四柱通用液压机压机液压系统设计说明书

课程设计说明书

课程名称：机床电气控制技术

设计题目：压力机液压系统的电气控制设计

专业：**********班级：*********

学生姓名: ****** 学号:*******

指导教师:xxx

XX大学教务部制

2011年 1 月1 日

目录

一、课程设计的内容与要求 (1)

（一）课程设计对象简介 (1)

（二）压力机结构及工作要求 (1)

（三）液压系统及控制要求 (2)

（四）课程设计的任务 (3)

二、电气控制电路设计 (5)

（一）继电器-接触器电气控制电路的设计 (5)

（二）继电器-接触器电气控制电路图分析及介绍 (5)

（三）选择电气元件 (9)

三、压力机可编程控制器系统的设计 (10)

(一)可编程控制器控制系统设计的基本原则 (10)

（二）可编程控制器系统的设计 (10)

四、总结 (13)

五、参考文献 (14)

一、课程设计的内容与要求

（一）课程设计对象简介

1.压力机是锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、粉末冶金、成形、打包等加工工艺中广泛应用的压力加工机械设备。具有用途广泛，生产效率高等特点，压力机可广泛应用于切断、冲孔、落料、弯曲、铆合和成形等工艺。通过对金属坯件施加强大的压力使金属发生塑性变形和断裂来加工成零件。压力机的类型很多，其中以四柱式液压机最为典型。主机为三梁四柱式结构，上滑块由四柱导向、上液压缸驱动，实现“快速下行→慢速加压→保压延时→快速回程→原位停止”的动作循环。下液压缸布置在工作台中间孔内，驱动下滑块实现“向上顶出→向下退回”或“浮动压边下行→停止→顶出”的动作循环。压力机液压系统以压力控制为主，系统压力高，流量大，功率大，尤其要注意如何提高系统效率和防止产生液压冲击。

（二）压力机结构及工作要求

按用途主要分为金属成型、折弯、拉伸、冲裁、粉末（金属，非金属）成型、压装、挤压等。按结构形式现主要分为：四柱式、单柱式（C型）、卧式、立式框架等。其中以四柱式液压机最为典型，它主要由横梁、导柱、工作台、上滑块和下滑块顶出机构等部件组成，结构原理图如图1-1所示。

图1-1 四柱液压机结构原理图

1-床身2-工作平台3-导柱4-上滑块

5-上缸6-上滑块模具7-下滑块模具

液压机的主要运动是上滑块机构和下滑块顶出机构的运动，上滑块机构由主液压缸(上缸)驱动，顶出机构由辅助液压缸(下缸)驱动。液压机的上滑块机构通过四个导柱导向、主缸驱动，实现上滑块机构“快速下行→慢速加压→保压延时→快速回程→原位停止”的动作循环。下缸布置在工作台中间孔内，驱动下滑快顶出机构实现“向上顶出→向下退回”或“浮动压边下行→停止→顶出”的两种动作循环，如图1-2所示。液压机液压系统以压力控制为主，系统具有高压、大流量、大功率的特点。如何提高系统效率，防止系统产生液压冲击是该系统设计中需要注意的问题。

图 1-2 液压机的工作循环

（三）液压系统工作原理及控制要求

1、3150KN通用液压系统工作原理及特点

图1为3150KN通用液压机的液压系统图。系统有两个泵，主泵1是一个高压、大流量恒功率（压力补偿）变量泵，最高工作压力由溢流阀4的远程调压阀5调压。辅助泵2是一个低压小流量定量泵，用于供应液动阀的控制油，其压力由溢流阀3调整。

该系统采用高压大流量恒功率变量泵供油和利用滑块自重充液的快速运动回路，既符合工艺要求，又节省了能量；采用单向阀13保压及由顺序阀11和带卸载阀芯的充液阀14组成的泄压回路，结构简单，减小了由保压转换为快速回程时的液压冲击。

2、3150KN通用液压机液压系统控制要求如下：

1）系统采用高压大流量恒功率(压力补偿)柱塞变量泵供油，通过电液换向阀6、21的中位机能使主泵1空载起动，在主、辅液压缸原位停止时主泵1卸荷，利用系统工作过程中工作压力的变化来自动调节主泵1的输出流量与上缸的运动状态相适应，这样既符合液压机的工艺要求，又节省能量。

2）系统利用上滑块组件的自重实现主液压缸（上缸）快速下行，并用充液阀14补油，使快速运动回路结构简单，补油充分，且使用的元件少。

3)系统采用带缓冲装置的充液阀14、液动换向阀12和外控顺序阀11组成的泄压回路，结构简单，减小了上缸由保压转换为快速回程时的液压冲击。

4)系统采用单向阀13、14保压，并使系统卸荷的保压回路，在上缸上腔实现保压的同时实现系统卸荷，因此系统节能效率高。

5)系统采用液控单向阀9和内控顺序阀组成的平衡锁紧回路，使上缸组件在任何位置能够停止，且能够长时间保持在锁定的位置上。

（四）课程设计的任务

图二为3150kN通用液压机液压系统图。该系统采用“主、辅泵”供油方式，主液压泵l是一个高压、大流量、恒功率控制的压力反馈变量柱塞泵，远程调压阀5控制高压溢流阀4限定系统最高工作压力，其最高压力可达32MPa；辅助泵2是一个低压小流量定量泵（与主泵为单轴双联结构），其作用是为电液换向阀、液动阀换向和液控单向阀的正确动作提供控制油源，泵2的压力由低压溢流阀3调定。液压机工作的特点是上缸竖直放置，当上滑块组件没有接触到工件时，系统为空载高速运动，当上滑块组件接触到工件后，系统压力急剧升高，且上缸的运动速度迅速降低，直至为零，进行保压。

图2 3150KN通过液压机液压系统图

1—主泵 2—辅助泵 3、4、18—溢流阀 5—远程调压阀 6、21—电液换向阀7—压力继电器 8—电磁换向阀 9—液控单向阀 10、20—背压阀 11—顺序阀12—液控滑阀 13单向阀 14—充液阀 15—油箱 16—上缸 17—下缸19—节流器 22—压力表

二 、电气控制电路设计

（一）继电器-接触器电气控制电路的设计

根据液压机的动作顺序及控制要求，同时又考虑了以下几个方面：

1、电气控制线路与机械配合相当紧密，因此分析中要详细了解机械结构与电气控制的关系，但机械结构相对比较复杂。

2、控制线路中设置了变速冲动控制，从而使变速顺利进行。

3、为了操作方便，采用多地控制，实现两地启、停。

4、具有完善的电气联锁，并具有短路、零压、过载及超行程限位保护环节 根据设计要求我们设计了如图2所示的继电器-接触器电气控制电路图。

（二）继电器-接触器电气控制电路图分析及介绍

注：“＋”表示电磁铁通电；“－”表示电磁铁断电。

动作分析

（1）启动 按启动按扭SB2，KM1得电吸合，常开开关KM1闭合，主泵供油，电磁铁全部处于失电状态，主泵1输出的油经三位四通电液换向阀6中位及阀21中位流回油箱，空载启动。

（2）上缸快速下行 按启动按扭SB3， KA1得电吸合，其控制的常开开关KA1闭合，电磁铁

1Y、5Y先后得电，阀6换至右位，控制油经阀8右位使液控单向阀9打开。

进油路：泵1→换向阀6右位→单向阀13→上缸16上腔。

回油路：上缸16下腔→液控单向阀9→换向阀6右位→换向阀21中位→油箱。

上缸滑块在自重作用下迅速下降，泵1虽处于最大流量状态，仍不能满足其需要，因而上缸上腔形成负压，上部油箱15的油液经液控单向阀14（充液阀）进入上缸上腔。

（3）上缸慢速接近工件。当上缸滑块降至一定位置触动行程开关2S后，SQ2失电断开，电磁铁5Y失电，阀8处于原位，液控单向阀9关闭。上缸下空油液经背压阀10、阀6右位、阀21中位回油箱。这时，上缸上腔压力升高，充液阀14关闭。上缸在泵1供给的压力油作用下慢速接近工件。当上缸滑块接触工件后，阻力急剧增加，上腔压力进一步提高，泵1的输出流量自动减小。

（4）保压。当上缸上腔压力达到预定值时，压力继电器

KP吸合，常闭开关KP断开，使电磁铁1Y失电，阀6回中位，

上缸的上、下腔封闭，单向阀13和充液阀14使上缸上腔保

压，保压时间由时间继电器KM2调整。保压期间，泵1经阀

6、阀21的中位卸载。

（5）泄压，上缸回程。保压过程结束，时间继电器KM2

发出信号，其控制的常开开关KM2闭合，接触器KA2得电吸

合，电磁铁2Y得电，阀6换至左位，同时开关KA2闭合，

形成自锁。由于上缸上腔压力很高，液动滑阀12处于上位，

压力油经阀6左位及阀12上位使外控顺序阀11开启。此时泵1输出油液经顺序阀11回油箱。泵1在低压下工作，此压力不足以打开充液阀14的主阀芯，而是先打开阀14中的卸载芯，使上缸上腔油液经此卸载阀芯开口泄回上部油箱15，压力逐渐降低。

当上缸上腔压力泄至一定值后，液动滑阀12回到下位，外控顺序阀11关闭，

泵1供油压力升高，阀14完全打开，此时油液流动情况为

进油路：泵1→换向阀6左位→液控单向阀9→上缸下腔。

回油路：上缸上腔→充液阀14→上部油箱15。实现主缸快

速回程。

（6）上缸原位停止。当上缸滑块上长至触动行程开关1S，SQ1触点失电断开，电磁铁2Y失电，阀6处于中位，液控单向阀9将主缸下腔封闭，上缸原位停止不动。泵1输出油经阀6、阀21中位回油箱，泵卸载。

（7）下液压缸顶出及退回按下开关SB5,接触器KA3得电，电磁铁3Y得电，换向阀21换至左位

进油路：泵1→换向阀6中位→换向阀21左位→下缸17下腔。

回油路：下缸17上腔→换向阀21左位→油箱。下液压缸活塞上升，顶出。

电磁铁3Y失电，4Y得电，换向阀21换至右位，下液压缸活塞下行，退回。

（8）浮动压边作薄板拉伸压边时，要求下缸活塞上升到一定位置后，既保持一定压力，又能随上缸滑块的下压而下降。这时，换向阀21处于中位，上缸滑块下压时下缸活塞被迫随之下行，下缸下腔油液经节流器19和背压阀20流回油箱，使下缸下腔保持所需的压边压力。调节背压阀20即可改变浮动压边力。下缸上腔则经阀21中位从油箱补油。溢流阀18为下缸下腔安全阀。

系统性能分析

由上可知，该机液压系统主要由压力控制回路、换向回路、快慢速转换回路和平衡锁紧回路等组成。其主要性能特点是：

1）系统采用高压大流量恒功率(压力补偿)柱塞变量泵供油，通过电液换向阀6、21的中位机能使主泵1空载起动，在主、辅液压缸原位停止时主泵1卸荷，利用系统工作过程中工作压力的变化来自动调节主泵1的输出流量与上缸的运动状态相适应，这样既符合液压机的工艺要求，又节省能量。

2）系统利用上滑块组件的自重实现主液压缸（上缸）快速下行，并用充液阀14补油，使快速运动回路结构简单，补油充分，且使用的元件少。

3)系统采用带缓冲装置的充液阀14、液动换向阀12和外控顺序阀11组成的泄压回路，结构简单，减小了上缸由保压转换为快速回程时的液压冲击。

4)系统采用单向阀13、14保压，并使系统卸荷的保压回路，在上缸上腔实现保压的同时实现系统卸荷，因此系统节能效率高。

5)系统采用液控单向阀9和内控顺序阀组成的平衡锁紧回路，使上缸组件在任何位置能够停止，且能够长时间保持在锁定的位置上。

（三）选择电气元件

对于电气元件的选择，我们应注意以下几点：

（1）根据对控制元件功能的要求，确定电气元件功能的要求，确定电气元件类型。如继电器与接触器，当元件用于通，断功率较大的主电路时，应选择交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控制电路）时，则应选择中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。

（2）根据电气控制的电压，电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载能力及使用寿命。

（3）掌握元器件预期的工作环境及供应情况，如防油，防尘，货源等

（4）为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的技术和校核。根据以上步骤及参考资料的查找，制定了本课程设计中继电器元件表（见表4）。

三、压力机的可编程控制器系统的设计

（一）可编程控制器控制系统设计的基本原则

在设计可编程控制器系统时，应遵循以下基本原则。

1）最大限速地满足控制要求

充分发挥可编程控制器功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

2）保证系统安全可靠

保证可编程控制器控制系统能够长期安全，可靠，稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

3）力求简单，经济，使用与维修方便

在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断扩大工程的效益，另一方面也要注意不断降低工程的成本，不宜盲目追求自动化和高指标。

4）适应发展的需要

适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

（二）可编程控制器系统的设计

1）可编程控制器选型

本系统有输入信号九个，输出信号有七个，均为开关量。根据输入输出的点数、类型及控制要求，同时考虑到维护、改造和经济性等诸多因素，可以选择FX2N-32MR，这样共有16个输入点、16个输出点，可以满足控制要求。

2）I/O地址分配

根据系统要完成的动作，考虑在下液压缸顶出和退回时可能需要点动操作方式，方便调节压边时间以保证工件加工的要求。设定输入/输出控制信号，其I/O 地址分配如下表3-1

3）可编程控制器的输入、输出接线图如图所示

4）梯形图

根据电气控制图，我们画出来了其梯形图如图所示

四、总结

机床电气控制技术课程设计是对机床电气控制学习的一次小结和深入学习，也是对所学相关知识的一次综合应用。对提高我们综合运用基础知识的能力、理论联系实际的能力都有很大帮助。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会、从事职业工作前的一个必不可少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次的课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真地进行课程设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为明天能够稳健地在社会的大潮中奔跑打下坚实的基础。

这次的课程设计主要是设计液压机的电气控制原理和PLC控制原理，因为之前学过液压机的工作原理，所以在理解方面没有什么疑问，在做控制设计这部分时同组的同学做了深入的讨论，通过在网上和图书馆查资料，和同学讨论以及老师的帮助下，较好的完成了液压机的继电器控制和PLC原理控制的设计，基本达到了预定的设计要求。在此次设计过程中我学到许多的知识，对继电器控制原理和PLC控制原理有更深层次的了解，尤其是继电器部分，能较熟练的选择各电气元件型号，分析电路图，在PLC部分，对编程有简单的了解，会画简单的梯形图，较熟练的写出其相应的指令语句。从资料搜集、阅读相关文献到设计任务的完成，脱离不了集体的力量。遇到问题和同学互相讨论交流，多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计更加完善合理。小组共同设计给我们提供了团体协作的途径，让我们更能有利于进行思考和设计，一个人的力量是有限的，但是团体的力量是无穷的，在设计过程中要进行换位思考，综合大家的力量进行初步的理论设计，然后要独立的完成自己的设计思路。在学习理论知识的同时也要参加实践活动，同时，分组设计也有利于我们同学之间的团体协作。把课本上的知识运动到社会实践当中去，也是我们学习专业理论知识的最终目的。

在本次课程设计中，我独立完成了自己的设计任务，通过这次设计，弄懂了一些以前书本中难以理解的内容，加深了对以前所学知识的巩固。在设计中，通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和设计技能等方面都得到了一次良好的训练。

五、参考文献

[1] 郑凤翼，郑丹丹，赵春江.主编.图解PLC控制系统梯形图和语句表..北京：人民邮电出版社,2006.

[2] .孙余凯,吴鸣山等编著.学看实用电气控制线路图.北京：电子工业出版社，2006.

[3] 李伟主编.机床电器与PLC.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[4] 张万奎主编.机床电气控制技术.北京：中国林业出版社.北京大学出版社，2006.

[5] 芮静康 .实用机床电路图集.北京：中国水利水电出版社.2006.