机电液课程设计说明书终极版.docx

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1、机电液课程设计 题 目: 设计一台加工气缸底面钻床的机电液控制系统 班 级 学 号: 机械133班 所 在 学 院: 机械工程学院 姓 名: 毛俊豪 李佳翱 黄益聪 陈仲恒 文银 寇广鹏 指 导 教 师: 董华军 结 束 日 期: 2016年7月19日 目录前言31.设计内容与设计要求：32.设计方法与步骤3第一章钻床机械系统的设计与计算51.钻床整体分布图52.机械部分相关参数53.同工况下液压缸载荷和速度的分布6第二章钻床液压系统的设计与计算81.工作液压缸的计算和选择82.夹紧缸的计算和选择93.工况分析104.拟定液压原理图12第三章钻床液压元件及液压装置的机构设计141.液压泵和电动

2、机的选择142.阀类元件的选择143.油管154.油箱的选择16第四章钻床控制系统的设计与计算181. 电磁阀磁铁动作表182. 电磁阀磁铁运动过程183. 控制系统19总结23参考文献24前言液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程，不同方向的动作。完成设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到越来越广泛的应用，而且越来越先进的设备，其应用液压的部分就愈多。所以像我们这样的大学生学习和亲手设计一个液压系统是非常有意义的。液压传动是用液体来传递能量，具有以下几个优点：易于获得

3、较大的力或力矩，功率重量比大，易于实现往复运动，易于实现较大范围的无级变速，传递运动平稳，可实现快速而且无冲击，与机械传动相比易于布局和操纵，易于防止过载事故，自动润滑、元件寿命较长，易于实现标准化，系列化。而且随着可编程控制器（PLC）技术的发展，把PLC控制技术应用于起重机液压装置的控制中，取代原有的液压装置控制线路。简化了电器控制电路，提高了可靠性，取得了很好的使用效果。并且易于修改控制程序，提高了控制系统的可扩展性。1.设计内容与设计要求：1. 控制要求：液压系统要求完成的工作循环是：工件定位工件加紧进给缸快进进给缸工进进给缸快退到原位工件松开拔出定位销。2设计参数工件的定位、加紧都采

4、用液压控制，运动部件重质量为9800 N。快退与快进速度都为6 m/min ，快进行程为100 mm ，工进速度为601000 mm/min ，工进行程为50 mm ,最大切削力为30468 N ，采用平面导轨，往复运动加减速时间为0.2 s ，加紧力为152340 N ，采用两个加紧缸，加紧缸行程为20 mm ，加紧时间为1 s 。3设计任务 （1）对系统进行工况分析（含负载分析、速度循环分析、负载循环分析）；（2）按要求计算和设计液压系统，并绘制液压系统图；（3）绘制进给液压缸装配图和油箱装配图（含电动机与液压泵的连接等）;（4） 编写设计说明书一份（含液压系统设计、控制线路设计、直流电机

5、调速实验报告等）;2.设计方法与步骤首先对机电液系统功能进行分解，综合应用机械技术，电子技术和液压与气压传动技术的各自优势，力求系统结构构成简单模块化。设计策略如下：（1）减少机械传动部件，使机械结构简化，体积减小，提高系统动态性能与运动精度；（2）注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上重新设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发进度；（3）充分应用硬件功能软件化原则，使硬件组成最简单，使系统只能化；（4）以液压系统及plc控制系统为核心的设计方案； 第一章 钻床机械系统的设计与计算机械系统是机电液系统的最基本要素，主要包括执行机构、传动机构和支撑部件。机械的主要功能是完成

6、机械运动，一部机器必须完成相互协调的若干机械运动。1.钻床整体分布图本钻床是用来加工气缸，在气缸底部钻孔，所以设计成卧式机床，钻台移动进给，夹具采用双缸夹紧，四爪卡盘，这样可以实现夹紧和定位，钻床关键部位分布图见图1-1 。图1-1 钻床整体分布图2.机械部分相关参数计算各部件质量、位移、速度和力的大小。钻床的工进、快进、夹紧都属于机械移动系统，故可按运动学方程计算各参数。移动部件总质量 m总=980kg快进加速度大小 a快进=0.5m/s运动部件总重 G=9800N 快进、快退速度 V快进=V快退=100mm/s 快进行程 L快进=100mm 工进速度 V工进=117mm/s 工进行程 L工

7、进=50mm 工进时阻力（切削力） Fw=30468N 夹紧力 F夹紧=152340N 夹紧行程 L夹紧=20mm 夹紧速度 V夹紧=20mm/s 3.同工况下液压缸载荷和速度的分布液压缸推动钻台移动，实现快进、快退和工作进给，液压缸受到的载荷随工况变化而变化，而且启动时受到的摩擦力为静摩擦，运行后为动摩擦，计算过程见表1-2，随工况变化，液压缸受到的作用力和速度均在变化，详细见图1-3和图1-4 。表1-2 工作缸在各工作阶段的负载工况负载组成负载值F/N启动F= Fs1+Fa+Ff+Fb4686加速F=Fs2+Fa+Ff+Fb3886快进F=Fs2+Ff2186工进F= Fw+Ff+Fb+

8、Fs233846快退F=Fs2+Ff2186图1-3 速度图 图1-4受力图第二章 钻床液压系统的设计与计算液压系统的设计与主机的设计是密切相关的，首先应满足主机的功能要求：主机拖动、动作要求、循环要求等；其次还应符合结构组成简单、工作安全可靠、使用维护方便、体积小重量轻等要求。因此，液压系统的设计应遵循从总体到细部的原则，首先从分析机械系统开始，充分理解、分析设计要求，然后做出液压系统总体方案设计，设计出液压系统原理图，并对液压系统中所涉及到的液压元件进行选择。1.工作液压缸的计算和选择工作负载 Fw=30468N液压缸所需推动负载总质量m ：G=9800Nm=Gg=98009.8=1000

9、kg （2-1）计算惯性力：液压缸推动钻台运动时有速度变换，则会带来惯性力，根据牛顿第二定律可知其惯性力可由公式F=m*a计算。快进时速度最大变化量: ?V=0.1m/s 速度变化时间： ?T=0.2s 则惯性力为 ： Fa=m*a=m*?V?T=1000*0.10.2=500N （2-2） 计算密封阻力：缸的密封阻力折算为密封阻力所需的等效压力乘以液压缸有效面积，采用Y型结构密封，则等效密封压力 Peg=0.2MPa；缸的有效面积粗估值为80cm2则密封力为： 启动时： Fs1=Peg*A1=2*105*80*10-4=1600N （2-3） 运行时： Fs2=Fs12=16002=800N

10、 （2-4）计算导轨摩擦阻力： V形块夹角取：=90 ， 取摩擦系数=0.1 ，则摩擦阻力Ff为： Ff=Gsin2*=1386N （2-5）计算回油背压阻力Fb :液压缸运行中位了防止液压缸受外力作用而滑动需要在回油路上设置一定的压力，压力作用在无杆腔。背压压力Pb取 Pb=0.3MPa 。动力滑台要求快进快退速度相等， 则液压缸可选单活塞杆式。并在快进时作差动连接，这无杆腔工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，即A1A2=2 。 则有杆腔面积 A2=40cm2背压阻力Pb为： Pb=Pb*A1-A2=1200N （2-6）则作用在活塞缸上总载荷F=Fw+FS+Ff+Fb=30468+8

11、00+1386+1200=33584N (2-7）钻床为半精加工机床，系统工作压力取 P=4MPa 。则无杆腔有效面积A1为： A1=FP=0.0084m2 （2-8） D=4A1=40.008463.14=0.1038m （2-9）有杆腔面积A2为： d=D2=0.10381.414=0.7276m （2-10）直径按GB/T23482001圆整成标准值为：D=100mmd=70mm行程 L=200mm液压缸各腔实际面积为： A1=D24=7850mm2 （2-11） A2=d24=3846.5mm2 （2-12）计算实际工作压力： P实=F A1=4.3MPa （2-13）由于钻床工作时需

12、做低速进给运动，在确定油缸活塞面积A1之后还必须按最低进给速度验算油缸尺寸，即油缸有效工作面积A1应满足： A1QminVmin （2-14）式中： Qmin为流量阀最小稳定流量取50ml/minVmin活塞最低进给速度取60mm/min A1 满足条件2.夹紧缸的计算和选择夹紧时负载 Fw=1523402=76170 N （2-15）管道中沿程压力损失按0.3MPa计算回油背压压力 Pb=0.3MPa工作压力 P=4.3MPa有效工作面积 A1=FwP-Pb=761704106=0.01904m2 （2-16）计算无杆腔直径 D=4A1=40.019043.14=0.155m （2-17）取

13、标准值 D=160 mm 有杆腔液压杆直径 d=50 mm 则无杆腔面积 A1=D24=200cm2 （2-18）有杆腔面积 A2=(D2-d2)4=180cm2 （2-19）夹紧缸行程 L夹紧=40mm 3.工况分析液压系统要求完成的工作循环见图2-1 。进给缸工进进给缸快进工件加紧工件定位快进缸退回到原位拔出定位销工件松开图2-1 工作循环图计算各工况所需要的油源压力：设管道中压力损失为0.3MPa,差动连接时出口压力比进口压力高出0.2MPa，液压缸的机械效率取m=0.96快进： P进口A1-P出口A2=Fm （2-20）P进口+0.3=P出口则： P进口=0.6MPa P出口=0.9M

14、Pa工进： P工进进口A1-P工进出口A2=F总m （2-21） 工进出口压力为背压压力取0.3MPa 则： P工进进口=4.5MPa快退： P进口A2-P出口A1=Fm （2-22） 出口压力也为背压压力则： P进口=1.2MPa夹紧： 夹紧时压力与工进时压力相等。计算各工况所需流量：快进时采用差动连接，液压缸速度为100mms Q快进=A1-A2V快进 （2-23）Q快进=1004003.5=400.35mls经单位换算后得： Q快进=24.021Lmin工进时： Q工进=A1V工进 （2-24） Q工进=78509=70mls经单位换算后得： Q工进=4.2Lmin快退时与快进时所需流量

15、一样 Q快退=24.021Lmin夹紧： Q夹紧=2A1V夹紧 （2-25）Q夹紧=48Lmin经过分析计算得出各工况下液压缸实际压力、负载、功率见图2-2表2-2 各工况下液压缸实际压力、负载、功率工况负载FN回油腔压力P2/MPa进油腔压力P1/MPa输入流量Q/10-3m3/min输入功率p/Kw夹紧761700.34.548.0-快进启动4686090.624.00.24加速3886恒速2186工进338460.34.54.20.61快退启动46860.31.224.00.48加速3886恒速2186松开00.30.348-4.拟定液压原理图由于该机床为固定式机床，不存在外负载对系统做

16、功的工况，且液压系统的功率较小，钻台移动速度较低，工作负载变化小，系统采用节流调速方式和开式循环，采用进油路节流调速回路。 从表2-2可知液压缸要求油源交替的提供低压大流量和高压小流量，夹紧缸只有在夹紧一瞬间才需要高压，所以采用大小两个液压泵自动两级并联供油的供油方案。液压原理图见图2-3。图2-3 液压系统原理图1.液压泵；2.单向阀；3.溢流阀；4.顺序阀；5.溢流阀；6.单向阀；7.单向阀；8.三位五通液电换向阀；9.调速阀；10.二位二通换向阀；11工作液压缸；12.液控溢流阀；13.单向阀；14.三位四通换向阀；15.夹紧液压缸；16.夹紧液压缸；17.调速阀；第三章 钻床液压元件及

17、液压装置的机构设计1.液压泵和电动机的选择由表2-2可知系统所需流量的最大值与最小值相差8倍，且需要高压小流量低压大流量，所以采用双泵供油，并考虑液压泵存在容积损失，最后确定选取PV2R12-6/52型双联叶片泵。其小流量泵和大流量泵的排量分别为6mL/r和41mL/r,当液压泵的转速为时，其理论流量为54.76L/min，若取液压泵容积效率=0.9QP=6+529601000=54.76Lmin （3-1）由表2-2可知在工进时所需功率最大为0.6kw，考虑到液压管道中的能量损失和液压系统的泄露、元件的效率取电动机功率为有效功率的3倍。查阅机械设计手册取电动机型号为Y112M-6型电动机，额

18、定功率为2.2KW，额定转速为940r/min，额定电压为380V。2.阀类元件的选择液压系统的核心部件确定之后还要对其他组成元件进行选择，考虑到对性能的要求和维修的便捷选取通用的阀类元件，各元件的名称和参数见表3-1 。序 号元件名称额定流量 /（L/min）额定压力型号规格1双联叶片液压泵54.766.4PV2R12-6/522单向阀6316AF3Ea10B3溢流阀6316YE3E10B4顺序阀6316XF3E10B5溢流阀6316YE3E10B6单向阀6316AF3Ea10B7单向阀6316AF3Ea10B8三位五通电液阀801635DYE3YE10B9调速阀0.075016AXQFE1

19、0B10二位二通换向阀6416-11工作液压缸-12液控卸荷溢流阀6416-13单向阀6416AF3Ea10B14三位四通换向阀642034SM-B20H-T/W15夹紧液压缸-16夹紧液压缸-17调速阀0.075016AXQFE10B表3-1 各元件的规格3.油管各元件间连接管道的规格按液压元件接口处的尺寸决定，液压缸进、出管则按输入、排除的最大流量计算。由于液压泵选定之后液压缸在各个工作阶段的进、出流量已与原定数值不同，所以要重新计算，结果表3-2所示：表3-2 液压缸的进、出流量工况快进工进快退输入流量/（L/min）q1=A1qpA1-A2=78.524.078.5-38.46=47.

20、05q1=4.2q1=24.0排出流量/（L/min）q2=A2q1A1=38.4647.0578.5=23.05q2=A1q1A2=78.54.238.46=2.1q2=A2q1A1=24.038.4678.5=11.8运动速度/(m/min)v1=qpA1-A2=24.01078.5-38.46=5.99v1=qpA1=4.21078.5=0.53v1=q1A2=24.01038.46=5.89由上表可以看出，液压缸在各个工作阶段的实际运动速度符合设计要求。根据上表的数值，并按推荐取油液在压油管的流速v=3m/s，液压缸无杆腔及有杆腔相连的油管内径分别为d=2q/(v)=2(47.0510

21、6/60)/(3103)=18.24mm （3-2）d=2(24.0106/60)/(3103)=13.46mm （3-3）这两根油管都按GB/T23512005选用内径=20mm、外径=24mm的冷拔钢管。4.油箱的选择油箱必须有足够大的容量，以保持系统工作时能保证一定的高度，在最高液面上要留出等于油液容量的10%15%的空气容量，本系统管路较短不必考虑液压系统停止工作时油液自由流回油箱的体积，按照经验公式确定油箱容积：油箱容量经验公式为： V=aQ （3-4）对于低压系统a取24 V=448=192 L按GB/T79381999规定，取最靠近的标准值V=250L。第四章 钻床控制系统的设计

22、与计算1. 电磁阀磁铁动作表液压系统要完成夹紧、快进等工况，根据液压原理图，各工况下按钮和换向阀的动作如表4-1所示。表4-1 电磁阀动作顺序表电磁铁工况 YA1YA2YA3YA5YA6转换主令夹紧-+-SB2快进+-SB4工进+-+-SB6快退-+-SB5松开-+SB3停止-SB72. 电磁阀磁铁运动过程输入输出接口在控制系统（plc）中的位点见表4-2表4-2 输入输出点输入电器输入点输出电器输出点启动按钮SB10001继电器YA10501停止按钮SB70007继电器YA20502夹紧SB20002继电器YA30503松开SB30003继电器YA50505快进SB40004继电器YA605

23、06快退SB50005电动机0500工进SB60006a.夹紧：YA5得电，压力油经过调速阀17进入夹紧缸的下腔，推动活塞杆向上运动，回油通过单向阀13流入油箱，实现夹紧。b.快进：YA1得电，压力油通过油管到达主液压缸无杆腔，液控单向阀4关闭，回油通过单向阀6与压力油相连接，实现差动连接，实现快进，主液压缸向上运动。c.工进：YA1、YA3得电，压力油通过调速阀9进入主液压缸无杆腔，主液压缸向上运动；此时液控单向单向阀4开启，回油通过液控单向阀4流经溢流阀5流入油箱。液控单向阀的调定压力应大于无负载时的压力油压力，小于有负载时的压力油压力。d.快退：YA2得电，压力油经过油管到达主液压缸有杆

24、腔，回油通过单向阀7 流回油箱，主液压缸向下运动。e.松开：YA6得电，压力油进入夹紧缸的上腔，推动活塞杆向下运动，回油流经调速阀17单向阀13流入油箱，实现松开。3. 控制系统钻床液压系统功能简单所需要的控制接口少，由此使用通用型C20P型plc，plc的接线端子图、T形图、语句变分别见图4-3 、图4-4 、表4-5 。图4-4 PLC程序梯形图 图4-3 plc接线端子图表4-5 PLC程序语句表1LD00012OR05003AND NOT00074OUT05005LD05006AND00027TIM00#00108LD05009AND000310TIM01#001011LD050012

25、ANDTIM0013AND NOT050614OUT050515LD050016ANDTIM0117AND NOT050518OUT050619LD050020AND000421OR050322OUT050123LD050024AND000525OUT050226LD050027AND000628OUT050329END总结 机电液是机械运动的基本动力来源，是驱动机械设备运动并完成规定任务的保障，在机械系统中 有着广泛的应用，是机电液传动系统的设计计算是每一个机械专业学生必须掌握的技能。在这次课程设计中懂的了很多，把各科所学知识应用在一个领域，并完成了钻床液压传动压系统的设计，并且按照标准格式

26、完成了说明书的撰写，在过程中遇到的困难都一一排除，知道了怎么去查文献，对液压系统的认识更加深刻。而且，团队协作远比单干效率高，在小组合作过程中整个团队都得到提升。所以，机电液课程设计是十分有必要的。参考文献1 田小静主编机电液综合课程设计指导M北京航空航天大学出版社，2012.92 雷天觉主编液压工程手册M机械工业出版社，1990.43 韩桂华主编液压系统设计技巧与禁忌M.化学工业出版社，2011.34 何庆主编机械制造专业毕业设计指导与范例M.化学工业出版社，2008.15 陈尧明主编液压与气压传动学习指导与习题集M.机械工业出版社，2005.16 翼宏主编液压气压传动与控制M.华中科技大学出版社，2009.97 黄继先，吴春英主编液压传动与控制 第 2 版M.国防工业出版社，2010.28 周恩涛主编液压系统设计元器件选型手册M.机械工业出版社，2007.99 机械设计手册编委会编机械设计手册：单行本，液压传动与控制M.机械工业出版社，2007.2