剪切机的液压系统设计(一二章完结).doc

阎欣/于彦/贺鹏/司永龙 合作之 课程设计
第一章 剪切机的液压系统设计 2
1.1 剪切机的概述 2
1.1.1 剪切机介绍 2
1.1.2 剪切机的结构和原理 2
1.2 剪切机的工作过程 2
第二章 剪切机的PLC的程序设计 3
2.1 PLC的特点及应用 3
2.1.1 PLC的概述 3
2.1.2 PLC的特点 3
2.2 PLC的选择 4
2.3 PLC的系统设计 5
2.3.1 PLC的硬件设计 5
2.3.2 PLC的软件设计 6
2.3.3剪切机液压系统工作原理说明 7
第三章 液压系统的相关注意事项 10
第四章 液压缸和油箱的设计描述 10
4.1 液压缸的描述 10
4.2 油箱的描述 11
参考文献 12

第一章 剪切机的液压系统设计

1.1 剪切机的概述
1.1.1 剪切机介绍
剪切机是机床的一种，它采用液压驱动，安全性能可靠，操作方便。剪切机工作刀口长度：400mm、600mm、700mm、800mm、1000mm、1200mm；剪切力从63吨至400吨八个等级，适合不同规模不同要求用户。安装不须底脚螺丝，无电源的地方可用柴油机作动力。剪切机适用于金属回收加工厂、报废汽车拆解场、冶炼铸造行业，对各种形状的型钢及各种金属材料进行冷态剪断、压制翻边，以及粉末状制品、塑料、玻璃钢、绝缘材料、橡胶的压制成型。
1.1.2 剪切机的结构和原理
本文设计的剪切机是采用液压传动原理，传送带送料、压块定位夹紧、剪刀下落，通过主副油缸活塞协调往复运输完成压块夹紧和剪刀下落回程的新型设备。该机具有结构合理、噪音小、性能稳定、剪切准确、操作简便、速度可调、效率较高等特点，是一种适应于各种形状钢剪切的先进设备。剪切机由5个主要部分组成，即传送机构、油缸、液压站和电气控制系统。由液压站供给的压力油传动主副油缸活塞作协调往复运动，完成压块和剪刀的往返动作。
1.2 剪切机的工作过程
剪切机是由送料装置和剪切装置组成，主要工作过程是靠液压油带动液压马达转动再通过轴带动传送带传送来完成送料的。当料块到位后后，电磁换向阀2YA通电，液压油从无杆腔进入，压块开始下压，压住料块。当达到一定压力后，触发压力继电器，导致3YA通电，液压油进入另一个液压缸的无杆腔，剪刀开始下落，剪切料块。剪切料块后，4YA、5YA通电，同时3YA断电，此时从无杆腔回油到油箱，剪刀快速回程。当剪刀回程到一定位置后，2YA失电，液压油从无杆腔回油到油箱，压块回程，如此反复。
工作过程：
送料-压块下降-剪刀下落-剪刀回程-压块下降。
剪切机的液压系统运行过程中平稳安静，重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快，很容易实现机器的自动化等优点。

第二章 剪切机的PLC的程序设计

2.1 PLC的特点及应用
2.1.1 PLC的概述
PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC的应用领域目前不断扩大，并延伸到过程控制、批处理、运动和传动控制、无线电遥控以至实现全厂的综合自动化。PLC的技术发展除了小型化、超高速，大容量存储器，多CPU，多任务并行运行外，PLC的开放性更大，通信联网能力更强，集成化软件更优。
可编程序控制器硬件由六部分构成:
    中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。
    电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。
    输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。
    输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。
    输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。
    编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。
2.1.2 PLC的特点
（1）.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。
（2）.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。
（3）.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。
（4）.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。
（5）PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2 PLC的选择
世界上PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品，一个流派是欧洲产品，一个流派是日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。
美国是PLC生产大国, 著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。
德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。
日本的小型PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。
在本次设计的系统中，结合任务要求和工作原理，鉴于PLC的特点，我们选择了日本三菱公司的FX2N系列。
日本三菱PLC的主要特点：
1、集成型高性能。CPU、电源、输入输出三为一体。对6种基本单元，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。
2、高速运算。基本指令：0.08μs/指令，应用指令:1.52～数100μs/指令。
3、安心、宽裕的存储器规格。内置8000步RAM存贮器，安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
4、丰富的软元件范围。辅助继电器：3072点，定时器：256点，计数：235点，数据寄存器；8000点
5、除了具有输入输出16～256点的一般速途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制。
6、面向海外的产品适合各种安全规格。为大量实际应用而开发的特殊功能：开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的----模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
2.3 PLC的系统设计
2.3.1 PLC的硬件设计

因为剪切机液压系统图中需要启动按钮，紧急停止按钮按钮及6个行程开关和1个压力继电器、5个电磁阀，再加上一个启动油泵的接触器总计输入输出继电器点数不超过32点，满足三菱PLC FX2N—32MR，（32点）。 所以初步确定PLC所选的型号为FX2N系列：FX2N—32MR。
FX2N—32MR的技术性能：
1、PLC所用电源的电压为AC100—250V 50/60 Hz 交流电源。
2、输入输出控制方式为批处理方式（在执行END指令时），但有输入输出刷新指令
3、程序语言为继电器符号+步进梯形图方式。
4、输入继电器编号为X000到X015共计16点
5、输出继电器编号为Y000到Y015共计16点
6、环境温度：使用时：0~55℃，储存时：-20~+70℃
7、环境湿度：35%~89%RH（不结露）使用时
8、耐压：AC1500V 1min
9、接地：第三种接地，不能接地时，亦可浮空。
10、使用环境：无腐蚀性气体，无尘埃。
根据剪切机的工作原理，编制出了FX2N—32MR硬件端子接线图如图2-1所示：

图2-1 PLC端子接线图

图中SB1按钮X000为油泵的启动按钮，X010和X011为工序启动按钮SB2和停止按钮SB3，SB4-X012是复位按钮,SQ1—SQ5（X001—X005）是行程开关；KP1-X006为压力继电器。
1YA是控制板料右行的的电磁阀的左位。2YA是控制压嵌下降压紧的电磁阀.4YA和3YA是控制剪刀上、下行的电磁阀的右位和左位，5YA是控制滑剪刀慢速下行、快速回程的电磁阀。KM1是启动油泵的接触器。FR是过热保护。
具体工作过程为：正常情况下,先按下按钮SB1启动油泵，此时剪切机时空载运行，当按下SB2后剪切机开始工作，即实现送料马达带动传送带送料,板料达到指定位置后压嵌下降至夹紧压力并保压。之后剪刀慢速下降，剪断板料。板料剪断后剪刀与压嵌一同抬起，并且剪刀为快速抬起回程。待剪刀与压嵌全部回程到位后，开始下一轮重复剪裁。按钮SB3为紧急制动按钮，即在任何时候按下它之后，剪切机都会立刻停止工作。
：
2.3.2 PLC的软件设计
根据PLC硬件图及动作过程设计梯形图如图2-2所示
图2-2 PLC梯形图
具体梯形图请参见梯形图PDF

2.3.3剪切机液压系统工作原理说明
结合梯形图来说明剪切机的自动控制工作原理：X000是油泵启动按钮SB1的输入继电器，当按下SB1时，这个时候内部辅助继电器M10得电并自锁，从而使输出继电器Y000得电，Y000驱动油泵的接触器，这样油泵就开始工作供油。其中，先启动油泵是为了让油泵首先拥有良好的工作状态，这样在接通的油路中使油泵可以马上投入到正常的工作状态。
当上电之后M8002会给出一个脉冲，使PLC进入S0初始状态。此时按下工序启动按钮SB2时，使得输入继电器X010得电，M10得电。M10得电后进入S20状态。进入S20状态后输出继电器Y001接通，Y001驱动的是电磁阀1YA。电磁阀1YA接入油路二位二通油路接通，单向定量马达开始运转，带动传送带，传送带推动板料右行。
当板料前端运行至限位开关SQ1时，开关闭合，S20状态结束，程序进入S21状态。
进入S21状态后，输出继电器Y002接通，Y002驱动二位二通电磁阀左位2YA接入油路，液压缸1推动压嵌下降并压紧钢板直至压力继电器到达设定压力接通。压力继电器接通后，S21状态结束，进入S22状态。
进入S22状态后，Y002继续接通，驱动液压缸1继续运转保持夹紧压力。然后，输出继电器Y003接通，Y003驱动的是三位四通电磁换向阀的左位3YA，3YA接通后，液压缸2接入油路，液压缸2带动剪刀下降，因为液压缸2的出油回路设有节流阀，并且节流阀默认接入回路，故剪刀可以以一个设定好的较慢的工进速度下降并剪断板材。
剪断板材后，剪刀继续下降直至限位开关SQ3， SQ3接通，SQ3连接的是输入继电器X003，故M3接通，S22状态结束。程序此时进入双状态S23与S25。
进入S23状态后，输出继电器Y002掉电，Y002掉电后，其驱动的二位二通电磁换向阀2YA归位，归位后液压缸1换向运动，压嵌上升，直至限位开关SQ6触发。SQ6出发后S23状态结束，S24状态激活。
进入S25状态后，输出继电器Y004与Y005接通，Y004驱动4YA使液压缸2换向运动带动剪刀上行，Y005驱动5YA，5YA接通后使两位两通电液换向阀接入油路，此时节流阀失效，流量增大，意在使剪刀快速上升，缩短工作周期。直至剪刀上限位开关SQ2接通。SQ2触发后，S25状态结束，S26状态激活。
此处要说明，同时出发S23与S25状态是为了节省工作时间，使压嵌和剪刀快速归位，缩短工作周期。
最后，当S24与S26状态同时被激活后，程序进入S27状态。S27状态用于二次开发计数剪板功能，在本版本中，程序将直接返回S0状态重新开始新一轮工序。

需要说明的是整个油路的供油时候都加入了油泵的正常工作的判断，如果驱动油泵的辅助继电器M0，那么程序中自动切断所有的执行过程。其中紧急制动按钮SB3就是通过在按下SB3按钮使辅助继电器M11得电，起动断触点就打开，从而使油泵的辅助继电器M10中断，这也就中断了整个加工过程。
另外，在紧急停止后，如需再次启动需要按下SB3按钮，SB3按钮驱使X012接通，故M12接通，辅助触点M12接通后将接通油泵Y000、剪刀上行Y004和Y005进行系统复位，复位直到压嵌和剪刀的上限位开关后，其各自动断开关断开，保证系统不再运动。还需说明的是，M12不会自锁，所以复位时用户需要一直按住复位按钮。这也是为了系统的安全着想。

具体的PLC程序语句如下：

01 LD X101 43 STL S25
02 LD M10 44 OUT Y004
03 AN M11 45 LD X002
04 OR LD 47 LD X004
05 OUT M10 48 OUT M11
06 LD X011 49 STL S24
07 OUT M11 50 STL S26
08 LD M10 51 SET S27
09 OUT Y000 52 STL S27
10 LD X012 53 SET S0
11 OUT M12 54 END
12 LD M12
13 OUT Y000
14 AN X002
15 OUT Y004
16 OUT Y005
17 LD M8002
18 SET S0
19 STL S0
20 LD X010
21 SET S20
22 STL S20
23 OUT Y001
24 LD X001
25 SET S21
26 STL S21
27 OUT Y002
28 LD X006
29 SET S22
30 STL S22
31 OUT Y002
32 OUT Y003
33 OUT Y005
34 LD X003
35 OUT SET S23
36 OUT SET S25
37 LD X005
38 OUT M11
39 STL S23
40 OUT Y000
41 LD X007
42 SET S

第三章 液压系统的相关注意事项

3.1液压系统中安装油管、液压元件、的注意事项
3.1.1在液压系统中安装油管的注意事项：
　 1、吸油管不应漏气，各接头要紧牢和密封好；
　 2、吸油管道上应设置过滤器；
　 3、回油管应插入油箱的油面以下，防止飞溅泡沫和混入空气；
　 4、电磁换向阀内的泄漏油液，必须单独设回油管，以防止泄漏回油时产生背压，避免阻碍阀芯运动；
3.1.2液压系统中安装液压元件时的注意事项：
　 1、液压元件安装前，要用煤油清洗，自制的重要元件应进行密封和耐压试验，试验压力可取工作压力的2倍，或取最高使用压力的1.5倍。试验时要分级进行，不要一下子升到试验压力，每升一级检查一次；
　 2、方向控制阀应保证轴线呈水平位置安装；
　 3、板式元件安装时，要检查进出油口处的密封圈是否合乎要求，安装前密封圈应突出安装平面，保证安装后有一定的压缩量，以防泄漏；
4、板式元件安装时，固定螺钉的拧紧力要均匀，使元件的安装平面与元件底板平面能很好地接触；

第四章 液压缸和油箱的设计描述

4.1 液压缸的描述
液压缸的设计依据：
1、用途工件条件。
2、机构的结构特点、负载情况、速度要求、行程大小和动作要求。
3、系统所选定的工作压力。
4、、配件和加工工艺的现状。
5、国家标准和技术规范等。
设计时应注意的几个问题：
1、在保证设计要求的前提下，尽量使结构简单、紧凑、尺寸小，采用标准形式和标准件，使设计、制造容易，装配、调整、维护方便。
2、应尽量使活塞杆在多拉状态下承受最大负载，在多压状态下具有良好的纵向稳定性。
3、在确定与设备的固定形式时，必须考虑缸体受热后的伸长问题，为此，缸体只应在一端固定，而让另一端能自由伸缩。
本次设计采用的是双作用单杆式液压缸，双作用单杆活塞式液压缸 , 是液压系统中作往复运动的执行机构。具有结构简单，工作可靠，装拆方便，易于维修，且连接方式多样等特点。
4.2 油箱的描述
油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。
油箱的设计要点：
1、油箱必须有足够大的容积。一方面尽可能地满足散热的要求，另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质；而工作时又能保持适当的液位。
     2、吸油管及回油管应插入最低液面以下，以防止吸空和回油飞溅产生气泡。管口与箱底、箱壁距离一般不小于管径的3倍。吸油管可安装100μm左右的网式或线隙式过滤器，安装位置要便于装卸和清洗过滤器。回油管口要斜切45°角并面向箱壁，以防止回油冲击油箱底部的沉积物，同时也有利于散热。
     3、吸油管和回油管之间的距离要尽可能地远些，之间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。隔板高度为液面高度的2/3～3/4。
4、为了保持油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。为便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀。对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔，以便于油箱内部的清理。

参考文献

[1] ISBN 7-5019-5154-3/TH·064 王晓方.液压与气动技术.中国轻工业出版社.2006：P226～P262.
[2] 15033·5470 液压气压手册.日本液压气动协会.《液压气动手册》翻译组.机械工业出版社,1981：P258～P281.
[3] ISBN 7-5640-0760-5 胡海军、陈爱民.气压与液压传动.北京理工出版社.2006：P118～P136.
[4] ISBN 7-5608-3169-9 陆敏恂、李万莉.流体力学与液压传动.同济大学出版社.2006：P56～P78.
[5] ISBN 7-5045-4922-3 陈立群.液压与气动技术.中国劳动社会保障出版社.2005：P102～P144.
[6] 15033·4727 罗志骏.液压气动设计计算图表.机械工业出版社.1978：P206～P233.

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