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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目： 轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與PLC控制設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 機(jī)制1204
學(xué)生姓名： 解磊壘
指導(dǎo)教師： 王志成
論文提交日期：2016年5月30日
論文答辯日期：2016年6月 6日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)
機(jī)制1204班
學(xué)生：解磊壘
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與PLC控制
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容：
主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括液壓原理圖設(shè)計(jì)，工況參數(shù)計(jì)算，液壓元件選擇，液壓缸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PLC選型，控制方案選擇，PLC硬件電路設(shè)計(jì)，PLC梯形圖設(shè)計(jì)與仿真等。主要技術(shù)參數(shù)：（1）前刀架：橫向最大行程100mm，縱向最大行程60mm?？焖龠M(jìn)退速度4m/min，工進(jìn)速度8~180mm/min。（2）后刀架：橫向最大行程100mm，讓刀最大行程8mm，快速進(jìn)退速度4m/min，切斷面速度8~200mm/min。（3）轉(zhuǎn)塔刀架：縱向最大行程350mm，刀架微抬0.25mm，快速進(jìn)退3~3.5m/min，工進(jìn)速度8~500mm/min。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分：
（1）轉(zhuǎn)塔車床的結(jié)構(gòu)原理和工作要求分析。
（2）工況分析，工藝參數(shù)確定。
（3）液壓原理圖設(shè)計(jì)。
（4）液元件選擇，性能驗(yàn)算，動(dòng)態(tài)性能仿真。
（5）控制方案選擇，PLC選型，PLC硬件電路設(shè)計(jì)。
（6）梯形圖設(shè)計(jì)與仿真，有條件時(shí)在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證。
起止時(shí)間：2016.2.29~2016.6.17
指導(dǎo)教師： 王志成 簽字 2015年12月4日
摘 要
本論文針對(duì)目前市場(chǎng)上大部分類型轉(zhuǎn)塔車床的現(xiàn)狀、發(fā)展的動(dòng)態(tài)以及發(fā)展的方向，和其在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，運(yùn)用到了液壓元件的基本理論，對(duì)其主要關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)箱進(jìn)行了原理分析和優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)本轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)的實(shí)際需要，對(duì)車床液壓系統(tǒng)開展研究，并且對(duì)液壓系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)元件和液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。介紹了一種在三爪卡盤上加裝擺動(dòng)式液壓缸和平面螺旋機(jī)構(gòu)的螺旋擺動(dòng)式液壓缸增力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。以及主要的設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)的確定。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)塔車床；液壓缸 參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)
Abstract
In this paper according to the present most type on the market the present situation of the capstan lathe, the dynamic development and the direction of development, and its important role in the modern industrial production, using the basic theory of hydraulic components, hydraulic system about the structure of the main key box on the principle analysis and optimization. According to the design of the hydraulic system of the practical need of turret lathe, the lathe hydraulic system research, and the structure components in the hydraulic system and the structure of the hydraulic control system, the optimization design. Introduces a mounted on a three jaw chuck oscillating hydraulic cylinder and flat screw mechanism of institution of spiral swing hydraulic cylinder structure. As well as the determination of main design steps and parameters.
Key words: capstan lathe; hydraulic cylinder; parameter optimal design
目 錄
第一章 概論 1
1.1 液壓技術(shù)的歷史發(fā)展 1
1.3研究的對(duì)象和研究的方法 2
第二章 液壓系統(tǒng)的組成 3
2.1液壓系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)步驟 3
2.2技術(shù)參數(shù)的確定 3
2.3主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定 6
2.4液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.5擬定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖 8
第三章 液壓缸的設(shè)計(jì) 10
3.1液壓缸的分類 10
3.1.1 液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 10
3.2 缸體 11
3.3 工作狀況分析 11
3.4 液壓缸的計(jì)算 19
3.5 液壓泵的計(jì)算 20
3.6液壓閥參數(shù)的選擇 25
3.7輔助元件的選擇和計(jì)算 25
第四章 PLC控制 27
4.1梯形圖程序設(shè)計(jì) 27
4.2 電氣系統(tǒng)圖、程序及PLC外部接線圖 27
4.2.1 控制線路分析 27
4.2.2 主電路及接線圖分析 29
4.3 程序分析及設(shè)計(jì) 32
第五章 結(jié)論 33
致 謝 35
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位 第一章 概論
第一章 概論
1.1 液壓技術(shù)的歷史發(fā)展
液壓技術(shù)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)來說是一個(gè)比較新的技術(shù)，可是從1650年巴斯卡提出靜壓傳遞遠(yuǎn)離，1795年英國(guó)的約瑟夫·布拉默利用這一原理在英國(guó)制成了世界上第一臺(tái)水壓機(jī)，使液壓技術(shù)開始進(jìn)入工程領(lǐng)域算起，已有兩三百年的歷史了。到了20世紀(jì)30年代才普遍地用于機(jī)械、機(jī)床及工程領(lǐng)域。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事工業(yè)的需要響應(yīng)迅速、精度高、功率大的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和伺服機(jī)構(gòu)，用來裝備各種飛機(jī)、坦克、大炮和軍艦，從而提高它們的使用性能，所以各種高壓元件得到了進(jìn)一步的發(fā)展，同時(shí)出現(xiàn)了伺服閥。這里意義重要的是美國(guó)馬塞諸塞州理工學(xué)院的布萊克本、李等人對(duì)于高壓場(chǎng)合的液壓?jiǎn)栴}以及伺服控制問題進(jìn)行了深入的研究，最后在1958年布萊克本、李等人研制出了電液伺服閥。當(dāng)前液壓技術(shù)在高速、高壓、大功率、高效率、低噪聲、經(jīng)久耐用及高度集成化等各項(xiàng)要求方面都取得了重大進(jìn)展，在完善比例控制、伺服控制、數(shù)字控制等技術(shù)上也有了許多新成就。
1.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展前景
最近幾年來，我國(guó)數(shù)控車床生產(chǎn)一直保持速度較快的增長(zhǎng)。直到2002年產(chǎn)量居世界第四。但是我們與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我們國(guó)家的機(jī)械車床數(shù)控化率暫時(shí)還不是很高，現(xiàn)在而言生產(chǎn)產(chǎn)值數(shù)控化率不到30％ ；消耗值數(shù)控化率還不到50％ ，而發(fā)達(dá)國(guó)家大多在70％ 左右。國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床到2000年可供品種為700多種，接近數(shù)控車床品種的50％ ，其中占產(chǎn)量70％ 的是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。最高轉(zhuǎn)速一般在2000r／min，個(gè)別轉(zhuǎn)速達(dá)8000r／min， 坐標(biāo)定位精度一般在0．01mm，重復(fù)定位精度在0．005mm，工作精度圓度在0．01—0．005mm 之間， 表面粗糙度Ra0．8—1．61xm。長(zhǎng)城車床廠CK7815C液壓系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速3 500r／min，快速行程X軸9m／min，z軸12m／min，定位精度X軸0．016mm，z軸0．025mm， 工作精度圓度0．007mm，表面粗糙度Ra<1．6 m。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF可靠性大都超過1萬小時(shí)，但國(guó)際上先進(jìn)企業(yè)數(shù)控系統(tǒng)MTBF已達(dá)8萬小時(shí)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心MTBF有少數(shù)廠達(dá)500h，但國(guó)際先進(jìn)水平已達(dá)800h。用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)加工中心刀庫(kù)機(jī)械手、數(shù)控車床刀架仍不放心，其定位精度、特別是重復(fù)定位精度也有待提高。此外，外觀、漏油等老問題也與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)品有差距。
目前， 我國(guó)的功能部件生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，布局分散，有些還依附于主機(jī)廠或研究所。從整體上看，我國(guó)功能部件生產(chǎn)發(fā)展緩慢，品種少，產(chǎn)業(yè)化程度低，從精度指標(biāo)和性能指標(biāo)都還不過硬。滾珠絲杠、數(shù)控刀架、數(shù)控系統(tǒng)、電液壓系統(tǒng)等數(shù)控車床功能部件雖已形成一定的生產(chǎn)規(guī)模，但僅能滿足中低檔數(shù)控車床的配套需要。衡量數(shù)控車床水平的高級(jí)數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電液壓系統(tǒng)、高速滾動(dòng)功能部件和數(shù)控動(dòng)力刀架等還依賴進(jìn)口。理順功能部件生產(chǎn)企業(yè)的體制，做大做強(qiáng)一批功能部件生產(chǎn)企業(yè)已迫在眉睫。
1.3研究的對(duì)象和研究的方法
本課題研究對(duì)象是數(shù)控車床，本著高效節(jié)能、機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)集成化與控制技術(shù)集結(jié)于一身的目的，著重研究液壓缸和液壓泵，對(duì)其進(jìn)行受力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)一個(gè)高效、節(jié)能車床的前提。
33
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位 第二章 液壓系統(tǒng)的組成
第二章 液壓系統(tǒng)的組成
2.1液壓系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)步驟
液壓系統(tǒng)包括主泵動(dòng)力站、和安裝在主泵站上的控制件、附件等。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的執(zhí)行裝置帶動(dòng)工件或刀具直接參加工件表面形成運(yùn)動(dòng)，所以它的工件性能對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)率產(chǎn)生直接的影響，是車床上最重要的部件之一。
2.2技術(shù)參數(shù)的確定
轉(zhuǎn)塔車床為程序控制半自動(dòng)組合式車床.他適合于加工各種盤類,套類零件.他工藝范圍廣,能進(jìn)行外圓, 內(nèi)孔, 外端面,內(nèi)端面, 錐面, 倒角, 切槽, 切斷, 鉆孔, 擴(kuò)孔, 鉸孔及成形表面等粗, 半精和精加工.它的加工精度為2級(jí),車削光潔度▽6.要求機(jī)床運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),能無級(jí)調(diào)速,自動(dòng)化程度,效率高,系統(tǒng)發(fā)熱少.機(jī)床的主要參數(shù)如表14-8所示,他能完成表14-9中的所有工作循環(huán).
為了高效率自動(dòng)地完成上述任務(wù),機(jī)床采用機(jī),電,液聯(lián)合控制.主軸運(yùn)動(dòng)采用雙速電機(jī)和液壓離合器,能變換四種轉(zhuǎn)速. 工件的加緊, 主軸制動(dòng), 前后刀架及轉(zhuǎn)塔均采取液壓傳動(dòng).
表14-8 機(jī)床主要參數(shù)
項(xiàng) 目
主要技術(shù)參數(shù)
加工最大棒料直徑
40mm
直達(dá)加工直徑
200mm
前 刀 架
(水平)
橫向最大行程
縱向最大行程
快速進(jìn)退速度
橫向
工進(jìn)速度 縱向
100mm
60mm
4m/min
8~180mm/min
12~180mm/min
后刀架
( 傾斜30°)
橫向最大行程
讓刀最大行程
快速進(jìn)退速度
切斷面速度
100mm
8mm
4m/min
8~200mm/min
轉(zhuǎn)塔刀架
縱向最大行程
刀架微抬
快速進(jìn)退
工進(jìn)速度
350mm
0.25mm
3~3.5m/’min
8~500mm/min
主運(yùn)動(dòng)
主軸轉(zhuǎn)速范圍
主電動(dòng)機(jī)功率
40~1100r/min(12級(jí))
5~6.5Kw n=400r/min
n=800r/min
表14-9 機(jī)床的工作循環(huán)
切
外
圓
工 進(jìn)
讓
刀 快 退
縱 工 進(jìn) 縱快進(jìn)
橫 橫
快 快
退 縱 快 退 進(jìn)
鉆擴(kuò)餃孔
工 進(jìn) 快進(jìn)
快 退
鏜
孔
快 退
讓
刀 工 進(jìn) 快 進(jìn)
縱 快 退
橫 橫
快 快
退 縱工進(jìn) 縱快進(jìn) 退
切斷面
縱橫快退
橫工進(jìn)
橫快進(jìn)
縱快進(jìn)
切內(nèi)端面
橫 縱 快 進(jìn)
工 橫
進(jìn) 橫 快
合成快退 快 進(jìn)
退
加工成形表面
縱向快退
退 進(jìn)
刀 刀
仿形進(jìn)給
切槽
橫
橫工進(jìn) 快
橫快進(jìn) 進(jìn)
橫
橫 快
工 退 縱 快 退
進(jìn)
縱 快 進(jìn)
切內(nèi)溝造
縱 快 進(jìn)
橫 橫 工 橫 縱 快 退 快
進(jìn) 快 快
退 退
圖14-2 前刀架液壓原理圖
2.3主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定
主傳動(dòng)變速方式可分為無極變級(jí)和有級(jí)變速兩種，本車床采用無極變速的變速方式。
無級(jí)變速是指在一定速度（或轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)能連續(xù)、任意地變速。可選用最合適的切削速度，沒有速度損失，生產(chǎn)率高；一般可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，減少輔助時(shí)間；操縱方便；傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。這次設(shè)計(jì)采用了交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)通常采用變頻調(diào)速方式進(jìn)行調(diào)速。調(diào)速效率高，性能好，調(diào)速范圍較寬，恒功率調(diào)速范圍可達(dá)5甚至更大。額定轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min等。
2.4液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓系統(tǒng)組件的主要功能是夾持工件或刀具（包括砂輪）轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行切削加工、傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力及承受切削力等，并保證刀具或工件具有準(zhǔn)確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。液壓系統(tǒng)組件是車床的執(zhí)行件，他它帶動(dòng)工件或刀具直接參與表面成形運(yùn)動(dòng)，其工作性能對(duì)車床的加工質(zhì)量及生產(chǎn)率有直接影響，它是車床的一個(gè)重要組件。
根據(jù)車床主參數(shù)、尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)，并且遵循①旋轉(zhuǎn)精度；②剛度；③抗振性；④熱穩(wěn)定性；⑤耐磨性等基本要求的原則確定液壓系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
2.5擬定液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖
圖2-1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)框圖
機(jī)床的液壓系統(tǒng)的采用限壓式變量葉片泵供油，工作壓力調(diào)到4MPa,壓力由壓力表15顯示。泵輸出的壓力油經(jīng)過單向閥進(jìn)入個(gè)子系統(tǒng)支路，其工作原理如下。
(1) 卡盤的夾緊與松開 在要求卡盤處于正卡（卡爪向內(nèi)夾緊工件外圓）且在高壓大夾緊力狀態(tài)下時(shí)，3YA失電，閥4左位工作，選擇減壓閥8工作。夾緊力的大小由減壓閥8來調(diào)整，夾緊壓力由壓力表14來顯示。
在要求卡盤處于正卡且在低壓小夾緊力狀態(tài)下時(shí)，3YA通電，閥4右位工作，選擇減壓閥9工作。夾緊力的大小由減壓閥9來調(diào)整，加緊壓力也由壓力表14來顯示，閥9調(diào)整壓力值小于閥8.換向閥3的工作情況與高壓大夾緊力時(shí)相同。
卡盤處于反卡（卡爪向外夾緊工件內(nèi)孔）時(shí)，動(dòng)作與正卡相反，即反卡的夾緊是正卡的松開；反卡的松開是正卡的夾緊。
(2) 回轉(zhuǎn)刀架的換刀 回轉(zhuǎn)刀架換刀時(shí)，首先是將刀架抬升松開，然后刀架轉(zhuǎn)位到指定的位置，最后刀架下拉復(fù)位夾緊。
當(dāng)4YA通電時(shí)，換向閥6右位工作，刀架抬升松開；8YA通電，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀架換刀，轉(zhuǎn)速由單向調(diào)速閥11控制（若7YA通電，則液壓馬達(dá)帶動(dòng)刀架反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由單向調(diào)速閥12控制），到位后4YA斷電，閥6左位工作，液壓缸使刀架夾緊。正轉(zhuǎn)換刀還是反轉(zhuǎn)換刀由數(shù)控系統(tǒng)按路徑最短原則判斷。
(3) 尾座套筒的伸縮運(yùn)動(dòng) 當(dāng)6YA通電時(shí)，換向閥7左位工作，壓力油經(jīng)減壓閥10、換向閥7左位流向尾座套筒液壓缸的左腔；液壓缸右腔油液經(jīng)單向調(diào)速閥13和閥7流向油箱，液壓缸筒帶動(dòng)尾座套筒伸出，頂緊工作。頂緊力的大小通過減壓閥10調(diào)整，調(diào)整壓力值由壓力表16顯示。
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位 第三章 液壓缸的設(shè)計(jì)
第三章 液壓缸的設(shè)計(jì)
3.1液壓缸的分類
液壓缸有多種分類形式。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)它可分為活塞式、柱塞式和擺動(dòng)式3大類；按照作用方式又可分為單作用式和雙作用式兩種。單作用式液壓缸只能使活塞（或柱塞）做單方向運(yùn)動(dòng)，即壓力油只通向液壓缸的一腔，而反方向運(yùn)動(dòng)則必須依靠外力來實(shí)現(xiàn)；雙作用式液壓缸，在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都由壓力油推動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。所以此次選用雙作用式液壓缸。
3.1.1 液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算
缸筒是液壓缸的主要零件，缸筒與端蓋、缸底、油口等零件構(gòu)成密封的容腔，用以容納壓力油，同時(shí)它還是活塞的運(yùn)動(dòng)軌道。設(shè)計(jì)液壓缸缸筒時(shí)，應(yīng)該正確確定各部分的尺寸，保證液壓缸有足夠的輸出力、運(yùn)動(dòng)速度和有效行程，同時(shí)還必須有一定的強(qiáng)度，能足以承受液壓力、負(fù)載力和干擾等沖擊力。另外，缸筒的內(nèi)表面應(yīng)該具有合適的配合精度、表面粗糙度和幾何精度，已足以保證液壓缸的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和耐用性。
（1）液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算