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1、液压车床电液控制系统研究 绪论 在当今的机械加工过程中，传统的液压车床已经越来越无法满足人们的要 求，传统的液压车床一般利用继电器和控制器和实现诸如车床的快进、快退、 工进等动作。由于只是单纯的利用继电器和控制器，因此无可避免的导致了系 统自身原件过多、体积庞大且连线复杂，导致系统的可靠性、可维护性大大降 低，工作效率也无法满足如今的生产需要。 随着电子科技的发展，计算机水平的提高。计算机控制技术在工业生产中 的应用极大的提高了加工的效率、质量和精度。而计算机控制系统的核心可编 程控制器（PLC）具有可靠性高、集成化程度高、抗干扰能力强、可维护性相比 传统的电气控制系统有了很大的提高，在现代工
2、业自动化领域被广泛使用。PLC 控制系统相对传统的电气控制系统，最大的区别在于控制部分使用的是可编程 的 PLC 而非实际的继电器线路，因此用户可以通过改变程序通过 PLC 实现电路 的控制，从而改变了传统电气控制系统连线复杂且难以改变的难题。而本文就 是通过 PLC 控制系统对传统的电液控制系统重新设计，把传统的电气控制变为 PLC 控制. 液压传动的优缺点 液压系统的优点 液压的优缺点与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点： （1）、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 （2）、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 （3）、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（
3、调速范围达 2000：1）。（4）、可自动实现过载保护。 （5）、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命 长； （6）、很容易实现直线运动。 （7）、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更 高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 液压传动的缺点 （1）、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当， 泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 （2）、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温 度条件下工作。 （3）、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。 （4）、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传
4、动比。 ( 5 )、液压系统发生故障，不易检查和排除。总之，液压传动的优点是重要的，设计制造和使用水平的提高，有些缺点 正在逐步加以克服。液压传动将日益完善，液压技术与电子技术及 PLC 技术的 结合更是前途无量。发展趋势目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发
5、展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。为了和最新技术的发展保持同步，电液控制技术必须不断发展和创新，不断提高和改进元件与系统的性能，以满足复杂多变的市场需求。在社会和工程需求的强力推动下，电液控制技术必将进一步依托机械制造、材料工程、微电子、计算机及控制科学等方面的研究成果，发挥自身优势，弥补现行不足，扬长避短，不断进取。纵观电液控制技术的发展历程，挑战与机遇并存，改革创新方能发展。电液控制技术将进一步朝着高压化、集成化、轻量化、数字化、智能化、机电一体化、高精度、高可靠性、节能降耗和绿色环保方向持续发展。1.集成化从技术构成上,电液控制是集液压技术、微电子技术、传感
6、检测技术、计算机控制及现代控制理论等众多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术学科,具有显著的机电液一体化特征。从元器件结构组成上,往往是集传感器、控制放大器、执行器于一身,构成集成化功能单元,而系统应用上则趋向于采用集成单元来实现复合功能。2.智能化无论从元件的开发研究,还是系统的构成,以机敏材料为代表的智能材料的引入,传感检测技术的不断进步,以及包括模糊理论、人工神经网络在内的新的智能化控制策略与手段的不断成功运用,使得系统及元件的自学习、自适应机能得到充分提高,当代的电液控制技术越来越呈现出智能化的趋势。3.PID控制的新发展以经典控制理论为基础的P ID控制,因其具有结构简单易于实现的特
7、点,至今在电液伺服控制中仍有着广泛应用。但传统的P ID采用线性定常组合方式,难于协调解决快速性和稳态特性之间的矛盾,在具有参数变化和外干扰情况下,其鲁棒性也不够好。吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机的优势,对传统的P ID控制进行改造后,形成了自适应PID、模糊PID、智能积分PID和非线性PID等新的控制方式。系统设计技术参数及设计任务切屑的工作循环是；快进横向工进-纵向工进-快退。估算刀架的重力为 16000N，快进、快退的最大速度设定为 5m/min，工进的速度的设定为 0.05- 0.20m/min，导轨的最大行程为 460mm，工件的行程为 200m，最大的切屑力为 2
8、2000N，系统的启停时间是 0.1S，停留时间为 1S.整个系统的静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1.（3）设计任务： 液压系统原理分析，液压系统原理图； 液压系统计算和液压元件的选择； 由继电器组成的液压控制系统的设计； 由 PLC 组成的液压控制系统的设计； 液压系统的模拟和仿真 液压系统的工作原理和元件的选取 传统的液压车床液压控制系统一般由夹紧液阀、液压缸、电磁阀、调速阀、 双联泵、单向阀、减压阀、压力继电器组成。工件的夹紧和卸下通过一个夹紧 液阀来完成。液压车床的动作主要是刀架的动作，刀架一般有水平方向的和垂 直方向的运动称为刀具的横向进给和纵向进给，同时进到时有快进和工进
9、，退 刀时有快退和工退。在液压控制回路中刀具的横向进给和纵向进给通过液压缸 带动刀架来实现。而液压缸的前进和回退由六个电磁阀来控制，液压缸的进给 速度通过两个调速阀来控制，液压油的输出由液压泵来输出，液压油的流动方 向通过三个单向阀来控制，两个减压阀和一个压力继电器呀监控液压回路中的 液压油压力。车床的液压控制回路的目的是用来控制车床对工件进行完整的切屑加工， 整个切屑过程是一个整体的回路，主要分为以下几个步骤：1、工件的装夹 2、 横向快进 3、横向工进 4、纵向工进、5 横向快退 6、纵向快退 7、切屑完成卸 下工件 8 停止。每个步骤都由单独的行程开关来控制分别 SQ1、SQ2、SQ3、
10、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8。行程开关用来控制 6 个电磁阀来 实现车床的各个动作。开关通过控制电磁阀的得电与否来改变液压回路中液压 油的流向，控制液压缸的动作，实现刀架的各种动作完成整个切屑过程。整个 切屑过程分以下几个具体的步骤， 第一步是装夹工件。启动车床，车床各系统开始运作。按开关 SB1，此时 夹紧液压缸中的电磁铁 6YA 和双联泵中的电磁铁 7YA 得电，7YA 得电使双联泵 左侧的高压小流量泵提供高压液压油，提供夹紧工件的夹紧力，由于 6YA 得电 夹紧液压缸右侧进油使活塞向左移动从而夹紧工件。 第二步是横向快进。工件装夹完成后，切屑开始首先是刀架快速接近工件。 行程开
11、关 SQ1 启动，夹紧液压缸中电磁铁 6YA 得电，横向进给液压缸中电磁贴 1YA 得电，双联泵中电磁铁 7YA 不得电。由于 6YA 得电所以工件始终保持被夹 紧状态。7YA 不得电使双联泵从右侧提供大流量的低压液压油，给刀架的移动 提供速度，1YA 得电使左阀接通，大流量液压油从液压缸下侧进入，刀架快速 横向进给。 第三步是横向工进。当刀架快速移动到距离工件一定距离后，会启动行程 开关 SQ2，横向进给液压缸中电磁铁 1YA 继续得电，调速阀中电磁铁 3YA 得电， 夹紧液压缸 6YA 得电，双联泵中电磁铁 7YA 得电，由于 1YA 得电刀架会继续横 向进给，7YA 得电双联泵左侧提供小
12、流量高压液压油作用是防止刀架在切屑工 件时在横向切屑的反作用力的影响下影响精度。3YA 得电调速阀左位接通，切 断液压缸回油，液压油从调速阀的右侧通过，由于调速阀的作用横向进给速度 降低。开始对工件的横向切屑。 第四步是纵向工进。在对工件进行了横向切屑后，开始对工件进行纵向的 切屑，当横向进给液压缸到达要求位置后，行程开关 SQ3 启动。横向进给液压 缸中电磁铁 1YA 得电，纵向进给液压缸中电磁铁 2YA 得电，调速阀中电磁铁 3YA、4YA 得电，双联泵中电磁铁 7YA 得电，夹紧液压缸中电磁铁 6YA 得电。 2YA 和 4YA 得电使高压小流量液压油从纵向液压缸的右侧进油，回路通过调速
13、 阀，降低液压缸进给速度，开始对工件进行纵向切屑。 第五步纵向快退。在对工件切屑完成后，行程开关 SQ4 启动，横向进给液 压缸中电磁铁 1YA、调速阀中电磁铁 3YA 和夹紧液压缸中电磁铁 6YA 得电。双 联泵中电磁铁 7YA、纵向进给液压缸中电磁铁 2YA、调速阀电磁铁 4YA 不得电。 由于 4YA 得电液压油回路不进过调速阀，因此纵向进给液压缸在双联泵右侧大 流量低压液压油的作用下快速纵向后退完成退刀。 第六步横向快退。完成退刀后，行程开关 SQ5 启动，横向进给液压缸中电 磁铁 1YA、调速阀中电磁铁 3YA 和双联泵中电磁铁 7YA 不得电。夹紧液压缸中6YA 得电。横向进给液压
14、缸也在大流量低压液压油的作用下，液压油回路不通 过调速阀。刀架纵向快速快退。 第七步卸下工件。刀架完成纵向和横向快退后，行程开关 SQ6 启动。夹紧 液压缸 5YA 得电 6YA 不得电，双联泵中电磁铁 7YA 得电，5YA 得电的作用是使 阀门左侧接通，液压油从右侧进油导致活塞右移，无夹紧力作用。工件被取下。第八步是停止。取下工件后，压力行程开关 SQ7 启动，6 个电磁阀断电。 液压系统复位。计算和液压元件的选取计算和液压元件的选取以外圆切屑为例来计算液压系统中各个液压元件所需要的规格。切屑的工作 循环是；快进横向工进-纵向工进-快退。估算刀架的重力为 16000N，快进、 快退的最大速度
15、设定为 5m/min，工进的速度的设定为 0.05-0.20m/min，导轨的 最大行程为 460mm，工件的行程为 200m，最大的切屑力为 22000N，系统的启停 时间是 0.1S，停留时间为 1S.整个系统的静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1.受力分析液压缸所受到的负载力 F 包含三种类型，公式为F=wfaFFF其中工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力，wF本例中 FW 为 16000N；运动部件速度变化时惯性负载；aF导轨摩擦阻力负载，启动时为静摩擦阻力，启动后为动摩擦阻力，对于fF平行导轨可由下式求得=f(G+) R nF运动部件的重力；G垂直于导轨的
16、工作负载，列中位零；R nF导轨摩擦系数在本列中取的静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1.则求f得= 0.2 16000 = 3200= 0.1 16000 = 1600上式中为静摩擦阻力，为动摩擦阻力。= =a aF FV VG G v v g gt t式中 重力加速度；加速时间或者减速时间，本列中取 0.2s；tV时间内的速度变化量。vV =16000 9.85.0 0.2 60= 680根据上述计算结果得出如图所示的负载循环图：工作循环各阶段的外负载工作循环各阶段的外负载工况负载组成液压缸负载/NF液压缸推力 /N0/cmFF启动 F= f sF32003368加速F= f aaFf2280 2400快进F=f aF16001684横向工进F=wf aFF2360024842纵向工进F= wf aFF2360024842反向启动F= f sF32003368加速F=f aaFf234
