机电课程设计压力机液压系统电气控制设计

机 床 电 气 控 制 技 术

课 程 设 计

资 料 袋

机械工程 学院（系、部） 2012 ~ 2013 学年第 二 学期

课程名称 机床电气控制技术 指导教师 职称 学生姓名 专业班级 机械设计 班级 10405700404 学号 题 目 压力机液压系统的电气控制设计 成 绩 起止日期 2013 年 6 月 24 日～ 2013 年 6 月 28 日

目 录 清 单

序号 1 2 3 4 5 6 材 料 名 称 课程设计任务书 课程设计说明书 电气控制电路图 可编程控制器硬件接线图 状态转移图、梯形图 控制梯形图 资料数量 1 1 1 1 1 1 备 注 课程设计任务书

2012—2013学年第二学期

机械工程 学院（系、部） 机械设计制造和其自动化 专业 机设1003 班级 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

完成期限：自 2013 年 6 月 24 日至 2013 年 6 月 28 日共 1 周

内 容 和 任 务 一、设计的主要技术参数 具体要求见课程设计指导书 二、设计任务 完成系统的继电器控制原理图、PLC控制原理图和设计说明书一份 三、设计工作量 电气图2-3张，不得少于15页 起止日期 6.24 进 度 安 排 6.25 6.26 6.27 6.28 主 要 参 考 资 料 工作内容 讲解设计目的、要求、方法，任务分工 根据指导书和任务书要求确定控制系统的输入输出点数、类型，确定输入、输出设备和元器件种类、数量，初步选定PLC型号 根据指导书和任务书绘制控制系统工作流程图，确定每个动作实现和解除必须的条件 绘制继电器控制原理图、电路计算、元器件选择列表 编制控制系统的PLC控制程序 编写设计说明书 【1】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. 【2】李伟主编.机床电器与PLC.西安：西安电子科技大学出版社，2006. 【3】芮静康 .实用机床电路图集. 北京：中国水利水电出版社.2006. 【4】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. 指导教师（签字）： 2013年 6 月 17 日 系（教研室）主任（签字）： 2013年 6 月 17 日

机床电气控制技术 设计说明书

压力机液压系统的电气控制设计

起止日期： 2013 年 6 月 24 日 至 2013 年 6 月 28 日

学班学成

生姓名 级 号 绩

指导教师(签字)

机械工程学院（部） 2013年6月17日

目 录

一 、课程设计的内容与要求 .............................................. - 0 -

1.1课程设计对象简介 ................................................................... - 0 - 1.2压力机结构和工作要求 ........................................................... - 0 - 1.3液压系统工作原理和控制要求 ............................................... - 1 - 1.4课程设计的任务 ....................................................................... - 3 -

二 、电气控制电路设计 ...................................................... - 4 -

2.1继电器-接触器电气控制电路的设计 ...................................... - 4 - 2.2继电器-接触器电气控制电路图分析和介绍 .......................... - 4 - 2.3选择电气元件 ........................................................................... - 8 -

三、压力机的可编程控制器系统的设计 ............................ - 9 -

3.1可编程控制器控制系统设计的基本原则 ............................... - 9 - 3.2可编程控制器系统的设计 ....................................................... - 9 -

四、设计体会与总结 .......................................................... - 14 - 五、参考资料 ....................................................................... - 15 -

一 、课程设计的内容与要求

1.1 课程设计对象简介

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。液压压力机（简称液压机）是压力机的一种类型，它通过液压系统产生很大的静压力实现对工件进行挤压、校直、冷弯等加工。液压机的结构类型有单柱式、三柱式、四柱式等形式，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。

1.2压力机结构和工作要求

5 4 3 2 6 7 1 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

由图1-1所示，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。

由上液压缸和下液压缸动作循环路线可以画出液压机的工作循环图，如图1-2所示。横坐标为一个循环周期，纵坐标为液压缸工作行程。

上 缸 快进 减速、加压 保压 快速回程 停止 下 缸 顶出工艺 图 1-2 液压机的工作循环 浮动压边工艺 1.3液压系统工作原理和控制要求

由设计任务书可知，设计任务为3150KN通用液压系统。 1.31 3150KN通用液压系统工作原理和特点

图1-3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保压和由顺序阀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。

图1-3 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

1.3.2 3150KN通用液压机液压系统性能分析

由以上的工作原理和特点分析可知，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,以和平衡锁紧回路等组成。其主要性能特点如下：

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

1.4课程设计的任务

1、在1周时间内，根据给定任务（具体见课程设计指导书），绘制电气原理图一张，要求有布局合理，功能完善，有技术要求和明细栏；

2、有PLC设计内容的（由指导教师指定），要求给出程序框图和源程序清单； 3、编写设计计算说明书一份，不得少于15页。要求有目录、设计任务书和元器件选型计算、原理说明、功能说明、控制器的选择、程序清单、调试结论、参考资料等。

二 、电气控制电路设计

2.1继电器-接触器电气控制电路的设计

根据液压机的系统性能以和特点的分析之后，还需要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、过载和超行程限位保护环节

根据设计要求我们设计了如图2-3所示的继电器-接触器电气控制电路图。

2.2继电器-接触器电气控制电路图分析和介绍

2.2.1通过以上分析，可得出图1-3中每个换向阀每个电磁铁的动作顺序，如表2-1所示。

表2-1 3150KN通用液压机的电磁铁动作顺序表

动作程序 快速下行 上 缸 慢速加压 保压 泄压回程 停止 下 缸

顶出 退回 压边 1Y + + - - - - - + 2Y - - - + - - - - 3Y - - - - - + - - 4Y - - - - - - + - 5Y + - - - - - - - 2.2.2动作分析

（1）启动 如图2-1所示。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中位和阀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。

图2-1

（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。 如图2-2所示。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左位和阀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）下液压缸顶出和退回 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。

按下开关SB6，接触器KA4得电，电磁铁4Y得电，同时电磁铁3Y失电，换向阀21换至右位，下液压缸活塞下行，退回。

图2-2

（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。

图2-3电气控制电路图

2.3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，电流和功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的负载能力和使用寿命。

(3)掌握元器件预期的工作环境和供应情况，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。

根据以上步骤和参考资料的查找制定了本课程设计中继电器元件表（见表2-2）。 代 号 QS FU1 FU2 FU3 FU4 FR1 FR2 KM1 KM2 KA1-KA5 1Y-5Y TL1 TL2 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SQ1 SQ2 KP VC EL S1 表2-2 电动机和电器元件明细表 名 称 型 号 HZ1-60/3 总电源开关 RL1-60/40 熔断器 RL1-15/4 熔断器 RL1-15/4 熔断器 RL1-15/4 熔断器 JR10-10 10 A 液压泵1热继电器 JR10-10 6 A 液压泵2热继电器 CJO-40 液压泵启动接触器 CJO-20 延迟继电器接触器 JZ7-44 127 V 对应1Y-5Y接触器 36 V 电磁铁 BK-150 380/127/36 V 直流变压器 BK-150 380/127/36 V 变压器 LA2 总停止按钮 LA2 泵启动按钮 LA2 快速下行按钮 LA2 下缸停止按钮 LA2 下缸顶出按钮 LA2 下缸退回按钮 LX3-11H 行程开关 LX3-11H 行程开关 PFT—L4 压力继电器接触器 36V 直流电源 JC6-1 照明灯具 TCL_A6 照明灯开关 三、压力机的可编程控制器系统的设计

3.1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和操作人员紧密配合，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。

3.2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、类型和控制要求，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。

表3-1 I/O地址分配表 代号 SB2 SB3 SQ2 KP SQ1 输入信号 功能 启动液压泵 快速下行 行程开关2S 压力继电器 行程开关1S I点 X0 X1 X2 X3 X4 代号 KM1 KA1 KA2 KA3 KA4 输出信号 功能 泵启动 慢速下行 泄压回程 下缸顶出 下缸退回 O点 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 SB5 SB6 SB4 SB1 下缸顶出 下缸退回 下缸停止 总停止 X5 X6 X7 X10 KA5 和Y1实现快速下行 指示灯 Y5 Y6 (3)可编程控制器的输入\\输出点地址编号和硬件连接线

将输入信号.输出信号按功能类型分配，与可编程控制器的输入\\输出端一一对应连接。如下图3-1所示。

图3-1 可编程控制器硬件接线图

(4)软件编制

根据系统要求可知，但系统开始运行时，指示灯首先亮，用启动脉冲M8002直接使程序进入等待状态。最后用END指令结束指令。控制梯形图如图3-2所示，根据控制梯形图写出语句表如表3-2所示。

图3-2 控制梯形图

表3-2 系统语句表

步序 1 2 3 4 5 6 指令 LD OUT LDI AND OR OUT 数据 M8002 Y006 X010 X000 Y000 Y000 步序 17 18 19 20 21 22 指令 ANI ANI OUT LDI AND OR 数据 X004 Y001 Y002 Y001 X005 Y003 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 LDI AND OR ANI OUT ANI OUT LD OUT K LD X003 X001 Y001 Y002 Y001 X002 Y005 X003 T0 100 T0 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 ANI ANI OUT LDI ANI AND OR ANI OUT END Y002 Y004 Y003 Y001 Y002 X006 Y004 Y003 Y004

绘制系统的状态转移图和步进梯形图，如图3-3所示，根据梯形图编写的指令表见表3-3.

表3-3 系统指令表 步序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 指令 LD M8002 SET S0 STL S0 LD X10 AND X0 SET S20 STL S20 SET Y0 LD X1 SET S21 STL S21 LD Y0 OUT Y1 OUT Y5 LDI X2 步序 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

指令 SET S22 STL S22 LDT Y5 OUT Y1 LD X3 SET S23 STL S23 LDI Y1 OUT T0 K 100 LD T0 SET S24 STL S24 OUT Y2 LDI X4 步序 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 指令 LD X5 SET S25 STL S25 LDI Y2 OUT Y3 LD X6 SET S26 STL S26 LDI Y3 OUT Y4 LD X1 OUT S0 RET END

图3-3 压力机的状态转移图和步进梯形图

四、设计体会与总结

为期一周的电气控制课程设计终于要告一段落了，这是我第一次接触到这种性质的课，感觉受益良多。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 ，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，和同学讨论以和老师的帮助下，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。

这次的课程设计，虽说我们不是电气的专业级别的学生，但是从课程设计中我们学到了很多东西，现在终于知道了学机械的基本上只要是理工科的工作我们都可以做这样一个道理，这次的课程设计我学会应用另个软件，首先：天正电气软件，将其导入CAD后一切都得心应手，工作量减少了很多，其次：学会用三菱公司的软件 GX developer 软件，这个软件最主要的特点简单易学，直观，很容易上手，当然学到的远远不止这些，最主要的是我知道了怎么应用我所学到的一切知识。

总的来说，设计是一个不断修改完善的过程，而自己也在这个过程中不断的发现自身的知识缺陷，补充很多知识，并且对原来的知识进行一定程度的复习，所以说设计的过程是个知识积累与更新的过程。

五、参考资料

【1】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. 【2】李伟主编.机床电器与PLC.西安：西安电子科技大学出版社，2006. 【3】芮静康 .实用机床电路图集. 北京：中国水利水电出版社.2006.

【4】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.