擠壓脹形機(jī)液壓及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含7張CAD圖紙】

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20 14屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)書(shū) 系(部)：機(jī)電工程系 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 職稱 講師 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 班級(jí) 課題名稱 擠壓脹形機(jī)液壓及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 內(nèi) 容 及 任 務(wù) 為了實(shí)現(xiàn)波形彈性管的自動(dòng)化加工,設(shè)計(jì)擠壓脹形機(jī)加工波形彈性管的成形工藝、工作原理、液壓控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng),重點(diǎn)設(shè)計(jì)可編程控制器控制程序,給出相應(yīng)程序的順序功能圖及外部接線圖。 擬 達(dá) 到 的 要 求 或 技 術(shù) 指 標(biāo) 技術(shù)參數(shù)： 項(xiàng)目 符號(hào) 參數(shù) 單位 工件 外徑 D 24 mm 內(nèi)徑 d 20 mm 加速行程 S 0.1 m 一次工進(jìn)速度 V1 35 mm/s 一次工進(jìn)負(fù)載 F1 60000 N 二次工進(jìn)速度 V2 30 mm/s 二次工進(jìn)負(fù)載 F2 70000 N 其他 不計(jì)導(dǎo)軌摩擦力 完成的工作量： 1）撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告。 2）撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份。 3）完成設(shè)計(jì)圖紙折合A0圖紙1.5張以上。 4）專業(yè)文獻(xiàn)資料檢索15篇以上 進(jìn) 度 安 排 起止日期 工作內(nèi)容 第七學(xué)期末 熟悉課題、調(diào)研、收集資料、翻譯文獻(xiàn), 完成開(kāi)題報(bào)告 第八學(xué)期1-4周 畢業(yè)實(shí)習(xí) 第八學(xué)期5-8周 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 第八學(xué)期9-10周 完成系統(tǒng)電氣控制原理圖、氣壓或液壓原理圖 第八學(xué)期11-13周 完成機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙 第八學(xué)期14-16周 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，檢查圖紙和論文的格式、規(guī)范等是否符合統(tǒng)一要求 第八學(xué)期17周 準(zhǔn)備答辯 主 要 參 考 資 料 [1] 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.1 [2] 王信義等.機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.2 [3] SMC（中國(guó)）有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)(第二版), 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5 [4] 陳立定.電氣控制與可編程序控制器的原理與應(yīng)用, 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.9 [5] 廖常初. 可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用，重慶:重慶大學(xué)出版社,2001.2 [6] 王積偉.液壓傳動(dòng)(第二版), 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.12 教研室 意見(jiàn) 簽名： 年 月 日 系(部)主管領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn) 簽名： 年 月 日 注：本任務(wù)書(shū)一式三份，由指導(dǎo)教師填寫(xiě)，經(jīng)教研室審批后一份下達(dá)給學(xué)生，一份由指導(dǎo)教師保留，一份交系部存檔。 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目：擠壓脹形機(jī)液壓及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）：XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 專 業(yè)： XXXXXXXXXX 學(xué)生姓名： ****** 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： ****** 職 稱： ***** 2014年 X月X日 XXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 摘 要 可編程控制器(PLC )作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定可靠。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。取得了理想的控制效果。 本論文以擠壓脹形機(jī)的控制系統(tǒng)為背景，理論與實(shí)踐相結(jié)合，詳細(xì)闡述了可編程控制器PLC技術(shù)在擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。論文主要內(nèi)容如下：確定擠壓脹型機(jī)液壓原理圖，概述了可編程控制器PLC的現(xiàn)狀及其在擠壓脹形機(jī)控制上應(yīng)用的可能性和前景；通過(guò)對(duì)擠壓脹形機(jī)控制流程的了解，統(tǒng)計(jì)其輸入輸出I/O點(diǎn)，然后進(jìn)行PLC選型，程序的仿真設(shè)計(jì)；本文利用三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列PLC和其編程軟件GX Developer軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)和仿真。 關(guān)鍵詞：可編程控制器，擠壓脹形機(jī)，液壓原理圖 Abstract Programmable logic controller (PLC) as the core device of the control system, powerful, stable and reliable performance. Has been widely used in modern industrial automation production. Has the ideal control effect. The control system in this paper, extruding and expanding machine as the background, combining theory with practice, elaborates the programmable controller of PLC technology in the application system of extruding and expanding machine control. The main contents of this thesis are as follows: to determine the hydraulic extrusion expansion machine schematics, outlined the present situation of the programmable controller PLC and its possibilities and prospects of application in extruding and expanding machine control; through the process of extruding and bulging machine control knowledge of statistics, the input and output I/O, followed by PLC selection, simulation design program this procedure using FX2N; PLC series produced by Mitsubishi Co and its programming software GX Developer software programming and simulation. Keywords: programmable controller, extruding and expanding machine, hydraulic principle diagram III 目 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 擠壓脹形機(jī)PLC控制的目的及意義 1 1.2 我國(guó)擠壓脹形機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)展 1 1.2.1傳統(tǒng)控制方式 1 1.2.2 可編程控制器控制方式 1 1.2.3 計(jì)算機(jī)控制方式 2 1.3 擠壓脹形技術(shù)敘述 3 1.4 本文的設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2 擠壓脹形機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 2.1 擠壓脹形機(jī)的工作原理 4 2.2 擬定液壓原理圖 4 2.3 動(dòng)作流程 5 2.4 擠壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 2.4.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 6 2.4.2 油缸效率分析 6 2.4.3 系統(tǒng)背壓的選擇 6 2.4.4液壓缸缸徑的確認(rèn) 7 2.4.5導(dǎo)向長(zhǎng)度的確認(rèn) 8 2.4.5活塞寬度的確定 8 2.4.6 缸體長(zhǎng)度的確定 8 2.4.7缸筒壁厚的計(jì)算 8 2.4.8 缸體外徑尺寸的計(jì)算 9 2.4.9 活塞桿強(qiáng)度和液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算 9 2.4.10缸筒壁厚的驗(yàn)算 11 2.4.11活塞設(shè)計(jì) 12 2.4.12密封件的選用 12 2.4.13 活塞桿的設(shè)計(jì) 13 2.4.14緩沖裝置和排氣閥 15 2.5 本章小結(jié) 16 3 集成塊的設(shè)計(jì)與制造 17 3.1集成塊的結(jié)構(gòu) 17 3.2 集成塊液壓控制裝置的設(shè)計(jì) 17 3.2.1 分解液壓系統(tǒng)并繪制集成塊單元回路圖 17 3.2.2 塊的設(shè)計(jì) 17 4 擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 22 4.1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 22 4.2 PLC和I/O擴(kuò)展模塊的選型 22 4.3 PLCI/0的分配 22 4.4 系統(tǒng)電氣控制接線圖設(shè)計(jì) 23 4.5 本章小結(jié) 25 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 5.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡(jiǎn)介 26 5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法 26 5.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫(xiě)及說(shuō)明 28 5.3.1 編寫(xiě)油泵電機(jī)啟動(dòng)程序 28 5.2.4 自動(dòng)循環(huán)步進(jìn)程序編寫(xiě) 29 5.3.3 故障復(fù)位程序編寫(xiě) 30 5.4 本章小結(jié) 31 6 程序的調(diào)試與仿真 32 6.1 仿真的步驟 32 6.2 本章小結(jié) 35 結(jié)論 36 致 謝 37 參考資料 38 附錄一 39 1 緒論 1.1 擠壓脹形機(jī)PLC控制的目的及意義 在傳統(tǒng)控制方式中，擠壓脹形機(jī)的電氣控制系統(tǒng)普遍采用接觸器和繼電器控制形式，由于采用固定接線的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯控制，致使控制系統(tǒng)存在許多缺點(diǎn)，如控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，控制精度達(dá)不到要求，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)等。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，并且各企業(yè)重視節(jié)源效益，擠壓脹形機(jī)生產(chǎn)自動(dòng)化控制水平也相應(yīng)提高和不斷深入。傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)逐漸被基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的PLC控制技術(shù)所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定且維護(hù)方便。這種PLC控制系統(tǒng)對(duì)改造傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)有普遍性意義。 擠壓脹形機(jī)設(shè)計(jì)的意義，在課題設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們能學(xué)到較多課堂上學(xué)不到的東西，在設(shè)計(jì)進(jìn)行階段指導(dǎo)老師提供了很多PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)思路，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中使受益匪淺。是我在即將離開(kāi)學(xué)校踏入社會(huì)一次重要的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。也是為以后的工作生活打下了基礎(chǔ)，在此過(guò)程中我學(xué)到電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟。這次設(shè)計(jì)是我在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下一點(diǎn)點(diǎn)親自完成，無(wú)論是在實(shí)地考察還是設(shè)計(jì)資料的查閱，都使得我們學(xué)到了很多東西。 1.2 我國(guó)擠壓脹形機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)展 1.2.1傳統(tǒng)控制方式 傳統(tǒng)的擠壓脹形機(jī)一般采用簡(jiǎn)單的繼電器、接觸器控制，控制方式多為開(kāi)環(huán)控制，即按照預(yù)先的設(shè)定值進(jìn)行控制（預(yù)先設(shè)定好各參數(shù)值，由機(jī)器在生產(chǎn)過(guò)程中加以保持）。這種控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但抗干擾能力差，控制精度低。 1.2.2 可編程控制器控制方式 20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的可編程序控制器(PLC)是一種較好的控制裝置，它由中央處理單元(CPU)、輸入輸出(I/O)、存貯器、編程器等組成?？刂瞥绦蛴捎脩糨斎氲酱尜A器中，CPU以掃描工作方式按照程序判斷輸出狀態(tài)，來(lái)實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。 我國(guó)對(duì)PLC控制裝置來(lái)實(shí)施在擠壓脹形機(jī)中的應(yīng)用大多是從對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造開(kāi)始，目前國(guó)內(nèi)的擠壓脹形機(jī)大部分采用PLC控制系統(tǒng)。采用PLC控制可以實(shí)現(xiàn)擠壓脹形機(jī)的自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)，注射成型過(guò)程的工藝參數(shù)控制也能夠得到基本保證。PLC控制主要是利用位移傳感器等進(jìn)行動(dòng)作程序和過(guò)程程序的切換，并能夠?qū)崿F(xiàn)比例壓力和比例流量控制。 同時(shí)可以進(jìn)行開(kāi)關(guān)量邏輯控制，也可以兼有模擬量(如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等)的閉環(huán)控制。借助鍵盤(pán)和液晶或數(shù)碼顯示，可設(shè)定或修改工藝過(guò)程參數(shù)，并設(shè)有預(yù)警系統(tǒng)和故障顯示指示燈以監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程，從而大大提高了整機(jī)性能。 由于PLC控制方式可使擠壓脹形機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，即按照在線測(cè)量值與設(shè)定值的偏差通過(guò)負(fù)反饋回路進(jìn)行控制，因此當(dāng)注射速度、注射壓力、模腔溫度、模腔壓力、熔體溫度和油壓等參數(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中因干擾出現(xiàn)偏差時(shí)，機(jī)器可通過(guò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)針對(duì)干擾自動(dòng)進(jìn)行修正。從而使PLC控制方式較傳統(tǒng)方式的抗干擾能力及控制精度有了很大程度的提高。 然而PLC控制方式也有其不足的地方，如它的抗干擾性、可靠性和溫度控制精度在有些時(shí)候還顯得不夠理想。對(duì)此，華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心瞿金平教授等人采用了新型的PLC裝置，即貝加萊可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)，使液壓機(jī)械式大型擠壓脹形機(jī)得到成功的升級(jí)。這是我國(guó)擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一種新思路。 1.2.3 計(jì)算機(jī)控制方式 采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制是更為高級(jí)的控制方法，這是擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 目前微機(jī)控制系統(tǒng)主要有單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)兩大類型。單機(jī)系統(tǒng)采用單板結(jié)構(gòu)可將信息的采集、轉(zhuǎn)換和處理融為一體，其結(jié)構(gòu)由A/D、D/A、數(shù)字1/0以及比例放大器或外加比例放大器構(gòu)成。北京科技大學(xué)潘誠(chéng)等人開(kāi)發(fā)的一款結(jié)合了實(shí)現(xiàn)擠壓脹形機(jī)油壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制卡和與之配套的上位機(jī)監(jiān)控軟件的系統(tǒng)就屬于這種單機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在震雄集團(tuán)(深圳)有限公司已投入試用，效果良好；多機(jī)系統(tǒng)則采用多處理機(jī)結(jié)構(gòu)和大板式設(shè)計(jì)，可將功能進(jìn)行分配，由若干CPU獨(dú)立完成相應(yīng)的工作，如其中的一個(gè)CPU專門(mén)用于協(xié)調(diào)和傳輸有關(guān)指令，并經(jīng)過(guò)并行口和串行口傳輸數(shù)據(jù)。這兩類控制器的結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，基本能夠滿足不同層次的需求。 值得一提的是，陜西科技大學(xué)徐元昌等人開(kāi)發(fā)出了一個(gè)用于多臺(tái)擠壓脹形機(jī)控制的群控系統(tǒng)方案，用PC機(jī)作為上位機(jī)并用其串行通訊口與下位機(jī)8098通訊控制擠壓脹形機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了主機(jī)指揮監(jiān)督從屬機(jī)的功能。為便于操作，該系統(tǒng)還使用了PC機(jī)操作界面作為人機(jī)接口，從而實(shí)現(xiàn)了擠壓脹形機(jī)的順序動(dòng)作和溫度、速度、壓力等工藝參數(shù)的自動(dòng)化控制。 1.3 擠壓脹形技術(shù)敘述 在航空、航天和汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量以節(jié)約運(yùn)行中的能量是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo),也是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化有兩條主要途徑:一是材料途徑,采用鋁合金、鎂合金、鈦合金和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料；二是結(jié)構(gòu)途徑，對(duì)于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu)，采用空心變截面構(gòu)件，可以減輕質(zhì)量又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。例如采用空心度(內(nèi)徑與外徑之比)0.85的空心軸代替實(shí)心軸,在同樣抗扭能力下,質(zhì)量減輕近50%。擠壓脹形正是適應(yīng)這種需求下開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種空心變截面輕體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。 擠壓脹形是以管材作坯料，通過(guò)管材內(nèi)部施加超高壓液體和軸向進(jìn)給補(bǔ)料把管坯壓入到模具型腔使其成形為所需工件。而對(duì)于軸線為曲線的零件，先在數(shù)控彎管機(jī)上彎曲到要求的形狀，經(jīng)過(guò)預(yù)成形后再放到模具內(nèi)加壓成形出零件，這種工藝適用于制造沿構(gòu)件軸線具有不同截面形狀的空心構(gòu)件,截面形狀可以為圓形、矩形或異型截面。由于所使用的壓力高達(dá)400MPa～600MPa,在德國(guó)稱為內(nèi)高壓成形IHPF(Internal High Pressure Forming);根據(jù)使用的坯料和成形介質(zhì),在美國(guó)又稱為管材液力成形THF(Tube Hydro Forming)。其通常是用管坯作為原材,通過(guò)對(duì)管腔內(nèi)施加液體壓力、軸向施加負(fù)荷作用,使其在給定模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形,管壁與模具內(nèi)表面貼合，從而得到所需形狀零件的技術(shù)。 1.4 本文的設(shè)計(jì)任務(wù) （1）對(duì)可編程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)作一簡(jiǎn)單的介紹，明確背景知識(shí)與選型根據(jù)；分析PLC在擠壓脹形機(jī)上應(yīng)用的可能性與前景。 （2）擠壓脹形機(jī)各動(dòng)作控制工藝的研究。確定液壓原理圖。了解擠壓脹形機(jī)的工作過(guò)程及工藝要求。總結(jié)各動(dòng)作順序，將其用流程圖的形式表示出來(lái)，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制做準(zhǔn)備。 （3）PLC程序的設(shè)計(jì)，包括控制方案的選取與設(shè)計(jì)、I/0接口信號(hào)的確定、模塊的選擇，控制程序的設(shè)計(jì)。 （4）控制程序的在線仿真。 39 2 擠壓脹形機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 擠壓脹形機(jī)的工作原理 在工作過(guò)程中,直接由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的部件為:擠壓油泵，由液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作有：活塞的進(jìn)給和退回。其中活塞的進(jìn)給和退回依靠雙作用液壓缸的推動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其工藝流程如下圖2-1所示： 圖2-1 擠壓脹形工藝流程 2.2 擬定液壓原理圖 根據(jù)工藝流程，擬定液壓原理圖如下圖2-2所示： 圖2-2 液壓原理圖 001 變量泵 002單向閥 003 過(guò)濾器 004 壓力表開(kāi)關(guān) 005 壓力表 006 電磁溢流閥 007 三位四通電磁換向閥 008 單向節(jié)流閥 009 二位二通電磁換向閥 010 電磁減壓閥 2.3 動(dòng)作流程 (1) 快進(jìn) 按下起動(dòng)按鈕 ,電磁鐵 1XV1 得電 ,活塞由原位快速向前推進(jìn)。 (2) 一次工進(jìn) 當(dāng)活塞接近工件時(shí),行程開(kāi)關(guān)ST1 動(dòng)作，使 2XV和3XV得電，1XV1 繼續(xù)得電，油液流經(jīng)一個(gè)節(jié)流閥 進(jìn)入擠壓缸，活塞運(yùn)動(dòng)由快進(jìn)轉(zhuǎn)為一次工進(jìn)，使工件受到軸向預(yù)擠壓，2XV得電后，調(diào)整一次工進(jìn)的壓力。 (3) 二次工進(jìn) 當(dāng)一次工進(jìn)到達(dá)ST2后，轉(zhuǎn)而進(jìn)行二次工進(jìn)，系統(tǒng)使 1XV1,3XV,4XV得電，油液順次通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)節(jié)流閥進(jìn)入擠壓缸，實(shí)現(xiàn)二次工進(jìn)。二次工進(jìn)的壓力受到電磁溢流閥控制。 (4) 保壓 當(dāng)二次工進(jìn)到位，1XV1,3XV,4XV失電，系統(tǒng)需保持一段時(shí)間不動(dòng)作，時(shí)間繼電器 T1開(kāi)始定時(shí)。 (5) 快退 當(dāng)定時(shí)到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，開(kāi)始執(zhí)行油缸退回程序，此時(shí)1XV2得電，系統(tǒng)退后，退回到位后，整個(gè)系統(tǒng)停止。 2.4 擠壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.4.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，本文給定的設(shè)計(jì)參數(shù)如下表2-1所示： 表2-1 基本設(shè)計(jì)參數(shù) 項(xiàng)目 符號(hào) 參數(shù) 單位 工件 外徑 D 24 mm 內(nèi)徑 d 20 mm 加速行程 S 0.1 m 一次工進(jìn)速度 V1 35 mm/s 一次工進(jìn)負(fù)載 F1 60000 N 二次工進(jìn)速度 V2 30 mm/s 二次工進(jìn)負(fù)載 F2 70000 N 其他 不計(jì)導(dǎo)軌摩擦力 我們擬定整個(gè)液壓系統(tǒng)的壓力位10MPA，油缸的額定推力為7000N。 2.4.2 油缸效率分析 油缸的效率由以下三種效率組成： A.機(jī)械效率，由各運(yùn)動(dòng)件摩擦損失所造成，在額定壓力下，通?？扇?0.9 B.容器效率，由各密封件泄露所造成，通常容積效率為： 裝彈性體密封圈時(shí) 1 裝活塞環(huán)時(shí) 0.98 C.作用力效率，由出油口背壓所產(chǎn)生的反作用力而造成。 一般取=0.9 所以 =0.9 =1 =0.9 總效率為 2.4.3 系統(tǒng)背壓的選擇 系統(tǒng)被壓如表2-2所示 表2-2 執(zhí)行元件背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力 P/MPa 簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2—0.5 回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 0.4—0.6 回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5—1.5 用補(bǔ)油泵的閉式回路 0.8—1.5 回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械 1.2—3 回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計(jì) 按表2-2可取p2 為0.5MPa 2.4.4液壓缸缸徑的確認(rèn) (2-1) =93.3m 按設(shè)計(jì)手冊(cè)取d/D 為0.7 ， 故 得d≈65mm 表2-3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250 表2-4活塞桿直徑系列（GB2348-80） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 根據(jù)表2-3和表2-4將這些直徑圓整成進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)得：油缸有：D=100mm 和活塞d=70mm 由此求得液壓缸面積的實(shí)際有效面積為： A1==0.00785m A2==0.0040m 2.4.5導(dǎo)向長(zhǎng)度的確認(rèn) 當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支承面中點(diǎn)距離為H，稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 圖2-3液壓缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度 對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度應(yīng)滿足： 式中：—液壓缸的最大行程(mm) 設(shè)計(jì)要求=200mm —液壓缸內(nèi)徑(mm) 取H=70mm 2.4.5活塞寬度的確定 活塞的寬度一般取=（0.6-1.0） 即=（0.6-1.0）×100=（60-100）mm 取=35mm 2.4.6 缸體長(zhǎng)度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部的長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程L與活塞寬度B的和。缸體外部尺寸還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般液壓缸缸體的長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑的20-30倍。 即：缸體內(nèi)部長(zhǎng)度250+35=285mm 2.4.7缸筒壁厚的計(jì)算 在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸的壁厚基本上由結(jié)構(gòu)和工藝上的要求確定，壁厚通常都能滿足強(qiáng)度要求，一般不需要計(jì)算。但是，當(dāng)液壓缸的工作壓力較高和缸筒內(nèi)徑較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。 當(dāng)時(shí)，稱為薄壁缸筒，按材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算，計(jì)算公式為 （2-2） 式中，—缸筒內(nèi)最高壓力； —缸筒材料的許用壓力。=, 為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，當(dāng)時(shí)，一般取。 當(dāng)時(shí),按式（2-3）計(jì)算 (該設(shè)計(jì)采用無(wú)縫鋼管) （2-3） 根據(jù)缸徑查手冊(cè)預(yù)取=30 此時(shí) 最高允許壓力一般是額定壓力的1.5倍，根據(jù)給定參數(shù)，所以： =1.510=15MP []=100～110（無(wú)縫鋼管），取[]=100，其壁厚按公式（2-3）計(jì)算為 滿足要求，就取壁厚為10mm。 2.4.8 缸體外徑尺寸的計(jì)算 缸體外徑 查機(jī)械手冊(cè)表：外徑取120mm 2.4.9 活塞桿強(qiáng)度和液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算 1、活塞桿強(qiáng)度計(jì)算 活塞桿的直徑按下式進(jìn)行校核 (2-4) 式中，為活塞桿上的作用力； 為活塞桿材料的許用應(yīng)力，=,n一般取1.40。 滿足要求 2、液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算 活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。若活塞桿的長(zhǎng)徑比且桿件承受壓負(fù)載時(shí)，則必須進(jìn)行液壓缸穩(wěn)定性校核?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依下式進(jìn)行 (2-5) 式中，為安全系數(shù)，一般取=2~4。 a.當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí) (2-6) b.當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí) (2-7) 式中，為安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)；為活塞桿橫截面最小回轉(zhuǎn)半徑，；為柔性系數(shù)，其值見(jiàn)表2-4； 為由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù)；為活塞桿材料的彈性模量，對(duì)鋼?。粸榛钊麠U橫截面慣性矩；為活塞桿橫截面積；為由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值，為系數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表2-5。 表2-4 液壓缸支承方式和末端系數(shù)的值 支承方式 支承說(shuō)明 末端系數(shù) 一端自由一端固定 1/4 兩端鉸接 1 一端鉸接一端固定 2 兩端固定 4 表2-5 、、的值 材料 鑄鐵 5.6 1/1600 80 鍛鐵 2.5 1/9000 110 鋼 4.9 1/5000 85 c.當(dāng)時(shí),缸已經(jīng)足夠穩(wěn)定，不需要進(jìn)行校核。 此設(shè)計(jì)安裝方式兩端固定的方式，此缸已經(jīng)足夠穩(wěn)定，不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 2.4.10缸筒壁厚的驗(yàn)算 液壓缸的額定壓力值應(yīng)低于一定的極限值，保證工作安全： （2-8） 根據(jù)式（3-10）得到： 顯然，額定油壓==10MP，滿足條件； 2.4.11活塞設(shè)計(jì) 1、活塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 活塞分為整體式和組合式，組合式制作和使用比較復(fù)雜，所以在此選用整體式活塞，形式如下圖： 圖2-5 整體式活塞 此整體式活塞中，密封環(huán)和導(dǎo)向套是分槽安裝的。 2、活塞的材料 選用高強(qiáng)度球墨鑄鐵QT600-3 3、加工公差 活塞的配合因?yàn)槭褂昧私M合形式的密封器件，所以要求不高，這里不加敘述。 活塞外徑對(duì)內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02mm，斷面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度不大于外徑公差之半。 2.4.12密封件的選用 1、對(duì)密封件的要求 在液壓元件中，液壓缸的密封要求是比較高的，特別是一些特殊液壓缸，如擺動(dòng)液壓缸等。液壓缸不僅有靜密封，更多的部位是動(dòng)密封，而且工作壓力高，這就要求密封件的密封性能要好，耐磨損，對(duì)溫度的適應(yīng)范圍大，要求彈性好，永久變形小，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，摩擦阻力小，容易制造和裝拆，能隨壓力的升高而提高密封能力和利于自動(dòng)補(bǔ)償磨損。密封件一般以斷面形狀分類，有O形、Y形、U形、V形和Yx形等。除O形外，其他都屬于唇形密封件。 2、O形密封圈的選用 液壓缸的靜密封部位主要有活塞內(nèi)孔與活塞桿、支撐座外圓與缸筒內(nèi)孔、端蓋與缸體端面等處。靜密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。 3、動(dòng)密封部位密封圈的選用 由于O型密封圈用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)存在起動(dòng)阻力大的缺點(diǎn)，所以用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封件一般不用O形圈，而使用唇形密封圈或金屬密封圈。 液壓缸動(dòng)密封部位主要有活塞與缸筒內(nèi)孔的密封、活塞桿與支撐座（或?qū)蛱祝┑拿芊獾取? 活塞環(huán)是具有彈性的金屬密封圈，摩擦阻力小，耐高溫，使用壽命長(zhǎng)，但密封性能差，內(nèi)泄漏量大，而且工藝復(fù)雜，造價(jià)高。對(duì)內(nèi)泄漏量要求不嚴(yán)而要求耐高溫的液壓缸，使用這種密封圈較合適。 V形圈的密封效果一般，密封壓力通過(guò)壓圈可以調(diào)節(jié)，但摩擦阻力大，溫升嚴(yán)重。因其是成組使用，模具多，也不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度不高、出力大的大直徑液壓缸，用這種密封圈較好。 U形圈雖是唇形密封圈，但安裝時(shí)需用支撐環(huán)壓住，否則就容易卷唇，而且只能在工作壓力低于10MPa時(shí)使用，對(duì)壓力高的液壓缸不適用。 比較而言，能保證密封效果，摩擦阻力小，安裝方便，制造簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的密封圈就屬Yx型密封圈了。它屬于不等高雙唇自封壓緊式密封圈 ，分軸用和孔用兩種。 綜上，所以本設(shè)計(jì)選用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料組合使用，可以顯著提高密封性能： a.降低摩擦阻力，無(wú)爬行現(xiàn)象； b.具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)密封性，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)； c.安裝溝槽簡(jiǎn)單，拆裝簡(jiǎn)便。 這種組合的特別之處就是允許活塞外園和缸筒內(nèi)壁有較大間隙，因?yàn)榻M合式密封的密封圈能防止擠入間隙內(nèi)，降低了活塞與缸筒的加工要求，密封方式圖如下： 圖2-6 密封方式圖 2.4.13 活塞桿的設(shè)計(jì) 1、活塞桿桿體的選擇 此次設(shè)計(jì)選用的是實(shí)心桿件，形式如下圖： 圖2-7 活塞桿 2、活塞桿與活塞的連接形式 此次設(shè)計(jì)采用的是鎖緊螺母型連接，如下圖： 圖2-8 鎖緊螺母型 3、.活塞桿材料和技術(shù)要求 a.因?yàn)闆](méi)有特殊要求，所以選用45號(hào)鋼作為活塞桿的材料，本次設(shè)計(jì)中活塞桿只承受壓應(yīng)力，所以不用調(diào)制處理，但進(jìn)行淬火處理是必要的，淬火深度可以在0.5—1mm左右。 b.安裝活塞的軸頸和外圓的同軸度公差不大于0.01mm，保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒、活塞桿和導(dǎo)向的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸間端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，保證活塞安裝不產(chǎn)生歪斜。 c.活塞桿外圓粗糙度選擇為0.3 d.因?yàn)槭沁\(yùn)行在低載荷情況下，所以省去了表面處理。 4、活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵 a.導(dǎo)向環(huán) 選擇非金屬導(dǎo)向環(huán)，用高強(qiáng)度塑料制成，這種導(dǎo)向環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小、耐磨、使用壽命長(zhǎng)、裝導(dǎo)向環(huán)的溝槽加工簡(jiǎn)單，并且磨損后導(dǎo)向環(huán)易于更換。 b.密封 Yx型軸用密封圈加軸用階梯圈組合使用，這樣比起單獨(dú)密封，可以減小摩擦，減少泄漏量，增加壽命。 c.防塵 使用DH防塵圈，材料是聚氨酯，既有防塵作用，又有潤(rùn)滑作用。 2.4.14緩沖裝置和排氣閥 1、緩沖裝置 液壓缸中緩沖裝置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)在活塞和缸蓋之間封住一部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)，逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。 最常用的是節(jié)流口可調(diào)式和節(jié)流口變化式兩種。其中，節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置在節(jié)流口調(diào)定后，工作原理上就相當(dāng)于一個(gè)單孔口式的緩沖裝置。 表2-6示節(jié)流口可調(diào)式和節(jié)流口變化式兩種緩沖裝置的主要性能。 表2-6 液壓缸中常用的緩沖裝置 名稱和工作原理圖 特點(diǎn)說(shuō)明 1—針形節(jié)流閥 2—單向閥 被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)針形節(jié)流閥流出 節(jié)流閥開(kāi)口可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)節(jié) 起始緩沖效果大，隨著活塞的行進(jìn)，緩沖效果逐漸減弱，故制動(dòng)行程長(zhǎng) 緩沖腔中的沖擊壓力大 緩沖性能受油溫影響 適用范圍廣 1—軸向節(jié)流閥 被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)活塞上的軸向節(jié)流槽流出 緩沖過(guò)程中節(jié)流口通流截面不斷減小，當(dāng)軸向槽的橫截面為矩形，縱截面為拋物線形時(shí)，緩沖腔可保持恒壓 緩沖作用均勻，緩沖腔壓力較小，制動(dòng)位置精度高 綜合所上本設(shè)計(jì)選擇節(jié)流可調(diào)式緩沖裝置。 2、排氣裝置 液壓系統(tǒng)在安裝過(guò)程中或長(zhǎng)時(shí)間停止工作之后會(huì)滲入空氣，油中也會(huì)混入空氣，由于氣體具有較大的可壓縮性，將使油缸工作中產(chǎn)生振動(dòng)、顫抖和爬行，并伴隨有噪聲和發(fā)熱等系列不正?，F(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)油缸結(jié)構(gòu)時(shí)，要保證能及時(shí)排除積聚在缸內(nèi)的氣體。 一般利用空氣比重較油輕的特點(diǎn)，在油缸內(nèi)腔的最高部位設(shè)置進(jìn)出油口或?qū)ｉT(mén)的排氣裝置如排氣螺釘、排氣閥等，使積聚于缸內(nèi)的氣體排出缸外。 圖2-9 排氣裝置的形式 排氣裝置的形式和結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-9，一般有整體排氣塞和組合排氣塞兩種。整體排氣塞（圖c、e）由螺紋與缸筒或端蓋連接，靠頭部錐面起密封作用。排氣時(shí)，擰松螺紋，缸內(nèi)空氣從錐面空隙中擠出并經(jīng)斜孔排出缸外。這種排氣裝置簡(jiǎn)單方便，但螺紋與錐面密封處同心度要求較高，否則擰緊排氣塞后不能密封，會(huì)造成外泄漏。組合排氣塞一般由螺塞和錐閥組成。螺塞擰松后，錐閥在壓力的推動(dòng)下脫離密封面而排出空氣。錐閥可以采用圖a所示的錐面密封，也可以采用圖b所示的錐面密封，還可以采用圖g所示的鋼珠密封。后兩種排氣密封形式對(duì)高壓缸比較適用。 所以本設(shè)計(jì)排氣裝置選擇圖（g） 2.5 本章小結(jié) 本章主要介紹了擠壓脹形機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分，液壓原理圖和液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。 3 集成塊的設(shè)計(jì)與制造 3.1集成塊的結(jié)構(gòu) 集成塊是按典型液壓系統(tǒng)的各種基本回路，做成通用化的6面體油路塊（集成塊），通常其四周除1面安裝通向液壓執(zhí)行器（液壓缸或液壓馬達(dá)）的管接頭外，其余3面安裝標(biāo)準(zhǔn)的板式液壓閥及少量疊加閥或插裝閥，這些液壓閥之間的油路聯(lián)系由油路塊內(nèi)部的通道孔實(shí)現(xiàn)，塊的上下兩面為塊間疊積結(jié)合面，布有由下向上貫穿通道體的公用壓力油孔P、回油孔O（T）、泄漏油孔L及塊間連接螺栓孔，多個(gè)回路塊疊積在一起，通過(guò)4只長(zhǎng)螺栓固緊后，各塊之間的油路聯(lián)系通過(guò)公用油孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.2 集成塊液壓控制裝置的設(shè)計(jì) 3.2.1 分解液壓系統(tǒng)并繪制集成塊單元回路圖 集成塊單元回路實(shí)質(zhì)上是液壓系統(tǒng)原理圖的一個(gè)等效轉(zhuǎn)換。 分解集成塊單元回路時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用現(xiàn)有系列集成塊單元回路，以減少設(shè)計(jì)工作量。集成塊上液壓閥的安排應(yīng)緊湊，塊樹(shù)應(yīng)盡量曬，以減少整個(gè)液壓控制裝置的結(jié)構(gòu)尺寸和重量。集成塊的數(shù)量與液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度有關(guān)，一摞集成塊組中，除基塊和頂塊外，中間塊一般1-7塊。當(dāng)所需中間塊多于7塊時(shí)，可按系統(tǒng)工作特點(diǎn)和性質(zhì)，分組多摞疊加，否則集成簡(jiǎn)單回路合用一個(gè)集成塊；液壓 泵的出口竄接單向閥時(shí)，可采用管式連接的單向閥（竄接在泵與集成塊組的基塊之間）；采用少量疊加閥、插裝閥及集成塊專用嵌入式插裝閥；集成塊側(cè)面加裝過(guò)渡板與閥連接；基塊與頂塊上布置適當(dāng)?shù)脑鹊取? 3.2.2 塊的設(shè)計(jì) （1）確定公用油道孔的數(shù)目 集成塊體的公用油道孔，有二孔、三孔、四孔、五孔等多種設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用較廣的為二孔式和三孔式。 二孔式 在集成塊上分別設(shè)置壓力油孔P和回油孔O各一個(gè)，用4個(gè)螺栓孔與塊組連接螺栓間的環(huán)形孔來(lái)作為泄漏油通道。二孔式集成塊的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，公用通道少，便于布置元件；泄漏油道孔的通流面積大，泄漏油的壓力損失小。缺點(diǎn)是：在基塊上需將4個(gè)螺栓孔相互鉆通，所以須堵塞的工藝孔較多，加工麻煩，為防止油液外漏，集成塊間相互疊加面的粗糙度要求較高，一般應(yīng)小于Ra0.8μm。 三孔式 在集成塊上分別設(shè)置壓力油孔P、回油孔O和泄油孔L共3個(gè)公用通道三孔式集成塊的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，公用油道孔數(shù)較少，缺點(diǎn)是因泄漏油孔L要與各元件的泄漏油口相通，故其連通孔道一般細(xì)而長(zhǎng)，加工較困難，且工藝孔較多。 （2）液壓元件樣板 （3）確定孔道直徑及通油孔間的壁厚 a.確定通油孔道的直徑 與閥的油口相通孔道的直徑，應(yīng)與液壓閥的油口直徑相同； 與管接頭相連接的孔道，其直徑一般應(yīng)按通過(guò)的流量和允許流速，用式 計(jì)算，但孔口須按管接頭螺紋小徑鉆崆并攻絲； 工藝孔應(yīng)用螺塞或球漲堵死； 對(duì)于公用孔道，壓力油孔和回油孔的直徑可以類比同壓力等級(jí)的系列集成塊中的孔道直徑確定，也可通過(guò)式計(jì)算得到；泄油孔的直徑一般由經(jīng)驗(yàn)確定。 b.連接孔的直徑 固定液壓閥的定位銷孔的直徑和螺釘孔的直徑，應(yīng)與所選定的液壓閥的定位銷直徑及配合要求與螺釘孔的螺紋直徑相同； 連接集成塊組的螺栓規(guī)格可類比相同壓力等級(jí)的系列集成塊的連接螺栓確定，也可以通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算得到。單個(gè)螺栓的螺紋小徑d的計(jì)算公式為： 式中；P-塊體內(nèi)部最大受壓面上的推力； n-螺栓個(gè)數(shù)； -擔(dān)擱螺栓的材料許用應(yīng)力。 螺栓直徑確定后，其螺栓孔（光孔）的直徑也就隨之而定，系列集成塊的螺栓直徑為M8-M12，其相應(yīng)的連接孔直徑為?9-?12（mm）。 c.起吊螺釘?shù)闹睆健? 單個(gè)集成塊重量在30以上時(shí)，應(yīng)按重量和強(qiáng)度確定螺釘孔的直徑。 d.油孔間的壁厚及其校核。 通油孔間的最小壁厚的推薦值不小于5 mm。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于6.3Mpa時(shí)，或孔間壁厚較小時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，以防止系統(tǒng)在使用中被擊穿。 (4) 中間塊外形尺寸的確定 中間塊用來(lái)安裝液壓閥，其高度H取決于所安裝元件的高度。H通常應(yīng)大于所安裝的液壓閥的高度。在確定中間塊的長(zhǎng)度和寬度尺寸時(shí)，在已確定共有油道孔基礎(chǔ)上，應(yīng)首先確定公有油道孔位置應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)通道塊上的孔一致。中間塊的長(zhǎng)度和寬度尺寸均應(yīng)大于安放元件的尺寸，以便于設(shè)計(jì)集成塊內(nèi)的通油孔道時(shí)調(diào)整元件的位置。一般長(zhǎng)度方向的調(diào)整尺寸為40-50 mm，寬度方向?yàn)?0-30 mm。調(diào)整尺寸留的較大，孔道布置方便，但將加大塊的外形尺寸和重量，反之，則結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，但孔道布置困難。最后確定的中間塊長(zhǎng)度和寬度應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)系列塊的一致。 (5)布置集成塊上的液壓元件 液壓元件在通道塊上的安裝位置合理與否，直接影響集成塊體內(nèi)孔道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、加工工藝性的好壞及壓力損失大小。元件安放位置不僅與典型單元回路的合理性有關(guān)，還要受到元件結(jié)構(gòu)、操縱調(diào)整的方便性等因素的影響。 a.中間塊 中間塊的側(cè)面安裝各種液壓控制元件。當(dāng)需與執(zhí)行裝置連接時(shí)，3個(gè)側(cè)面安裝元件，一個(gè)側(cè)面安裝管接頭。注意事項(xiàng)如下： 應(yīng)給安裝液壓閥、管接頭、傳感器及其他元件的各面留有足夠的空間； 集成塊體上要設(shè)置足夠的測(cè)壓點(diǎn)，以便于調(diào)試和工作中使用； 需經(jīng)常調(diào)節(jié)的控制閥如各種壓力閥和流量閥等應(yīng)安放在便于調(diào)節(jié)和觀察的位置，應(yīng)避免相鄰側(cè)面的元件發(fā)生干涉； 應(yīng)使與各元件相通的油孔盡量安排在同一水平面，并在公用通油道的直徑范圍內(nèi)，以減少中間連接孔、深孔和斜孔的數(shù)量?；ゲ幌嗤ǖ目组g應(yīng)保持一定壁厚，以防工作時(shí)擊穿； 集成塊的工藝孔均應(yīng)封堵，封堵有螺塞、焊接和球漲等三種方式； 在集成塊間的疊加面上，公用油道孔出口處要安裝O形密封圈，以實(shí)現(xiàn)塊間的密封。應(yīng)在公用油道孔出口處按選用的O形密封圈的規(guī)格加工出深孔，O型圈溝槽尺寸應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定； b.基塊（底版） 基塊的作用是將集成塊組件固定在油箱頂蓋或?qū)Ｓ玫鬃?，并將公用通油孔道通過(guò)管接頭與液壓 泵和油箱相連接，有時(shí)需在基塊側(cè)面上安裝壓力表開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)要留有安裝法蘭、壓力表開(kāi)關(guān)和管接頭等的足夠空間。當(dāng)液壓泵出油口經(jīng)單向閥進(jìn)入主油路板時(shí)，可采用管式單向閥，并將其裝在基塊外。 c.頂塊（蓋板） 頂塊的作用是封閉公用通油孔道，并在其側(cè)面安裝壓力表開(kāi)關(guān)以便測(cè)壓，有時(shí)也可在頂塊上安裝一些控制閥，以減少中間塊數(shù)量。 (6)集成塊油路的壓力損失 集成塊組的壓力損失，是指貫通全部集成塊的進(jìn)油、回油孔道的壓力損失。在孔道布置一定后，壓力損失隨流量增加而增加。通常，經(jīng)過(guò)一個(gè)塊的壓力損失值約為0.01Mpa. (7)集成塊的材料和主要技術(shù)要求 制造集成塊的材料因液壓系統(tǒng)壓力高低和主機(jī)類型不同而異。通常，對(duì)于固定機(jī)械，低壓系統(tǒng)的集成塊，宜選用HT250或球墨鑄鐵；高壓系統(tǒng)的集成塊宜選用20鋼和35鋼鍛件。對(duì)于有重量限制要求的行走機(jī)械等設(shè)備的液壓系統(tǒng)，其集成塊可采用鋁合金鍛件，但要注意強(qiáng)度計(jì)算。 集成塊的毛坯不得有砂眼、氣孔、縮孔和夾層等缺陷，必要時(shí)需對(duì)其進(jìn)行探傷檢查。毛坯在切削加工前應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理或退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。 集成塊各部位的粗糙度要求不同：集成塊各表面和安裝嵌入式液壓閥的孔的粗糙度不大于Ra0.8μm，末端管接頭的密封面和O形圈溝槽的粗糙度不大于Ra3.2μm，一般通油孔道的粗糙度不大于Ra12.5μm。塊間結(jié)合面不得有明顯劃痕。 形位公差要求為：塊間結(jié)合面的平行度公差一般為0.03μm，其余4個(gè)側(cè)面與結(jié)合面的垂直度公差為0.1 mm。為了美觀，機(jī)械加工后的鑄鐵和鋼質(zhì)集成塊表面可鍍鋅。 本次設(shè)計(jì)的集成塊圖如圖3-1所示： 圖3-1 集成塊 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成塊為一體式，其中三位四通閥，液壓鎖，雙向節(jié)流閥選用疊加形式，兩個(gè)電磁溢流閥單獨(dú)安裝。 4 擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4.1 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 本設(shè)計(jì)的擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、繼電器、接觸器、電機(jī)，電磁閥等組成。 4.2 PLC和I/O擴(kuò)展模塊的選型 選擇能滿足本擠壓脹形機(jī)控制要求的適當(dāng)型號(hào)的PLC是應(yīng)用設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步，合理選擇PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要作用。PLC的選擇包括機(jī)型，容量，I/O模塊的選擇等幾個(gè)方面。 本系統(tǒng)選取的是三菱公司生產(chǎn)的小型整體式可編程控制器FX2N-32MR-001系列，輸入端子選擇16點(diǎn), 輸出端子選擇16點(diǎn)，滿足控制要求，它的性能價(jià)格比很高，在小規(guī)?？刂浦蝎@得廣泛應(yīng)用。三菱FX2N-32MR-001的CPU單元規(guī)格是:輸入16點(diǎn)，輸出16點(diǎn)，輸入、輸出為繼電器型形式,電源AC220V。 4.3 PLCI/0的分配 分配輸入/輸出點(diǎn)信號(hào)、輸出點(diǎn)與輸出控制是一一對(duì)應(yīng)的。分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號(hào)，分配給每一個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，即進(jìn)行編號(hào)。FX2N型PLC的輸入/輸出通道號(hào)采用自由配置、固定通道方式。輸入輸出繼電器可自由選擇，與輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為輸入繼電器，與輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為輸出繼電器。 由上述控制要求可得到。擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表4-1所示。 表4-1 I/O接口分配 輸入 輸出 名稱 接口 名稱 接口 油泵啟動(dòng) X0 油泵星形啟動(dòng) Y0 油泵停止 X1 油泵三角形啟動(dòng) Y1 手動(dòng)/自動(dòng) X2 主接觸器 Y2 手動(dòng)快進(jìn) X3 三位四通閥電磁線圈1XV1 Y3 手動(dòng)一工進(jìn) X4 三位四通閥電磁線圈1XV2 Y4 手動(dòng)二共進(jìn) X5 工進(jìn)電磁線圈3XV Y5 手動(dòng)油缸退 X6 工進(jìn)電磁線圈4XV Y6 快進(jìn)到位開(kāi)關(guān) X7 電磁減壓閥電磁線圈2XV Y7 一工進(jìn)到位開(kāi)關(guān) X10 電磁溢流閥電磁線圈5XV Y10 二工進(jìn)到位開(kāi)關(guān) X11 運(yùn)行指示 Y11 熱繼電器 X12 故障報(bào)警 Y12 急停 X13 自動(dòng)啟動(dòng) X14 故障復(fù)位 X15 油缸退到位開(kāi)關(guān) X16 4.4 系統(tǒng)電氣控制接線圖設(shè)計(jì) 系統(tǒng)供電電源采用三相線制供電。供電電源等級(jí)為AC380V±5％，50Hz。PLC的接線圖如圖3-1所示，系統(tǒng)主電路接線圖如圖3-2所示。 圖4-1 PLC接線圖 圖4-2 系統(tǒng)接線圖 4.5 本章小結(jié) 本章是本文的重點(diǎn)，主要介紹了擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，包括PLC點(diǎn)的分、PLC的選型、接線等。思路清晰，目的明確。 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡(jiǎn)介 進(jìn)入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項(xiàng)，選擇創(chuàng)建一個(gè)新文件。在【設(shè)備名稱】中填寫(xiě)設(shè)備名稱，設(shè)備類型選擇PLC的類型，然后單擊設(shè)定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進(jìn)入梯形圖編程界面，開(kāi)始編程，如 圖4-1所示界面。 圖5-1 編程界面 程序編寫(xiě)完成后，下一步就可進(jìn)行編譯、鏈接和調(diào)試了。如果編譯沒(méi)有錯(cuò)誤，就可以進(jìn)行在線運(yùn)行。在編譯過(guò)程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤要進(jìn)行修改時(shí)，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，可加載程序到PLC，進(jìn)行在線運(yùn)行。 5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法 工程設(shè)計(jì)中，可編程控制器應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應(yīng)用，也因不同設(shè)計(jì)人員有著不同的技術(shù)水平和習(xí)慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，以便對(duì)下面的設(shè)計(jì)更有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，也使讀者更加明白可編程控制器的設(shè)計(jì)方法和技巧。 1、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。這種方法對(duì)于一些簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較湊效的，可以收到快速、簡(jiǎn)單的效果。但是它沒(méi)有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)的多少有關(guān)。 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的具體步驟如下： （1）確定輸入/輸出電器； （2）確定輸入和輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)、選擇PLC機(jī)型、進(jìn)行I/O分配； （3）做出系統(tǒng)動(dòng)作工程流程圖； （4）選擇PLC指令并編寫(xiě)程序； （5）編寫(xiě)其它控制控制要求的程序； （6）將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫(xiě)的程序合理地聯(lián)系起來(lái)，即得到一個(gè)滿足控制要求的程序。 2. 邏輯設(shè)計(jì)法 工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過(guò)繼電器等電器組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)即：斷開(kāi)和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計(jì)法進(jìn)行PLC程序的設(shè)計(jì)，它使用邏輯表達(dá)式描述問(wèn)題。在得出邏輯表達(dá)式后，根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出梯形圖。因此用邏輯設(shè)計(jì)法也可以適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。 順序控制法 對(duì)那些按動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程。順序控制法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編程相當(dāng)長(zhǎng)，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性。在用順序控制設(shè)計(jì)法編程時(shí)，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。 功能圖由流程步、有向線段、轉(zhuǎn)移和動(dòng)作組成，在使用時(shí)它有一些使用規(guī)則，具體如下： （1）步與步之間必須用轉(zhuǎn)移隔開(kāi)； （2）轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)移之間必須用步隔開(kāi)； （3）轉(zhuǎn)移和步之間用有向線段連接，正常畫(huà)順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫(huà)圖時(shí)，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。 （4）一個(gè)順序功能圖中至少有一個(gè)初始步。 可編程控制器設(shè)計(jì)語(yǔ)言也有多種形式，因其在繼電器的基礎(chǔ)上研制而成，所以大部分都是以開(kāi)關(guān)量為主的控制方式。很多表達(dá)形式也都是電氣符號(hào)的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語(yǔ)言就有所不同。梯形圖語(yǔ)言是設(shè)計(jì)中使用最多的，還有流程圖，語(yǔ)句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進(jìn)行參考使用。 本控制系統(tǒng)是典型的邏輯控制，因此我們采用步進(jìn)控制程序最為方便，其順序功能圖見(jiàn)圖4-2所示。 圖5-2 順序功能圖 5.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫(xiě)及說(shuō)明 5.3.1 編寫(xiě)油泵電機(jī)啟動(dòng)程序 擠壓脹形機(jī)油泵電機(jī)由于功率較大，采用星-三角啟動(dòng)，其梯形圖如圖5-3所示 圖5-3 油泵電機(jī)啟動(dòng)程序 在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于X12、X13都是由常閉觸電接入，所以在程序中使用常開(kāi)形式，此事這三個(gè)觸電處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)按下X0時(shí)，Y2、Y0和T2線圈得電，同時(shí)Y2和X0組成自鎖回路，按下后輸出一直得電，此時(shí)T2開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)滿5秒時(shí)，T2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，Y1得電，系統(tǒng)從星形啟動(dòng)切換到三角形啟動(dòng)。 5.2.4 自動(dòng)循環(huán)步進(jìn)程序編寫(xiě) 由于本控制要求其控制過(guò)程為步步相扣，一個(gè)動(dòng)作開(kāi)始的條件是上個(gè)動(dòng)作的結(jié)束動(dòng)作，其部分梯形圖如下圖5-4所示 圖5-4 步進(jìn)程序 M8002為程序初始化，其功能是，當(dāng)PLC上電開(kāi)機(jī)后，在一個(gè)掃描周期內(nèi)為1。當(dāng)系統(tǒng)上電后，S0被置1。[STL S0]的含義是S0步進(jìn)，同時(shí)S0的輸出為1。當(dāng)X14、Y1、X2、同時(shí)導(dǎo)通后，此時(shí)程序跳轉(zhuǎn)條件全部滿足，S20被置1，同時(shí)S0被復(fù)位為0。同樣的道理，下邊的步進(jìn)程序就不一一說(shuō)明。 5.3.3 故障復(fù)位程序編寫(xiě) 故障復(fù)位的功能是：在自動(dòng)程序運(yùn)行的情況下，由于某一步發(fā)生故障導(dǎo)致程序無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，這里我們需要對(duì)擠壓脹形機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使得所有的動(dòng)作都恢復(fù)到初始狀態(tài)。其具體程序如下圖4-5所示 圖5-5 故障復(fù)位程序 圖中當(dāng)按下X15時(shí)，同時(shí)報(bào)警輸出Y12為1。此時(shí)S20-S24全部被復(fù)位，同時(shí)M6、S0全部被置1，此時(shí)執(zhí)行油缸退回，當(dāng)退到位以后，X16的上升沿脈沖把M6復(fù)位。此時(shí)整個(gè)故障復(fù)位程序結(jié)束。 5.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了PLC控制擠壓脹形機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體流程，其中包括PLC編程軟件的介紹、程序設(shè)計(jì)、梯形圖設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并對(duì)主要程序段所表達(dá)的控制功能進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，能夠便于更加迅速的理解程序。 6 程序的調(diào)試與仿真 仿真軟件的功能就是將編寫(xiě)好的程序在電腦中虛擬運(yùn)行，如果沒(méi)有編好的程序，是無(wú)法進(jìn)行仿真的.首先，在安裝仿真軟件GX Simulator 6c 之前，必須先安裝編程軟件GX Developer。 6.1 仿真的步驟 （1）啟動(dòng)編程軟件GX Developer （2）通過(guò)“快捷圖標(biāo)”啟動(dòng)仿真如圖6-1所示。 圖6-1 仿真啟動(dòng)畫(huà)面 啟動(dòng)仿真后，程序開(kāi)始在電腦上模擬PLC寫(xiě)入過(guò)程 并且可以通過(guò)“在線”中的“軟元件測(cè)試”來(lái)強(qiáng)制一些輸入條件ON或者OFF。監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，如圖5-2所示： 圖6-2 軟元件X0/X12/X13強(qiáng)制ON 如圖6-2所示：我們強(qiáng)制X0/X12/X13為ON，得出的狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)條件。 當(dāng)我們對(duì)步進(jìn)程序段進(jìn)行測(cè)試，我們強(qiáng)制X14/X2為ON時(shí)看看程序是否完成跳轉(zhuǎn)，詳見(jiàn)圖6-3強(qiáng)制為ON前的狀態(tài)和6-4強(qiáng)制為ON后的狀態(tài)。 圖6-3 強(qiáng)制軟元件前的狀態(tài) 圖6-4 強(qiáng)制軟元件后的狀態(tài) 通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，程序跳轉(zhuǎn)成功，證明程序無(wú)誤。 6.2 本章小結(jié) 本章主要對(duì)PLC程序進(jìn)行仿真測(cè)試，通過(guò)仿真軟件的測(cè)試，最終確認(rèn)編寫(xiě)的程序無(wú)誤。 結(jié)論 本文是以達(dá)到實(shí)現(xiàn)擠壓脹形機(jī)的實(shí)用和可靠性為目的而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)對(duì)擠壓脹形機(jī)的控制要求的分析，采用可編程控制器（PLC）,實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓脹形機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少了硬件和控制線，克服了傳統(tǒng)繼電器-接觸器系統(tǒng)的不足，系統(tǒng)安全可靠，且控制程序可根據(jù)需要進(jìn)行修改。本文旨在按實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行理論上的設(shè)計(jì)，并未在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證，在實(shí)際應(yīng)用之前還需經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，以確保系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)中的要求。 當(dāng)然，鑒于本人水平有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免有不足之處，希望您能諒解并提出寶貴意見(jiàn)，以便我對(duì)其進(jìn)行改正。 致 謝 本論文的設(shè)計(jì)是在XXX老師的精心指導(dǎo)下完成的。論文的每一步進(jìn)展都傾注著X老師的關(guān)懷，教導(dǎo)和幫助，X老師知識(shí)淵博、經(jīng)驗(yàn)豐富、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作態(tài)和誨人不倦的工作作風(fēng)都使我受益匪淺。X老師對(duì)待工作嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度、求實(shí)創(chuàng)新的精神深深地激勵(lì)著我，在為人處世上和藹、謙遜、踏實(shí)、積極的態(tài)度將會(huì)影響我一生。在他耐心細(xì)致的指導(dǎo)下，我的專業(yè)知識(shí)得以擴(kuò)充，論文的工作也得以順利地進(jìn)行。每一個(gè)細(xì)節(jié),每一個(gè)過(guò)程都凝聚著X老師的心血,讓我很感動(dòng)。所以,在此首先向X老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的感謝。 與此同時(shí),我向所有給予我關(guān)心、支持和幫助的其他老師和同學(xué)們也致以深深的謝意。設(shè)計(jì)中正是有他們的陪伴以及細(xì)心的幫助，我才能順利的完成這次論文的設(shè)計(jì)，在此我也要說(shuō)聲謝謝！ 參考資料 [1] 王鳳才,祝文琴. 一種高波峰薄壁波紋形管塑性成形技術(shù)[J] .科學(xué)中國(guó)人,2006,(7):67-70 [2] 張利平.現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用200 例[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:65-86. [3] 朱梅,朱光力.液壓與氣動(dòng)技術(shù)[M],西安：電子科技大學(xué)出版社,2007:3-10 [4] 鄧則名.電器與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19