自动化课程设计;电液比例控制,PLC控制

目录

1、设计课题 (3)

1.1设计目的 (3)

1.2设计要求 (3)

1.3设计参数 (3)

1.4设计方案 (3)

2、设计方案 (4)

2.1工况分析 (4)

2.2拟定液压系统 (6)

3、机械部分计算 (9)

3.1液压缸的设计计算 (9)

3.2液压缸的校核计算 (12)

3.3液压缸结构设计 (15)

3.4选择液压元件 (17)

5、电气部分设计 (23)

5.1控制系统基本组成 (23)

5.2PLC控制系统的流程图 (24)

1 设计课题

1.1设计目的

通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：

1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。

2、培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。

3、培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。

4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。

1.2设计要求

执行元件：液压油缸；

传动方式：电液比例控制；

控制方式：PLC控制；

控制要求：速度控制；

控制精度：0.01

1.3设计参数

油缸工作行程——600 mm；

额定工作油压——4MPa；

移动负载质量——2000 kg；

负载移动阻力——10000N；

移动速度控制——6m/min；

1.4设计方案

利用设计参数和控制要求设计出液压油缸，进而设计出液压系统，通过PLC 对液压油缸进行速度控制。

2设计方案

2.1工况分析

首先根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图2.1所示。然后计算个阶段的外负载并绘制负载图。

液压缸所受负载F 包括有效工作负载，摩擦阻力和惯性力三种类型，即

=++w f a F F F F (2-1)

式中 w F ——有效工作负载，在本设计中即为题目给定的负载移动阻力F w =10000N ；

a F ——运动部件速度变化时的惯性负载；

f F ——导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于平导轨f F 可

由下式求得()=+f Rn F f G F

G ——运动部件重力；

Rn F ——垂直于导轨的工作负载，本设计中为零；

f ——导轨摩擦系数，在本设计中取静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1则求得

fs F =0.2×9800N =1960N

(2-2)

fa F =0.1×9800N =980N

(2-3)

上式中fs F 为静摩擦阻力，fa F 为动摩擦阻力。

a v

F m

t

∆=∆ (2-4) 式中 m ——负载质量

t ∆——加速或减速时间，本次设计中取∆t =0.2s ；

υ∆——t ∆时间内的速度变化量,本次设计最大速度为0.1m/s,取υ∆=0.1m/s ； 在本设计中

1000a F N =

(2-5)

根据上述计算结果，列出个工作阶段所受的外负载（见表2.1），并画出如图2.2所示的负载循环图。

表2.1工作循环各阶段的外负载

工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。第一种如图2-1中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，

然后匀速运动，

图2-1 速度循环图

最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。v—t图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。

2.2拟定液压系统

2.2.1系统类型

大量的实践工程表明，在现有的技术条件下，开环控制的比例系统，其位置控制精度只能达到0.3mm(即位置控制误差大于0.3mm)，速度控制精度最高只能达到3%（加速或减速过程为0~0.5s），压力控制精度最高只能达到比例压力阀最大设定压力的3%（采用带位置调节型比例电磁铁的压力阀）。题目要求精度为0.01m/s,故采用闭环控制。

2.2.2确定供油方式

考虑到题目给定额定工作油压为4MPa，以及系统采用电液比例控制单个执行元件，故拟选用定量叶片泵。

2.2.3调速方式的选择

在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据题目的速度控制要求，选用定量泵-回油节流调速。这种调速方式的优点是结构简单，价廉，调速范围大，适用于低速小功率场合。

2.2.4调压方式的选择

本系统采用溢流阀旁接在液压泵出口用以控制系统压力在进、回油路节流调速系统中保证系统压力恒定。

2.2.5回路的选择

本次设计为电液比例控制，故选用电液比例换向阀，根据产品实际型号选择二位三通或者三位四通阀。

2.2.6拟定液压系统图

液压系统计算简图

电液比例速度控制系统原理图

3 机械部分设计计算

3.1液压缸的设计计算

3.1.1系统压力Ps 的估算

系统工作压力指的是泵站的调定压力，其值应该在液压泵的额定压力范围内。对于阀控系统，由于本质上是节流控制，为保证系统有足够高的效率，系统压力应按照低于2/3的液压泵的额定压力的原则选择。此处就按题目给定的额定工作油压初步估计作为系统压力，即Ps=4MPa.

根据经验，设计刚开始的时候，可将系统压力减去管道流动的局部损失和沿程损失之后剩余的压力，其1/3用于克服执行机构恒速时的负载，1/3用于产生执行元件的加速度，1/3用于产生执行元件的速度。前两项（即2/3的系统压力）就是克服执行元件外负载的压力。只是一部分是静态负载（含摩擦），另一部分是加速度负载。产生执行元件速度的压力时压力油通过阀口流动所必须的，实际上是流动的压力油在液压阀上的压力降。 3.1.2计算液压缸内径D 和活塞杆直径d

由于启动加速阶段工作负载力最大，故按牛顿运动定律，

pA-fs F -w F =ma (3-1)

p

F F ma A w

fs ++=

(3-2) 式中A ——液压缸有效工作面积(m 2)。

p ——分配给执行元件用于克服执行元件外负载的压力（MPa ）

)(3

2

p p p s ∆-=

,p ∆为局部损失和沿程损失之和，初步估计为0.4MPa. 在本设计中，

A =

2000×0.5+1960+10000

2.4×10

6=54cm 2 由此求得，活塞缸内径为

D =

π

=

π=8.295cm =82.95mm (3-4)

根据液压缸内径尺寸系列，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=80mm ；活塞杆直径d 按0.7d D =求得d=56mm 。

由此求得A 1=54CM 2A 2=24.6CM 2

d D ——液压缸内径与活塞杆直径的关系。考虑到活塞杆受压，且液压缸工作压力在1~5MPa 之间，故取d D 为0.7。