机电液综合课程设计 完整版

机电液课程设计

一、任务书

现有一台卧式铣削专用机床。

1、技术参数

（1）运动部件重量为20000N，最大铣削力为16000N（采用平面导轨），夹紧力为35000N。（2）快进、快退速度为10m/min，工进速度为100~200mm/min。

（3）主液压缸最大行程为450mm，其中工进行程为220mm；夹紧缸行程为30mm。

（4）夹紧时间为2s。

（5）平面导轨与工作台之间的摩擦系数f jing=0.2，f dong=0.1

2、要求液压系统完成的工作循环

工件夹紧→工作台快进→工作台工进→工作台快退→工件松开

具体要求：（1）每一次循环结束，主轴电机和液压电机不停止。

（2）机床具有“半自动”和“调整”两种工作状态，机床处于“调整”工作循环时，可分别实现对液压滑台的单独点动控制。

3、需完成的设计任务如下：

（1）计算主运动的切削力、并选择动力部件。

（2）计算液压系统（进给系统）各工作阶段的负载，并选择液压系统的电机、泵和阀。（3）绘制液压系统原理图。

（4）根据工作循环确定电磁阀磁铁的动作表，选择液压控制系统的输入和输出设备，绘制PLC(C型)的端子接线图。

（5）PLC的梯形图控制程序。

（6）编写设计说明书（5000字以上）。

参考书：（1）章宏甲等，液压与气压传动，北京；机械工业出版社，2003

（2）赵永成等，机电传动控制，北京；中国计量出版社

（3）液压手册

（4）可编程序控制器

二、液压系统设计

1、分析负载 1.1主液压缸负载 外负载：F g =16000N 惯性负载：200010/0.15602222.22m v

F m

t

?==??=?N 阻力负载：法向力 F n =mg =20000N

静摩擦阻力 F=f jing Fn =4000N 动摩擦阻力F=f dong Fn =2000N

由此得出主液压缸在各工作阶段的负载如表1所示

表1 主液压缸各工作阶段负载

1.2夹紧缸负载

外负载：F g =35000N 惯性负载：200010/260166.67m v

F m

N t

?==??=? 阻力负载：法向力 F n =mg =20000N

静摩擦阻力 F=f jing Fn =4000N 动摩擦阻力 F=f dong Fn =2000N

由此得出夹紧液压缸在各工作阶段的负载如表2所示

表2 夹紧液压缸各工作阶段负载

2、确定执行件主要参数

2.1主液压缸内径D 及活塞杆外径d

滑台快进快进速度相等，液压可选用单活塞杆式，快进时差动连接，空载启动压力

P min =0.3Mpa 。

快进、快退速度均为10m/min ，并采用单活塞杆液压缸，所以无杆腔的面积A 1与有杆腔的面积A 2的比值φ=A 1/A 2=2

在工进时，负载F 最大，所以：

)](/[212P P F A m -=?η

其中，F=18000N ，由此可查表得，P 1=2.5~3Mpa ，取3Mpa ，背压P 2取0.6Mpa 。

可得：

A 2=3472.22X10-6m 2；

A 1=φA 2=6944.44X10-6m 2

；

主液压缸内径0.09406D m =

=；

及活塞杆外径0.7070.067d D m ==；

将D 和d 圆整为标准值后得，D =100m m ，d =70m m ; 于是，实际的面积A 1=78.5 cm 2，A 2=40.03c m 2。

2.2夹紧缸内径D 及活塞杆外径d

夹紧缸的工作要求较主液压缸简单，可以采用相同的样式，以相同的方法进行分析可得： D =160m m ,d =100m m ,A 1=0.02m 2,A 2=0.0122m 2。

3.液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

在确定了执行件的主要参数之后就可以进行液压缸各工作参数的计算，为选取液压泵，阀以及电动机做准备。

表3主液压缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

96.0=m η

表4 夹紧缸在不同工作阶段的压力、流量和功率值

4、确定液压泵、液压泵电动机的主要参数

在大致确定了各个缸在各工作阶段的工作参数之后，就可以凭借这些参数粗略地定出： a. 液压泵的最大工作压力

∑?+=p p p p

其中，由于管路简单但有调速阀，所以∑?p 取0.6Mpa ，

p 为最大工作压力，为2.69Mpa ，所以p p =3.29Mpa 。 b. 液压泵的流量

443max 1.2 6.6710810/p l q k q m s --≥=??=?

其中，k L 是考虑系统泄露以及溢流阀保持最小溢流的系数，因为该系统泄漏量较大，所以

k L =1.2。

c. 液压泵电动机的功率

p

p

p p q p p η?=

初步拟采用异步电动机叶片泵的形式，因为异步电动机的机构简单，陈本低，转速稳定，足

够满足使用要求，而采用叶片泵是因为其流量脉动小，中低压的叶片泵的工作压力与计算值较接近，容积效率高，转速范围大，使用寿命长，所以ηp=0.75，所以p p=3.51kw。

5.液压泵及电动机的选择

根据前面所计算得的数据，参考各种液压泵及电动机的产品选择出需要的液压泵和电动机。

表5 所选用的液压泵、电动机的型号及相关参数

p

二、液压回路的设计

首先，根据任务的要求，所设计的液压系统要分别实现进给和夹紧功能，所以在系统中需要两个缸，分别由两条油路来控制。

主液压缸油路上，由之前的计算值可以看出液压泵的额定压力高于所需压力，所以需要一个溢流阀作压力控制同时作为安全阀，同时该缸要能快进、工进、快退，所以需要一个方向控制阀，而且工进的速度还要能调节，所以应该设置一个调速回路。

夹紧缸邮路上，同样，由之前的计算值也可看出其所需压力及流量均小于液压泵的输出值，所以溢流泵应该放在两油路的交点之前，并设置调速回路，同时，为了保证夹紧，应该设置保压回路。夹紧缸也要求能实现夹紧放松的两个方向的运动，所以方向控制阀也是必须有的。

我所设计的液压原理图如图所示

图1 液压原理图

由于选定了电动机及液压泵之后，流量发生了变化，所以需要重新计算各工作阶段的实际流量及执行件运动速度。

/

表6 主液压缸在各个工作阶段的流量及运动速度。

表7 夹紧缸在各个工作阶段的流量及运动速度

以上各值均在可接受范围内，可以和原理图结合起来作为选液压元件的依据。

表8 液压元件表

三、液压系统性能估算

1、验算系统压力损失并确定溢流阀的调整值 1.1主液压缸快进

滑台快进时，主液压缸差动连接，进油路上的元件有三位五通阀，回油路上油液通过二位二通阀,由原理图及表6可以推算出通过的流量分别为48L/min 和97.8L /min ，忽略去溢流损失，可得进油路上的总压降为：

0.5(48/63)0.3(97.8/100)0.576v

p

Mpa ?=+=∑<0.6Mpa

较合理，可实现差动运动。

在回油路上油液经过阀4和阀3流过的流量是48L/min,进入无杆腔：

22210.2(48/80)0.3(48/63)0.242p p p Mpa ?=-=+=

接近0.3Mpa 所以基本符合。 1.2主液压缸工进

滑台工进时，油液在进油路上通过电磁换向阀进入油缸的无杆腔，流量为15.6L/min ，油液在回油路上通过电磁换向阀的流量为7.8L/min ，在节流阀处的压力损失为0.6Mpa 后 这时，液压缸回油腔的压力的p 2为

2220.60.5(15.6/100)0.5(7.8/100)0.6053p Mpa =++=

与之前所设值0..6Mpa 略大。0.0053p Mpa ?= 该值可以忽略所以不需修改。

1.3主液压缸快退

滑台快退时，油液在进油路上通过电磁换向阀的流量为48L/min ，然后流入有杆腔。回油路上流过电磁换向阀的流量为94.2 L/min ，然后流入油箱。

在进油路上的压力损失

22

0.5(48/100)0.5(94.2/100)0.56v

p Mpa ?=+=∑ 与估计的值相近不必重算，所以快退是的工作压力1 1.34p p p p Mpa =+∑?=

以此溢流阀的卸荷应大于1.34Mpa.

1.4 夹紧缸夹紧

夹紧缸在夹紧时，进油路上油液通过二位二通阀的流量为9L/min ，在单向阀处的压力损失为0.3Mpa ，为保证电磁继电器能正常工作，需要有一定的压差，为0.5Mpa ，通过三位四通电磁换向阀的流量为18 L/min ，在调速阀处的压力损失为0.7Mpa ，同时还有溢流损失。进油路总的压力损失为

2220.30.50.70.5(9/100)0.5(9/100)0.3(57.2/63) 1.25v

p

Mpa ?=+++++=∑

回油路上，油液通过三位四通阀的流量为4.5L/min ，压力为

Mpa p 001.0)100/5.4(5.022==

可忽略。夹紧缸夹紧时的工作压力p p =1.93+0.11=2.03Mpa

1.5夹紧缸松开

夹紧缸在松开时，进油路上油液通过二位二通阀的流量为4.5L/min ，在单向阀处的压力损失为0.5Mpa ，为保证电磁继电器能正常工作，需要有一定的压差，为0.5 Mpa ，通过三位四通电磁换向阀的流量为4.5 L/min ，同时还有溢流损失。进油路总的压力损失为

2220.50.50.5(4.5/100)0.5(4.5/100)0.3(16.24/63) 1.22v

p

Mpa ?=++++=∑

回油路上，油液通过三位四通阀的流量为9 L/min ，在调速阀处的压力损失为0.7 Mpa ，压力为

Mpa p 70.0)100/9(5.07.022=+=

与预测值有较大出入，p 1值需重新计算

Mpa A p A F p m 03.2/])/[(2211=+=η

工作压力p p =2.03+1.22=3.05 Mpa

综上，定差减压阀的出口压力应该大于3.25Mpa

2、验算油液温升 2.1确定油箱容积

容积748336p V Kq L ==?=参照标准后取为350L ， k=7。

2.2功率计算

通过计算可知，在一个工作周期中，工进阶段占绝大部分的时间，可以用来计算全程的功率。工进时，主液压缸的有效功率为

370000.0025/10000.092e P FV KW ==?=

由于有溢流阀溢流，溢流的流量为22-0.8=21.12L/min 。损失的压力

20.3(21.12/63)0.037p Mpa ?=?=

所以液压泵的总输入功率为

311

2.691015.7/60

0.9390.751000

p p p

p q P kw X η??=

==

发热功率

0.847p e P P P KW ?=-=

由表可查得油箱的散热系数为K=9

，散热面积23.23A m ==，则油液温升为

.31027.1330~35P

t X C C KA

??=

=≤ 查表知，在可接受的温升范围内，无需加冷却器。 四、PLC 设计

2、PLC端子接线图

3、PLC梯形图控制程序

五、课程设计心得