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摘 要
本論文針對目前市場上大部分類型轉(zhuǎn)塔車床的現(xiàn)狀、發(fā)展的動態(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，運用到了液壓元件的基本理論，對其主要關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)箱進行了原理分析和優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計本轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)的實際需要，對車床液壓系統(tǒng)開展研究，并且對液壓系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)元件和液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。介紹了一種在三爪卡盤上加裝擺動式液壓缸和平面螺旋機構(gòu)的螺旋擺動式液壓缸增力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。以及主要的設(shè)計步驟和參數(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
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)計步驟 3
2.2技術(shù)參數(shù)的確定 3
2.3主傳動系統(tǒng)方案的確定 6
2.4液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.5擬定液壓傳動系統(tǒng)圖 8
第三章 液壓缸的設(shè)計 10
3.1液壓缸的分類 10
3.1.1 液壓缸的設(shè)計和計算 10
3.2 缸體 11
3.3 工作狀況分析 11
3.4 液壓缸的計算 19
3.5 液壓泵的計算 20
3.6液壓閥參數(shù)的選擇 25
3.7輔助元件的選擇和計算 25
第四章 PLC控制 27
4.1梯形圖程序設(shè)計 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 32
第五章 結(jié)論 33
致 謝 35
沈陽化工大學科亞學院學士學位 附表
第一章 概論
1.1 液壓技術(shù)的歷史發(fā)展
液壓技術(shù)相對于機械傳動來說是一個比較新的技術(shù)，可是從1650年巴斯卡提出靜壓傳遞遠離，1795年英國的約瑟夫·布拉默利用這一原理在英國制成了世界上第一臺水壓機，使液壓技術(shù)開始進入工程領(lǐng)域算起，已有兩三百年的歷史了。到了20世紀30年代才普遍地用于機械、機床及工程領(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、功率大的液壓傳動系統(tǒng)和伺服機構(gòu)，用來裝備各種飛機、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一步的發(fā)展，同時出現(xiàn)了伺服閥。這里意義重要的是美國馬塞諸塞州理工學院的布萊克本、李等人對于高壓場合的液壓問題以及伺服控制問題進行了深入的研究，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要求方面都取得了重大進展，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 國內(nèi)數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展前景
5
沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)設(shè)計
題 目： 轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)設(shè)計與PLC控制設(shè)計
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機制1204
學生姓名： 解磊壘
指導教師： 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（論文）任務(wù)書
機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)
機制1204班
學生：解磊壘
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：
轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)設(shè)計與PLC控制
畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容：
主要設(shè)計內(nèi)容包括液壓原理圖設(shè)計，工況參數(shù)計算，液壓元件選擇，液壓缸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，PLC選型，控制方案選擇，PLC硬件電路設(shè)計，PLC梯形圖設(shè)計與仿真等。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退速度4m/min，工進速度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，快速進退3~3.5m/min，工進速度8~500mm/min。
畢業(yè)設(shè)計（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。
（4）液元件選擇，性能驗算，動態(tài)性能仿真。
（5）控制方案選擇，PLC選型，PLC硬件電路設(shè)計。
（6）梯形圖設(shè)計與仿真，有條件時在液壓實驗臺上驗證。
起止時間：2016.2.29~2016.6.17
指導教師： 王志成 簽字 2015年12月4日
摘 要
本論文針對目前市場上大部分類型轉(zhuǎn)塔車床的現(xiàn)狀、發(fā)展的動態(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，運用到了液壓元件的基本理論，對其主要關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)箱進行了原理分析和優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計本轉(zhuǎn)塔車床液壓系統(tǒng)的實際需要，對車床液壓系統(tǒng)開展研究，并且對液壓系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)元件和液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。介紹了一種在三爪卡盤上加裝擺動式液壓缸和平面螺旋機構(gòu)的螺旋擺動式液壓缸增力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。以及主要的設(shè)計步驟和參數(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
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)計步驟 3
2.2技術(shù)參數(shù)的確定 3
2.3主傳動系統(tǒng)方案的確定 6
2.4液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.5擬定液壓傳動系統(tǒng)圖 8
第三章 液壓缸的設(shè)計 10
3.1液壓缸的分類 10
3.1.1 液壓缸的設(shè)計和計算 10
3.2 缸體 11
3.3 工作狀況分析 11
3.4 液壓缸的計算 19
3.5 液壓泵的計算 20
3.6液壓閥參數(shù)的選擇 25
3.7輔助元件的選擇和計算 25
第四章 PLC控制 27
4.1梯形圖程序設(shè)計 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 32
第五章 結(jié)論 33
致 謝 35
沈陽化工大學科亞學院學士學位 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)相對于機械傳動來說是一個比較新的技術(shù)，可是從1650年巴斯卡提出靜壓傳遞遠離，1795年英國的約瑟夫·布拉默利用這一原理在英國制成了世界上第一臺水壓機，使液壓技術(shù)開始進入工程領(lǐng)域算起，已有兩三百年的歷史了。到了20世紀30年代才普遍地用于機械、機床及工程領(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、功率大的液壓傳動系統(tǒng)和伺服機構(gòu)，用來裝備各種飛機、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一步的發(fā)展，同時出現(xiàn)了伺服閥。這里意義重要的是美國馬塞諸塞州理工學院的布萊克本、李等人對于高壓場合的液壓問題以及伺服控制問題進行了深入的研究，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要求方面都取得了重大進展，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 國內(nèi)數(shù)控車床的現(xiàn)狀和發(fā)展前景
最近幾年來，我國數(shù)控車床生產(chǎn)一直保持速度較快的增長。直到2002年產(chǎn)量居世界第四。但是我們與發(fā)達國家相比，我們國家的機械車床數(shù)控化率暫時還不是很高，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)達國家大多在70％ 左右。國產(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)濟型數(shù)控車床。最高轉(zhuǎn)速一般在2000r／min，個別轉(zhuǎn)速達8000r／min， 坐標定位精度一般在0．01mm，重復定位精度在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。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF可靠性大都超過1萬小時，但國際上先進企業(yè)數(shù)控系統(tǒng)MTBF已達8萬小時。國產(chǎn)數(shù)控車床、加工中心MTBF有少數(shù)廠達500h，但國際先進水平已達800h。用戶對國產(chǎn)加工中心刀庫機械手、數(shù)控車床刀架仍不放心，其定位精度、特別是重復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)達國家產(chǎn)品有差距。
目前， 我國的功能部件生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，布局分散，有些還依附于主機廠或研究所。從整體上看，我國功能部件生產(chǎn)發(fā)展緩慢，品種少，產(chǎn)業(yè)化程度低，從精度指標和性能指標都還不過硬。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)控車床水平的高級數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電液壓系統(tǒng)、高速滾動功能部件和數(shù)控動力刀架等還依賴進口。理順功能部件生產(chǎn)企業(yè)的體制，做大做強一批功能部件生產(chǎn)企業(yè)已迫在眉睫。
1.3研究的對象和研究的方法
本課題研究對象是數(shù)控車床，本著高效節(jié)能、機電一體化、計算機輔助設(shè)計及計算機控制、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，對其進行受力分析和優(yōu)化設(shè)計，是設(shè)計一個高效、節(jié)能車床的前提。
33
沈陽化工大學科亞學院學士學位 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)計步驟
液壓系統(tǒng)包括主泵動力站、和安裝在主泵站上的控制件、附件等。因為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行裝置帶動工件或刀具直接參加工件表面形成運動，所以它的工件性能對加工質(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,能進行外圓, 內(nèi)孔, 外端面,內(nèi)端面, 錐面, 倒角, 切槽, 切斷, 鉆孔, 擴孔, 鉸孔及成形表面等粗, 半精和精加工.它的加工精度為2級,車削光潔度▽6.要求機床運動平穩(wěn),能無級調(diào)速,自動化程度,效率高,系統(tǒng)發(fā)熱少.機床的主要參數(shù)如表14-8所示,他能完成表14-9中的所有工作循環(huán).
為了高效率自動地完成上述任務(wù),機床采用機,電,液聯(lián)合控制.主軸運動采用雙速電機和液壓離合器,能變換四種轉(zhuǎn)速. 工件的加緊, 主軸制動, 前后刀架及轉(zhuǎn)塔均采取液壓傳動.
表14-8 機床主要參數(shù)
項 目
主要技術(shù)參數(shù)
加工最大棒料直徑
40mm
直達加工直徑
200mm
前 刀 架
(水平)
橫向最大行程
縱向最大行程
快速進退速度
橫向
工進速度 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
快速進退
工進速度
350mm
0.25mm
3~3.5m/’min
8~500mm/min
主運動
主軸轉(zhuǎn)速范圍
主電動機功率
40~1100r/min(12級)
5~6.5Kw n=400r/min
n=800r/min
表14-9 機床的工作循環(huán)
切
外
圓
工 進
讓
刀 快 退
縱 工 進 縱快進
橫 橫
快 快
退 縱 快 退 進
鉆擴餃孔
工 進 快進
快 退
鏜
孔
快 退
讓
刀 工 進 快 進
縱 快 退
橫 橫
快 快
退 縱工進 縱快進 退
切斷面
縱橫快退
橫工進
橫快進
縱快進
切內(nèi)端面
橫 縱 快 進
工 橫
進 橫 快
合成快退 快 進
退
加工成形表面
縱向快退
退 進
刀 刀
仿形進給
切槽
橫
橫工進 快
橫快進 進
橫
橫 快
工 退 縱 快 退
進
縱 快 進
切內(nèi)溝造
縱 快 進
橫 橫 工 橫 縱 快 退 快
進 快 快
退 退
圖14-2 前刀架液壓原理圖
2.3主傳動系統(tǒng)方案的確定
主傳動變速方式可分為無極變級和有級變速兩種，本車床采用無極變速的變速方式。
無級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?？蛇x用最合適的切削速度，沒有速度損失，生產(chǎn)率高；一般可在運轉(zhuǎn)中變速，減少輔助時間；操縱方便；傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。這次設(shè)計采用了交流調(diào)速電動機，交流調(diào)速電動機通常采用變頻調(diào)速方式進行調(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
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)動進行切削加工、傳遞運動、動力及承受切削力等，并保證刀具或工件具有準確定的運動軌跡。液壓系統(tǒng)組件是車床的執(zhí)行件，他它帶動工件或刀具直接參與表面成形運動，其工作性能對車床的加工質(zhì)量及生產(chǎn)率有直接影響，它是車床的一個重要組件。
根據(jù)車床主參數(shù)、尺寸參數(shù)、運動參數(shù)、動力參數(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擬定液壓傳動系統(tǒng)圖
圖2-1 液壓傳動系統(tǒng)框圖
機床的液壓系統(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)過單向閥進入個子系統(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，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，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相同。
卡盤處于反卡（卡爪向外夾緊工件內(nèi)孔）時，動作與正卡相反，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，首先是將刀架抬升松開，然后刀架轉(zhuǎn)位到指定的位置，最后刀架下拉復位夾緊。
當4YA通電時，換向閥6右位工作，刀架抬升松開；8YA通電，液壓馬達正轉(zhuǎn)帶動刀架換刀，轉(zhuǎn)速由單向調(diào)速閥11控制（若7YA通電，則液壓馬達帶動刀架反轉(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) 尾座套筒的伸縮運動 當6YA通電時，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。
沈陽化工大學科亞學院學士學位 第三章 液壓缸的設(shè)計
第三章 液壓缸的設(shè)計
3.1液壓缸的分類
液壓缸有多種分類形式。按結(jié)構(gòu)特點它可分為活塞式、柱塞式和擺動式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）做單方向運動，即壓力油只通向液壓缸的一腔，而反方向運動則必須依靠外力來實現(xiàn)；雙作用式液壓缸，在兩個方向上的運動都由壓力油推動來實現(xiàn)。所以此次選用雙作用式液壓缸。
3.1.1 液壓缸的設(shè)計和計算
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，同時它還是活塞的運動軌道。設(shè)計液壓缸缸筒時，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、運動速度和有效行程，同時還必須有一定的強度，能足以承受液壓力、負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、運動平穩(wěn)性和耐用性。
（1）液壓缸內(nèi)徑的計算