液压动力滑台的PLC控制新版专业系统设计.doc

液压动力滑台PLC控制系统设计

摘 要

液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛应用。液压动力滑台经过液压传动系统能够方便地进行无级调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置对应动力头、主轴箱及刀具后能够对工件完成多种孔加工、端面加工等工序，它性能直接关系到机床质量优劣。
本设计是在充足分析了液压动力滑台液压传动系统及工作原理基础上，经过继电器一接触器控制和PLC控制方案对比我选择了PLC控制，依据控制要求选择了PLC型号，在硬件设计中画出了PLC外部接线图；在软件设计中，设计了液压动力滑台PLC控制系统软件步骤图和梯形图，实现了控制要求。

关键词：液压，动力滑台，PLC，控制

目　录

前　言 1
第1章 概述 2
1.1 液压动力滑台应用 2
1.2 继电器—接触器控制和PLC控制方案比较 2
1.2.1 继电器—接触器控制优缺点 2
1.2.2 PLC在液压动力滑台中应用 3
第2章 液压动力滑台液压传动系统及工作原理 4
2.1 功效结构 4
2.2 液压传动系统及工作原理 4
第3章 液压动力滑台PLC控制系统设计 9
3.1 硬件设计 10
3.2 软件设计 10
3.2.1 软件步骤图设计 10
3.2.2 梯形图设计 12
结　论 16
谢 辞 17
参考文件 18

前　言

液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛应用。液压动力滑台经过液压传动系统能够方便地进行无级调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置对应动力头、主轴箱及刀具后能够对工件完成多种孔加工、端面加工等工序[1~2]，它性能直接关系到机床质量优劣。它利用液压传动系统实现滑台向前或向后运动，由液压缸左右运动来拖动滑台在滑座上移动，再由电气控制系统控制液压传动系统，实现滑台工作循环。传统液压传动系统是由电气控制线路控制，因为这种控制线路触点多，接线复杂，可靠性低，灵活性差，功耗高，而且维修困难，其大量硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备工作效率影响了加工质量，所以越来越满足不了现代化生产过程复杂多变控制要求。现采取PLC对此系统进行控制，能很方便实现多个复杂自动工作循环，使用简单，编程方便，可靠性高，通用性和灵活性强，采取PLC控制液压系统完成基础动作—液压缸自由进退，从而实现液压动力滑台进给运动。YT4543型液压动力滑台工作循环是：快进→一工进→二工进→死挡铁停留→快退→原位停止六种工况。

第1章 概述

液压和气压传动

1.1 液压和气压传动特点

1.1.1 液压传动有以下部分优点
1. 在相同体积下，液压装置比电气装置产生更高动力。在相同功率下，液压装置体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达体积和重量只有相同功率电动机12%左右。
2. 液压装置工作比较平稳。因为重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速开启、制动和频繁换向。
3. 液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达），它还能够在运行过程中进行调速。
4. 液压传动易于实现自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调整或控制。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现复杂次序动作，也能方便地实现远程控制。
5. 液压装置易于实现过载保护，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到。
6. 因为液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统设计、制造和使用全部比较方便。
7. 用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。

1.1.2 液压传动缺点
1. 因为流体流动阻力损失和泄漏是不可避免，所以液压传动在工作过程中常有较多能量损失。
2. 工作性能易受温度改变影响，所以不宜在很高或很低温度条件下工作。
3. 为了降低泄漏，液压元件制造精度要求很高，所以价格较贵。
4. 液压传动出现故障时不易找出原因。

1.1.3 气压传动优点
1. 空气能够从大气中取得，同时，用过空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引发部分功率损失外，不致产生不利于工作严重影响，也不会污染环境。
2. 空气粘度小，在管道中压力损失很小，所以压缩空气便于集中供给和远距离输送。
3. 因压缩空气工作压力较低（通常为0.3~0.8MPa），所以，对气体元件材料和制造精度上要求较低。
4. 气体系统维护简单，管道不易堵塞。
5. 使用安全，而且便于实现过载保护。

1.1.4 气压传动缺点
1. 因为空气含有可压缩特征，所以运动速度平稳性不如液压传动。
2. 因为工作压力较低和结构尺寸不宜过大，所以气压传动装置总推力通常不可能很大。
3. 传动效率较低。
总来说，液压和气压传动优点是关键，而它们缺点经过技术条件进步和多年不懈努力，已得到克服或得到了恨得改善。

1.2 液压系统实例
液压传动系统是依据机械设备工作要求，选择合适液压基础回路经过有机组合而成。阅读一个较复杂液压系统图，可分为以下多个步骤：
1. 了解机器设备工作原理，从而了解机械设备工况对液压系统要求;了解在工作循环中各个工况对力、速度和方向这三个参数要求。
2. 初读液压系统图，了解系统中包含那些元件，而且以实施元件为中心，将系统分解为若干个子系统。
3. 逐一分析每一个子系统，了解其实施元件和对应阀、泵之间关系和由那些基础回路组成。参考电磁铁动作表和实施元件动作要求，理清其液流路线。
4. 工作系统安全性。
5. 动作效率。
6. 在全方面读懂液压系统基础上，依据系统所使用基础回路性能，对系统作综合分析，归纳总结整个液压系统特点，以加深对液压系统了解。

1.2.1组合机床动力滑台液压系统
组合机床是由通用部件和部分专用部件组成高效、专用、自动化程度较高机床。它能完成钻、扩、铰、镗、铣、攻螺纹等工序和工作台转位、定位、夹紧、输送等辅助动作，可用来组成自动线。
YT4543型动力滑台液压系统工作原理
图8-1和图8-2分别表示YT4543型动力滑台液压系统工作原理和系统动作循环表。这个系统能够实现工作循环是：“快进→一工进→二工进→死挡铁停留→快退→原位停止。”实现该工作循环工作原理是：
1. 快进
按下开启按钮，电磁铁1YA得电，电磁先导阀4处于左位，使液动换向阀3阀芯右移，左位接入系统，其主油路为：
进油路：泵1→单向阀2→液动换向阀3左位→行程阀（常态位）→液压缸左腔。
回游路：液压缸右腔→液动换向阀3左位→单向阀7→行程阀13（常态位）→液压缸左腔。
因为动力滑台空载系统压力低，液控次序阀6关闭，液压缸成差动连接，且变量泵1有最大输出流量，滑台向左快进。
2. 一工进
快进到预定位置，滑台上行程挡块压下行程阀13，使原来经过阀13进入液压缸无杆腔油路切断。此时阀10电磁铁3YA处于失电状态，调速阀8接入系统进油路，系统压力升高。压力升高，首先使液控次序阀6打开，其次使限压式变量泵流量减小，直到和经过调速阀8流量相同为止。这时进入液压缸无杆腔流量由调速阀8开口大小决定。液压缸有杆腔油液则经过液动阀3后经液控次序阀6和背压阀5回油箱（两侧压力差使单向阀7关闭）。滑台以第一个工进速度向左运动。
3. 二工进
一工进结束时，挡块压下行程开关，使电磁铁3YA得电、经阀10通路被切断。此时油液需经调速阀8和9才能进入液压缸无杆腔。因为阀9开口比阀8小、滑台速度减小，速度大小由调速阀9开口决定。
4. 死挡铁停留
当滑台二工进终了碰上死挡铁后，滑台停止运动。液压缸无杆腔压力升高、达成压力继电器11调定值，压力继电器动作，经过时间继电器延时，再发出信号，使滑台退回，滑台停留时间可由时间继电器调定。
5. 快退
当初间继电器经延时发出信号，2YA得电，1YA、3YA失电，阀4和阀3处于右位。主油路为：
进油路：泵1→单向阀2→液动换向阀3右位→液压缸右腔。
出油路：液压缸左腔→单向阀12→液动换向阀3右位→油箱。
因为此时为空载，系统压力低，泵1 输出流量为最大，滑台向右快退。
6. 原位停止
当滑台快退到原位时，挡块压下原位行程开关，使电磁铁1YA、2YA和3YA全部失电，阀4和阀3处于中位，滑台停止运动，泵1经过阀3 中位（M型）卸荷。

YT4543型动力滑台液压系统特点
YT4543型动力滑台液压系统包含以下部分基础回路：由限压式变量叶片泵和进油路调速阀组成容积节流调速回路，差动连接快速运动回路，电液换向阀换向回路，由行程阀、电磁阀和液控次序阀等联合控制速度换接回路和用中位为M型机能电液换向阀卸荷回路等。液压系统性能就由这些基础回路所决定。该系统有以下多个特点：
1. 采取了由限压式变量泵和调速阀组成容积节流调速回路。它即满足系统调速范围大，低速稳定好要求，又提升了系统效率。进给时，在回油路上增加了一个背压阀，这么做首先是为了改善速度稳定性（避免空气渗透系统，提升传动刚度），其次是为了使滑台承受一定和运动方向一致切削力。
2. 采取限压式变量泵和差动连接两个方法实现快进，这么既能得到较高快进速度，又不致使系统效率过低。动力滑台快进和快退速度均为最大进给速度10倍，泵流量自动改变，即在快速行程时输出最大流量，工进时只输出和液压缸需要相适应流量，死挡铁停留时输出赔偿系统泄漏所需流量。系统无溢流损失，效率高。
3. 采取行程阀和液控次序阀使快进转换为工进，运动平稳可靠，转换位置精度比较高。至于两个工进之间换接则因为二者速度全部降低，采取电磁阀完全能确保换接精度。

1.1 液压动力滑台应用
液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛应用。 液压动力滑台经过液压传动系统能够方便地进行无级调速，正反向平稳，冲击力小，便于频繁地换向工作。配置对应动力头、主轴箱及刀具后能够对工件完成多种孔加工、端面加工等工序，它性能直接关系到机床质量优劣。
为了满足不一样工艺方法要求，动力滑台除提供足够大进给力外，还应能实现“快进→工进→停留→快退→原位停止”等工作循环。其中，除快进和快退速度不可改变外，用户可依据工艺要求，对工进速度大小进行调整。因为液压动力滑台机械结构简单，配上电气后实现进给运动自动工作循环轻易，又能够很方便地对工进速度进行调整。其中尤以YT4543型液压动力滑台应用最广。
液压传动，含有功率密度高、结构紧凑、运动平稳、有利于系统传动链简化和实现无级调速等优点，所以在部分中、大型机床中应用广泛。但因为中国液压技术水平及液压传动本身缺点，如油液可压缩性 、泄漏等，很多液压机床全部存在液压动力滑台精度不高、柔性差和控制水平不高问题。液压动力滑台，作为广为使用基础件，怎样充足利用其优势，克服或改善其不足，是一个急需处理问题。自80年代中期以来，中国外开始将微电子技术、计算机控制技术等，用来改善、发展和拓宽液压技术水平及其应用范围，液压动力滑台性能得到了一定改善提升。

1.2 继电器—接触器控制和PLC控制方案比较

1.2.1 继电器—接触器控制优缺点
液压动力滑台传统上多用继电器—接触器控制，其优点是结构简单、 易于掌握、价格廉价等。在工业生产上应用较广。不过这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗点较多、功效少，尤其是因为它靠硬接线组成系统， 接线复杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有接线和控制盘( 柜 ) 就必需随之改变或更换，通用性和灵活性较差[3~4]。

1.2.2 PLC在液压动力滑台中应用
伴随制造业发展和新技术应用，工业生产对控制设备可靠性和灵活性要求越来越高，传统继电器一接触器控制因为其本身缺点将越来越不适应生产需要。
PLC是可编程控制器简称，是专为工业应用而设计电子控制装置，含有抗干扰能力强、可靠性高、功效强、体积小、编程简单、维护方便等优点。所以，在工业生产中用PLC替换继电器一接触器控制将是肯定，现采取PLC对YT4543型液压动力滑台进行控制系统设计[3~4]。

第2章 液压动力滑台液压传动系统及工作原理

2.1 功效结构
YT4543型动力滑台是众所周知一个组合机床通用部件，有液压缸驱动，可实现快进→一工进→—二工进→死挡铁停留→快退→原位停止6个工况自动控制，现对其原有液压系统进行了改善，液压动力滑台结构简图图2-1所表示。
图2-1 液压动力滑台结构简图

2.2 液压传动系统及工作原理[5~7]
液压系统工作循环图图2-2所表示，工作原理图图2-3所表示。系统仍采取单向变量泵供油，实施器采取缸固定活塞式液压缸10。采取综合性能好标准电磁换向阀7和8替换了原系统电液换向阀实现动力滑台自动工作循环，采取回油路调速阀调速确保工作进给速度稳定。表2-1所列为动力滑台自动工作循环时各换向阀电磁铁和压力继电器动作次序表，结合表2-1对系统在各工况下油液流动路线说明以下。

图2-2 液压系统工作循环图

图2-3 液压系统工作原理图
1变量泵；2，4二位二通电磁换向阀；3单向阀；5，6调速阀；7，8二位五通电磁换向阀；9压力继电器；10液压缸

表2-1 液压动力滑台液压系统电磁铁及压力继电器动作次序表
工况
电磁铁及压力继电器状态
1YA
2YA
3YA
4YA
YJ
快进
+
+
-
-
-
一工进
-
+
+
-
-
二工进
-
+
-
-
-
死挡铁停留
-
+
-
-
+
快退
+
-
-
-
-
原位停止
-
-
-
+
-

1. 快进 按下自动工作循环按钮，电磁铁1YA和2YA通电，使换向阀7和8均切换至右位，泵1压力油经单向阀3、换向阀8进入缸10无杆腔，缸10有杆腔回油经换向阀7和8反馈进入液压缸10无杆腔。因为动力滑台空载，系统压力低，液压缸成差动连接，且变量泵1有最大输出流量，滑台向左快进。
2. 一工进 当快进到要求位置时活动挡块压下行程开关SQ2，使电磁铁1YA断电、换向阀7复至图示左位，3YA通电使换向阀4切换至左位，泵1压力油经单向阀3、换向阀8进入缸10无杆腔，缸10有杆腔经阀7通路堵死，只有经阀8右位、调速阀6、换向阀4排油。流出缸10有杆腔流量由调速阀6开度大小决定，因为阀6作用，系统压力升高，泵1输出流量减小，动力滑台以第一个工进速度向左运动。
3. 二工进 动力滑台以第一个工进速度运动到预定位置时，活动挡块压下行程开关SQ3，使电磁铁3YA断电、换向阀4复至图示右位，液压缸10进油路同一工进，但缸10有杆腔回油是经换向阀8、调速阀6、调速阀5、换向阀7排回油箱，流量由调速阀5开度大小决定（调速阀5开度小于调速阀6开度），动力滑台速度降低，以第二种工进速度向左运动。
4. 死挡铁停留 动力滑台以第二种工进速度行进碰上死挡铁后停止运动。液压缸10无杆腔压力憋高，压力继电器（YJ）发信给时间继电器，使动力滑台在死挡铁处停留一定时间。此时，泵1供油压力升高，流量降低至仅需满足赔偿泵和系统泄漏量。
5. 快退 死挡铁停留时间到后，时间继电器发出快退信号，使电磁铁1YA通电、换向阀7切换至右位，2YA断电、换向阀8复至图示左位，泵1压力油经换向阀7和8进入缸10有杆腔，缸10无杆腔经换向阀8排回油箱。因为此时为空载，系统压力很低，泵1输出流量最大，动力滑台向右快速退回。
6. 原位停止 动力滑台向右快速退回到原位时，活动挡块压下行程开关SQ1，使电磁铁1YA、2YA、3YA均断电，换向阀7、8和4复至图示位置，电磁铁4YA通电，动力滑台停止运动，泵1经过换向阀2卸载。
7. 技术特点
(1) 采取电磁换向阀替换了结构复杂电液换向阀，系统油路结构简化，运行可靠，易于检修维护。
(2) 采取回油路调速阀调速，动力滑台工进工况稳定性好。
(3) 液压泵原位停止时经过电磁换向阀卸载，能够使泵在下次自动工作循环开始时处于低压
第3章 液压动力滑台PLC控制系统设计

3.1 硬件设计
依据液压动力滑台工艺特征、控制要求和实际输入/输出点数情况，并考虑未来系统扩大功效需要，留有一定裕量[8~11]，选定PLC型号为三菱企业FX2N-32MR-001，输入/输出点分配情况以下所表示。
输入电器 输入点
开启按钮SB1 X0
停止按钮SB2 X1
快退按钮SB3 X2
行程开关SQ1 X3
行程开关SQ2 X4
行程开关SQ3 X5
压力继电器YJ X6
自动开关SA1-1 X7
手动开关SA1-2 X8
输出电器 输出点
电磁铁1YA Y1
电磁铁2YA Y2
电磁铁3YA Y3
电磁铁4YA Y4

图3-1所表示为系统中PLC外部接线图。
图3-1 PLC外部接线图

设计说明
1. 转换开关SA1-1、SA1-2能够切换两种工作状态，当SA1-1闭合时，动力滑台处于自动工作状态；当SA1-2闭合时，动力滑台处于手动工作状态。
2. SQ1、SQ2和SQ3是3个行程开关。
3. SB1、SB2和SB3是3个按钮开关，SB1是控制动力滑台向前运行开始；SB2是控制动力滑台随时停止按钮；SB3是控制动力滑台后退按钮。
4. 压力继电器YJ是控制动力滑台死挡铁停留元件。
5. 1YA、2YA、3YA和4YA是液压传动回路中电磁铁。

3.2 软件设计

3.2.1 软件步骤图设计
依据液压动力滑台动作控制要求及PLC输入9点、输出4点分配情况，对PLC控制系统软件设计采取软件步骤图进行设计，各步驱动各步相对应元件动作，来实现YT4543型液压动力滑台：快进→一工进→二工进→死挡铁停留→快退→原位停止六种工况要求。系统软件步骤图图3-2所表示。
图3-2 系统软件步骤图

3.2.1 梯形图设计[8~11]
考虑到在实际控制中需要，采取转换开关X7、X8来切换两种工作状态，当X7闭合时，动力滑台处于自动工作状态；当X8闭合时，动力滑台处于手动工作状态。同时考虑到动力滑台会存在没有停在原位情况，采取控制按钮X2控制动力滑台快退来控制液压动力滑台退回原位。依据动力滑台设计要求结合软件步骤图作梯形图图3-3所表示。

图3-3 PLC控制系统梯形图
依据梯形图，编写指令以下所表示：
0 LD X0
1 AND X3
2 LDI M3
3 AND M0
4 ORB
5 AND X7
6 LD X0
7 AND X8
8 ORB
9 ANI X1
10 OUT M0
11 LD M0
12 ANI M1
13 ANI M3
14 LD X2
15 ANI X3
16 ORB
17 OUT Y1
18 LD M0
19 ANI M3
20 MPS
21 ANI T0
22 OUT Y2
23 MPP
24 AND M1
25 ANI M2
26 OUT Y3
27 LD M0
28 AND X4
29 OR M1
30 ANI M3
31 ANI T0
32 ANI X1
33 OUT M1
34 LD M1
35 AND X5
36 OR M2
37 ANI M3
38 ANI X1
39 OUT M2
40 LD M2
41 AND X6
42 OR T0
43 ANI M3
44 ANI X1
45 OUT T0
SP K20
48 LD T0
49 AND X3
50 OR M3
51 ANI X1
52 OUT M3
53 OUT Y4
54 END
指令

结　论

液压动力滑台是自动化程度较高部件，对可靠性、运动精度要求较高，其控制系统含有一定复杂性。本设计是在充足分析了液压动力滑台液压传动系统及工作原理基础上设计。明白了液压系统“快进→一工进→二工进→停留→快退→原位停止”六种工况各自液压回路，依据控制要求选择了PLC型号，在硬件设计中设计出了PLC外部接线图；在软件设计中，设计了液压动力滑台PLC控制系统软件步骤图和梯形图，实现了控制要求。
液压动力滑台传统上多用继电器一接触器控制，因为这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗点较多、功效少，尤其是因为它靠硬接线组成系统，接线复杂，通用性和灵活性较差。采取PLC对原有继电器—接触器控制系统改造后，使得控制系统简单化，故障率大大降低，提升了系统稳定性和可靠性，此控制系统含有良好柔性，系统维护和升级也变得轻易。其灵活方便优点显得愈加突出，投资少，经济效益高。
因为我所掌握知识面还不够全方面，设计中难免有不足之处，我会伴随自己所掌握知识不停累积来不停完善自己，一次比一次更深入。

谢 辞

此次控制设计是在副教授悉心指导下完成，我在论文设计过程中碰到了部分问题，是导师为我论文提出了指导性意见，为我论文撰写扶正了方向，在导师指导下我少走了很多弯路，使我能够顺利完成了论文设计。在此，特向我尊敬导师致以最衷心感谢！
经过这次设计，我首先看到了自己不足，认识到自己所掌握知识还很有限；其次，我也明白了学习知识和应用知识不一样。学过知识并不代表就会应用，实践是检验一切关键，只有把学过知识整理出来，应用到实际当中。学习关键在于学以致用，学以致用才是最终目标。这次设计让我找到了收获愉快，在此也向设计过程中给我帮助和指导各位老师和同学们表示由衷谢意！
再次由衷感谢给我帮助和指导副教授！