卧式机床加工组合机床液压传动及控制系统设计

目录1.设计目的 (1)2.设计任务 (1)3.主要工艺参数 (2)4. 设计要求 (2)5.液压系统的设计计算 (2)5.1工况分析 (2)5.2液压缸主要参数的确定 (4)5.3液压系统图的拟定 (6)5.3.1液压回路选择 (6)5.3.2拟定液压系统图 (7)5.4液压元件的计算与选择 (8)5.4.1液压泵 (8)5.4.2阀类元件及辅助元件 (8)5.5液压系统的性能验算 (9)5.5.1回路压力损失验算 (9)5.5.2油液温升验算 (9)6.控制系统硬件选型设计 (11)6.1PLC输入输出接口分配 (11)6.2PLC外部接线图 (11)7.控制系统软件设计 (12)7.1PLC梯形图设计 (12)（略） (12)7.2组态监控界面设计 (12)8.心得与体会 (12)9.参考文献 (12)1.设计目的1.掌握机电一体化系统的设计过程和方法，包括参数计算与选择、传动设计、结构设计、计算机控制等内容，培养系统分析和设计能力。

2.通过回顾所学相关课程的理论知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。

3.训练和提高设计的基本技能，如检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，编写技术文件（说明书）等。

2.设计任务如图1所示为箱体加工双面钻孔专用机床的结构示意图。

专用机床的工作步骤如下：（1）按下启动按钮，夹紧装置将被加工工件夹紧（液压），夹紧后发出信号；（2）左、右动力头同时快进（液压）；（3）到达工件附近（行程控制），左右动力头快进转为工进加工；（4）左动力头部件快退（行程控制）、右动力头部件继续工进；（5）左动力头部件停止、右动力头部件快退（行程控制）。

（6）右动力头部件停止、工件松开。

以上步骤连续工作，实现半自动循环：在工件夹紧、动力头快进、动力头快退及电源接通均有信号指示。

3.主要工艺参数两侧钻孔切削负载Fc(KN)：10夹紧缸负载力Fj（KN）:8滑台移动重量G（KN）:7滑台快进快退速度V1（m/min）:5滑台工进速度V2（m/min）：0.02往返加减速时间△t(s)：0.2快进行程S1(m)：0.15左动力头工进行程S2左(m):0.06右动力头工进行程S2右(m)：0.12夹紧缸行程S夹（m）：0.03夹紧时间t(s)：1.5工作台导轨静摩擦系数fs：0.2动摩擦系数fd:0.14.设计要求（1）控制部分采用工控软件做接口界面，由PLC具体执行控制。

（2）设计内容包括：液压系统设计与计算、控制系统硬件选型与程序软件设计与调试，编写设计计算说明书。

（3）提交的资料.：1）系统配置图1张（3号图纸）。

2）液压原理图（包括电磁阀动作顺序表）1张（3号图纸）。

3）控制系统接口图1张（3号图纸）4）说明书1份（含组态程序界面、plc程序清单及注释）5.液压系统的设计计算5.1工况分析5.1.1负载力分析进给液压缸的负载力主要有：切削力、导轨摩擦力、惯性力、重力、密封圈摩擦力等。

A.钻孔切削力负载Fc工进行程I Fc1=10KN工进行程II Fc2=10KNB. 导轨摩擦力静摩擦力：F fs =G ×f s =1400N 动摩擦力：F fd =G ×f d =700N工进行程I 、II 动摩擦力F 1fd =F 2fd =700N 式中 G ——运动部件的重量；F s 、f d ——导轨静摩擦力和动摩擦力系数 C. 惯性力F m =gG (△v/△t)=700⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯2.0/)0605(=292N 式中 △V ：在△t 时间内的速度变化值（m/min ）； △t ：启动或制动的时间（S ）。

根据上述分析，可计算出工作台液压缸各阶段的负载力见表1-1。

(表中液压缸机械效率η取0.9计算)表5-1工况 计算公式 推力（N ） 启动 F=F fs /η 1556 加速 F=(Ffd+Fm)/η 1102 快进 F=Ffd/η 778 工进行程I F=(Fc1+Ffd1)/η 11889 工进行程II F=(Fc2+Ffd2)/η11889 反向启动F=Ffs/η 1556 加速 F=(Ffd+Fm)/η 1102 快退 F=Ffd/η 778 制动F=(Ffd-Fm)/η453D.绘制工作台液压缸的速度循环图。

根据上表数值，绘制出液压缸速度图（V-S），横坐标为行程S。

如图5-1所示。

（a）(b)图5-1 左右动力头液压缸速度循环图5.2液压缸主要参数的确定由参考文献[1]中250和251页的表9-1和表9-2可知，组合机床液压系统在最大负载约为12000N时宜取p1=3MPa。

液压缸选用单杆式，并在快进时作差动连接。

此时液压缸无杆腔工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍,即活塞杆直径d与缸筒直径D的关系为d=0.707D，见图5-2。

图5-2 液压缸结构尺寸，以防孔被钻通时滑台突然前冲，可在钻孔加工时，液压缸回油路上必须具有背压P2取p=0.8MPa。

快进时液压缸虽作差动连接，但由于油管中有压降△p存在，有杆腔的压力2必须大于无杆腔，估算时可取△p≈0.5MPa。

快退时回油腔中是有背压的，这时p2也可按0.5MPa估算。

由工进时的推力计算液压缸面积=m F η/21112211)2/(p A P A p A p A -=-故有 m F A η(1=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-=-62110)28.03(/11889)2/()p p 2m=0.00462m =462cm D=π14A =7.65cm=76.5mm,d=0.707D=5.41cm=54.1mm当按GB/T2348-1993将这些直径圆整成就近标准值时，得D=80mm,d=56mm 。

由此求得液压缸两腔的实际有效面积为==421D A π 50242mm ，4/)(222d D A -=π= 25622mm根据上述D 与d 值，可估算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率，如表5-2所示。

表5-2 左动力头液压缸在不同阶段的压力、流量和功率值工况 负载 F/N 回油腔压力 p2/Pa 进油腔压力 p1/Pa 输入流量 q/(L/min) 输入功率 P/W 计算式快进 (差动）启动 1556 p2=0(△p=0) 0.632×106— —p1=(F+A2△p)/(A1-A2) q=(A1-A2)v1 P=p1q加速 1102 p2=p1+△p(△p=0.5MPa)0.968×106— — 恒速7780.836×10612.31 0.171×103工进 118890.8×1062.77×1060.1 0.047×102p1=(F+p2A2)/A1 q=A1v2 P=p1q 快退启动 1556 P2=0 0.607×106— —p1=(F+p2A1)/A2 q=A2v3 P=p1q加速 1102 0.5×1061.411×106— — 恒速7781.284×10612.810.275×103由于右动力头受力情况与左动力头相同，液压缸尺寸也相同，所以其不同阶段压力、流量和功率值如表5-2所示。

根据表中数据，绘出液压缸工况图如图5-3所示。

图5-3 组合机床动力滑台液压缸的工况图5.3液压系统图的拟定5.3.1液压回路选择机床液压系统经常以速度控制为核心，所以应该首先考虑调速和速度环节回路，然后再考虑其他回路。

(1)调速与速度环节回路因工作台进给液压缸进给速度较慢，传动功率不大，属于小功率液压系统，宜采用节流调速回路。

应为钻削力有一定的脉动，为了保证钻削时进给速度稳定，可采用调速阀出口节流调速，此回路平稳性优于进口节流调速回路。

由液压缸的流量—行程工况图知，工作台由快进转到工进的时候，速度有较大的突变，故选用调速阀进行速度的换接，可使换接平稳，减小冲击。

(2)快速回路由于机床技术参数和液压缸快进退速度相等，此时液压缸负载很小，为了尽量采用小规格的泵实现快速运动。

故可选择单杆液压缸差动连接的快速回路。

(3)换向回路由上表可知，液压缸的最大流量不太大，运动部件的惯性力也不算大，对换向要求性能没有什么特殊的要求，所以选择电磁阀的换向回路。

选用5通电磁阀实现液压缸差动连接可以减少换向阀的压力损失。

(4)泵源和压力控制回路如工况图可知，快进和工进的流量相差很大，那么两者的时间差值很大，若选用但定量泵，在工进的时候必有大量的压力油经溢流阀回油箱，其溢流能量损失很大，使油液发热。

所以应该选用双联泵。

这样在快速运动时，双泵同时工作；换接为工进速度时，大流量泵经过液控顺序阀卸载，由小流量泵单独供油，其供油压力由溢流阀决定。

5.3.2拟定液压系统图综合上述分析和所拟定的方案，将各种回路合理地组合成为该机床液压系统原理图如图5-4所示。

图中增加了二位阀和单向阀，其作用如下：当工作台油缸快进的时候，3YA 接通，油液从油缸无杆腔进入，有杆腔油液经过五通阀，再经过单向阀与无杆腔油液会合，一起进入无杆腔实现差动连接。

当工作台工进的时候，二位阀关闭，压力油通过调速阀进入有杆腔，进口压力上升，外空顺序阀4被打开，从有杆腔出来的油液经过五通阀和顺序阀4、溢流阀12回油箱（形成一定背压）。

此时单向阀关闭，将高低压油路隔开，实现液压缸工进。

图5-4 液压系统原理图表5-3 液压系统电磁铁和行程阀动作顺序表工况电磁铁和行程阀状态1YA2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 夹紧 — — — — + — — 快进 +— + — + — — 工进 + — + — + + + 快退 — + — + + + + 松开———————5.4 液压元件的计算与选择5.4.1 液压泵液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为 2.77MPa,如取进油路上的压力损失为0.8MPa （见参考文献252页表9-3），压力继电器调整压力应比系统最大工作压力高出0.5MPa ，则小流量泵的最大工作压力应为 Pp1=(2.77+0.8+0.5)MPa=4.07MPa大流量泵是在快速运动时才向液压缸输油的，由图3可知，快退时液压缸中的工作压力比快进时大，如取进油路的压力损失为0.5MPa,则大流量泵的最高工作压力为 Pp2=(1.284+0.5)MPa=1.784MPa两个液压泵应向液压缸提供的最大流量为12.31 L/min (见图3)，若回路中的泄漏按液压缸输入流量的10℅估计，则两个泵的总流量为q p =1.1×12.31 L/min =13.54 L/min 。

由于溢流阀的最小稳定溢流量为3/（60×103）m 3/s ，工进时输入液压缸的流量为0.1 L/min ，所以小流量泵的流量规格最少应为3.1/（60×103）m 3/s 。