基于PLC控制的單面多軸組合鉆床

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I

摘要

本文依據(jù)液壓傳動原理和PLC控制技術(shù)，設(shè)計了一套基于PLC控制的單面多軸組合鉆床的液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動完成機(jī)床的快進(jìn)、工進(jìn)、快退以及夾緊松開的動作循環(huán)，從而減輕工人勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

依據(jù)單面多軸組合鉆床工作循環(huán)的要求，本文主要開展的工作有：液壓系統(tǒng)的設(shè)計、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計以及液壓站的設(shè)計。液壓系統(tǒng)的設(shè)計主要完成了液壓系統(tǒng)原理圖的擬定、液壓元件的計算與選型；控制系統(tǒng)的設(shè)計主要進(jìn)行控制系統(tǒng)動作流程圖的擬定、I/O口分配、接線圖繪制和程序編制及上機(jī)調(diào)試；液壓站的設(shè)計主要是確定液壓站的結(jié)構(gòu)形式、油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計及在Pro/E環(huán)境下的油路塊設(shè)計。

關(guān)鍵詞：液壓站；PLC控制；液壓系統(tǒng)；組合機(jī)床；Pro/E

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98

ABSTRACT

AccordingtohydrauliccontrolprincipleandPLCcontroltechnology,thispaperdesignedahydraulicsystemofsinglemulti-axisdrillingmachinebasedonthecombination.Thesystemcanautomaticallycompletethemachine'sactioncyclesuchasfast-forward,workingforward,rewind,andreleasetheclamping,bythis,theworker’slaborintensityhasbeenreducedandtheproductionefficiencyhasbeenimproved.

Onthebasisoftherequirementsoftheworkingcycleofsinglemulti-axiscombinationdrillingmachine,theworkofthispaperare:thehydraulicsystemdesign,PLCcontrolsystemdesignandhydraulicdesign.Completehydraulicsystemdesignofthemainhydraulicsystemschematicformulation,calculationandselectionofhydrauliccomponents;controlsystemtocontrolthemainoperationflowchartoftheproposedsystem,I/Oportallocation,wiringandprogramming,anddrawingonmachinedebugging;hydraulicstationaredesignedprimarilytodeterminethestructureoftheformofhydraulic,fueltankstructuraldesignandinPro/eenvironmentoilblockdesign.

Keywords:hydraulic;PLCcontrol;hydraulicsystem;combinationmachine;Pro/E

目錄

摘要

I

ABSTRACT

II

1緒論

1

1.1機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)的地位及其發(fā)展簡史

1

1.2組合機(jī)床的國內(nèi)外現(xiàn)狀

2

1.2.1國內(nèi)組合機(jī)床現(xiàn)狀

2

1.2.2國外組合機(jī)床現(xiàn)狀

3

1.3課題設(shè)計的目的和意義

4

1.4設(shè)計內(nèi)容

4

1.5本章小結(jié)

4

2液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算

5

2.1液壓傳動的的概況及概念

5

2.1.1液壓傳動

5

2.1.2液壓系統(tǒng)的組成

5

2.1.3液壓系統(tǒng)的應(yīng)用

5

2.2液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容與步驟

5

2.2.1明確對液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

6

2.2.2分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

6

2.2.3進(jìn)行液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計

9

2.2.4計算與選擇液壓元件

9

2.2.5驗算液壓系統(tǒng)性能

11

2.2.6繪制正式工作圖，編制技術(shù)文件

13

2.3液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與計算

14

2.3.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

14

2.3.2組合機(jī)床工作情況分析，確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

14

2.3.3設(shè)計方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖

17

2.3.4計算和選擇液壓元件

18

2.3.5驗算液壓系統(tǒng)性能

21

2.4本章小結(jié)

24

3液壓站的設(shè)計

25

3.1液壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計

25

3.1.1液壓泵組的安裝方式

25

3.1.2油箱的設(shè)計

26

3.1.3其它元件的選擇

29

3.2油路塊的三維造型設(shè)計

29

3.2.1液壓集成回路設(shè)計

29

3.2.2Pro/E環(huán)境下各塊的設(shè)計

30

3.2.3工程圖的轉(zhuǎn)換

35

3.3液壓站裝配圖的繪制

37

3.4本章小結(jié)

37

4臥式單面多軸鉆孔組合機(jī)床液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計

38

4.1液壓系統(tǒng)PLC控制模塊的設(shè)計

38

4.1.1可編程序控制器的特點和應(yīng)用

38

4.1.2工藝流程的編寫

39

4.1.3輸入輸出電路I/O口的分配

39

4.2接線圖的繪制

41

4.3梯形圖的繪制

41

4.4指令表的轉(zhuǎn)化

43

4.5安裝調(diào)試

44

4.6本章小結(jié)

44

結(jié)論

46

致謝

47

參考文獻(xiàn)

48

附錄液壓站裝配圖

49

1緒論

1.1機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)的地位及其發(fā)展簡史

現(xiàn)代社會中，人們?yōu)榱烁咝?、?jīng)濟(jì)地生產(chǎn)各種高質(zhì)量產(chǎn)品，日益廣泛的使用各種機(jī)器、儀器和工具等技術(shù)設(shè)備與裝備。為制造這些技術(shù)設(shè)備與裝備，又必須具備各種加工金屬零件的設(shè)備，諸如鑄造、鍛造、焊接、沖壓和切削加工設(shè)備等。由于機(jī)械零件的形狀精度、尺寸精度和表面粗糙度，目前主要靠切削加工的方法來達(dá)到，特別是形狀復(fù)雜、精度要求高和表面粗糙度要求小的零件，往往需要在機(jī)床上經(jīng)過幾道甚至幾十道切削加工工藝才能完成。因此，機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中最重要的加工設(shè)備。在一般機(jī)械制造廠中，機(jī)床所擔(dān)負(fù)的加工工作量，約占機(jī)械制造總工作量的40%～60%，機(jī)床的技術(shù)性能直接影響機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量及其制造的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而決定著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。可以這樣說，如果沒有機(jī)床的發(fā)展，如果不具備今天這樣品種繁多、結(jié)構(gòu)完善和性能精良的各種機(jī)床，現(xiàn)代社會目前所達(dá)到的高度物質(zhì)文明將是不可想象的。

機(jī)床是人類在長期生產(chǎn)實踐中，不斷改進(jìn)生產(chǎn)工具的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的，并隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而漸趨完善。最原始的機(jī)床是木制的，所有運動都是由人力或畜力驅(qū)動，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它們實際上并不是一種完整的機(jī)器?，F(xiàn)代意義上的用于加工金屬機(jī)械零件的機(jī)床，是在18世紀(jì)中葉才開始發(fā)展起來的。當(dāng)時，歐美一些工業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，開始了從工場手工業(yè)向資本主義機(jī)器大工業(yè)生產(chǎn)方式的過度，需要越來越多的各種機(jī)器，這就推動了機(jī)床的迅速發(fā)展。為使蒸汽機(jī)的發(fā)明付諸實用，1770年前后創(chuàng)制了鏜削蒸汽機(jī)汽缸內(nèi)孔用的鏜床。1797年發(fā)明了帶有機(jī)動刀架的車床，開創(chuàng)了用機(jī)械代替人手控制刀具運動的先聲，不僅解放了人的雙手，并使機(jī)床的加工精度和工效起了一個飛躍，初步形成了現(xiàn)代機(jī)床的雛型。續(xù)車床之后，隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，其他各種機(jī)床也陸續(xù)被創(chuàng)制出來。至19世紀(jì)末，車床、鉆床、鏜床、刨床、拉床、銑床、磨床、齒輪加工機(jī)床等基本類型的機(jī)床已先后形成。

上世紀(jì)初以來，由于高速鋼和硬質(zhì)合金等新型刀具材料相繼出現(xiàn)，刀具切削性能不斷提高，促使機(jī)床沿著提高主軸轉(zhuǎn)速、加大驅(qū)動功率和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的方向發(fā)展。與此同時，由于電動機(jī)、齒輪、軸承、電氣和液壓等技術(shù)有了很大的發(fā)展，使機(jī)床的轉(zhuǎn)動、結(jié)構(gòu)和控制等方面也得到相應(yīng)的改進(jìn)，加工精度和生產(chǎn)率顯著提高。此外，為了滿足機(jī)械制造業(yè)日益廣闊的各種使用要求，機(jī)床品種的發(fā)展也與日俱增，例如，各種高效率自動化機(jī)床、重型機(jī)床、精密機(jī)床以及適應(yīng)加工特殊形狀和特殊材料需要的特種加工機(jī)床相繼問世。50年代，在綜合應(yīng)用電子技術(shù)、檢測技術(shù)、計算技術(shù)、自動控制和機(jī)床設(shè)計等各個領(lǐng)域最新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的數(shù)控機(jī)床，使機(jī)床自動化進(jìn)入了一個嶄新的階段，與早期發(fā)展的僅適用于大批大量生產(chǎn)的純機(jī)械控制和繼電器接觸器控制的自動化相比，它具有很高柔性，即使在單件和小批生產(chǎn)中也能得到經(jīng)濟(jì)的使用。

綜觀機(jī)床的發(fā)展史，它總是隨著機(jī)械工業(yè)的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，并始終圍繞著不斷提高生產(chǎn)效率、加工精度、自動化程度和擴(kuò)大產(chǎn)品品種而進(jìn)行的，現(xiàn)代機(jī)床總的趨勢仍然是繼續(xù)沿著這一方向發(fā)展。

我國的機(jī)床工業(yè)是在1949年新中國成立后才開始建立起來的。解放前，由于長期的封鎖統(tǒng)治和19世紀(jì)中葉以后帝國主義的侵略和掠奪，我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常落后，既沒有獨立的機(jī)械制造業(yè)，更談不上機(jī)床制造業(yè)。至解放前夕，全國只有少數(shù)城市的一些規(guī)模很小的機(jī)械廠，制造少量簡單的皮帶車間、牛頭刨床和砂輪等；1949年全國機(jī)床產(chǎn)量僅1000多臺，品種不到10個。

經(jīng)過50多年的建設(shè)，我國機(jī)床工業(yè)從無到有，從小到大，現(xiàn)在已經(jīng)成門類比較齊全，具有一定實力的機(jī)床工業(yè)體系，能生產(chǎn)5000多種機(jī)床通用品種，數(shù)控機(jī)床1500多種；不僅裝備了國內(nèi)的工業(yè)，而且每年還有一定數(shù)量的機(jī)床出口。我國機(jī)床行業(yè)的發(fā)展是迅速的，成就是巨大的。但由于起步晚、底子薄，與世界先進(jìn)水平相比，還有較大差距。為了適應(yīng)我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的需要，為了提高機(jī)床產(chǎn)品在國際市場上的競爭能力，必須深入開展機(jī)床基礎(chǔ)理論研究，加強(qiáng)工藝試驗研究，大力開發(fā)精密、重型和數(shù)控機(jī)床，使我國的機(jī)床工業(yè)盡早躋身于世界先進(jìn)行列。

1.2組合機(jī)床的國內(nèi)外現(xiàn)狀

世界上第一臺組合機(jī)床于1908年在美國問世，30年代后組合機(jī)床在世界各國得到迅速發(fā)展。至今，它已成為現(xiàn)代制造工程（尤其是箱體零件加工）的關(guān)鍵設(shè)備之一。

現(xiàn)代制造工程從各個角度對組合機(jī)床提出了愈來愈高的要求，而組合機(jī)床也在不斷吸取新技術(shù)成果而完善和發(fā)展。

1.2.1國內(nèi)組合機(jī)床現(xiàn)狀

我國加入WTO以后，制造業(yè)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存、組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)適時調(diào)整戰(zhàn)略，采取了積極的應(yīng)對策略，出現(xiàn)了產(chǎn)、銷兩旺的良好勢頭，截至2005年4月份，組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)僅組合機(jī)床一項，據(jù)不完全統(tǒng)計產(chǎn)量已達(dá)1000余臺，產(chǎn)值達(dá)3.9個億以上，較2004年同比增長了10%以上，另外組合機(jī)床行業(yè)增加值、產(chǎn)品銷售率、全員工資總額、出口交費值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有不同程度的增長，新產(chǎn)品、新技術(shù)較去年年均有大幅度提高，可見行業(yè)企業(yè)運營狀況良好。

（1）行業(yè)企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化

組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)主要針對汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械、化工機(jī)械、軍工、能源、輕工及家電行業(yè)提供專用設(shè)備，隨著我國加入WTO后與世界機(jī)床進(jìn)一步接軌，組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)產(chǎn)品開始向數(shù)控化、柔性化轉(zhuǎn)變。從近兩年是企業(yè)生產(chǎn)情況來看，數(shù)控機(jī)床與加工中心的市場需求量在上升，而傳統(tǒng)的鉆、鏜、銑組合機(jī)床則有下降趨勢，中國機(jī)床工具工業(yè)學(xué)會的《機(jī)床工具行業(yè)企業(yè)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)報表》是統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，僅從幾個全國大型重點企業(yè)生產(chǎn)情況看，2003年生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床890臺，產(chǎn)值16187萬元，生產(chǎn)加工中心148臺，產(chǎn)值5770萬元；2004年生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床985臺，產(chǎn)值25838萬元，生產(chǎn)加工中心159臺，產(chǎn)值7099萬元；而2005年，截至4月份，數(shù)控機(jī)床、加工中心、產(chǎn)值已接近2003年全年水平，故市場在向數(shù)控、高精制造技術(shù)和成套工藝裝備方面發(fā)展。

（2）行業(yè)企業(yè)的快速轉(zhuǎn)變

“九五”后期，在組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)的50多家組合機(jī)床分會會員中，僅有兩家企業(yè)實行了股份改造，一家企業(yè)退出國有轉(zhuǎn)為民營，其余的都是國有企業(yè)。而從2001至2002年，不到兩年的時間，就先后有十幾家企業(yè)實行股份制改造，一些小廠幾乎全部退出國有轉(zhuǎn)為民營，現(xiàn)在一些國家重點國有企業(yè)也在醞釀股份制改造，轉(zhuǎn)制已勢不可檔，“民營經(jīng)濟(jì)在經(jīng)歷了從被歧視，被藐視到不可小視和現(xiàn)在高度重視4個階段后，煥發(fā)勃勃生機(jī)?！苯M合機(jī)床行業(yè)企業(yè)正在以股份制、民營化等多種形式快速發(fā)展。

（3）組合機(jī)床技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

組合機(jī)床及其自動線是集機(jī)電于一體是綜合自動化度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備。它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)實用，因而被廣泛應(yīng)用與工程機(jī)械、交通、能源、軍工、輕工、家電行業(yè)。我國的傳統(tǒng)的組合機(jī)床及組合機(jī)床自動線主要采用機(jī)、電、氣、液壓控制，它的加工對象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型的箱體類和軸類零件（近年研制的組合機(jī)床加工連桿、板件等也占一定份額），完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔，加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺，在孔內(nèi)鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成型面等。組合機(jī)床的分類繁多，有大型組合機(jī)床和小型組合機(jī)床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復(fù)合式，還有多工位回轉(zhuǎn)臺組合機(jī)床等；隨著技術(shù)的不斷是進(jìn)步，一種新型的組合機(jī)床——柔性組合機(jī)床越來越受人們是親昧，它應(yīng)用多位主軸箱、可換主軸箱、編碼隨行夾具和刀具的自動更換，配以可編程序控制器（PLC）、數(shù)字控制（NC）等，能任意改變工作循環(huán)控制和驅(qū)動系統(tǒng)，并能靈活適應(yīng)多種加工的可調(diào)可變的組合機(jī)床。另外，近年來組合機(jī)床加工中心、數(shù)控組合機(jī)床、機(jī)床輔機(jī)等在組合機(jī)床行業(yè)中所占份額也越來越大。

由于組合機(jī)床及其自動線是一種技術(shù)綜合性很高的高技術(shù)專用產(chǎn)品，是根據(jù)用戶特殊要求而設(shè)計的，它涉及到加工工藝、刀具、測量、控制、診斷監(jiān)控、清洗、裝配和試漏等技術(shù)。我國組合機(jī)床及其組合機(jī)床自動線總體技術(shù)水平比發(fā)達(dá)國家相對落后，國內(nèi)所需的一些高水平組合機(jī)床及自動線幾乎都從國外進(jìn)口。工藝裝備的大量進(jìn)口勢必導(dǎo)致投資規(guī)模的擴(kuò)大，并使產(chǎn)品生產(chǎn)成本提高。因此，市場要求我們不斷開發(fā)新技術(shù)、新工藝、研制新產(chǎn)品，由過去的“剛性”機(jī)床結(jié)構(gòu)，向“柔性”化方向發(fā)展，滿足用戶需要，真正成為剛?cè)峒鎮(zhèn)涞淖詣踊b備。

1.2.2國外組合機(jī)床現(xiàn)狀

80年代以來，國外組合機(jī)床技術(shù)在滿足精度和效率要求的基礎(chǔ)上，正朝著綜合成套和具備柔性的方向發(fā)展。組合機(jī)床的加工精度、多品種加工的柔性以及機(jī)床配置的靈活多樣方面均有新的突破性進(jìn)展，實現(xiàn)了機(jī)床工作程序軟件化、工序高度集中、高效短節(jié)拍和多功能通道監(jiān)控。組合機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢是：

（1）廣泛應(yīng)用數(shù)控技術(shù)

國外主要的組合機(jī)床生產(chǎn)廠家都有自己的系列化完整的數(shù)控組合機(jī)床通用部件,在組合機(jī)床上不僅一般動力部件應(yīng)用數(shù)控技術(shù),而且夾具的轉(zhuǎn)位或轉(zhuǎn)角、換箱裝置的自動分度與定位也都應(yīng)用數(shù)控技術(shù),從而進(jìn)一步提高了組合機(jī)床的工作可靠性和加工精度。廣州標(biāo)致汽車公司由法國雷諾公司購置的缸蓋加工生產(chǎn)線,就是由三臺自動換箱組合機(jī)床組成的,其全部動作均為數(shù)控,包括自動上下料的交換工作臺、環(huán)形主軸箱庫、動力部件和夾具的運動,其節(jié)拍時間為58秒。

（2）發(fā)展柔性技術(shù)

80年代以來,國外對中大批量生產(chǎn),多品種加工裝備采取了一系列的可調(diào)、可變、可換措施,使加工裝備具有了一定的柔性。如先后發(fā)展了轉(zhuǎn)塔動力頭、可換主軸箱等組成的組合機(jī)床;同時根據(jù)加工中心的發(fā)展,開發(fā)了二坐標(biāo)、三坐標(biāo)模塊化的加工單元,并以此為基礎(chǔ)組成了柔性加工自動線(FTL)。這種結(jié)構(gòu)的變化,既可以實現(xiàn)多品種加工要求的調(diào)整變化快速靈敏,又可以使機(jī)床配置更加靈活多樣。

（3）發(fā)展綜合自動化技術(shù)

汽車工業(yè)的大發(fā)展,對自動化制造技術(shù)提出了許多新的需求,大批量生產(chǎn)的高效率,要求制造系統(tǒng)不僅能完成一般的機(jī)械加工工序,而且能完成零件從毛坯進(jìn)線到成品下線的全部工序,以及下線后的自動碼垛、裝箱等。德國大眾汽車公司KASSEL變速箱廠1987年投入使用的造價9000萬馬克的齒輪箱和離合器殼生產(chǎn)線,就是這種綜合自動化制造系統(tǒng)的典范。該系統(tǒng)由兩條相似對稱布置的自動線組成,三班制工作,每條線日產(chǎn)2000件,節(jié)拍時間為40秒。全線由12臺雙面組合機(jī)床、18臺三坐標(biāo)加工單元、空架機(jī)器人、線兩端的毛坯庫和三坐標(biāo)測量機(jī)組成,可實現(xiàn)3種零件的加工。空架機(jī)器人完成工件下線的碼垛裝箱工作。隨著綜合自動化技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一批專門從事裝配、試驗、檢測、清洗等裝備的專業(yè)生產(chǎn)廠家,進(jìn)一步提高了制造系統(tǒng)的配套水平。

（4）進(jìn)一步提高工序集中程度

國外為了減少機(jī)床數(shù)量,節(jié)省占地面積,對組合機(jī)床這種工序集中程度高的產(chǎn)品,繼續(xù)采取各種措施,進(jìn)一步提高工序集中程度。如采用十字滑臺、多坐標(biāo)通用部件、移動主軸箱、雙頭鏜孔車端面頭等組成機(jī)床或在夾具部位設(shè)置刀庫,通過換刀加工實現(xiàn)工序集中,從而可最大限度地發(fā)揮設(shè)備的效能,獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3課題設(shè)計的目的和意義

傳統(tǒng)的組合機(jī)床大都采用繼電—接觸控制，這種控制方式動作頻率低，可靠性差且因為固定接線形式，改變控制程序不方便、靈活性差，因此，不能滿足程序經(jīng)常改變的控制要求，基于此，采用PLC控制，可以增加系統(tǒng)控制的靈活性和通用性，使操作更為簡單、性能更加可靠。

在集成塊的設(shè)計中和傳統(tǒng)的設(shè)計相比較我們采用了更為先進(jìn)的三維實體造型設(shè)計思路，利用Pro/e對油路塊的設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計、分析和繪圖三者合一的全過程，邊設(shè)計邊檢查，確保內(nèi)部各油路的通斷，將復(fù)雜的油路塊設(shè)計簡單化，提高設(shè)計效率。

因此，課題設(shè)計的目的和意義在于，PLC控制方式的采用，提高了控制系統(tǒng)的靈活性、通用性、可靠性。計算機(jī)輔助設(shè)計的應(yīng)用，可使液壓系統(tǒng)的設(shè)計從單調(diào)乏味的手工作業(yè)變成自動作業(yè)，這對于充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造性，綜合應(yīng)用各種先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計方法，有效提高設(shè)計質(zhì)量、降低制造費用、縮短研發(fā)周期并促進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化等具有重大意義。

1.4設(shè)計內(nèi)容

依據(jù)機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、液壓傳動、機(jī)床電氣控制及可編程序控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制，以任務(wù)書的要求為根本目標(biāo)。

本文的研究工作主要包括：①液壓系統(tǒng)的設(shè)計及相關(guān)傳動元件的計算與選型；②PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計；③液壓站的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計。其論文各章節(jié)內(nèi)容如下：

1緒論主要介紹本文設(shè)計的目的和意義，提出課題的研究內(nèi)容和研究意義。

2液壓傳動的設(shè)計與計算主要是通過初步擬定液壓系統(tǒng)原理圖對相關(guān)液壓元件進(jìn)行計算和選擇。

3液壓站的設(shè)計主要是通過分析液壓系統(tǒng)的工作原理和所選的相關(guān)液壓元件，選擇液壓裝置的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行油路塊的設(shè)計。

4PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是確定組合鉆床自動循環(huán)的動作流程以及PLC的選型和程序的編程。

1.5本章小結(jié)

本章主要闡述了單面多軸組合鉆床液壓系統(tǒng)設(shè)計的目的、意義、背景及發(fā)展趨勢，提出了本課題的研究目標(biāo)。

2液壓系統(tǒng)的設(shè)計與計算

2.1液壓傳動的的概況及概念

2.1.1液壓傳動

液壓傳動相對于機(jī)械傳動來說，是一門比較新的學(xué)科，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、輸出功率大、易于實現(xiàn)無級調(diào)速及自動控制等特點，因此發(fā)展很快，而目前液壓技術(shù)正在向高壓、高速、大流量、大功率、低噪聲、長壽命、高度集成化和模塊化、提高高可靠性技術(shù)及污染技術(shù)控制的方向發(fā)展。所謂液壓傳動就是以液體作為工作介質(zhì)并以壓力能的方式來進(jìn)行能量的傳遞和控制的一種傳動形式它既可以傳傳遞力，又可以傳遞運動，因此又稱其為容積式液壓傳動

2.1.2液壓系統(tǒng)的組成

液壓系統(tǒng)由以下五個部分組成：

(1)動力元件——液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置，給整個系統(tǒng)提供壓力油。

(2）執(zhí)行元件——液壓缸或液壓馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，可克服負(fù)載做功。

(3）控制元件——各種閥類可控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力、流量及液流方向，以改變執(zhí)行元件輸出的力、速度及運動方向。

(4）輔助元件——油管、管接頭、油箱、過濾器、蓄能器和壓力表等，起連接、儲油、過濾、儲存壓力能和測量油液壓力等作用的輔助元件。

(5）工作介質(zhì)——傳遞壓力的工作介質(zhì)通常為液壓油，同時還可以起潤滑、冷卻和防銹的作用。

2.1.3液壓系統(tǒng)的應(yīng)用

本設(shè)計是在所學(xué)液壓知識的基礎(chǔ)上，討論液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計和計算的程序、內(nèi)容和方法。在此討論的是靜態(tài)的、經(jīng)驗的設(shè)計方法。傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計可以提供一個能實現(xiàn)預(yù)期功能（即滿足力和速度要求）的傳動系統(tǒng)，而系統(tǒng)僅僅能實現(xiàn)所預(yù)期的功能是不夠的。系統(tǒng)的動作質(zhì)量及動作發(fā)生的時間歷程也是很重要的，而且對于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備往往顯示出更為突出的地位，目前，在一般工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計中，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的動態(tài)分析，通常只用于飛機(jī)、軍事、航天和一些機(jī)床設(shè)備中的那些成本昂貴的液壓系統(tǒng)。隨著液壓技術(shù)特別是計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，一些更完備的設(shè)計理論和方法正在不斷地完善和充實，現(xiàn)代設(shè)計方法和手段，如液壓系統(tǒng)的計算機(jī)，輔助設(shè)計將的得到大力推廣和應(yīng)用。

液壓傳動具有顯著的優(yōu)點，它的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，慣性小，可以快速啟動和頻繁換向，且能傳遞較大的力和轉(zhuǎn)矩；能方便的實現(xiàn)無極調(diào)速，且調(diào)速范圍大；傳遞運動均勻平衡、方便可靠，負(fù)載變化時速度較穩(wěn)定；易于實現(xiàn)過載保護(hù)，用液壓傳動實現(xiàn)直線運動一般比機(jī)械傳動簡單。

2.2液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容與步驟

液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計是整個設(shè)計的一部分，它的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器的用途、特點和要求，利用液壓傳動的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，在經(jīng)過必要的計算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格并進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，它與主機(jī)的設(shè)計是密切相關(guān)的。液壓機(jī)床驅(qū)動具有眾多優(yōu)點，其中一個是液壓驅(qū)動在廣泛的范圍內(nèi)提供無限變化的速度。另外，它能像改變速度一樣容易來改變驅(qū)動的方向，像許多其它類型的機(jī)床一樣，許多復(fù)雜的機(jī)械裝置能夠被簡單化或者由于液壓驅(qū)動的使用完全被取消，而且，液壓驅(qū)動具有柔性和緩沖性，除了運動平穩(wěn)外，通?？梢姽ぜ谋砻婀鉂嵍纫驳玫酱蟠蟮母纳?，刀具進(jìn)刀量可以加大而不致?lián)p傷，并且可以持續(xù)更長時間。在設(shè)計過程中將通過全面方案論證，確定一部機(jī)器或機(jī)器的某一部分的傳動方式采用液壓傳動后，則考慮液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和一般流程。其流程如下：

(1)明確對液壓系統(tǒng)的要求

(2)分析主機(jī)工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)；

(3)進(jìn)行方案設(shè)計，初擬液壓系統(tǒng)原理圖；

(4)計算和選擇液壓元件；

(5)驗算液壓系統(tǒng)的性能；

(6)繪制正式系統(tǒng)工作圖，編制技術(shù)文件。

在實際設(shè)計工作中，上述內(nèi)容和步驟并不是固定不變的往往會隨系統(tǒng)的簡繁、借鑒的多寡、設(shè)計人員經(jīng)驗不同，在做法上會有穿插、交叉、反復(fù)或省略。

2.2.1明確對液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

液壓系統(tǒng)的設(shè)計必須能全面的滿足主機(jī)的各項功能和技術(shù)性能。因此在拿到設(shè)計任務(wù)書后首先要了解主機(jī)設(shè)計人員對液壓部分提出的要求。通過調(diào)研，一般應(yīng)明確以下要求點：

=1\*GB3

①

主機(jī)的用途、類型、工藝過程及總體布局，要求用液壓傳動完成的動作和空間位置的限制；

=2\*GB3

②

對液壓系統(tǒng)動作和性能的要求，如工作循環(huán)，運動方式（往復(fù)直線運動或旋轉(zhuǎn)運動、同步、順序或互鎖等要求），自動化程度，調(diào)速范圍，運動平穩(wěn)性和精度負(fù)載狀況，工作行程等；

=3\*GB3

③

工作環(huán)境：如溫度、濕度、污染、腐蝕及易燃等情況；

=4\*GB3

④

其他要求：如可靠性，經(jīng)濟(jì)性等。

2.2.2分析工況，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)

在明確了上述液壓系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)后，就可以對主機(jī)的工作過程進(jìn)行分析，即負(fù)載分析和運動分析，確定負(fù)載和速度在整個工作循環(huán)中的變化規(guī)律即計算執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（之液壓缸的有效工作面積或液壓馬達(dá)的排量），以及確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)——工作壓力和最大流量。

(1)工況分析

主機(jī)在工作過程中其執(zhí)行結(jié)構(gòu)所需要克服的負(fù)載包括工作負(fù)載（如切削力、注射力、壓力等）、慣性負(fù)載和阻力負(fù)載（如摩擦力、密封阻力等，被壓阻力等）。這些負(fù)載的大小可按具體情況，根據(jù)有關(guān)材料、手冊、計算出來。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在動作循環(huán)中各個工作循環(huán)中各個工作階段的負(fù)載可按以下各式計算：

1）啟動階段

F=±FG（2.1）

2）加速階段

F=Ffd+Fm±FG(2.2)

3)恒速階段

F=±Ft±Ffd±FG(2.3)

4）制動階段

F=±Ft±Ffd-Fm±FG（2.4）

式中FG————重力，若工作部件水平放置則FG=0

Ffs————靜摩擦力，F(xiàn)fs=Fnfs,Fn為運動部件及外負(fù)載對支承面的正壓力，fs為靜摩擦系數(shù)，一般fs≤0.2～0.3；

Ffd————動摩擦力，F(xiàn)fd=fdFn,fd為動摩擦系數(shù)，一般fd≤0.05～0.1；

Fm————慣性阻力，F(xiàn)m=，g為重力加速度，△t為啟動或制動時間，△v為速度變化量；

Ft——切削阻力。

除此之外，液壓缸的受力還有密封阻力（一般用效率ηm=0.85～0.9來表示）、被壓力等。根據(jù)上述各個工作階段內(nèi)的負(fù)載和它所經(jīng)歷的的時間，可繪制出負(fù)載循環(huán)圖，如圖2.1（a）所示。

同樣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在各個工作階段的運動速度也可以計算出來，繪制出速度循環(huán)圖,如圖2.1（b）所示。

對于工作循環(huán)比較簡單的主機(jī)，則往往只需找出最高速度最大負(fù)載，不一定都要作出循環(huán)圖。

圖2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載和速度循環(huán)圖

（2）確定液壓系統(tǒng)得主參數(shù)

執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖中的最大負(fù)載來選取，也可以根據(jù)主機(jī)類型來確定（見表2.1和表2.2）。

表2.1按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力

負(fù)載F/KN

＜5

5～10

10～20

20～30

30～50

＞50

工作壓力p/MPa

＜0.8～2.0

1.5～2.0

2.5～3.0

3.0～4.0

4.0～5.0

＞5.0＞7.0

表2.2各類主機(jī)常用工作壓力

主機(jī)類型

精加工機(jī)床

半精加工機(jī)床

粗加工或重型機(jī)床

農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械

液壓機(jī)、重型機(jī)械、大中型挖掘機(jī)械、起重運輸機(jī)械

工作壓力p/MPa

0.8～2.0

3.0～5.0

5.0～10.0

10.0～16.0

20.0～32.0

最大流量則由執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度循環(huán)中的最大速度計算出來，它與執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。通常的做法是：先按最大負(fù)載Fmax或Tmax和選取的工作壓力，由（2.5）或式（2.6）求出液壓缸的有效工作面積A或液壓馬達(dá)的排量

EQ

。

A=（2.5）

（2.6）

式中p——選取的系統(tǒng)工作壓力；

ηm————泵或馬達(dá)的機(jī)械效率。

則液壓缸或液壓馬達(dá)的最大流量可由式（2.7）或式（2.8）計算

（2.7）

（2.8）

對于要求工作速度很低的執(zhí)行元件,在計算最大流量之前,需檢驗所求得的執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)能否在系統(tǒng)最小穩(wěn)定流量下使該執(zhí)行元件獲得要求的最低速度Vmin或，即

A≥（2.9）

≥（2.10）

否則，需要調(diào)整A，或。在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中決定于變量泵的最小穩(wěn)定流量，由產(chǎn)品的性能表查出。在容積調(diào)速系統(tǒng)中，決定于變量泵的最小穩(wěn)定流量。

圖2.2執(zhí)行元件的工況圖

由以確定A值可以計算液壓缸的內(nèi)徑D，在參考有關(guān)手冊根據(jù)系統(tǒng)工作壓力或液壓缸往復(fù)運動速度比或活塞桿的受力情況（受拉力或壓力）計算活塞桿的的直徑d，計算出D和d，最后還必須圓整成國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格數(shù)值。各液壓執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，即可根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖，速度循環(huán)圖以及A和作出各執(zhí)行元件的工況圖（見圖2.2）。工況圖反映了一個工作循環(huán)中，執(zhí)行元件的實際工作壓力，流量和功率隨時間的變化情況。最后還需將各個執(zhí)行元件的q-t圖，P-t圖綜合疊加，歸并成整個液壓系統(tǒng)的工況圖，以顯示出整個工作循環(huán)中系統(tǒng)壓力.流量和功率的最大值以及在不同工作階段的分布情況，作為后續(xù)步驟中進(jìn)行方案設(shè)計.選擇液壓元件等的依據(jù)之一。

2.2.3進(jìn)行液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計

液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計中的重要一步。它從作用原理和結(jié)構(gòu)組成上具體體現(xiàn)了主機(jī)對液壓系統(tǒng)提出的各項要求其主要工作包括兩項內(nèi)容：一是根據(jù)主機(jī)對液壓系統(tǒng)的各項要求，選擇液壓回路，進(jìn)行方案設(shè)計；二是把選出的液壓回路有機(jī)的組成液壓系統(tǒng)。

（1）選擇液壓系統(tǒng)

選擇液壓回路時既要考慮調(diào)速、壓力控制、換向、順序或同步動作、互鎖等，還要考慮節(jié)省能源，提高效率，減少發(fā)熱，安全可靠，減少沖擊等問題。選擇回路奧抓住各類主機(jī)液壓系統(tǒng)的特點和主要問題，從對主機(jī)的主要性能起決定性影響的回路開始。例如，對機(jī)床的液壓系統(tǒng)應(yīng)從選擇調(diào)速回路開始；液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)從選擇壓力調(diào)節(jié)和控制回路開始等。然后再考慮其他回路，或許有些回路的形式已由主要回路所決定。

選擇回路時，往往有很多方案，需要進(jìn)行反復(fù)比較，同時還應(yīng)采取類比法，多參考同類型液壓系統(tǒng)的成熟結(jié)構(gòu)方案。

（2）初擬液壓系統(tǒng)原理圖

將選定的各液壓回路組合、歸并在一起，再加上一些輔助元件或回路就初步形成了液壓系統(tǒng)原理圖。在合成液壓系統(tǒng)原理圖時應(yīng)注意以下幾點：

①盡可能合并作用相同或相近的多余元件。

②消除回路合并可能帶來的相互干擾。

③對可靠型要求比較高的主機(jī)，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置必要的備用元件或備用回路。

④盡量采用標(biāo)準(zhǔn)元件，減少制造周期和成本。

⑤為了便于調(diào)整和檢修，在需要檢測系統(tǒng)參數(shù)的地方設(shè)置工藝接頭，以便安裝檢測儀器。

2.2.4計算與選擇液壓元件

液壓元件的選擇通常是由以下諸因素共同決定的：

①參考同類設(shè)備。

②系統(tǒng)所需要的最高壓力和最大流量。

③對穩(wěn)態(tài)功率以及整個運動過程的考慮。

④可供選用的液壓元件及其成本。

（1）液壓泵及電機(jī)的選擇

首先確定液壓泵的最大工作壓力

(2.11)

式中——執(zhí)行元件的最高壓力，由其工況圖中得到；

——油液流經(jīng)執(zhí)行元件進(jìn)油路上個液壓元件及管路的總壓力損失。

在整個液壓系統(tǒng)尚未組成前，的取值可估算，也可以按經(jīng)驗資料估計。例如，對簡單的系統(tǒng)取；對復(fù)雜的系統(tǒng)取。當(dāng)執(zhí)行元件的最大工作壓力出現(xiàn)在其停止運動狀態(tài)，則取。

其次根據(jù)系統(tǒng)工況圖中的最大流量確定液壓系統(tǒng)的最大供油流量

(2.12)

對于工作過程始終處于節(jié)流調(diào)速狀態(tài)的系統(tǒng)，在確定液壓系統(tǒng)的最大供油時，尚未考慮溢流閥的最小穩(wěn)定流量，在一般為溢流閥額定流量的15%以上。

對于采用差動液壓缸的系統(tǒng)，液壓缸的供油為

(2.13)

對于采用蓄能器共同供油的系統(tǒng)，在液壓泵的最大供油量可由系統(tǒng)一個工作循環(huán)中的平均流量確定，即

(2.14)

式中K——考慮系統(tǒng)泄漏的修正系數(shù)，一般取1.1～1.3；

——差動液壓缸無桿腔、有桿腔的有效面積；

——差動連接時活塞或液壓缸的運動速度；

——系統(tǒng)在一個工作循環(huán)中等i個階段內(nèi)所需的供油量；

T——一個工作循環(huán)的時間。

根據(jù)設(shè)計要求和系統(tǒng)工況可確定液壓泵的類型，然后按上面計算出的和，參照產(chǎn)品樣本即可選擇液壓泵的規(guī)格型號?？紤]到動態(tài)壓力超調(diào)，并確保泵有足夠的使用壽命，應(yīng)使液壓泵具有一定的壓力儲備，從產(chǎn)品樣本中選擇泵的額定壓力應(yīng)比高出25%～60%，其額定流量則只需與相當(dāng)。

驅(qū)動液壓泵所需的電動機(jī)功率可直接從泵的產(chǎn)品樣本上查出，然后結(jié)合泵的轉(zhuǎn)速選擇電動機(jī)。液壓泵的驅(qū)動功率也可以根據(jù)具體工況計算出來。若在整個工作循環(huán)中，液壓泵的工作壓力和流量比較恒定，則液壓泵的驅(qū)動功率為

(2.15)

式中—液壓泵的最大工作壓力；

—液壓泵的輸出流量；

—液壓泵的總效率，可由泵的產(chǎn)品樣本中查出。

若一個工作循環(huán)中，液壓泵的最大工作壓力和流量變換較大，則需要分別計算出工作循環(huán)中各個階段所需的驅(qū)動效率，然后按下式求出平均驅(qū)動功率

(2.16)

式中—個工作循環(huán)中各個階段所需的驅(qū)動功率；

—個工作循環(huán)中各個階段所需要的時間。

在按平均驅(qū)動功率選擇電動機(jī)時，應(yīng)將求得值與整個工作循環(huán)中所需的最大驅(qū)動功率進(jìn)行比較，核算短期超載量是否在允許的范圍之內(nèi)，一般電動機(jī)允許的短期超載量為25%.如果超出允許的范圍，則必須按最大驅(qū)動功率選則電動機(jī)。

（2）控制閥的選擇

各種控制閥的規(guī)格型號按該閥所在油路的最大工作壓力和經(jīng)此油路的最大流量選定。即各種閥的額定壓力和額定流量應(yīng)與上述壓力和流量相接近。必要時可允許閥最大通過流量超過其額定流量的20%，如果超過太大，則壓降及發(fā)熱劇增。

此外需確定液壓閥的安裝方式。根據(jù)連接方式的不同，液壓閥可分為管式閥、板式閥和疊加閥等。

管式閥是靠螺紋管接頭的各進(jìn)出油口與系統(tǒng)管路相連接。液壓閥自身亦靠管接頭固定在管路上。大流量時用法蘭代替管接頭。較簡單、試制性、未定型的液壓系統(tǒng)可采用管式連接閥。

板式閥有兩種連接方式。采用安裝地板的板式連接結(jié)構(gòu)。位于閥體安裝面上的全部油口與安裝底板上加工出的油口相對應(yīng)，閥體用螺釘安裝在底板上，并用O型密封圈密封，在底板的背面或側(cè)面用螺紋管接頭將閥的各油口與系統(tǒng)管路連通。集成塊的另一種板式連接結(jié)構(gòu)是集成塊是一個六面體，在3個側(cè)面均可用螺釘安裝板式閥，另一側(cè)面安裝通向執(zhí)行元件的管接頭。塊內(nèi)有鉆出的油孔試固定在集成塊上的閥與閥之間按一定的要求連通。一個液壓系統(tǒng)往往需要幾個集成塊來安裝連接板式閥，各集成塊和頂蓋、底板用長螺栓即可緊固組裝在一起。使用時可按系統(tǒng)設(shè)計要求選擇集成塊及相應(yīng)的板式液壓閥，也可根據(jù)需要自行設(shè)計集成塊。板式安裝連接目前經(jīng)常采用的液壓閥連接方式。

疊加閥式安裝連接是板式閥集成塊安裝連接的一種新型發(fā)展形式，用于液壓閥的集成化。疊加閥的上下兩個面是閥間的安裝面，閥的進(jìn)出油口分別在這兩個面上，以便疊加安裝另一個或幾個液壓閥組成一個集成化的控制回路。這樣閥與閥之間無須任何中間連接體，閥體本身就起到了連接板和油路通道的作用，而閥本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理與一般液壓閥基本相同。

在選擇液壓閥時，除了考慮上述問題外，還應(yīng)該考慮控制閥的操作方式、結(jié)構(gòu)特點、性能特點及價格等，故此，在這次設(shè)計中我們選用板式閥。

（3）輔助元件的選擇

選擇油管和管接頭的簡便方法是使它們的通徑與其所連接的液壓元件借口處的尺寸一致。

（4）確定油箱容量

油箱的有效容量可根據(jù)系統(tǒng)壓力和系統(tǒng)的流量，按經(jīng)驗公式估算。

油箱的總?cè)萘繎?yīng)為其有效容量V的1.25%倍。對于行走機(jī)械的液壓系統(tǒng)，其油箱容量可適當(dāng)減小，但須配冷卻裝置。

2.2.5驗算液壓系統(tǒng)性能

液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算工作到這一步，還需要對所設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)性能進(jìn)行驗算，判斷設(shè)計質(zhì)量，以便調(diào)整設(shè)計參數(shù)及方案。一般技術(shù)性能驗算包括：系統(tǒng)壓力損失計算；系統(tǒng)效率計算；系統(tǒng)發(fā)熱溫升的計算等。若對系統(tǒng)有其他要求時，尚需作相應(yīng)的估算。

（1）系統(tǒng)壓力損失的驗算

當(dāng)系統(tǒng)的元件、輔助規(guī)格和管道尺寸確定后，即可繪出油路的安裝草圖，對系統(tǒng)進(jìn)油路上總壓力損失進(jìn)行驗算，即

(2.17)

式中——系統(tǒng)管道沿程壓力和局部壓力損失，可分為參照1.4節(jié)中有關(guān)計算公式；

——閥和輔助元件的局部壓力損失，可根據(jù)各自的型號規(guī)格從產(chǎn)品樣本中查出。

系統(tǒng)在不同工作階段的壓力損失要求分開計算。

在中往往是主要部分，若經(jīng)過閥類元件的實際流量與其額定流量相差較大，實際壓力損失與額定壓力損失有如下關(guān)系

(2.18)

如果計算出的系統(tǒng)進(jìn)油路總壓力損失比前面選泵時估計的數(shù)值大的多，則應(yīng)重新調(diào)整液壓元件、輔助規(guī)格和管道尺寸。計算出的系統(tǒng)壓力損失可作為確定系統(tǒng)調(diào)整壓力的依據(jù)之一，并可考查系統(tǒng)的回路效率，在對不同的方案進(jìn)行比較作為參考。

（2）系統(tǒng)效率的計算

液壓系統(tǒng)工作時，液壓泵和執(zhí)行元件都有泄漏和機(jī)械摩擦損失，必然消耗一定的功率，即反應(yīng)了一定的效率。液壓系統(tǒng)的效率是系統(tǒng)的輸出效率與其輸入效率之比，即

(2.19)

它也可以寫成

(2.20)

式中——液壓泵的總效率，油產(chǎn)品樣本查出；

——執(zhí)行元件的總效率，由產(chǎn)品樣本查出，對于液壓缸一般取0.95；

——回路效率，它反映了泵出口到執(zhí)行元件進(jìn)口這段油路的功率利用程度。

(2.21)

式中——同時工作的執(zhí)行元件工作壓力與輸入流量乘積之和；

——同時運轉(zhuǎn)的液壓泵的輸出功率之和。

（3）系統(tǒng)發(fā)熱和溫升的驗算

液壓系統(tǒng)的壓力、容積和機(jī)械所消耗的功率轉(zhuǎn)化為熱量，試系統(tǒng)的油溫升高。連續(xù)工作一定時間后，系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量便和散發(fā)的熱量相等達(dá)到平衡狀態(tài)，油溫不再升高。對于不的主機(jī)，因環(huán)境條件與工況不同，最高允許油溫也不相同(參見表2.3)。因此，必須運用熱量平衡原理對系統(tǒng)的溫升值進(jìn)行估算，使其不得超過允許值。若執(zhí)行元件的有效功率為，液壓泵上輸入功率為，則系統(tǒng)的總發(fā)熱H可按試下式估算

(2.22)

如果系統(tǒng)的總效率已由式（2.20）求出，則系統(tǒng)的總發(fā)熱量也可按下式計算

(2.23)

假設(shè)熱量全部由油箱散發(fā)出去，不考慮系統(tǒng)其他部分的散熱，則對油箱溫升的估算公式可以根據(jù)不同的條件分別從有關(guān)手冊中查找出來。對于油箱3個邊的尺寸1:1:1到1:2:3之間，油平面高度是油箱高度的80%，且油箱通風(fēng)良好時，油液溫升的計算可用下式來估算

(2.24)

式中V——油箱的有效容積。

計算結(jié)果如果超出最高允許油溫，需增加油箱表面積，采取冷卻措施或改進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計。

表2.3各種機(jī)械允許油溫

液壓設(shè)備名稱

正常工作油溫

最高允許油溫度

油及油箱的溫升

機(jī)床

30-50

55-70

≤30-35

工程機(jī)械、礦山機(jī)械

50-80

70-90

≤35-40

數(shù)控機(jī)床

30-50

55-70

≤25

機(jī)械粗加工機(jī)床

40-70

60-90

機(jī)車車輛

40-60

70-80

船舶

30-60

80-90

2.2.6繪制正式工作圖，編制技術(shù)文件

設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng)經(jīng)過驗算后，即可繪制正式工作圖和編制技術(shù)文件。

正式工作圖包括液壓系統(tǒng)原理圖、液壓系統(tǒng)裝備圖、各種非標(biāo)準(zhǔn)元件、輔助的零件圖及其裝配圖。

液壓系統(tǒng)原理圖時對初擬的原理圖進(jìn)行修改、補(bǔ)充、完善而成、圖中應(yīng)附有液壓元件明細(xì)表。表中標(biāo)明各種液壓元件的型號和規(guī)格。一般還應(yīng)該給出各執(zhí)行元件的工作循環(huán)圖、動作順序表和簡要說明。

液壓系統(tǒng)裝備圖時液壓系統(tǒng)的正式安裝、施工的圖紙，包括油箱裝配圖、泵裝置圖、管路安裝圖等。

技術(shù)文件一般包括液壓系統(tǒng)設(shè)計計算書、標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表、液壓系統(tǒng)操作使用說明書等內(nèi)容。

2.3液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與計算

設(shè)計一臺臥式單面多軸鉆床組合機(jī)床液壓傳動系統(tǒng)，設(shè)計工作的內(nèi)容和過程如下：

2.3.1液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

設(shè)計一臺臥式單面多軸鉆床組合機(jī)床液壓傳動系統(tǒng)，要求完成工件的定位與夾緊，所需夾緊力不得超過6000N。該系統(tǒng)的工作循環(huán)為“快進(jìn)—工進(jìn)—快退—停止”。機(jī)床快進(jìn)快退速度約為6m/min，工進(jìn)速度可在30~120mm/min范圍內(nèi)無極調(diào)速，快進(jìn)行程為200mm，工進(jìn)行程為50mm，最大切削力為25N,運動部件總重量為15N，加速（減速）時間為0.2s，采用平導(dǎo)軌，靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。要求經(jīng)過作業(yè)分析、方案擬定、元件選取和有關(guān)計算后，完成對該裝置的實質(zhì)性設(shè)計。

2.3.2組合機(jī)床工作情況分析，確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

（1）負(fù)載分析

1）工作負(fù)載

2）摩擦負(fù)載

靜摩擦負(fù)載

動摩擦負(fù)載

3）慣性負(fù)載

==765N

根據(jù)以上計算，得出液壓缸在各工作階段的負(fù)載如表2.4所示

由表2.4數(shù)值繪制負(fù)載循環(huán)圖2.3(a)所示。

（2）運動分析

根據(jù)，取，繪制速度循環(huán)圖如圖2.3(b)所示。

（3）確定液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

參照表2.1和表2.2取液壓缸工作壓力為。為節(jié)省能源宜選用較小流量的油源，利用單桿活塞缸差動連接滿足快進(jìn)速度要求，且往復(fù)速度相等，這樣就給液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d規(guī)定了的關(guān)系。

在水平推力壓緊時，液壓缸回油腔應(yīng)有一定的背壓，查液壓工程手冊取背壓為。由此求得液壓缸無桿腔面積為

表2.4液壓缸在各工作階段的負(fù)載/N

工況

負(fù)載組成F

系統(tǒng)負(fù)載/N

時間/s

啟動

3334

加速

+

2517

2s

快速進(jìn)給

1667

25s

工作進(jìn)給

+

29445

2.5s

制動

-

735

2.5s

注：1.取工進(jìn)時的最大速度=2mm/s

2.取液壓缸機(jī)械效率=0.9

3.

(a)(b)

圖2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載和速度循環(huán)圖

由GB/T2348-1993查得標(biāo)準(zhǔn)值D=11cm，d=8cm。由此計算出液壓缸的實際有效面積為

由工進(jìn)給速度檢驗液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸，查產(chǎn)品樣本，Q型調(diào)速閥的最小穩(wěn)定流量為

則

本計算，故能滿足工作進(jìn)給速度要求。

快速進(jìn)給時的液壓缸工作差動連接。由于管路中由壓力損失，取此項損失為，同時假定快退時回油壓力損失為0.5Mpa。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以計算出液壓缸在一個工作循環(huán)各個階段的壓力，流量和功率，如表2.5所示，并根據(jù)此繪制出液壓缸工況圖如圖2.4所示。

表2.5液壓缸在不同階段所需的壓力、流量、和功率

工作階段

系統(tǒng)負(fù)載

回油腔壓力

工作腔壓力

輸入流量

輸入功率

工作進(jìn)給

29444

0．6

快速前進(jìn)

1667

快速退回

1667

0．5

注：取液壓缸機(jī)械效率

（3）確定夾緊缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑

根據(jù)夾緊力F=5000～6000N，選取夾緊壓力為

夾緊缸內(nèi)徑為：

cm

查缸徑尺寸系列，取D=8cm

根據(jù)活塞桿工作中受壓，活塞桿直徑適當(dāng)取大些，活塞桿直徑d為：

d=0.5D=4cm

取d=4cm，符合活塞桿尺寸系列。

圖2.4液壓缸工況圖

（a）p-t圖（b）q-t圖（c）P-t

（4）計算夾緊液壓缸的壓力和流量

進(jìn)油腔壓力為

輸入流量為

2.3.3設(shè)計方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖

(1)選擇基本回路

1）確定供油方式

從工況圖上可以清楚的看到：在整個工作循環(huán)中，液壓缸要求交替提供快行程的低壓大流量和慢行程的高壓小流量油液。最大流量與最小流量之比約為50。而快進(jìn)、快退所需時間為

工進(jìn)時間

即

考慮到該機(jī)床在工作進(jìn)給時的負(fù)載較大，速度較低，而在快進(jìn)、快退時負(fù)載較小，速度較高。從節(jié)省能量、減少發(fā)熱考慮，泵源系統(tǒng)宜采用雙泵供油或變量泵供油。現(xiàn)采用帶壓力反饋的限壓式變量葉片泵。油源選擇如圖2.5所示

圖2.5油源的選擇

（2）調(diào)速方式的選擇

在中小型專用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流或調(diào)速閥。根據(jù)銑削類專用機(jī)床工作時低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點，決定采用限壓式變量泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點，并且調(diào)速閥裝在回油路上，具有承受負(fù)切削力的能力。

（3）速度換接方式的選擇

本系統(tǒng)采用電磁閥的快慢速換接回路，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)行程比較方便，閥的安裝也較容易，但速度換接的平穩(wěn)性較差。若要提高系統(tǒng)的換接平穩(wěn)性，則可改用行程閥切換的速度換接回路。

（4）夾緊回路的選擇

用二位四通電磁閥來控制夾緊、松開換向動作時，為了避免工作時突然失電而松開，應(yīng)采用失電夾緊方式，考慮到夾緊時間可調(diào)節(jié)和當(dāng)進(jìn)油路壓力瞬時下降時仍能保持夾緊力，可以接入單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓閥，用來調(diào)節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定，為了保證工件確已夾緊后進(jìn)給缸才能動作，在夾緊缸進(jìn)油口處裝一壓力繼電器。

（5）組成液壓系統(tǒng)原理圖

把所選擇的液壓回路組合起來，在液壓泵進(jìn)口設(shè)置一過濾器；出口設(shè)一壓力表及壓力表開關(guān)，以便觀測泵的壓力等。即可組成液壓系統(tǒng)原理圖，如圖2.6所示。

2.3.4計算和選擇液壓元件

（1）液壓泵及其驅(qū)動電動機(jī)的選擇

1）泵的工作壓力的確定?？紤]到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為

（1.25）

式中—液壓泵最大工作壓力

—執(zhí)行元件最大工作壓力

—進(jìn)油管路中的壓力損失，初算時簡單系統(tǒng)可取0.2～0.5MPa，復(fù)雜系統(tǒng)可取0.5～1.5MPa，本設(shè)計中取0.8MPa

首先確定液壓泵的最大工作壓力。小流量泵在快進(jìn)和工進(jìn)時都向系統(tǒng)供油。由工況圖

圖2.6單面多軸鉆床液壓系統(tǒng)原理圖

知，在整個工作循環(huán)中液壓缸的最大工作壓力3.1MPa，選取進(jìn)油路上的總壓力損失為0.8MPa，流量泵的最大工作壓力為：

上述計算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各中工況的過渡階段出現(xiàn)的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力，另外考慮到一定的壓力貯備量，并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力（1.25～1.6）。中低壓系統(tǒng)取小值，高壓系統(tǒng)取大值。

在本例中=1.45=5.655MPa

2）泵的流量確定。液壓泵的最大流量應(yīng)為

（2.26）

式中—液壓泵的最大流量

—同時動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。

—系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取=1.1～1.3，現(xiàn)取=1.2。

=1.2×30.156L/min=36.2L/min

3)選擇液壓泵的規(guī)格

根據(jù)以上算的和再查閱有關(guān)手冊，現(xiàn)選用YBX—40限壓式變量葉片泵，該泵的基本參數(shù)為沒轉(zhuǎn)排量=40ml/r，泵的額定壓力

EQ

=6.3MPa，額定轉(zhuǎn)速940r/min，總效率0.8，容積效率0.9。

4）與液壓泵匹配的電動機(jī)的選定

首先分別算出快進(jìn)和工進(jìn)兩種不同工況時的功率，取兩者最大值作為選擇電動機(jī)規(guī)格的依據(jù)。由于在慢進(jìn)時泵的輸出流量減少，泵的效率急劇降低，一般當(dāng)流量在0.2～1L/min范圍內(nèi)時，可取0.03～0.14。同時還應(yīng)注意到，為了使所選的電動機(jī)在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率點時不致停轉(zhuǎn)，需進(jìn)行驗算，即

（2.27）

式中—所選電動機(jī)的額定功率

—限壓式變量泵的限定壓力

—壓力為時，泵的輸出流量

首先計算快進(jìn)時的功率，快進(jìn)時的外負(fù)載為15000N，進(jìn)油路的壓力損失定為0.3MPa，由式（2—3）可得

MPa=0.39MPa

快進(jìn)時所需電機(jī)功率為

工進(jìn)時所需電動機(jī)功率為

0.0926

查閱電動機(jī)產(chǎn)品樣本選用Y100L—6，=940r/min，p=1.5kw

根據(jù)產(chǎn)品樣本可查得YBX—40的流量壓力特性曲線。

（2）液壓閥的選擇

根據(jù)控制所在油路的最大工作壓力和通過該閥的最大流量選擇規(guī)格型號見表1.6：

表2.6液壓元件表

序號

元件名稱

通過閥的最大流量

規(guī)格

規(guī)格

型號

額定流量

額定壓力MPa

額定壓降MPa

1

限壓式變量

葉片泵

—

YBL-40

40

6.3

—

2

三位四通

電磁換向閥

57.018

34D-63B

63

6.3

<0.4

3

兩位四通

電磁換向閥

22.4

24D-25B

25

6.3

<0.3

4

兩位三通

電磁換向閥

30.156

23D-63B

63

6.3

<0.4

5

壓力繼電器

—

-63B

—

6.3

—

6

單向閥

3.2

I-10B

10

6.3

<0.2

7

單向閥

26.862

I-63B

63

6.3

<0.2

8

單向節(jié)流閥

22.4

LDF-B32C

32

6.3

—

9

過濾器

36.2

XU-4080J

80

6.3

—

10

減壓閥

22.4

JI-25B

25

6.3

—

注：此為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速時液壓泵輸出的實際流量

（3）油管的計算和選擇

油管的內(nèi)徑可按照所連接元件的接口尺寸確定，也可按照管路中允許的流速來計算，由表1.7推薦取油液在壓油管的流速V=4m/s，按式算得液壓缸無桿腔及有桿腔相連的油管的內(nèi)徑為

取d=20mm

取d=16mm

最后，依照計算由選定的液壓元件連接油口尺寸確定油管內(nèi)徑。

（4）油箱容量

由經(jīng)驗公式得

按GB2876-81規(guī)定取油箱的標(biāo)準(zhǔn)值V=250L，其型號：BEX—250

2.3.5驗算液壓系統(tǒng)性能

（1）系統(tǒng)壓力損失的驗算

由于系統(tǒng)的具體管路布置尚未確定，整個系統(tǒng)的壓力損失無法計算，但閥類元件的局部壓力損失是可以由公式估算出來的，它在總壓力損失中占據(jù)了很大的份額。壓力損失的驗算應(yīng)按一個工作循環(huán)中不同階段分別進(jìn)行。

1）快進(jìn)

快進(jìn)時，液壓缸差動連接，進(jìn)油路上油液通過三位四通閥的流量30.156L/min。因此，進(jìn)油路上的總壓降為

回油路上，通過兩位三通電磁換向閥是的流量為

2）工進(jìn)

工進(jìn)時，進(jìn)油路上通過三位四通電磁換向閥的流量為1.14L/min,回油路上通電二位三通電磁換向閥的流量為，在調(diào)速閥處的壓力損失為0.5MPa，在背壓閥處的壓力損失為0.6MPa，因此，將回油路上的壓力損失折算到進(jìn)油路上后，便得到了整個回路因閥類元件造成的壓力損失為

液壓缸回油腔的壓力為：

可見此值略大于原估計值，故需重新計算工進(jìn)時液壓缸進(jìn)油腔壓力即：

此值略等于表2.5中的數(shù)值。

因為二位三通電磁換向閥處的力損失為，調(diào)速閥處的壓力損失為0.5MPa，所以工進(jìn)時溢流閥的調(diào)整壓力應(yīng)為

=3.6MPa

3）快退

快退時，進(jìn)油路上通過三位四通電磁換向閥的流量為36.2L/min，通過單向閥和二位三通電磁換向閥為26.862L/min，回油路上通過三位四通電磁換向閥和單向閥的流量為：

因此，進(jìn)油路上總壓降為

此值小于估計值，因此液壓泵驅(qū)動電機(jī)的功率是足夠的，快退時回油路上總壓降為

此值略小于原估計值，因此，重新計算快退時液壓缸進(jìn)油腔壓力為：

快退時液壓泵的工作壓力應(yīng)為：

（2）計算系統(tǒng)效率

在一個工作循環(huán)中，工作進(jìn)給占大部分時間，因此完全可用工進(jìn)時的系統(tǒng)效率來代替整個工作循環(huán)的系統(tǒng)效率。

由此可見，系統(tǒng)的效率很低，但在小功率系統(tǒng)是允許的。

（3）系統(tǒng)發(fā)熱與溫升計算

系統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升可按工進(jìn)時的工況來計算

工進(jìn)時液壓缸的有效功率為：

液壓泵的總功率為：

按式可計算出液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為：

按式，求出油液溫升為：

由表2.3可知，油液溫度沒有超過所允許的溫升值。

2.4本章小結(jié)

本章主要闡述了液壓系統(tǒng)的設(shè)計與要求,通過計算選擇了相關(guān)的液壓元件并對其進(jìn)行了相關(guān)的驗算,擬定出了液壓系統(tǒng)原理圖。

3液壓站的設(shè)計

液壓站是現(xiàn)代液壓技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形態(tài),既是各類液壓系統(tǒng)設(shè)計過程的歸宿,又是保證主機(jī)完成其工藝目的和長期可靠工作的重要裝置。正確合理地設(shè)計和使用液壓站，對于提高液壓系統(tǒng)乃至整個液壓設(shè)備的工作品質(zhì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，具有重要意義。其基本設(shè)計框圖如圖3.1。

液

壓

站

油箱

集成塊

電動機(jī)

過濾器

液壓泵

聯(lián)軸器

圖3.1液壓站設(shè)計框圖

3.1液壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該注意的是，液壓裝置中各部件、元件布置要均勻、便于裝配、調(diào)整、維修和使用，并且要適當(dāng)?shù)淖⒁馔庥^的整齊和美觀。液壓泵與電動機(jī)可裝在液壓油箱的蓋上，也可裝在液壓油箱之外，主要考慮液壓油箱的大小與剛度。在閥類元件的布置中，行程閥的安放位置必須靠近運動部件。手動換向閥的位置必須靠近操作部位。換向閥之間應(yīng)留有一定的軸向距離，以便進(jìn)行手動調(diào)整或裝拆電磁鐵，壓力表及其開關(guān)應(yīng)布置在便于觀察和調(diào)整的地方。液壓泵與機(jī)床相聯(lián)的管道一般都先集中接到機(jī)床的中間接頭上，然后再分別通向不同部件的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去，這樣做有利于搬運、裝拆和維修。硬管應(yīng)貼地或沿著機(jī)床外形壁面敷設(shè)。相互平行