液壓回路及系統(tǒng)設計

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1、第7章 液壓回路及系統(tǒng)設計,,,7.1 液壓順序動作控制回路的設計 7.2 液壓系統(tǒng)設計 思考題與習題,7.1 液壓順序動作控制回路的設計,,7.1.1 電氣控制液壓回路的設計步驟 在電氣控制液壓回路中,液壓缸的位置是由微動開關來控制的,方向閥則一律采用電磁閥,可用的電磁閥如圖7- 1所示。,圖7-1 各種電磁閥,電氣液壓回路設計步驟如下： (1） 畫出動作順序圖。 (2） 設計液壓回路。 (3） 根據液壓回路設計電氣回路。 下面將從單缸回路到多缸回路一一舉例介紹順序動作回路電氣控制的設計方法。,7.1.2 單缸液壓電氣控制回路設計 【例7-1】 有一液壓缸A,其動作為伸出縮回,試設計其電

2、氣液壓回路。 (1) 根據動作順序畫出動作順序圖,如圖7-2所示。(2) 設計液壓回路。本例中采用圖7-1所示的三種電磁閥各設計一液壓回路,如圖7-3所示。在圖7-3中,通電后使A缸前進的線圈稱為YA1；通電后使A缸后退的線圈稱為YA0。,圖7-2 動作順序圖,圖7-3 采用各種電磁閥的液壓回路,(3) 設計電氣回路。 若采用目視操作,則可得如圖7-4所示的電路圖。因為圖7-4（b）所示的電磁閥一端有彈簧,如不加繼電器,當手放開前進按鈕時,A缸就會立即后退,所以需用K1繼電器自保持回路來確保A缸的繼續(xù)前進。圖7-4(c)所示的情況與圖7-4(b) 所示的類似,分別作YA1、YA0線圈的自保持繼

3、電器。當前進、后退按鈕同時按下時,YA1、 YA0線圈會同時通電而使電磁閥無法控制,所以特別在電路中加上K1、K2的b接點,以防止其發(fā)生。,圖7-4 各種電路圖,若要使按鈕按下后A缸能自動前進、 后退一次,此時就要用裝在液壓缸A進到底和退到底位置上的微動開關a1、 YA1來通知電路,A缸是否有進到底或退到底,依此設計出圖7-5所示的電路圖。因為在電路設計中,當所有的動作完成時,需將電全部切斷,所以,圖7-5（c）中需用YA1來切掉YA0的電。,圖7-5 各種電路圖,若要使A缸能連續(xù)地自動前進、 后退,則用如圖7-6所示的電路圖即可,但在使用這種電路時,若要使A缸停止就得切掉電源,若要使A缸動作

4、就得再把電源接上,因此操作非常不便,此時就需用主控繼電器來作電源控制,如圖7-7所示就是依此設計的電路圖,或僅用繼電器來作第一步動作的電源控制,其電路如圖7-8所示。,圖7-6 各種電路圖,圖7-7 各種電路圖,圖7-8 各種電路圖,討論： (1） 電路如圖7-7（a）所示時,若在第一步按OFF按鈕,則A缸將繼續(xù)前進到底后才不再動作；若在第二步按OFF按鈕,則A缸會后退到底才不再動作。 (2） 當電路如圖7-7（b）所示時,不論在任何情況下按OFF按鈕,A缸將立即后退。操作沒有如圖7-7（a）所示的方便,但卻具有緊急時立即后退的功能。 (3） 當電路如圖7-7（c）所示時,不論在何種情況下按O

5、FF按鈕,A缸將立即就地停止。 (4） 當電路如圖7-8(a)所示時,不論在何種情況下,只要按OFF按鈕,A缸將當次的循環(huán)做完后就不再動作了,操作起來非常方便。,圖7-9 動作順序圖,【例7- 2】 A缸動作順序為伸出停留退回, 試用單向電控換向閥設計電氣液壓回路。 (1) 繪制氣缸的動作順序圖,如圖7- 9所示。 (2) 設計液壓回路,如圖7- 10（a）所示。 (3) 設計電氣控制回路,如圖7-10（b）所示。,圖7-10 液壓、 電氣控制回路 (a) 液壓回路；(b) 電氣控制回路,【例7- 3】 A缸動作順序為伸出停留,試使用雙向電控換向閥設計電氣和液壓回路。 (1) 繪制氣缸的動作順

6、序圖,如圖7-11所示。 (2) 設計液壓回路,如圖7-12（a）所示。 (3) 設計電氣控制回路,如圖7-12（b）所示。,圖7-11 動作順序圖,圖7- 12 液壓和電氣控制回路圖 (a) 液壓回路；(b) 電氣控制回路,7.1.3 多缸液壓和電氣控制回路設計 【例7- 4】 HT5SS一液壓系統(tǒng)兩個氣缸的動作順序為A+B+A+B-(“+”表示伸出,“-”表示縮回),設計其電氣、 液壓回路。 (1) 畫出兩氣缸的動作順序圖,如圖7-13所示。 (2) 設計液壓回路,如圖7-14所示。,圖7-13 動作順序圖,圖7-14 液壓回路圖,(3) 設計電氣控制回路。多缸回路動作較單缸回路復雜很多,

7、設計的方法有很多種,下面介紹一種適合于初學者的方法,具體步驟如下： 第一步,由動作順序圖(見圖7-15(a))和液壓回路決定各線圈應在何時通、 斷電,如圖7-15（b）所示。 第二步,每當一動作完成時,必會引起液壓缸位置的改變,因而產生不同的微動開關信號,下面就根據動作順序圖和液壓回路來研究微動開關信號,在研究之前先對微動開關信號加以定義： 0表示開關未被觸動的狀態(tài)； 1表示開關被觸動的狀態(tài)。,如圖7-15（c）所示給出了在整個動作過程中,微動開關變化的情形,每一步完成時必會產生一組新的開關信號。從此圖中可發(fā)現有三種信號變化的情形： 00或11表示液壓缸靜止不動； 10表示液壓缸剛剛離開原位,

8、正在繼續(xù)移動中； 01表示液壓缸剛好到達某一定位。 真正有意義的是01這一個信號,因為只有它才能告訴我們某一動作已完成,可進行下一動作了。 從圖7-15（c）中可以很清楚地發(fā)現,每當一動作完成時,都會產生一特定的微動開關信號,依此就可將啟動每一步的開關信號列出,而得到如圖7- 15（d）所示的開關動作圖。,由于任何設備都需啟動按鈕,因此第一個信號一定是由啟動按鈕ON所產生的。第三步,根據下列法則畫電路圖： a接點使線圈通電。 b接點使線圈斷電。 因為微動開關所有的a、 b接點均不獨立,所以若其接點需用兩次以上時,則得用一繼電器作接點擴充。 若線圈另一側有彈簧,則需用自保持電路,但若接點接通時

9、間大于線圈通電時間,則不必用之。 首先,根據法則,線圈通、斷電圖及開關動作圖畫出如圖7- 16（a）所示的線圈通電圖。 ,圖7- 15 電路設計步驟圖 (a) 動作順序圖；(b) 線圈通、 斷電圖； (c) 開關信號圖；(d) 開關動作圖,其次,根據開關信號圖及線圈通、 斷電圖在圖7-16（a）上標出接點接通時間、 線圈通電時間,若接點接通時間大于等于線圈通電時間,就不用自保持,反之則需要使用繼電器產生自保持線路,如圖7-16（b）所示。 根據法則,線圈通、 斷電圖及開關動作圖來設計如何斷電,若接點接通時間等于線圈通電時間,就不用考慮斷電了,最后就可得到完整的電路圖,如圖7-16（c）所示。,

10、圖7-16 各種電路圖,【例7-5】一液壓系統(tǒng)兩個氣缸的動作順序為A+B+B-A-,試設計其電氣液壓回路。 (1) 繪制動作順序圖,如圖7- 17所示。 (2) 設計液壓回路,如圖7- 14所示。 (3) 設計電氣控制回路。 第一步,由動作順序圖(見圖7-18(a)和液壓回路)繪制線圈通、斷電圖,如圖7-18（b）所示。,圖7-17 動作順序圖,第二步,繪制開關信號圖,如圖7-18（c）所示。從圖中可知第2步和第4步有相同的一組微動開關信號。雖然我們用a1來代表第2步并和第4步的開關信號相同。但實際上還是一樣的。 換句話說,此例中我們只有三組不同的信號,卻要進行四個不同的動作,這是絕對辦不到的

11、。 解決的辦法是分級,其分級的原則如下： 用信號分級同級中不可有兩組相同的信號。 用液壓缸動作分級每級中每個液壓缸的符號只可出現一次,如：,A+B+/B-A- A+B+/B-C+/C-A- A+B+/B-A-C+/A- 級數變換按的順序依次進行。 每一級被前一級SET。 每一級被下一級RESET。 分級完成后再用繼電器來處理級數的變換,其處理原則如下：,圖7-18 電路設計步驟圖 (a) 動作順序圖；(b) 線圈通、 斷電圖；,圖7-18 電路設計步驟圖 (c) 開關信號圖；(d) 開關信號圖；,圖7-18 電路設計步驟圖 (e) 開關動作圖；(f) 線圈通、 斷電圖,圖7-

12、19 各種電路圖 (a) 線圈通電圖；(b) 線圈自保持電路圖；(c) 完整的電路圖, 用繼電器線圈的通、 斷電來表示級數,繼電器值為0表示其線圈未通電,為1表示線圈通電。 若級數為n,所需繼電器個數為m,則m為使2mn的最小整數。 在第一級時,所有的繼電器值都為0。 因此,若分成兩級,則用一個繼電器,且第一級繼電器值為0,第二級繼電器值為1。 若分為三級,則用兩個繼電器,且第一級兩個繼電器值為00,第二級兩個繼電器值為01,第三級兩個繼電器值為10。,若分成四級,則用兩個繼電器,且第一級兩個繼電器值為00,第二級兩個繼電器值為01,第三級兩個繼電器值為11,第四級兩個繼電器值為10。若分成五

13、級,則用三個繼電器,且第一級三個繼電器值為000,第二級三個繼電器值為001,第三級三個繼電器值為011,第四級三個繼電器值為010,第五級三個繼電器值為110。 根據以上方法將信號分成兩級,可得如圖-（d）所示的開關信號圖,就可得四組不同的開關信號了,接著繪制開關動作圖。注意此時是以a0、 a1、 b0、 b1、 K1這五個信號為一組來表示液壓缸的位置的,所以用b0和K1來代表第4步,如圖7- 18（e）所示。 現在又發(fā)現電路中多了一個K1的線圈需要通、斷電,因此,要重新繪制線圈通、 斷電圖,如圖7- 18(f)所示。 ,第三步,繪制電路圖： 由圖7-18（e）、（f）畫出通電圖,如圖7-

14、19（a）所示。 由圖7-18（d）、（f）畫出線圈自保持電路圖,如圖7- 19（b）所示。 由圖7-18（e）、（f）加上斷電用的常閉接點,畫出完整的電路圖,如圖7-19（c）所示,因b0的接點要用兩次,故用接點擴充電路。,【例7-6】 一液壓系統(tǒng)三個氣缸的動作順序為A+B+C+C-B-A-,設計其電氣控制回路。 (1) 繪制動作順序圖,如圖7- 20(a)所示。,圖7- 20 電路設計步驟圖 順序動作圖；(b) 開關信號圖； (c) 開關動作圖；(d) 線圈通、 斷電圖,(2) 設計液壓回路圖,如圖7- 21所示。 (3) 設計電氣控制回路： 第一步,檢查是否有相同的信號組,若有則分級。

15、 繪出如圖7-20(b)所示的開關信號圖,從圖7-20(b）中可知第2步和第6步、第3步和第5步有相同的信號,故可分成兩級。,圖7-21 液壓回路圖,第二步,繪制開關動作圖,如圖7-20(c）所示。 第三步,繪制線圈通、 斷電圖,如圖7-20(d)所示。 第四步,繪制電路圖如下： 繪制線圈通電圖,如圖7-22(a)所示。 繪制線圈自保持電路圖,如圖7- 22(b)所示。 加上斷電的接點,繪制出完整的電路圖,如圖7-22(c)所示。,圖7- 22 各種電路圖 (a) 線圈通電圖；(b) 線圈自保持電路圖；(c) 完整電路圖,【例7- 7】一液壓系統(tǒng)三氣缸的動作順序為A+B+B-C+C-A-,設計

16、其電氣控制回路。 (1) 繪制動作順序圖,如圖7- 23(a)所示。 (2) 設計液壓回路圖,如圖7- 21所示。 (3) 設計電氣控制回路： 第一步,檢查是否有相同的信號組,若有則分級。 繪出如圖7-23(b)所示的開關信號圖,從圖7-23(b）中可知第2步、 第4步、 第6步有相同的信號,故可分成三級。 第二步,繪制開關動作圖,如圖7-23(c）所示。 第三步,繪制線圈通、 斷電圖,如圖7-23(d)所示。,圖7- 23 電路設計步驟圖 動作順序圖；(b) 開關信號圖； (c) 開關動作圖；(d) 線圈通、 斷電圖,第四步,繪制電路圖如下： 繪制線圈通電圖,如圖7- 24(a)所示。 繪制

17、線圈自保持電路圖,如圖7- 24(b)所示。 加上斷電的接點,繪制出完整的電路圖,如圖7- 24(c)所示。,圖7-24 各種電路圖 (a) 線圈通電圖；(b) 線圈自保持電路圖；(c) 完整電路圖,【例7-8】 一液壓系統(tǒng)三氣缸的動作順序為A+B+B-A-C+C-,設計其電氣控制回路。 (1) 繪制動作順序圖,如圖7- 25(a)所示。 (2) 設計液壓回路圖,如圖7- 21所示。 (3) 設計電氣控制回路： 第一步,檢查是否有相同的信號組,若有則分級。 繪出圖7- 25(b)所示的開關信號圖,從圖7- 25(b）中可知第2步和第4步、 第1步和第5步有相同的信號,故分成兩級。,第二步,繪制

18、開關動作圖,如圖7- 25(c）所示。 第三步,繪制線圈通、 斷電圖,如圖7- 25(d)所示。 第四步,繪制電路圖如下： 繪制線圈通電圖,如圖7- 26(a)所示。 繪制線圈自保持電路圖,如圖7- 26(b)所示。 加上斷電的接點,繪制出完整的電路圖,如圖7- 26(c)所示。,圖7-25 電路設計步驟圖 動作順序圖；(b) 開關信號圖； (c) 開關動作圖；(d) 線圈通、 斷電圖,圖7- 26 各種電路圖 線圈通電圖；(b) 線圈自保持電路圖； (c) 完整電路圖,圖7-27 工件圖,7.2 液壓系統(tǒng)設計,液壓系統(tǒng)設計包括液壓元件的選用和液壓回路的 設計,本節(jié)將用具體的實例來說明以下設

19、計步驟的執(zhí)行過程。 (1) 設備工況負荷分析。 (2) 根據最大壓力和行程選擇液壓缸。 (3) 根據計算出的流量選擇泵和油箱。 (4) 選擇電機參數。 (5) 選擇閥。 (6) 設計油液傳動回路。 (7) 設計電氣控制回路。,【例7-9】如圖7-27所示的工件,需要大批量生產,本工序鉆削工件上有一15偏心孔,工件材料為鑄鐵,材料硬度HB為220,為此,設計一全自動專用鉆床,只要將工件堆積在料斗里,一按開關就可重復自動完成從送料、 加工到結束這一全部過程,設計該鉆床的液壓系統(tǒng)及電氣控制回路。 設計的該專用鉆床的加工工位結構簡圖如圖7-28所示,其工作循環(huán)步驟為 按鈕送料缸進送料缸初始退送料缸全退

20、,同時夾緊缸進鉆削缸快進 鉆削缸工進鉆削缸快退 夾緊缸退,,,,,,,,圖7-28 自動鉆床加工工位結構簡圖,(1) 負載分析。 根據工件材料查機械加工工藝手冊,得出鉆孔的較合適的表面切削速度為 v2130 m/min 從而計算出主軸的轉速為 n= =446637 r/min 由加工直徑查工藝手冊,得出加工每轉進給量為 f=0.180.38 mm/r 從而計算出鉆削缸的軸向進給速度為 vf=80242 mm/min 根據切削原理得出鉆削力計算公式為,扭矩： M=CMdXMfYMKM10-3(Nm) 軸向力：F=CFdXFfYFKF (N) 根據工件材料查有關手冊得 CM=21

21、0; XM=2; YM=0.8; CF=427; XF=1; YF=0.8 KM=KF= =1.09 故計算出在本工藝條件下的最大鉆削扭矩及最大鉆削軸向力為 M=23.69 (NM) F=2946 (N), 計算鉆削缸受力。鉆削缸所受軸向力等于鉆削軸向力減去動力頭的重量,應小于2946 N。 計算夾緊缸受力。根據夾具結構畫出受力簡圖,如圖7-29所示,根據理論力學分析進行計算得,圖7-29 工件受力分析圖,夾緊力： 其中, f表示摩擦系數,本例取0.2；表示“V”型塊夾角,本結構為90；D表示被夾工件直徑,本工件直徑為80 mm。 故計算出夾緊力為 W1219 （N） 考慮到安全

22、系數應為2.53,取其為3。 所以夾緊缸應承受負載為 W缸121933657 （N）, 計算送料缸的受力。送料缸在推進工件時,工件受料斗上面所堆積工件重量的壓力而在所推進工件的上、 下兩面產生摩擦阻力, 每個工件的重量為0.6 kg,最多堆積20個,故摩擦阻力為 Ff=2Q總f2（20-1）60.2=45.6 (N) 故送料缸所受最大軸向力為摩擦阻力加工件重量,即為 F缸45.6+6 =51.2 (N) 由于力很小,因此將送料缸的運動近似認為是空載運動。,(2) 液壓缸的選擇。 本例工藝要求送料缸送料速度大于50 mm/s, 鉆削缸快進速度大于50 mm/s。 查液壓傳動產品手冊得出： 選內徑

23、活塞桿徑4020 mm的液壓缸作為夾緊缸,則當液壓缸內油的壓力達到p=W缸/A=43657/（3.14402）=2.91 MPa時，就可夾緊工件；選該液壓缸行程不小于40 mm。,該泵的輸出流量為 Q=2.51450 =3.6 (L/min) (4) 選擇電動機參數： pM= =0.324 (kW) 因為液壓泵的轉速為1450 r/min,所以選電機的轉速為1450 r/min,功率大于0.34 kW。 (5) 選擇油箱。 油箱容量通常取泵的額定流量的24倍,故設計油箱的容量為714 L。,因為鉆削缸要支撐動力頭,又雙向受力,所以選直徑大一點的液壓缸。另外由于有差動連接,因此使

24、得快進和退回的速度較接近,因而選活塞桿直徑較粗的液壓缸。綜上應選內徑活塞桿徑5032 mm的液壓缸作為鉆削缸,則當液壓缸內油的壓力大于p=F/A =42946/（3.14502）=1.55MPa時,就可鉆削工件；由于鉆削快進采用差動連接,因此當輸入流量達到 Qv3.14d2/4=50603.14322/4=2.41 (L/min) 就能滿足鉆削缸快速進給要求；選該液壓缸的行程不小于35 mm。 選內徑活塞桿徑3216 mm的液壓缸作為送料缸,當輸入流量達到QvA=50603.14322/4 =2.35 (L/min) 就能滿足送料速度要求；液壓缸的行程根據具體結構確定。,(3) 選擇液壓泵。

25、 根據以上所需的最大壓力及最大流量,并再考慮一定的損耗,故泵的額定流量應選為 Q泵K漏Q缸1.12.41 =2.65 (L/min) 泵的額定壓力應選為 p泵K壓p缸 = 1.32.91=3.78 (MPa) 查液壓產品目錄,選泵型號為YB1- 2.5；額定壓力為6.3 MPa；排量為2.5 mL/r；轉速為1450 r/min的定量葉片泵。,(6) 選擇閥。 送料缸換向選用二位四通電磁閥,能滿足送料要求；夾緊缸換向選用二位四通電磁閥,在夾緊工件時,能一直保持一定的壓力；鉆削缸換向選用三位四通電磁閥。 由于鉆削缸的壓力小于夾緊缸的壓力,因此在鉆削支路上接一個減壓閥,以保證夾

26、緊力在切削過程中不下降。 由于鉆削缸垂直安裝,因此,為使運動平穩(wěn),采用液壓缸出口節(jié)流調速回路。 以泵的額定壓力為6.3 MPa,流量為3.6 L/min 為基準,選擇各種電磁換向閥、 溢流閥、減壓閥、 調速閥等元件,元件的具體型號不一一敘述。 為節(jié)約能源,鉆削缸快進采用差動回路。,(7) 液壓回路設計。具體設計的液壓回路如圖7- 30所示。 圖7- 30 液壓傳動系統(tǒng)圖,(8) 電氣控制回路設計。 該自動鉆床工作循環(huán)過程如前所述,由于送料桿和夾緊桿同時伸出到位時會產生干涉,因此要等送料缸退回才能夾緊,但為了節(jié)約時間,在送料缸剛好退出干涉位置時,夾緊缸就動作,使得夾緊缸與送料缸后退同步。 控

27、制回路的具體設計步驟如下： 繪制各液壓缸動作順序圖,如圖7- 31(a)所示,其中A為送料缸,B為夾緊缸,C為鉆削缸。 以行程開關壓下為1,彈起為0,繪制開關信號圖,如圖7- 31(b)所示。, 由于在第4步和第7步有兩組相同的信號,因此將所有信號分成兩級,如圖7-31(b)所示。 以01為觸發(fā)信號,繪制開關動作圖,如圖7-31(c)所示。在第7步,因為和第4步信號相同,所以在該組加一個繼電器K常開觸點。 繪制線圈（電磁鐵、繼電器）通、斷電圖,(注意： 在級和級交界處增加一個繼電器通電,以便進行分級的轉換,在級結束時繼電器斷電)如圖7-31(d)所示。 ,圖7- 31 液壓回路動作圖 (a)

28、 缸的動作順序圖；(b) 開關信號圖及動作分級圖； (c) 開關動作圖；(d) 線圈通、 斷電圖,圖7-32 電氣控制回路圖,圖7-33 經PLC改造的梯形圖, 根據圖7-31(c)、 圖7-31(d) 繪制電氣控制回路圖,如圖7-32所示。圖中繼電器K5為圖7-31(d）所示的分級轉換繼電器K。工作時按一下帶自鎖的按鈕SB1使YA通電,即可連續(xù)地重復本例所要求的工作循環(huán)過程,如要短暫停機,則按SB1使其斷電,再按SB2使液壓泵卸荷。 若采用PLC控制,則將圖7- 32電氣控制回路圖轉換為梯形圖,如圖7- 33所示,以三菱FX2N系列PLC為例,符號說明如下： 輸入: SB1X0; a0X1

29、; a1X2; a2X3; b0X4; b1X5; c0X6; c1X7; c2X10; SB2X11。 輸出:YAY0；YBY1；YC1Y2；YC2Y3；YC0Y4；YDY5。 繼電器： K3M0；K5M1；K6M2；K7可以省略。,思考題與習題,7-1 簡述設計液壓系統(tǒng)的電氣控制回路的分級原則。 7-2 一液壓系統(tǒng)兩缸的動作順序如下,試使用兩個二位四通單電磁鐵換向閥,設計液壓回路和電氣控制回路。 (1） A+B+A-B-； (2） A+B+B-A+ 7-3 使用兩個三位四通雙電磁鐵換向閥,設計一個兩缸的液壓系統(tǒng)的電氣控制回路,其動作順序如習題7-2。,7-4 一液壓系統(tǒng)三缸的動作順序如下,試使用兩個二位四通單電控換向閥和一個三位四通雙向電控換向閥,設計液壓回路和電氣控制回路。 (1） A+B+C+C-B-A-； (2） A+B+B-C+C-A-。,