毕业设计论文基于PLC控制的液压试验台设计.docx
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毕业设计论文基于PLC控制的液压试验台设计
毕业设计论文-基于PLC控制的液压试验台设计
毕业设计论文
基于PLC控制的液压台设计根据液压台的功能要求液压的方案设计
2完成液压台的设计完成液压台电气图
6编写毕业设计说明书
时间安排
第1-3周搜集资料并初步确定设计方案
第4-6周液压试验台控制回路及实验台的硬件选取
第7-11周液压试验台电气控制
第12周设计说明书撰写
第13周毕业答辩
必读参考资料
com北京化学工业出版社20098
2液压元件试验技术指标JB214677中国第一机械工业部部标准
液压传动技术是机械设计机械制造和机电一体化等专业的一门重要的基础课程该课程的任务是使学生能够掌握液压的基础知识掌握各种液压基本元件的结构特点工作原理应用场合和选用方法掌握常用液压基本回路的作用构成和适用场合了解国内外先进液压技术成果在机械设备中的应用已成为工业机械工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术液压传动的应用深入各个领域国外生产的95的工业机械90的数控加工中心95以上的自动化生产线都采用了液压传动技术在工业发达国家由电液伺服阀电液比例阀以及配用的专用电子控制器和相应的液压元件组合集成电流伺服比例控制系统的相互支撑发展已综合形成液压工程技术它的应用与发展被认为是衡量一个国家工业水平和现代工业发展立玉的重要标志是液压工工业又一个新的技术热点和增长点在我国同样有一大批主机产品的发展需要应用该项技术因此将其列为促进我国液压工业发展的关键技术之一随着应用了电子技术计算及技术信息技术自动控制技术及新工艺新材料的发展和应用液压传动技术也在不断创新液压传动技术已成为工业机械工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术而其向自动化高精度高效率高速化高功率小型化轻量化方向发展是不断提高它与电传动机械传动竞争能力的关键本文从液压现场总线技术自动化控制软件技术水压元件及系统液压节能技术等方面介绍液压传动技术发展动态使机械专业的学生在掌握液压传动基本知识的更准确形象地深入了解掌握元件的结构回路的控制原理等掌握PLC可编程序控制的功能控制原理及编程技巧等
电控系统方框图
最后设计出实验台的外形结构以及各个液压元件和电器元件的布置在三维软件中装配完成对实验台的外形设计
3.进度安排
1.搜集资料并初步确定设计方案1-3周
2.按照要求设计液压回路选择回路的元器4-6周
3根据设计要求选择PLC型号完成PLC的硬件和软件设计7-9周
4
指导教师签名年月日
注1开题报告应根据教师下发的毕业设计论文任务书在教师的指导下由学生独立撰写在毕业设计开始后三周内完成
2.设计的目的及意义至少800字基本内容和技术方案至少400字
3.指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发阐述学生利用的知识原理建立的模型正确与否学生的论证充分否学生能否完成课题达到预期的目标
郑重声明
本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担
本人签名日期
摘要1
Abstract2
1绪论3
11液压传动的发展概况3
12PLC发展概况3
13课题研究的意义4
2液压系统设计5
21总体方案概述5
22液压缸设计5
com压缸设计5
com压缸设计7
com流量计算8
23系统回路设计8
com本回路8
com本方案9
com统图设计9
24液压元件的选择11
com的选择11
com的选择11
com的选择12
25液压辅件的计算与选择12
com寸的确定12
com量的确定13
com液压介质的选取13
com统辅件的选择14
26液压系统性能验算14
com验算回路中的压力损失14
com统发热升温计算15
27液压装置整体设计16
com液压系统总体布局16
com液压阀的配置16
com的设计17
3PLC控制系统设计18
31总体方案设计18
32PLC控制系统的硬件设计18
comPLC型号的选择18
comPLC外围电路设计20
com选择21
com控制面板设计21
33PLC控制系统程序设计22
com程序初始化22
com加载子程序23
com反转25
4数据采集系统26
41基于VB60数据采集系统设计概述26
42VB60串行通信控件26
43数据库设计26
com的建立26
comDO数据控制项27
44计算机与PLC通信28
45实验数据采集系统29
结束语32
参考文献33
附录34
致谢49
摘要
现代液压技术集传动控制和检测于一体逐步向数字化和自动化方向发展这就要求液压教学能够同步于现代控制技术的发展液压教学试验台的研究和发是达成这一目的的重要方法
论文将模块化设计方法现代化控制理论和方法运用于液压教学试验台的研究与开发对液压教学实验台的功能与结构液压教学试验台的控制方案和基于PLC的液压教学试验台控制系统的进行了研究设计了基于PLC的液压教学试验台控制系统编制了液压教学实验台的控制系统程序包含进油节流调速回油节流调速旁路节流调速调速阀进油节流调速回路的速度-负载特性四个实验节流调速回路性能实验是学生学习液压回路的重要实验节流调速回路试验台是重要的教学试验台传统的节流调速回路试验台精度较低不能对数据进行自动采集而本论文设计的试验台具有电脑数据采集功能
关键词液压试验台可编程控制器控制系统数据采集
Abstract
Modemhydraulictechnologyisanintegrationoftransmissioncontrolexaminationandcomputerwhichrequiresteachingonhydraulicshouldbeinstepwiththeup-to-datecontroltechnology.Theteachingexperimentanddevelopmentofexperimentdeviceonhydraulicare
oneofthemainmethodstorealizeit.
Thispaperstudyanddeveloponhydraulicteachingtest-bedbasedonthemodularizedesignmethodmodernizecontroltheoryandtechnique.LucubrateonthefunctionandstructurecontrolschemeandcontrolsystemonPLCofhydraulicexperimenttest-bed.editthecontrolprogramofthehydraulicteachingtest-bedThrottlingcontrolcircuitperformanceisanimportanttestforstudentsotheimportanttestspeedloopisimportantaswellButthetraditionalthrottlingcontrolcircuitloopshaslowprecisionanditcannotconductdataacquisitionSoweshoulddesignonethatthetestdatacanbecollected
KeyWordsHydraulicteststandPLCControlSystemDataacquisition
1绪论
液压传动技术是机械设计机械制造和机电一体化等专业的一门重要的基础课程该课程的任务是使学生能够掌握液压的基础知识掌握各种液压基本元件的结构特点工作原理应用场合和选用方法掌握常用液压基本回路的作用构成和适用场合了解国内外先进液压技术成果在机械设备中的应用已成为工业机械工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术液压传动的应用深入各个领域国外生产的95的工业机械90的数控加工中心95以上的自动化生产线都采用了液压传动技术目前液压元件不断出现液压技术的逻辑设计优化设计计算机辅助设计和数字仿真也逐渐研究并应用总之液压技术这一领域的范围比较广泛设计的问题较多理论基础较深
液压传动以运动传递平稳均匀调速范围广传递扭矩大易于实现自动化越来越广泛地被用在机床的调速系统中机床的主运动进给运动对速度有很高的要求在机床液压系统中调速回路占有相当重要的地位它的工作性能的优劣对系统有着决定性的影响其中节流调速回路是很重要的调速回路他通过改变节流口的大小来控制流量则调速范围大但节流引起能量损失大效率低易引起油液发热另外节流调速回路是液压系统基本回路是液压教学的重难点因此设计一个液压试验台是十分必要的但是现有的教学用液压试验台大多都需要手动操作但是如果能设计出可以用自动循环功能而且采用微机测控采集数据试验台用于液压教学实验则更为方便直观可靠
11液压传动的发展概况
液压传动是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术1795年英国约瑟夫布拉曼JosephBraman1749-1814在伦敦用水作为工作介质以水压机的形式将其应用于工业上诞生了世界上第一台水压机1905年将工作介质水改为油又进一步得到改善第一次世界大战1914-1918后液压传动广泛应用特别是1920年以后发展更为迅速液压元件大约在19世纪末20世纪初20年间才开始进入正规的工业生产阶段1925年维克斯FVikers发明了压力平衡式叶片泵为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础20世纪初康斯坦丁斯克对能量波动传递所进行的理论及实际研究1910年对液力传动液力联轴节液力变矩器等方面的贡献使这两方面领域得到了发展第二次世界大战1941-1945期间在美国机床中有30应用了液压传动应该指出日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年在1955年前后日本迅速发展液压传动1956年成立了液压工业会近20~30年间日本液压传动发展之快居世界领先地位液压技术主要是由武器装备对高质量控制装置的需要而发展起来的随着控制理论的出现和控制系统的发展液压技术与电子技术的结合日臻完善电液控制系统具有高响应高精度高功率-质量比和大功率的特点从而广泛运用于武器和各工业部门及技术领域
12PLC发展概况
PLC自问世以来经过40多年的发展在美德日等工业发达国家已成为重要的产业之一世界总销售额不断上升生产厂家不断涌现品种不断翻新产量产值大幅度上升而价格则不断下降目前世界上有200多个厂家生产PLC较有名的美国AB通用电气莫迪康公司日本三菱富士欧姆龙松下电工等德国西门子公司法国TE施耐德公司韩国三星LG公司等
PLC由整体结构向小型模块化结构发展增加了配置的灵活性降低了成本PLC在闭环过程控制中应用日益广泛不断加强通讯功能新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外还有带处理器的EPROM或RAM的智能IO模块高速计数模块远程IO模块等专用化模块编程工具丰富多样功能不断提高编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件采用梯形图功能图语句表等编程语言亦有高档的PLC指令系统我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段顺序控制器8位处理器为主的工业控制器8位微处理器为主的可编程序控制器1985以后在对外开放政策的推动下国外PLC产品大量进入我国市场一部分随成套设备进口如宝钢一二期工程就引进了500多套还有咸阳显象管厂秦皇岛煤码头汽车厂等现在PLC在国内的各行各业也有了极大的应用技术含量也越来越高
13课题研究的意义
传统的液压教学实验台已经不能满足液压技术的实验现代液压实验台的发展趋势随着科学技术和现代工业的飞速发展对液压教学提出了更高的要求要求液压教学实验能够形象直观学生能够参与其中随着可编程控制器的技术的发展将其代替顺序控制器作为液压实验台控制系统的核心并且能满足日益复杂的液压实验系统的控制要求而且作为教学实验装备使机械专业的学生在掌握液压传动基本知识的同时也能够更准确形象地深入了解掌握液压元件的结构液压回路的控制原理等原来的控制方式因为电气元件较多节点多逻辑布线复杂对应关系复杂所以操作不便故障率高运行的可靠性和灵敏性差扩展性差检修不方便在实验方法上采用现代的PLC控制在实验手段上采用计算机辅助测试学生可以根据液压系统的传动要求通过接近开关电磁铁等线路联接在实验过程中观察油路的变化得出所要测基于PLC的液压实验台系统的研制与开发
设计的实验台不仅能进行液压方面的实验还可以进行有关PLC的实验使PLC实验更加直观掌握PLC可编程序控制的功能控制原理及编程技巧等有利于培养学生在机电液综合控制等方面的综合能力
本设计采用的三菱的FX2N系列PLC它吸取了整体式和模块式PLC的优点各单元采取叠装式连接具有较高的性价比同时他也是在目前市场上具有广泛影响的主流机型
2液压系统设计
21总体方案概述
本实验是分析各种节流调速回路的速度-负载特性即工作液压缸的运动速度随着负载变化的特性在速度-负载特性曲线上某处的斜率越小速度刚度越大机械特性就赢执行元件受负载变化的影响就越小这是调速回路的机械特性调速时为了满足执行元件对工作速度的要求是液压系统的核心问题实验要求速度不易过快或者过慢要求适于测量和观察选定最大载荷为20KN速度范围0005ms~004ms试验台各个液压元件分置在试验台的试验面板上给学生提供直观的试验视觉
试验中选择液压缸作为液压系统的执行元件它将液体的压力能转化成机械能用来实现直线往复运动对于液压缸的加载也选用液压缸来完成液压回路采取将基本的调速回路进行结合的方式将基本的液压回路通过优化组合成因为需要采用电气控制所选择的液压阀应该在适用于液压系统的同时适用于电气控制在液压回路的设计中应该考虑到系统压力的稳定负载的连续变化这样选择进油节流调速回路旁路节流调速回路回油节流调速回路以及速度阀进油调速回路并且将它们有机的结合在一起可以形成本实验的主液压回路加载回路的设计中也应该考虑系统的压力变化范围以及调整压力变化的方式可以选用比例溢流阀来控制加载回路的压力从而控制载荷的大小测量不同回路的速度-负载特性在主回路和加载回路中还应该考虑到液压泵的卸荷可以采用卸荷阀
对其他液压附件的设计和选取应该对系统的各个方面的参数经行计算后根据参数要求满足液压系统的同时还应该改根据环保和经济的原则进行选择
22液压缸设计
本试验台液压回路分为两个部分主回路完成实验液压缸的运动在不同的节流回路下完成液压缸的速度-负载特性实验加载回路通过一个加载液压缸对主回路的液压缸进行加载
com压缸设计
1加载力的确定
由于实验是将两液压缸对接通过加载液压缸对主液压缸进行加载且需要最大的加载力为20KN
工作载荷常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力切削力等这些作用力的方向如活塞运动方向相同为负相反为正故
Fg20KNFg主要包含活塞轴线上的重力切削力挤压力等
导轨摩擦载荷Ff0
运动部件所受的重力不计外载荷作用于导轨上的正压力为0
惯性载荷Fa0
以上三种载荷之和称之为液压缸的外载荷Fw
工作载荷Fg并非每一阶段都存在如该阶段没有工作则Fg为0
则其外载荷Fw20KN
除去外载荷外由于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的阻力Fm由于各种液压缸密封材质和密封形式都不同所以Fm难以计算
一般估算为Fm1ηF式2-1
式中η为液压缸机械效率一般取09095
则有FFwη200922KN
2初选系统的工作压力
工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据它的大小影响执行元件的尺寸和成本乃至整个系统的性能在系统功率一定时一般选用较高的工作压力使执行元件和系统的结构紧凑重量轻经济性好但是若工作压力选的太高会提高元件的强度刚度及密封要求和制造精度要求不但达不到预期的经济效果反而会降低元件的容积效率增加系统发热降低与元件寿命和系统可靠性反之压力选的过低就会增大执行元件的尺寸使结构变得庞大所以要根据实际情况选取工作压力
压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定还要考虑带执行元件的装配空间经济条件及元件供应情况等的限制在载荷一定的情况下工作压力低势必要加大执行元件的结构尺寸对某些设备来说尺寸要受到限制从材料消耗角度看也不经济反之压力选得太高对缸泵阀等原价元件的材质密封制造要求也要求很高必然要提高设备成本一般来说对于固定的尺寸不太受限的设备压力可以选得低一些行走机械重载设备压力要选得高一些
表2-1按载荷选择工作压力
载荷KN55~1010~2020~3030~5050工作压力MP08~115~225~33~44~5≥5
根据本试验台的特点所以按照要求选择系统的压力为5MP
计算主液压缸的主要结构尺寸
液压缸的主要尺寸是指缸筒内径D和活塞杆直径d液压缸的长度和活塞杆的长度等液压缸的内径和活塞杆的直径的确定和使用的液压缸的设备类型有关通常根据液压缸的推力和液压缸的有效工作压力来决定液压缸的内径D和活塞杆直径d可以根据系统中的最大总负载和选取的工作压力来确定
图2-1液压缸的运动分析图
由图2-1可知活塞杆受压力时按V1方向运动活塞受力如上图所示可以列出以下方程式
FP1A1-P2A2式2-2
A1FP2A2P1式2-3
所以应该线确定A1和A2的关系或者D与d的关系
令杆径比ΦdD
则D式2-4
由表2-2和表2-3确定Φ的值
表2-2按工作压力选取dD
工作压力MP≤55~77dD05~05506~0707
表2-3按速度选择dD
v1v21151251331462dD030405055071
由于在本实验中对液压缸的进退速度没有要求所以需要按照载荷的大小选择选择速比133即Φ05由于系统的液压回路较短选择液压缸的被压为P202MP
则有D7524mm
按照表2-4选择液压缸的内径
液压缸的直径D和活塞杆的直径要按国际规定的液压缸的有关标准进行圆整如果与标准液压缸的参数相近最好选用国产标准液压缸免于自行设计和加工
表2-4液压缸的内径尺寸系列
4050638090100110125140160180200220250
故取液压缸的内径选取D80mm活塞杆直径d40mm
com压缸设计
1加载力的确定
1由于主液压系统所需要的外载荷为20KN由加载液压缸提供由式1-1可得
2导轨摩擦载荷Ff0
运动部件所受的重力不计外载荷作用于导轨上的正压力为0
3惯性载荷Fa0
以上三种载荷之和称之为液压缸的外载荷Fw
工作载荷Fg并非每一阶段都存在如该阶段没有工作则Fg为0
则其外载荷Fw20KN
除去外载荷外由于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的阻力Fm由于各种液压缸密封材质和密封形式都不同所以Fm难以计算
一般估算为Fm1ηF
式中η为液压缸机械效率一般取09095
则有FFwη200922KN
F’22KN
由于参数基本和主回路相同所以系统压力选择也可以参照主回路的工作压力选择
由表1-1选择加载系统的工作压力为5MP
2计算加载液压缸的主要尺寸
和主回路的液压缸设计原理相同即有式2-4可知
D’76mm
根据表2-4选择D’80mmd’40mm
com流量计算
根据前面计算的结果可以算出液压缸所需要的流量根据所求的最大流量来确定泵的流量
由于最大的速度为V4ms
因为qAv式2-5
根据式2-5得到q2ms
液压缸的所需的最大流量为2ms
23系统回路设计
com本回路
液压基本回路是决定主机动作和性能的基础是组成系统的骨架压力控制方式的选择主要取决于液压系统的调速方式在本试验台中液压系统需要4种调速方式--进油节流调速回油节流调速旁路节流调速和调速阀调速在本实验中需要工作液压缸进行空载运行所以还要考虑卸荷回路在主液压回路中首先应该考虑到主回路的压力值稳定控制好这个不变量才能更加精准的测量回路的速度-负载特性在本实验台的设计中选用电磁溢流阀来控制主液压回路的压力使得主液压回路的压力维持在一个稳定的值其次是加载回路的液压压力由于加载回路的压力值要经行规律的变化所以应该采用比例溢流阀来进行控制加载液压会的压力
基本的回路有进油节流调速回路回油节流调速回路和旁路节流调速回路更换这些基本的回路中的液压元件就能够组成不同的阀调速的液压回路
com本方案
1制定调速方案
本试验台要求测量在不同载荷下的节流调速回路的速度-负载特性节流方案分为4种分别是进油节流调速回油节流调速旁路节流调速调速阀进油节流调速回路分别采用4个节流阀进行控制这种调速一般采用定量泵供油采用开式循环形式在开式系统中液压泵从油箱吸油压力油流经系统释放能量后再排回油箱回路简单散热性能良好
2制定压力控制方案
为保持系统的压力稳定在主液压回路采用电磁溢流阀进行溢流通过溢流调整主回路的系统压力在加载回路中采用比例电磁溢流阀通过行程开关的信号输入控制加载回路的压力值
3制定顺序动作方案
本实验要求在不同的加载力下来分析节流调速回路的特性动作顺序具体为首先加载然后开启主回路将加载液压缸压回通过行程开关使加载回路的比例溢流阀的值改变继而在不同的加载力下测出主液压缸的速度
com统图设计
根据基本方案液压执行元件和各基本回路确定后把他们有机的结合起来去掉重复多余的元件再加上一些辅助元件就构成了本试验台的液压原理图系统的原理图如图2-2所示
液压原理图分为主回路和加载回路主回路中含有4个节流调速回路他们分别是试验台实现的4个实验加载回路也是由液压缸换向阀溢流阀组成通过改变比例溢流阀的溢流压力从而改变负载的大小在不同的回路不同的压力下液压缸有一个运动的速度
实验一要求只在进油回路上进行节流关死旁路实验二要求只在回油路上进行节流关死旁路全开进油路实验三要求全开进油和回油路在旁路上进行节流实验四要求全开回油路关死旁路和进油路用调速回路来替代进油路
实验原理图中有6个压力测试点测试不同点的压力值来分析不同节流调速回路的速度刚度实验中各个电磁阀的电磁铁动作表如表2-5所示
图2-2液压试验台系统原理图
按照实验要求根据动作的先后确定液压系统的动作表动作表如表2-5所示
表2-5电磁铁动作表
动作
电磁铁
YA1
YA2
YA3
YA4
YA5
YA6C1缸进C1缸退C2缸进C1进C2退C2进C1退C2缸退C1缸停C2缸停
24液压元件的选择
com的选择
1液压泵工作压力的确定
式2-6
P是液压缸的最大工作压力
是液压元件的回路损失一般取05MP
55MP
2泵流量的
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