压力机液压及控制系统设计plc控制Word格式文档下载.docx
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四柱液压机；
液压系统；
PLC
10THydraulicPressAndControlSystemDesign
Abstract：
Thehydraulicpressisakindofmachinewhichusestheliquidstaticpressuretoprocessmetal,plastic,rubber,wood,powderandsoon.Itisusedinpressingprocessandpressformingprocess,suchasforging,stamping,coldextrusion,straightening,bending,flanging,sheetmetaldeepdrawing,powdermetallurgy,pressureequipmentandsoon.
Thehydraulicpressiscomposedoftwomainparts:
themainmachineandthecontrolmechanism.Themainpartsofthemachineincludehydrauliccylinder,beam,columnandfillingdevice.Thispapermainlycontrolmechanismdesignoffourcolumnhydraulicmachine.Thecontrolmechanismiscomposedofanoiltank,ahighpressurepump,acontrolsystem,amotor,apressurevalve,adirectionvalve,etc..HydraulicmachineusingPLCcontrolsystem,throughthepumpandtheoilcylinderandavarietyofhydraulicvalvestoachieveenergyconversion,regulationanddelivery,tocompletethecycleofvariousprocesses.
Inthisdesign,thesizeofthehydrauliccylinderisdesigned,andthehydraulicprinciplediagramisdrawnup.Hydraulicpumps,motors,controlvalves,filters,andotherhydrauliccomponentsandauxiliarycomponentsareselectedaccordingtothesizeofpressureandflow.
Keywords:
hydraulicmachine;
hydraulicsystem;
PLC
引言
液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力工作的机器。
液体压力传递原理为：
在充满液体的密闭容器中，施于任一点的单位外力，能传播至液体全部，其数值不变，其方向垂直于容器的表面。
本设计是小型四柱压力计及控制系统设计，四柱液压机的液压传动系统由动力机构、控制机构、执行机构、辅助机构和工作介质组成。
其循环过程如下：
主缸上滑块：
快速下行→慢速加压→保压延时→泄压换向→快速退回→原位停止。
顶出缸下滑块：
向上顶出→停留→向下退回→原位停止。
PLC可靠性高，抗干扰能力强,通用性强，控制程序可变，使用方便,功能强，适应面广,编程简单，容易掌握;
体积小、重量轻、功耗低、维护方便,减少了控制系统的设计及施工的工作量等特点,所以设计时我们采用PLC能集中且较方便地制造。
我国液压起步晚，液压机只有50年的发展历史，其发展趋势主要包括：
高速化，高效化，低能耗、机电液一体化、自动化、智能化、液压元件集成化。
目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，未来几年我国压力机行业的发展将会越来越好，不断的向高端市场挺进，众多压机制造厂正在不断的改进技术，争取生产研究出更加出色的控制系统。
在国内外液压机产品中，按照控制系统，液压机可分为三种类型：
一种是以继电器为主控元件的传统型液压机；
一种是采用可编程控制器控制的液压机；
第三种是应用高级微处理器的高性能液压机。
三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。
但总的发展趋势是高速化、智能化。
在国际上来看，由于技术发展趋于成熟，国内外机型无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。
良好的工艺使机器在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。
1.工况分析与计算
1.1工况分析
1.本系统中的负载压力及执行部件的自重较高，系统所需流量较高，功率损失较大，发热量大。
因此压力机的主缸设计与分析
选用双作用单出活塞缸作为执行元件，斜盘式柱塞泵作为动力元件，采用循环水冷却。
1.2工作循环
主缸（上液压缸）驱动上滑块实现“快速下行—慢速加压—保压延时—快速返回—原位停止”的动作循环
。
顶出缸（下液压缸）驱动下滑块实现：
“向上顶出—停留—快速返回—原位停止”的动作循环。
如1-1图所示。
图1-1液压机工作循环图
1.3压力机技术参数
（1）主液压缸
（a）负载
压制力:
压制时工作负载可区分为两个阶段。
第一阶段负载力缓慢地线性增加，初始压力为最大压制力的10%左右，其上升规律也近似于线性，第二阶段负载力迅速线性增加到最大压制
N。
回程力（压头离开工件时的力）:
一般冲压压力机的压制力与回程力之比为
5~10，本压力机取为10，故回程力为
滑块质量m=300kg。
（b）行程及速度
快速空程下行:
行程
，速度
；
工作下压:
，初始速度
，之后随着油缸压力的增大而减小;
（2）顶出液压缸
（a）负载:
被压件质量
液压缸采用V型密封圈，其机械效率
压头起动、制动时间:
0.2s。
1.4负载分析与计算
1.主缸分析
压力机的液压缸和压头垂直放置，其重量较大，为防止因自重而下滑:
系统中设有平衡回路。
因此在对压头向下运动作负载分析时，压头自重所产生的向下作用力不再计入。
另外，为简化问题，压头导轨上的摩擦力不计。
（1）启动：
（
）
（2）加速：
（3）快速下程：
（4）减速：
以上式中:
-----液压缸载荷
-----下行部件所受惯性力
-----模具质量
-----活塞速度变化量
-----活塞缸速度变化所用时间。
2.确定主液压缸结构尺寸
根据有关资料，压力机的压力范围为2030MPa，现有标准液压泵、液压阀的最高工作压力为25MPa，如选此压力为系统工作压力，液压元件的工作性能会不够稳定，对密封装置的要求以较高，泄漏较大。
参考系列中现己生产的其它规格同类压力机所采用的工作压力，本机选用工作压力为22MP柱塞缸内径D可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。
（1）主液压缸内径D：
-----最大总载荷；
-----工作压力
根据GB/T2348-1993
主液压缸内径D值取圆整
主液压缸活塞杆径d:
根据GB/T2348-1993，主液压杆活塞杆直径取标准值
（2）主液压缸有杆腔面积
：
（3）主液压缸无杆腔面积
（1）活塞的稳定性校核
活塞杆总行程为55mm，活塞杆直径为6mm，
，因此不需要进行稳定性校核。
（2）负载流量计算
（3）负载压力计算
（4）液压缸各工作阶段的压力流量及功率见表2-1。
表1-1
液压缸各工作阶段的压力流量及功率
工况
压力P/（L/min）
流量q/（L/min）
快下
工进
18.32
（8）活塞杆缸筒长度
活塞长度B=（0.6~1.0）D=0.8
10=8mm；
导向套长度A=（0.6~1.5）d=1.0
6=6mm；
故主液压缸缸筒长度=L+B+A+
=834+
（mm）
-----活塞密封长度和特殊需要的其他长度
2.液压系统的设计
2.1执行元件类型的选择
根据设计要求，液压机要实现“空程快速下降—慢速下降加压—保压—卸压及回程—停止”的工作循环，故采用液压传动方式来实现，采用液压缸作为执行机构。
液压机的主传动系统由于所用的工作液体压力较高，流量较大，故一般多采用柱塞式液压泵。
由于直轴式轴向柱塞泵额定工作压力及容积效率均比较高，流量容易调节，变量方式也较多，在我国应用较早，积累了丰富的生产和使用经验，故液压泵选用直轴式轴向柱塞泵。
2.2控制回路选择与设计
2.2.1方向控制回路
主要是控制液压系统油路中液流的通、断或流向。
该液压机主要包含换向回路和锁紧回路。
液压机在工作过程中，主要实现“空载下行—工进—回程”这三个过程，回程时需要换向。
该液压机为通用性小型液压机，加工次数较多，换向较为频繁，换向精度和平稳性要求较高，故采用电液换向阀。
锁紧回路又称为位置保持回路，其功用是使液压缸在不工作时切断其进、出油液通道，确切的保持在要求的位置上，而不会因外力作用而移动。
本液压机选用M型电液换向阀，控制泵组组成的回路来实现锁紧。
2.2.2速度控制回路
速度控制回路包括调节液压缸运动速度的调速回路以及使工作进给速度改变的速度换接回路。
调速回路是通过事先的调整或工作过程中自动调节来改变执行器的运动速度。
考虑到液压机工作时所需功率大，故采用容积调速方式，本液压机采用泵—缸式。
速度换接回路的功用是使液压执行器在一个工作循环中从一种运动速度变换成另一种运动速度。
该液压机主要是实现从空载快速下行到慢速工进加压的速度转换。
为了自动实现“空程快速下降—慢速下降加压—保压—卸压及回程—停止”这一工作循环，采用行程开关、电磁换向阀和液控单向阀来实现顺序动作。
2.2.3压力控制回路
压力控制回路的作用主要是控制液压系统整体或某部分的压力，以使执行元件获得所需的力或力矩、或保持受力状态的回路。
溢流阀在此系统中实际就起安全保护阀的作用。
在压力调定回路中，溢流阀呈常开状态，起溢流和维持回路压力恒定作用。
回路的压力靠溢流阀调定，并在不断的溢流过程中保持回路的压力基本稳定。
保压回路的功用是使系统在液压缸不动或仅有微小的位移下稳定地维持住压力。
2.2.4液压油源回路
液压油源回路是液压系统中提供一定压力和流量传动介质的动力源回路。
按照工作液体循环方式的不同，液压系统回路可分为开式回路和闭式回路。
该液压机结构空间尺寸较大，直轴式轴向柱塞泵自吸能力也比较强，液压机为通用型液压机，结构尽量设计简单通用，所以选用开式系统。
2.2.5液压系统的合成
根据系统的设计要求和工况图，确定基本回路，将液压系统的主回路和基本控制回路组合起来，就构成了液压系统。
如图2-1。
1—过滤器
2—变量泵
3-定量泵4、5-溢流阀
6、15—三位四通电液向阀7—二位三通电磁换向阀
8、16—单向阀
9—压力表
10-卸荷阀（带阻尼孔）11-充液阀（带卸载阀芯）
12、18—液压缸13、17、19-顺序阀14—液控单向阀①②③④⑤—行程开关
图2-1
液压系统图
图2-11即为液压机的液压系统原理图，可实现空程快速下降、慢速下降、工作加压、保压、卸压回程、浮动压边及顶出等动作。
图2-4油路控制原理图中电磁铁动作顺序见表2-4。
表2-1
电磁铁动作顺序表
油缸
动作名称
电磁换向阀
电动机
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
1D
主缸
电机启动
+
快速下行
减速加压
保压
卸压回程
回程停止
顶出缸
顶出
退回
停止
2.3液压元件的计算和选择
根据系统要求和设计方案，选择合适的液压元件，对液压系统有很大的决定作用，所以对液压元件一定要有合理的选择。
2.3.1液压泵的选择
1.确定泵的最高工作压力
液压泵的最高工作压力就是液压缸慢速下压行程终了时的最大工作压力
=
选取
=0.5~1.5Mpa。
因为系统工况中执行元件的最高压力是13.99Mpa并且这个系统相对来说比较简单，所以本文选取压力损失为
=0.4Mpa，这时系统工况中泵最高的压力为
=17.99Mpa
2.泵的最大流量
回路系统的泄漏量和工况中执行元件的最大工作流量确定了液压系统中泵的最大供油量，即
式中K为液压系统中的泄漏或其他因素的修正系数，修正系数一般来K=1.1~1.3，小流量的时候通常取大值，大流量的时候通常取小值:
是同时动作的执行元件所需流量之和的最大值。
由工况图知快速下降行程中q为最大（q=
L/min）
由此可知，行程油缸快速下行时所需要最大的流量为153.8L/min，取修正系数K=l.l。
则
=1.1
L/min
3.选择液压泵的规格
由于液压系统的工作压力高，负载压力大，功率大。
大流量。
所以选轴向柱塞变量泵。
柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备，柱塞式变量泵有以下的特点，设计要求该系统工作效率高，发热少，能耗低，结构简单，因此该设计选择80CY（M）14-1B型，根据《液压工程手册》查得。
同时由产品样本查的此泵最大传动功率为46.7KW，此值完全能满足系统需要，排量为120mL/r，转速为1500r/min。
2.3.2辅助元件的选择
1.滤油器的选择
滤油器在选择中必须要考虑的主要因素：
过滤液的性质及与过滤材料的相容性；
通过滤油器的流量及流量的变化与波动程度；
系统的工作压力以及压力压力是稳态的还是时变的；
系统的工作温度，以及系统要求的过滤精度等。
根据上述要求，本课题选择滤油器型号:
XU-50×
200
3.油管的选择
液压系统的使用中的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，应该按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选取。
该液压系统液体工作压力为28MPa，所以应该选择能承受高压的管道，该液压系统选择钢管。
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、排出的最大流量计算。
液压缸的进出油管尺寸：
油管内径主要由油液通过的流速来确定，直径小流速高，压力损失小，甚至产生噪声和振动；
直径大，不但难以弯曲安装，而且管路所占空间加大，机器重量增加，因此要合理选择油管内径。
可有下式确定：
则油管内径：
式中Q—液体流量，
/s;
V—流速，m/s，对于压油管，取v
3～6
m/s；
对于回油管路，v
1.5～2.5
m/s。
因此管道直径计算如下：
液压泵吸油管道：
（取v=2.5m/s，q=207.24L/min）
取
液压系统压油管道：
（取v=6m/s，q=207.24L/min）
液压系统回油管道：
4.管路、管接头的选择
管接头是油管与油管，油管与液压元件之间的可拆式连接件，它必须具有装拆方便，连接牢固，密封可靠，外形尺寸小，通流能力大，压降小，工艺性好等各项要求。
管路旋入端用的连接螺纹采用国家标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。
细牙螺纹的密封性好，常用于高压系统，但需采用组合垫圈或O型密封圈进行端面密封。
液压系统中的泄漏问题大部分出现在管系中的接头上，为此对接头形式的确定，管系的设计及管道的安装应具体考虑。
这里选用卡套式端直通管接头（GB3733.1-83）,这种管接头具有结构简单，性能良好、重量轻、体积小、使用方便、不用焊接等一系列优点，是液压、气动系统中较为理想的管路连接体。
2.3.3液压系统的性能验算
液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当回路形式、液压元件及连接管路等完全确定后，针对实际情况对所涉及的系统进行各项性能分析。
主要包括计算液压回路各段压力损失、统计损失及系统效率、压力冲击和发热温升等。
1．液压系统压力损失
压力损失包括管路的沿程损失
，管路的局部压力损失
和阀类元件的局部损失
，总的压力损失为:
由于供油流量的变化，其快上时液压缸的速度为10m/min
此时油液在进油管中的流速为：
m/s
（1）沿程压力损失
设系统采用N32液压油。
室温为20℃时，运动粘度
所以有
液压油在金属管中为层流流动，则阻力损失系数
若取进，回油管长度均为0.5m,油液的密度为
，则其进油路上的沿程压力损失为：
（2）局部压力损失
局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道的具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的10%；
而后者则与通过阀流量大小有关。
本设计中通过整个阀的压力损失很小，一般忽略不计。
则总压力损失为：
959.66
110%=1055.63Pa
符合之前的假设，因此压力损失符合要求。
2.液压系统的发热温升计算
在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，且发热量最大。
为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。
一般情况下，工进时做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑工进时的发热量，然后取其值进行分析。
当v=0.4m/min时:
此时泵的效率为0.85，泵的出口压力为27.3MP，则有；
此时的功率损失为：
假定系统的散热状况一般，取
油箱的散热面积A为：
系统的温升为：
室温为20℃，热平衡温度为44.06℃，根据《机械设计手册》成大先P20-767：
油箱中温度一般推荐30℃-65℃，验算表明没有超出允许范围。
3.液压压力机控制系统设计
3.1
PLC概述
在本次设计中控制部分用可编程控制器，即PLC。
关于可编程控制器的定义，1980年，NEMA将可编程控制器定义为：
“可编程控制器是一种带有指令存储器，数字的或模拟输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。
”从定义可知，PLC也是一种计算机，它有着与通用计算机相类似的结构，即由中央处理器（CPU）、存储器（MEMORY）、输入/输出（I/O）接口及电源组成的。
只不过它比一般的通用计算机具有更强的与工业过程相连的接口和更直接的适应控制要求的编程语言。
3.2PLC控制部分设计
3.2.1控制系统采用PLC的必要性
液压压力机是压制成型的关键设备，是集机、液、电为一体的现代化高技术设备。
当前，我国的压力机设计制造技术与之前相比有显著的进步和提高。
但是其控制部分还采用传统的控制手段，例如继电器的控制系统，接线比较复杂，机械触点较多，可靠性偏低。
这些局限性和缺点都可以通过采用可编程控制器来克服和弥补。
可编成控制器（PLC）是20年代60年代末，它随着计算机的发展而发展起来，是一种新型的工业通用控制器。
它的使用非常简单、方便，能够让工程技术人员熟悉的传统继电器的梯形图进行编程，来满足设备多变的控制要求，对控制系统来说有极大的柔性、通用性，它能够取代传统的继电器控制或者是其他类型的控制器。
同时，在满足相同控制要求的工况下，能够使控制系统更加简单，便于掌握，利于控制系统的标准化、通用化和柔性化[31-32]0
实践表明，可编程逻辑控制器具有很高的可行性、通用性和非常良好的发展前景，它具有以下鲜明的特点:
1.可靠性高，抗干扰
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