二自由度平臺-液壓與PLC控制

1、課程設計說明書目 錄一. 設計課題21.1 設計目的21.2 設計要求21.3設計方案2二. 擬定液壓系統(tǒng)2三機械部分設計33.1 運動平臺設計33.2 液壓缸的設計計算43.3 液壓元件選取63.4 液壓系統(tǒng)的性能驗算7四. 電氣部分設計94.1 控制系統(tǒng)基本組成94.2 擬定工作流程94.3 轉換公式的推導104.4 PLC梯形圖14總結18參考文獻19一. 設計課題二. 擬定液壓系統(tǒng) 圖1 運動平臺液壓控制回路1.供油方式 由于工作臺運動要求加速度較大，所以最大速度較大，流量也大，所以用兩個泵分別供兩個回路，因為是低壓大流量場合，且經過綜合考慮，選擇齒輪泵。2.壓力控制回路 由負載和慣性

2、力可知工作壓力較小，所以采用普通直動試溢流閥控制回路壓力，同時也起安全保護作用。3.調速回路 利用電液伺服閥實現調速。通過改變輸入電流大小，可成比例調節(jié)電磁力矩，改變主閥開口大小實現調速。4.安全保護 在液壓缸兩端分別設置機動換向閥，起限位保護作用，當工作臺運動到極限位置時，換向閥右位工作，停止對液壓缸供油。三機械部分設計3.1 運動平臺設計 圖1 運動平臺示意圖1.運動平臺為十字型，材料為高強鑄鐵HT200，工作臺密度6.6-7.4g/cm3，由液壓缸帶動平臺工作，活塞桿固定。2.運動平臺大小設計根據題目要求知運動平臺在兩個自由度運動的行程為500mm，所以初選缸筒長度為520mm。由于雙桿

3、式活塞缸缸體與工作臺相連時，工作臺運動范圍是液壓缸有效行程的2倍，即1040mm，所以工作臺設計如下：下拖板：長*寬*高=1100*500*40（單位：mm） W1=1100mm*500mm*40mm*7g/cm3*g=1540N上拖板：長*寬*高=500*400*40（單位：mm） W2=500mm*400*40*7g/cm3*g=560N3.導軌和滑塊的選擇表1 導軌滑塊參數表型號：EGH15SA滑塊質量：0.09kg導軌質量：1.25kg/m基本額定動載荷：5.35kn 基本額定靜載荷：9.40kn動摩擦因數：u=0.05 靜摩擦因數：u=0.083.2 液壓缸的設計計算1.下拖板液壓缸

4、計算: (1)負載分析F=Ff+Fm （3-1） FN = （3-2）=1540N+560N+2*350N+8*0.9N+12.5*0.5N+1000N=3813.5N動摩擦負載 N=190.7N靜摩擦負載因為兩個自由度方向的最大加速度1g所以 4004.2N表2 液壓缸各階段負載（）工況計算公式總負載F/N缸推力F/N啟動F=Ff2305.08335.3加速4004.24400.2制動-3622.8-3981.1（2）液壓缸主要參數的確定1.根據分析工作臺負載不大，所以初選液壓缸工作壓力為1.6Mp2.計算液壓缸尺寸 （3-3） （3-4）按標準取：D=63mm估算活塞桿直徑：d=0.4D=

5、25.2mm按標準?。篸=25mm則液壓缸的有效作用面積為： （3-5）（3）活塞桿穩(wěn)定性校核因為活塞桿總行程為500mm，而活塞桿直徑為25mm，l/d=500/25=20>15，所以需要穩(wěn)定性校核。活塞桿材料用普通碳鋼，由材料力學有關公式得，因為液壓缸兩端固定，所以末端系數 ,所以有其臨界載荷 （3-6）當取安全系數時 所以滿足穩(wěn)定性條件。（4）液壓缸的選取 根據以上計算可以選取由中動機械公司生產的雙出桿活塞缸M0B63*300雙軸可調行程非標定液壓油缸。表3 液壓缸參數表壓力范圍：7Mpa速度范圍：0-20m/s缸徑：63mm 桿徑：25mm速比：10/100 行程：可定制缸的工作

6、壓力計算： （3-7）所以所選缸滿足工作要求。2. 上拖板液壓缸計算上下拖板選用同一型號的液壓缸，計算其工作壓力如下：=96N工作負載：A工作壓力：3.3 液壓元件選取1. 確定液壓泵的型號及電動機功率液壓缸在整個工作過程中最大工作壓力為1.52Mpa，由于系統(tǒng)比較簡單，所以取其壓力損失，所以液壓泵的工作壓力為 （3-8）加速度為1g時工作臺運動速度最大為 （3-9）所以液壓缸最大流量為 （3-10）根據以上流量和壓力數值查產品目錄選用CB-BD.T500齒輪油泵，其額定壓力為2.5Mpa，容積效率0.95，總效率，驅動該泵的電動機的功率為24kw，查電機產品目錄，擬選用電動機型號為BPY-2

7、00L-4，功率為30kw，額定轉速為1480r/min。2.選擇閥類元件及輔助元件表4 液壓元件型號及規(guī)格序號名稱通過流量型號及規(guī)格1齒輪泵500CB-BD.T5002溢流閥500YF-F50B3機動換向閥40022CH-D20B4電液伺服閥500DSHG-06-2D5電動機BPY-200L-4（1）油管 由公式得，所以選用內徑為15mm,外徑為17mmmm的鋼管。（2）油箱 V=（2-4）qp=1500L，油箱體積為1500L。（3）液壓油 系統(tǒng)液壓油選用N32液壓油。3.4 液壓系統(tǒng)的性能驗算由之前計算已知管道直徑為d=15mm，進、回油管長度都定為L=2m，油液的運動粘度取，油液密度為

8、。1.判斷流動狀態(tài)進、回油管路中所通過的流量以速度最大時達到最大，且q=498L/min，由雷諾數可知，=470。因為Re<2300，故加速狀態(tài)時油液流動狀態(tài)為層流。2.計算系統(tǒng)壓力損失（1） 沿程壓力損失因為流動狀態(tài)為層流，所以其沿程阻力系數。系統(tǒng)最大運動速度為，所以其沿程壓力損失為 （3-11）（2） 局部壓力損失局部壓力損失包括管道安裝和管接頭的壓力損失和通過液壓閥的局部壓力損失，前者視管道具體安裝結構而定，一般取沿程壓力損失的10%：而后者則與通過閥的流量大小有關，若閥的額定流量和額定壓力損失為，則當通過閥的流量為q時的閥的壓力損失為 （3-12）查表得換向閥壓力損失為0.05M

9、p。綜上可得總的壓力損失=0.48Mpa （3-13）（3）壓力閥的調定值溢流閥的壓力調定值=1.52Mpa+0.48Mpa=2Mpa3. 系統(tǒng)的發(fā)熱與升溫根據以上計算可知，加速到最大時電動機的輸入功率為，有效功率為，所以其功率損失為5.8kw。設油箱的三個邊長在1:1:1-1:2:3范圍內，則散熱面積為A=0.065，假設通風良好，取，所以油液的溫升為 （3-14）機床液壓系統(tǒng)正常工作溫度為，允許最高溫度，因為熱平衡溫度，所以經驗算沒有超出允許范圍。四. 電氣部分設計4.1 控制系統(tǒng)基本組成1.按照課題要求，設計的平臺需要走出簡單的s型曲線，且用PLC控制，所以控制器和軟件選用西門子step

10、7-200，傳感器選擇磁柵式傳感器，所測物理量經過變送器轉換為標準模擬信號輸出，擬定控制系統(tǒng)如下: 圖1 PLC電液伺服控制系統(tǒng)流程圖4.2 擬定工作流程 按下開始按鈕，X方向勻速運動，Y方向先向上運動，碰到限位開關后反向運動，依此類推，最后走出s型曲線。走完全程后按下停止按鈕，停止運行。其工作流程圖如下圖所示： 圖2 工作流程圖4.3 轉換公式的推導下面選用S7-200的模擬輸入輸出模塊EM235來進行速度控制。因為傳感器經位移變送器后輸出為標準的電流信號，故模擬量輸入信號為0-20mA電流輸入模式，輸出信號設定為4-20mA的電流輸出模式1.硬件電路的設置除上述兩個用來檢測位移的傳感器外，

11、選用：(1) S7-200PLC一臺，型號為：CPU222CN(2) 選用EM235模擬量輸入模塊一塊（輸入設置：0-20ma；輸出設置：4-20ma）。硬件電路圖如下：圖3 硬件電路圖2. 對傳感器輸出電流值的推導對模擬量輸入模塊，當輸入信號為20mA時，對應的數值=32000，對應的位移量為500mm。輸入=4mA時，對應的數字量=6400，對應的位移量=0mm。其位移量與模塊的數字量之間的關系曲線如圖所示：圖4 位移量與模塊的數字量之間的關系曲線上圖中由三角形相似得： （4-1）故位移轉換公式：S=500 （4-2）3. 對模擬量輸出的編程處理電液伺服閥控制信號為4-20ma，即輸出20

12、ma時，閥門正向全開，當輸入中點電流值12ma時，閥門關閉，當輸入4ma時，閥門反向全開。如設電動閥門正向全開時，門打開度=1，反向全開時門打開度=-1，則閥門打開度= （4-3）位移傳感器的被測位移與輸出電流的關系式為 （4-4）位移轉換公式為S=500 （4-5）式（4-5）又可化為 （4-6）即 （4-7） 將式（4-7）帶入（4-4）得： （4-8）將（4-8）式帶入（4-3）式，得： （4-9）將此式轉換為：即= （4-10） 式（4-10）為位移與數字量的關系式，用它可將相應的位移轉化為對應的數字量。如位移為350mm時，對應的數字量為24230。式（4-9）為數字量與電液伺服閥打

13、開度的關系，可用它給模塊輸送不同的數量值，來改變模塊的模擬量輸出值，進而達到改變伺服閥閥門開口大小的目的，從而改變伺服閥所控制的流量大小。如將=1代入式（4-10）可得：=32000,將數字量32000輸送給模塊，模塊的模擬量輸出將產生20ma電流輸入給伺服閥的信號輸入端，使閥門全打開。=代入式（4-10）可得：將數字量25600輸送給模塊，模塊的模擬量輸出將產生16mA電流輸入給伺服閥的信號輸入端，使閥門半開。4. 用比較法編程來進行速度控制當按下啟動按鈕后，X軸方向按照輸入的數字量轉化為的電流所控制的流量勻速運動，碰到行程開關后停止運動；Y軸按照比較法，按位移所轉化為的數字量所屬的范圍輸出

14、相應的數字量，從而得到相應的電流值，最終得到相應的流量。按下停止按鈕后，平臺停止運動。其中，加減速過程位移、相應數字量、輸出數字量分別對應如下表表1 減速過程位移、相應數字量、輸出數字量對應表位移量相應數字量輸出數字量（一、三）輸出數字量（二）495-50031744-320002176016640470-49530464-317442432014080430-47028416-304642688011520350-43024320-28416294408960150-35014080-2432032000640070-1509984-1408029440896030-707936-998426880115205-306656-793624320140800-56400-665621760166404.4 PLC梯形圖參考文獻1 豈興明，茍曉衛(wèi)，羅冠龍. PLC與步進伺服快速入門與實踐M. 北京：人民郵電出版業(yè)，