要，125MN挤压机一天24小时工作，全年生产时间超过340天，这就要求控制系统稳定可靠，故障率低，维护方便。

（2）控制精度高。

125MN挤压机主要生产高精大型铝型材，产品加工精度要求非常高，相应的控制系统的控制精度也要求高。

（3）实时性好，响应速度快。

从保障挤压机安全，保证产品质量的角度，要求控制系统响应速度快，信号延迟时间短。

（4）自动控制。

挤压机自动生产能够提高生产效率，产生更大的经济效益。

凸轮轴的旋转角度采用光电编码器检测，根据工作过程中的范围不会超过一圈，选用单圈绝对式旋转编码器。

接力器驱动系统的压力通过压力传感器检测，由传感器转化为电流信号后接入到PLC的模拟量输入点。

按钮操作信号接入PLC的数字量输入点。

主要内容

备注

3.1.2溢流阀、节流阀、换向阀、控制阀各种阀的选择

在系统主回路上装有压力传感变送器和流量传感器，实时检测执行部件的参数。

主油路上装有电磁溢流阀起卸荷，保护作用。

当空气隔离式蓄能器已达到调定容积允许的压力时，主油路上的压力继电器动作，发出信号给电磁溢流阀5，电磁铁吸合，溢流阀通路，排除多余的压力能，叶片泵卸荷，长时间负荷运转的情况下，缩短了泵的寿命。

节流阀12在主油路上起调节速度的作用。

系统中单向阀多处用上，主要是控制流量的流向，在单向流量的情况下因为流量前方的压力能大而倒流。

蓄能器下安装安全球阀有利于蓄能器将余下的压力油排出，在维修不需要压力存在的时候能排完。

选择三位四通电磁换向阀13是为了在稳压的情况下，阀芯处于中间位置，满足将压力能贮存，同时也满足系统回路的要求。

二位二通电磁换向阀16与三位四通电磁换向阀13联锁关系，当三位四通换向阀得失、电时，二位二通同时得、失电，换向阀阀芯动作。

等量分流阀15能自动地将输入油液的流量按比例地进行分配，两个结构及尺寸都相同的齿条柱塞液压缸能实现同步运动。

如没有等流量、等压力能，左右两缸的压力差值会使齿条柱塞不平稳地做直线运动，传递给齿条的旋转运动也不均匀，最终导致传递给分配器凸轮轴的旋转不平稳，不能保证分配器的准确开启与关闭，对整机来说是一个致命点。

背压阀14在回路上起稳压、减少换向时的冲击，起缓冲作用，使之换向平稳。

主要内容

备注

3.1.3控制系统的安全性

整机中7个分配器由数个接力器执行驱动，接力器控制系统的安全性至关重要。

控制系统之间存在着联锁关系，用检测反馈装置对控制系统出现的失误做出判断，报警。

控制系统各电磁铁动作关联表：

电磁铁

动作

3YA

4YA

5YA

6YA

柱塞正传

+

—

—

+

柱塞停止

稳压做功

—

—

—

—

柱塞反转

—

+

+

—

主要内容

备注

3.1..4控制系统运行环境

控制系统运行环境主要是各阀、电路接点的对环境的要求。

液压油的杂质、黏度、温度影响各阀的寿命、精度等；电路接点处易成为事发点，接点处易受潮、灰尘形成短路。

主要内容

备注

小结

详细介绍了接力器控制系统原理图；熟悉控制系统各阀的作用；掌握控制系统各阀的调节；学会看系统运行环境信号灯的报警，应急处理。

主要内容

备注

结束语，鸣谢

主要内容

备注

参考文献

1、机械设计手册

2、《125MN挤压机操纵控制系统设计与研究》汪顺民中南大学

3、老虎工作室姜勇编著

AutoCAD2006基础培训教程人民邮电出版社2006.1

4、机床电器与PLC李伟西安电子科技大学出版社

5、机械制图刘海渔杨晓红湖南大学出版社

6、液压与气动技术孙涛中南大学出版社

7、湖南工业职业技术学院万方数据库平台

主要内容

备注

附录

1、接力器驱动系统原理图1张

2、主分配器阀配置原图，开启图各1张

3、125MN挤压机分配器驱动方式图1张

主要内容

备注