綜合液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

綜合液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),綜合液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),綜合,液壓,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 30 頁(yè) 共 30 頁(yè) 1 引言 1.1 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)是液壓實(shí)驗(yàn)室上世紀(jì)80年代初期生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，類似早期的液壓設(shè)備試驗(yàn)系統(tǒng)大部分按照“傳感器+模擬二次儀表”的模式組成。在試驗(yàn)過(guò)程中，一般由模擬記錄儀器在紙上記錄試驗(yàn)曲線或由試驗(yàn)人員讀取并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后試驗(yàn)人員根據(jù)試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)手工處理，得到設(shè)備的性能。教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)利用壓力表測(cè)量液壓系統(tǒng)中某一給定點(diǎn)的壓力，表盤指針?biāo)甘镜目潭葘?duì)應(yīng)某一壓力值，由于小幅度波動(dòng)的壓力振擺和隨時(shí)間而漂移的壓力偏移值很難通過(guò)壓力表指針?lè)从吵鰜?lái)，有限的刻度格數(shù)使讀數(shù)依賴于實(shí)驗(yàn)操作者的目測(cè)習(xí)慣，從而使測(cè)量精度得不到保證：原實(shí)驗(yàn)使用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、光線示波器、感光紙記錄閥從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)到另一穩(wěn)定工作狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程曲線，操作過(guò)程復(fù)雜繁瑣，對(duì)液壓系統(tǒng)加載一卸荷時(shí)的被控壓力隨時(shí)間變化所反映的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如動(dòng)態(tài)超調(diào)，只能做出定性分析；實(shí)驗(yàn)臺(tái)利用橢圓齒輪流量計(jì)測(cè)量流量，由于指針指示的刻度值是通過(guò)流量計(jì)的流體體積總量，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)需利用秒表觀測(cè)流量計(jì)指針每分鐘走過(guò)的格數(shù)來(lái)計(jì)算此時(shí)的流量值，當(dāng)流量較小時(shí)，如測(cè)量溢流閥的溢流量時(shí)，齒輪的轉(zhuǎn)速很低，泄漏量較大，致使誤差很大；為測(cè)量液壓缸活塞桿在不同負(fù)載條件下的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先測(cè)出活塞桿的總行程，再利用秒表測(cè)量活塞桿走完這段行程所用時(shí)間，兩者相除得到活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度，這種方法很難客觀準(zhǔn)確地反映液壓缸活塞桿帶負(fù)載工作時(shí)的速度特性。對(duì)于像閥門快開、快關(guān)這樣的快速性試驗(yàn)，往往是通過(guò)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷設(shè)備是否工作正常。顯然用這種試驗(yàn)方法得到的結(jié)果帶有嚴(yán)重的人為誤差，效率低、精度差，而且試驗(yàn)過(guò)程操作繁瑣、分析不方便。因此，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行必須進(jìn)行更新?lián)Q代才能滿足實(shí)際需求[1]。 1.2 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著液壓技術(shù)、控制理論、微型計(jì)算機(jī)、測(cè)量測(cè)試技術(shù)、數(shù)字信息處理、可靠性技術(shù)的發(fā)展，新的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)已朝著高速、高效、智能化、多功能化、多樣化的液壓計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)方向發(fā)展，早期按照“傳感器+模擬二次儀表”的模式組成液壓設(shè)備試驗(yàn)系統(tǒng)己停產(chǎn)或停止使用，基于虛擬儀器技術(shù)的液壓CAT系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于新的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)制造及應(yīng)用。采用的計(jì)算方法有平均值濾波法、中值濾波算法、自適應(yīng)濾波算法、新型PID算法等。采用有vB6等應(yīng)用軟件開發(fā)液壓CAT實(shí)驗(yàn)軟件[2]。由于原有設(shè)備的陳舊或故障面積太大，僅發(fā)現(xiàn)用MCS-51單片機(jī)技術(shù)對(duì)舊式液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)重新開發(fā)與利用，因此，很少發(fā)現(xiàn)采用液壓計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)對(duì)舊式液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)重新開發(fā)與利用，對(duì)舊式液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)重新開發(fā)與利用有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。 1.3 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)[3] （1） 采用透明有機(jī)玻璃外殼，可以觀察到液壓傳動(dòng)裝置的內(nèi)部構(gòu)造和工作流程。 （2） 防漏快插結(jié)構(gòu)使得實(shí)驗(yàn)回路的組裝簡(jiǎn)便、快捷，清潔、干凈。紅色的液壓油和銀白色底版使得元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)鮮明直觀。 （3） 通過(guò)透明的油管和紅色液壓油可以清晰的觀察到液壓油在液壓元件中的整個(gè)流動(dòng)過(guò)程。 （4） 獨(dú)立的元件模塊，方便的安裝方式，可以隨意的組合各實(shí)驗(yàn)?zāi)K，搭建各種不同的實(shí)驗(yàn)回路。 （5） 液壓元件的最大承受壓力為1Mpa,，額定工作壓力為0.8Mpa,是安全的低壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 （6） 采用PLC編程控制模塊，實(shí)現(xiàn)可編程程序控制器（PLC）智能控制。使得機(jī)、電、液控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化控制方案。 （7） 配有虛擬仿真軟件。 1.4 本課題主要研究的內(nèi)容[4] （1） 在了解液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能要求，給出液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)方案，及各部分功能劃分。 （2） 根據(jù)用戶的主要功能需求，對(duì)各功能的實(shí)現(xiàn)方法作了詳細(xì)的研究。 （3） 詳細(xì)分析系統(tǒng)的輸入輸出，完成液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件的選取。此外，完成了液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電氣控制圖及PLC控制電氣圖。 （4） 對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的液壓控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使用戶更加方便的了解實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀況，并且設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制面板及整體結(jié)構(gòu)。 2 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理與CAT系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 2.1 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理 改進(jìn)前的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)(局部)原理如圖2-1所示。 圖2-1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(局部)液壓系統(tǒng)原理圖 實(shí)驗(yàn)時(shí)需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟分別測(cè)量不同壓力接點(diǎn)處的壓力，通過(guò)流量計(jì)的流量以及負(fù)載變化時(shí)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。如測(cè)定定量葉片泵工作特性時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥(3)的開口度，控制系統(tǒng)壓力達(dá)到某一設(shè)定值，然后分別測(cè)量某一開口穩(wěn)定后的流量，作為泵的不同負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出流量；又如在測(cè)試先導(dǎo)式溢流閥(5)的啟閉特性時(shí)，需按給定的壓力值調(diào)節(jié)溢流閥(2)的調(diào)壓手輪使系統(tǒng)逐漸升壓，然后分別測(cè)出不同壓力下被試溢流閥的溢流量。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾個(gè)壓力接點(diǎn)處的壓力、流量需要分別通過(guò)觀察壓力表和流量計(jì)所指格數(shù)讀出，液壓缸活塞桿的速度通過(guò)人工測(cè)量位移和時(shí)間后間接測(cè)取，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法不夠便捷直接，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差較大，測(cè)量精度受限，特別是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如壓力振擺和壓力偏移、過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)超調(diào)、上升時(shí)間的測(cè)量存在一定困難[5]。 2.2 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 在實(shí)現(xiàn)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)時(shí)，采用一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)作為主體構(gòu)成整個(gè)數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)：分別用壓力傳感器、流量傳感器取代原來(lái)的壓力表和流量計(jì)：同時(shí)為實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿速度的測(cè)取，在活塞桿上加裝位移傳感器；選擇合適的數(shù)據(jù)采集接口卡，用在數(shù)據(jù)采集接口卡上集裝的模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等器件采集數(shù)據(jù)；用數(shù)據(jù)采集接口卡與計(jì)算機(jī)接口來(lái)共同完成壓力、流量、速度的數(shù)據(jù)處理和顯示。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-2、2-3所示。 圖2-2 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)示意圖（a） 圖2-3 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)示意圖（b） 2.3 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求[6] [7] 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)的總體精度確定為6‰，壓力、流量、位移(速度)的單項(xiàng)測(cè)量精度為精度為5‰，由單人操作在15內(nèi)完成單項(xiàng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示，能夠在2分鐘內(nèi)完成單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在6分鐘內(nèi)完成原有實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。 （1） 傳感器 傳感器把動(dòng)態(tài)運(yùn)行的液壓系統(tǒng)中的各種待轉(zhuǎn)換的物理量，如壓力、流量、位移等非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)。 原液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)最大工作壓力63㎏f/cm2(6.3MPa)，原來(lái)3個(gè)模擬式壓力表的精度為50‰，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇3個(gè)壓力傳感器替代3個(gè)模擬式壓力表，因此，確定選擇的壓力傳感器量程為1OMPa，精度為5‰。 原液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用最大流量9L/min(l.5 x 10-4m3/s)，通徑為6㎜的橢圓齒輪流量計(jì)，精度為30‰，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇1個(gè)流量傳感器替代原來(lái)的橢圓齒輪流量計(jì)，因此，確定選擇的流量傳感器為9L/min(l.5 x 10-4m3/s)，精度為1‰。 原液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)測(cè)量活塞桿速度的秒表等工具的精度均為50‰，因此，確定選擇加裝在活塞桿的位移傳感器替代原來(lái)的工具，精度為l‰。 （2） 模擬多路開關(guān) 由于液壓實(shí)驗(yàn)中分時(shí)測(cè)量壓力、流量、速度，為簡(jiǎn)化電路、降低成本，采用了一個(gè)公共的A/D轉(zhuǎn)換器，分時(shí)對(duì)各路模擬量進(jìn)行刀D轉(zhuǎn)換，模擬多路開關(guān)可以輪流切換各路模擬量與A/D轉(zhuǎn)換器間的通道，使得在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)，只允許一路模擬信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換。模擬多路開關(guān)至少可提供10個(gè)單端或5個(gè)雙端單、雙極性模擬信號(hào)輸入通道，必須滿足液壓CAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集提供最大為2MHz/4=500KHz的采樣頻率的要求。 （3） 程控放大器 程控放大器的作用是將微弱的輸入信號(hào)進(jìn)行放大，以便充分利用A乃轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率。在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)多路模擬通道數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)中，各通道的模擬電壓信號(hào)有較大差異，因此要求對(duì)各通道采用不同的放大倍數(shù)進(jìn)行放大，即放大器的放大倍數(shù)可以實(shí)時(shí)控制改變。程控放大器的放大倍數(shù)隨時(shí)可以由一組數(shù)碼控制，這樣，在多路開關(guān)改變其通道序號(hào)時(shí)，程控放大器也由相應(yīng)的一組數(shù)碼控制改變放大倍數(shù)，即為每個(gè)模擬通道提供最合適的放大倍數(shù)。 在構(gòu)成液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)時(shí)，由于各檢測(cè)點(diǎn)所采用的傳感器類型不同，輸出的信號(hào)電平也有較大的差異。如壓力傳感器輸出的信號(hào)為毫伏級(jí)，位移傳感器輸出的信號(hào)為伏級(jí)，電壓變化范圍很寬。由于刀D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓規(guī)定為O～1OV。因此，必須根據(jù)輸入信號(hào)電平的大小，改變測(cè)量放大器的增益，使各輸入通道均用最佳增益進(jìn)行放大。要求輸入量程可擴(kuò)充為雙極性時(shí)的士1OV，士5V，士1V，士0.5V，士0.05V，士0.0lV，士0.005V及單極性時(shí)的0～10V，0～1V，0～0.1V，0～0.01V，分別具有l(wèi)，10，100，1000的放大倍數(shù)。 （4） 采樣/保持器 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，采樣/保持器可以使在這段時(shí)間內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號(hào)電壓保持不變，以保證有較高的轉(zhuǎn)換精度。設(shè)計(jì)中的程控放大器轉(zhuǎn)換時(shí)間為8μs，因此要保證采樣/保持器的孔徑時(shí)間小于1.6μs以保證轉(zhuǎn)換精度。 （5） A/D轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。 因整個(gè)系統(tǒng)的總體精度為5‰，設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率選定不少于為12位，量程為-10～+1OV，轉(zhuǎn)換時(shí)間為8μs，最高采樣頻率可達(dá)1OOHKz，轉(zhuǎn)換精度定為4‰就可以滿足要求。 （6） 微機(jī)及外部設(shè)備 微機(jī)是液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)CAT系統(tǒng)的核心。微機(jī)輔助測(cè)試與其它常規(guī)測(cè)試儀表的一個(gè)重要區(qū)別是它對(duì)軟件的依賴。微機(jī)在液壓CAT系統(tǒng)軟件指令下負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作進(jìn)行管理和控制，完成壓力、流量、速度信號(hào)從測(cè)取、處理到分析、顯示的一系列工作。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體，采用的微機(jī)的主板要具有AT總線接口，CPU為750M以上，硬盤為60G，內(nèi)存為128M，采用普通彩色顯示器，彩色打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。 3 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì) 3.1 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本組成 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、液壓泵站、常用液壓元件、電氣控制單元等幾部分組成[8]。 （1） 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架由實(shí)驗(yàn)安裝面板（鋁合金型材）、實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)等構(gòu)成。安裝面板為帶“T”溝槽形式的鋁合金型材結(jié)構(gòu)，可以方便、隨意地安裝液壓元件，搭接實(shí)驗(yàn)回路。 （2） 液壓泵站 系統(tǒng)額定工作壓力：0.8Mpa。 （a） 電機(jī)—泵裝置（臺(tái)） 電機(jī)：交流電機(jī)，功率0.75KW，轉(zhuǎn)速0～1420r/min； 泵：P106 額定壓力2.5MPa 額定流量：10L/min （b） 油箱：公稱容積30L；附有液位、油溫指示計(jì)，吸油、回油濾油器、安全閥等。 （3） 常用液壓元件（見相關(guān)硬件選取的表格） 每個(gè)液壓元件均配有安裝底板，可方便、隨意地將液壓元件安放在實(shí)驗(yàn)面板（鋁合金型材）上。油路搭接采用開閉式快換接頭，拆接方便，不漏油。 （4） 電氣控制單元 可編程序控制器(PLC)采用日本三菱FXIN-24MR，I/O口24點(diǎn)，繼電器輸出形式，電源電漏電脫扣器，接觸器，直流24V電源，電磁閥輸出控制口，連接線纜，插座，按鈕，指示燈等。 3.2 液壓控制系統(tǒng)的硬件選擇與基本回路的實(shí)現(xiàn) 液壓控制系統(tǒng)的硬件參見附錄A 該系統(tǒng)可以對(duì)十幾種基本回路進(jìn)行綜合性能的實(shí)驗(yàn)。 利用所提供的系統(tǒng)配置可以分別組合成：調(diào)壓﹑卸荷﹑蓄能分壓﹑自控背壓﹑節(jié)流﹑調(diào)速﹑差動(dòng)﹑同步﹑順序﹑加載等典型回路的拆分與組合。元件間采用國(guó)際通行的高壓樹脂軟管與卡套式快換接頭連接，連接快速，密封效果好，拆分方便，組合靈活，非常適用實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)[9] [10]。 幾種實(shí)驗(yàn)回路的演示實(shí)驗(yàn)如下： （1） 壓力控制回路中單作用增壓缸的增壓回路 圖3-1 單作用增壓缸的增壓回路 圖示位置工作時(shí)，系統(tǒng)供油壓力P1進(jìn)入增壓缸大活塞左腔，此時(shí)在小活塞右腔即可得到所需要的較高的壓力P2。當(dāng)兩位四通電磁換向閥右位接入系統(tǒng)時(shí)，增壓缸返回，輔助油箱中的油液經(jīng)單向閥補(bǔ)入小活塞右腔。因此該回路只能間斷增壓。 （2） 速度控制回路中進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路 圖3-2 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路 如圖所示，節(jié)流閥串聯(lián)在液壓泵和液壓缸之間。液壓泵輸出的油液一部分經(jīng)過(guò)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸工作腔，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，多余的油液經(jīng)溢流閥流回油箱。有溢流是這種調(diào)速回路能夠正常工作的必要條件。由于溢流閥有溢流，泵的出口壓力PP就是溢流閥的調(diào)整壓力并基本保持恒定。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流面積，即可調(diào)節(jié)節(jié)流閥的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度。 （3） 方向控制回路中溢流緩沖回路 圖3-3 溢流緩沖回路 圖所示的為溢流緩沖回路中的液壓缸雙向緩沖回路，緩沖用溢流閥1調(diào)節(jié)壓力應(yīng)該比主溢流閥2的調(diào)節(jié)壓力高5%—10%，當(dāng)出現(xiàn)液壓沖擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力使溢流閥1打開，實(shí)現(xiàn)緩沖，缸的另一腔（低壓腔）通過(guò)單向閥從油箱補(bǔ)油，以防止產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。 4 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)電氣控制與PLC控制原理 4.1 電器原理圖的繪制原則 為了便于閱讀和分析控制線路，根據(jù)簡(jiǎn)單清晰的原則，采用電器元件展開的形式繪制而成。它包括所有電器元件的導(dǎo)電部件和接線端點(diǎn)，但并不按照電器元件的實(shí)際布置位置來(lái)繪制，也不反應(yīng)電器元件的大小。由于原理圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層次分明，適合研究、分析電路的工作原理等優(yōu)點(diǎn)[11]。所以為了滿足控制系統(tǒng)的要求，所以必須符合以下要求： （1） 原理圖分主電路和輔助電路兩部分。 （2） 原理圖中，各電器元件不畫實(shí)際的外形圖，而采用國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定的各器元件的標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)，標(biāo)注也要用國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定的文字符號(hào)。 （3） 在原理圖中，各個(gè)電器元件和部件控制線路中的位置，可根據(jù)便于讀圖的原則安排，不必按實(shí)際位置畫，同一電器元件的各個(gè)部件可以不畫在一處。 （4） 原理圖中，所有電器觸點(diǎn)，都按沒(méi)有通電和沒(méi)有外力作用時(shí)的狀態(tài)畫出。 （5） 原理圖中，各電器元件一般按動(dòng)作順序從上到下，從左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。 （6） 原理圖中，有直接電聯(lián)系的交叉導(dǎo)線連接點(diǎn)，要用黑色圓點(diǎn)表示。 4.1.1 電氣設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題 （1） 盡量減少控制電源種類及控制電源的用量。 （2） 盡量減少元件的品種、規(guī)格與數(shù)量，同一用途的器件盡可能選用相同品牌、型號(hào)的產(chǎn)品。 （3） 在控制線路正常工作時(shí)，除必須通電的電器外，盡量減少通電電器的數(shù)量，以利于節(jié)能，延長(zhǎng)電器元件壽命和減少故障。 （4） 合理使用電器觸點(diǎn)。 4.1.2 電器元件的選擇與電氣控制圖的設(shè)計(jì) 4.1.2.1 電器元件的選擇 表4.1電氣元件的選擇 序號(hào) 元件名稱 元件型號(hào) 數(shù)量 序號(hào) 元件名稱 元件型號(hào) 數(shù)量 1 交流接觸器 CJ20-10 10A 220V 2 21 多股銅芯線 BVR-1.0MM2 200m 2 塑料外殼式斷路器 DZ108-20 10A 1 22 多股銅芯線 BVR-1.5MM2 100m 3 塑料外殼式斷路器 DZ108-20 3A 1 23 冷壓端頭 HSV 1-4S 500粒 4 單極斷路器 DZ47-63 C5 1 24 可編程按制器 FX1N-40MR-001 1 5 單極斷路器 DZ47-63 C3 2 25 電壓表 85C1-V 0-50V 1 6 單極斷路器 DZ47-63 C1 7 26 三檔旋鈕 LAY50-11X3 1 7 二極管 IN4007 200V 6 27 兩檔旋鈕 LAY50-11X2 1 8 行程開關(guān) ME8108 6 28 溫控儀 XMTD-2001 1 9 快速插頭插座 XS12K2P二芯 26套 29 四芯屏蔽線 2464 0.76mm 30mil 50m 10 快速插頭插座 XS12K2P四芯 14套 11 信號(hào)燈 φ10 24V 21 30 導(dǎo)軌 1000mm*35mm 1 12 自鎖帶燈按鈕 LAY50-11DT/24 綠10 紅1 11 31 開關(guān)電源 HS-150-24V 1 13 擋板 4塊 32 纏繞管 φ8 20m 14 普通按鈕 LAY50-11紅6綠6 12 33 纏繞管 φ16 40m 15 自鎖帶燈按鈕 LAY50-11TD/24 3綠 3 34 黑色記號(hào)筆 1 16 中間繼電器 HH54P DC24V 7 35 卡軌 1m/根 1 17 電流表 85C1-A 10ADC 1 36 接線端子板 JF5 25A 8 18 緊急停止按鈕 LAY50-11Z 1 37 接線端子板 JF5 10A 10 19 多股銅芯線 BVR-0.5mm2 100m 38 行線槽 30mm*30mm 2 20 絕緣膠木板 765mm*520*8mm 1 39 銅箔連接板 100mm*50mm 1 4.1.2.2 電氣控制圖的設(shè)計(jì) 由于液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，因此液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要一個(gè)變壓器把電壓從220V變到24V，其次由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等運(yùn)行性能的控制，同樣也要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)作用，因此電氣控制圖如下： 圖4.2 電氣控制回路 圖4.3 電氣控制回路 4.2 PLC控制原理 4.2.1 可編程控制器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟[12] (1) 根據(jù)被控對(duì)象的控制要求， 確定整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備的數(shù)量， 從而確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)， 包括開關(guān)量I/O、 模擬量I/O以及特殊功能模塊等；  (2) 充分估計(jì)被控制對(duì)象和以后發(fā)展的需要， 所選PLC的I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)留有一定的余量； (3) 確定選用的PLC機(jī)型；  (4) 建立I/O地址分配表， 繪制PLC控制系統(tǒng)的輸入/輸出硬件接線圖；  (5) 根據(jù)控制要求繪制用戶程序流程圖；  (6) 編制用戶程序， 并將用戶程序裝入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器；  (7) 離線調(diào)試用戶程序；  (8) 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試用戶程序；  (9) 編制技術(shù)文件。 4.2.2 可編程控制器的確定 可編程控制器的分類: （1）按I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量分類[13] （a）小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下，用戶程序存儲(chǔ)器容量在2K步以下的可編程控制器稱為小型PLC。 （b）中型PLC： I/O點(diǎn)數(shù)在256到2048之間，用戶程序存儲(chǔ)器容量在2K到8K步之間的可編程控制器稱為中型PLC。 （c）大型PLC： I/O點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程序存儲(chǔ)器容量在8K步以上的可編程控制器稱為大型PLC。 （2） 按結(jié)構(gòu)型式分類 （a）整體式PLC，是目前使用最普遍的一種型式。它是將電源、CPU、I/O模塊及存儲(chǔ)器等各個(gè)部分都集中在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，通常稱之為基本單元。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。 （b）模塊式PLC，它是將PLC各組成部分按功能的不同作成獨(dú)立的模塊，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等，然后安裝在同一塊基板或框架上。這種結(jié)構(gòu)配置靈活，裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。一般大、中型PLC常采用這種結(jié)構(gòu)。 （c）疊裝式PLC，這種結(jié)構(gòu)將整體式結(jié)構(gòu)緊湊和模塊式結(jié)構(gòu)配置靈活的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，其中CPU、電源等單位也為各自獨(dú)立模塊，但安裝不用基板，而用電纜進(jìn)行連接，且各模塊可以一層一層地疊加。 （3）按功能分類[14] （a）低檔機(jī)，具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，主要用于順序控制、邏輯控制或少量模擬量的單位的單機(jī)控制系統(tǒng)。 （b）中檔機(jī)，除有低檔機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量處理、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)值的比較與傳送、遠(yuǎn)程I/O及聯(lián)網(wǎng)通信等功能。 （c）高檔機(jī)，除有中檔機(jī)的功能外，增設(shè)有帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算及其他特殊功能運(yùn)算。 通過(guò)上面的可編程控制器的分類，我們可以確定液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的選擇如下： 表4.4 可編程控制器的確定 型號(hào) 輸入點(diǎn)數(shù) 輸出點(diǎn)數(shù) AC電源 DC電源 繼電器輸出 晶體管輸出 繼電器輸出 晶體管輸出 FXON-48MR FXON-48MT FXON-48MR FXON-48MT 24 24 4.3 PLC程序設(shè)計(jì)的原則 在控制系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì)非常重要，為了滿足控制系統(tǒng)的要求編制的軟件必須符合以下要求[15]。 （1） 易維護(hù)：由于自動(dòng)化程度的不斷提高，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員很難在一段時(shí)間內(nèi)就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解無(wú)誤，軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試不可能一次就完成，很多的問(wèn)題是在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的，這就要求編制的軟件易于理解和修改。 （2） 實(shí)時(shí)性：由于工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所以對(duì)應(yīng)用軟件的執(zhí)行速度都有一定的要求，即能夠在被控對(duì)象允許的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制計(jì)算和處理。實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)的普遍要求，要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生并及時(shí)給出處理結(jié)果。近年來(lái)隨著硬件的集成度與速度的提高配合相應(yīng)的軟件實(shí)時(shí)性很容易滿足要求。 （3） 可靠性：在控制系統(tǒng)中系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，它是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本保障?？煽啃砸环矫嫒Q于硬件組成，另一方面又取決于軟件結(jié)構(gòu)，它包括兩方面的含義；第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)軟件能夠可靠的運(yùn)行并給出正確結(jié)果；第二是軟件能夠在工業(yè)環(huán)境極其惡劣環(huán)境下運(yùn)行。 4.4 PLC的控制電氣圖 在整個(gè)液壓臺(tái)設(shè)計(jì)中，需要檢測(cè)的輸入量有24個(gè)，輸出量有16個(gè)。系統(tǒng)中可編程控制器的輸入/輸出端子分配如圖所示： 圖4.5 PLC控制回路設(shè)計(jì) 5 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝與調(diào)試 5.1 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝是根據(jù)系統(tǒng)液壓控制原理圖和電氣原理圖，安裝液壓元件和PLC 的各模塊并且將PLC的各個(gè)I/O 模塊和各種傳感器等執(zhí)行元件相連。其安裝步驟如下： （1） 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和控制面板的安裝； （2） 電源的安裝； （3） 液壓泵站； （4） I/O 模板的安裝； （5） 電源及機(jī)架的接地； （6） I/O 擴(kuò)展電纜連接； （7） I/O 模塊接線； （8） 現(xiàn)場(chǎng)布線。 5.2 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)試分為線路檢查和軟件調(diào)試兩部分。 5.2.1 線路檢查 線路檢查包括兩個(gè)方面：一是連接的正確性，另一個(gè)是線路連接的可靠性，即接線是否有效。檢查線路是為了保證液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的正確安全工作。只要耐心認(rèn)真地按照設(shè)計(jì)圖紙一一對(duì)應(yīng)就行，重點(diǎn)檢查的是接線的質(zhì)量，因?yàn)槿魏我粋€(gè)線頭都可能松動(dòng)導(dǎo)致運(yùn)行出錯(cuò)。特別是當(dāng)幾個(gè)線頭接到一個(gè)端子上而這些線既有散線又有實(shí)心線并且線的粗細(xì)不相同時(shí)對(duì)接線質(zhì)量的檢查就更為重要。檢查出來(lái)沒(méi)有接好的就地重接[16]。 5.2.2 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和PLC程序輸入調(diào)試。 （1） 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 在接線工作完成之后，可以進(jìn)行液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的上電調(diào)試。首先對(duì)每個(gè)端口進(jìn)行測(cè)試，避免因?yàn)閱蝹€(gè)端口的問(wèn)題導(dǎo)致調(diào)試失敗。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況如圖： 圖5. 1 主工作臺(tái) （2） PLC程序輸入調(diào)試 PLC程序調(diào)試，主要按照面板的設(shè)計(jì)進(jìn)行逐個(gè)調(diào)試，如果出現(xiàn)故障，就按照信息傳輸?shù)倪^(guò)程進(jìn)行檢查，先檢查硬件接線，再檢查軟件。為了驗(yàn)證液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件是否能工作，于是通過(guò)下面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)一：液壓缸左右移動(dòng)實(shí)驗(yàn) （1） 實(shí)驗(yàn)回路 圖5.2 液壓缸左右移動(dòng)工作示意圖 （2） 硬件接線圖 圖5.3 液壓缸左右移動(dòng)硬件接線圖 （3） 梯形圖 圖5.4 液壓缸左右移動(dòng)梯形圖 指令表如下： LD M8002 SET S0 STL S0 LD S0 SET S20 STL S20 OUT Y1 LD X2 SET S21 STL S21 OUT T1 K100 SET S22 STL S22 OUT Y2 LD X1 SET SO END 實(shí)驗(yàn)二：液壓試驗(yàn)臺(tái)行程開關(guān)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) 此回路由行程開關(guān)控制順序回路。 當(dāng)電磁閥1通電缸I右行，碰到行程開關(guān)①，PLC輸出信號(hào)給電磁閥2，電磁閥2通電，缸II右行，碰到行程開關(guān)②，PLC輸出信號(hào)，使電磁閥1斷電，缸I左行，碰到行程開關(guān)③，給出信號(hào)，電磁閥2斷電，缸II左行至終點(diǎn)。 （1） 實(shí)驗(yàn)油路 圖5.5 液壓試驗(yàn)臺(tái)行程開關(guān)自動(dòng)控制示意圖 （2） 硬件示意圖 圖5.6 液壓試驗(yàn)臺(tái)行程開關(guān)自動(dòng)控制硬件示意圖 （3） 梯形圖 圖5.7 液壓試驗(yàn)臺(tái)行程開關(guān)自動(dòng)控制梯形圖 指令表如下： LD X0 OR X1 ANI X1 OUT Y1 LD X2 OR X10 OR Y2 ANI X1 ANI X11 OUT Y2 LD X3 OR X7 OR Y3 ANI X6 ANI X1 OUT Y3 END 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)一可知SB1與SB2決定兩種不同的工作方式，所以避免同時(shí)按下SB1與SB2導(dǎo)致X0、X1一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)為ON從按鈕上進(jìn)行互鎖。而實(shí)驗(yàn)二中，首先統(tǒng)計(jì)輸入、輸出信號(hào)，分配端口，可以選擇FX1N——32MP得到了如圖所示的硬件接線圖。由于實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二都可以正常的進(jìn)行工作，因此這個(gè)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)能滿足實(shí)驗(yàn)的需求。 結(jié) 束 語(yǔ) 本文根據(jù)對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理的分析，從液壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，硬件元件的選擇，電氣控制設(shè)計(jì)，PLC控制電氣設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝與調(diào)試等方面闡述了液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)的過(guò)程。該液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程穩(wěn)定可靠，可以滿足學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的要求。 通過(guò)這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)，使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助下，通過(guò)收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，為我即將走上工作崗位，獨(dú)自去面對(duì)各種挑戰(zhàn)，出色地完成工作任務(wù)打下了一定的基礎(chǔ)。 由于本人水平有限，經(jīng)驗(yàn)少。文中定有許多不妥甚至錯(cuò)誤之處，請(qǐng)各位老師給予指正和教導(dǎo)，本人表示深深的謝意。  致 謝 在畢業(yè)設(shè)計(jì)即將完成之際，在這里由衷的向關(guān)心過(guò)和幫助過(guò)我的人表示真誠(chéng)的感謝！ 首先，特別感謝陸寶春教授和王榮林老師，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，陸寶春教授和王榮林老師活躍的學(xué)術(shù)思維、淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、謙遜正直的為人給我留下了深刻的印象，將使我終生受益。在此對(duì)陸寶春教授和王榮林老師致以崇高的敬禮并表示深深的感謝。 此外，還要衷心感謝機(jī)械工程系的其他曾經(jīng)給予我指導(dǎo)、問(wèn)題解答的老師，以及與我朝夕相處、共同研討解決設(shè)計(jì)中碰到疑難的同窗學(xué)友。 最后，感謝畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的評(píng)閱老師，希望他們能在評(píng)閱我的論文之后，指出不足，給出建議。  參 考 文 獻(xiàn) [1] 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[15] FX系列特殊功能模塊用戶手冊(cè).光行天 [16] 王積偉，章宏甲，等.電氣與PC控制技術(shù).南京：南京理工大學(xué)出版，2000. 附錄A 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的配置 部件名稱 部件型號(hào) 數(shù)量 液壓站配置 電機(jī) MIP4H523 1臺(tái) 齒輪泵 P106 1臺(tái) 先導(dǎo)溢流閥 Y-10B 1個(gè) 二位二通電磁閥 22EH-B6H-T 1個(gè) 雙作用單出桿油缸 YG1-YJ32R16X200 2個(gè) 雙作用單出桿差動(dòng)油缸 YG1-YJ32R16X200 1個(gè) 雙作用雙出桿油缸 YG1-YJ32R16X200 1個(gè) 雙作用單出桿油缸 YG1-YJ32R16X200 1個(gè) 增壓油缸 ZYG-YJ32R16 X160 1個(gè) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本配置 三位四通電磁換向閥 34WE6MA 1個(gè) 三位四通電磁換向閥 34WE60A 1個(gè) 三位五通電磁換向閥 35WE6A 1個(gè) 二位四通電磁換向閥 24WEH6A 2個(gè) 二位三通電磁換向閥 23WE6A 1個(gè) 二位二通電磁換向閥 22WE6A 2個(gè) 三位四通手動(dòng)換向閥 34WMM6-F 1個(gè) 液控單向閥 CPG-06 2個(gè) 分流集流閥 FJL-B06 3個(gè) 單向調(diào)速閥 2FRM60 1 先導(dǎo)型溢流閥 DB06 2 先導(dǎo)型感壓閥 DR06 1 先導(dǎo)型順序閥 DZ06 2 直動(dòng)式溢流閥 DB06DP 2 直動(dòng)式感壓閥 DR06DP 1 單向節(jié)流閥 MK06 1 節(jié)流閥 MG06 1 單向閥 CRG06 4 壓力繼電器 ST307 2 三通接頭 ST3 6 四通接頭 ST4 1 量筒 1 行程開關(guān) ME8108 4個(gè) 透明油管 22根 PLC FX1N-24MR 1個(gè) 溫控儀 XMTD 1個(gè) 中間繼電器 2個(gè) 航空插座2芯 2個(gè) 航空插座4芯 2個(gè) 附件 綠色自鎖帶燈24V按鈕 2個(gè) 信號(hào)燈24V 4個(gè) O型圈 ф16*2.4 50個(gè) O型圈 ф12*2.4 10個(gè) O型圈 ф9*2.4 50個(gè) O型圈 ф14*2.4 20個(gè) 電氣元件表 序號(hào) 元件名稱 元件型號(hào) 數(shù)量 序號(hào) 元件名稱 元件型號(hào) 數(shù)量 1 交流接觸器 CJ20-10 10A 220V 2 21 多股銅芯線 BVR-1.0MM2 200m 2 塑料外殼式斷路器 DZ108-20 10A 1 22 多股銅芯線 BVR-1.5MM2 100m 3 塑料外殼式斷路器 DZ108-20 3A 1 23 冷壓端頭 HSV 1-4S 500粒 4 單極斷路器 DZ47-63 C5 1 24 可編程按制器 FX1N-40MR-001 1 5 單極斷路器 DZ47-63 C3 2 25 電壓表 85C1-V 0-50V 1 6 單極斷路器 DZ47-63 C1 7 26 三檔旋鈕 LAY50-11X3 1 7 二極管 IN4007 200V 6 27 兩檔旋鈕 LAY50-11X2 1 8 行程開關(guān) ME8108 6 28 溫控儀 XMTD-2001 1 9 快速插頭插座 XS12K2P二芯 26套 29 熱電偶 MT-PE00 1 10 快速插頭插座 XS12K2P四芯 14套 30 四芯屏蔽線 2464 0.76mm 30mil 50m 11 信號(hào)燈 φ10 24V 21 31 導(dǎo)軌 1000mm*35mm 1 12 自鎖帶燈按鈕 LAY50-11DT/24 綠10 紅1 11 32 開關(guān)電源 HS-150-24V 1 13 擋板 4塊 33 纏繞管 φ8 20m 14 普通按鈕 LAY50-11紅6綠6 12 34 纏繞管 φ16 40m 15 自鎖帶燈按鈕 LAY50-11TD/24 3綠 3 35 黑色記號(hào)筆 1 16 中間繼電器 HH54P DC24V 7 36 卡軌 1m/根 1 17 電流表 85C1-A 10ADC 1 37 接線端子板 JF5 25A 8 18 緊急停止按鈕 LAY50-11Z 1 38 接線端子板 JF5 10A 10 19 多股銅芯線 BVR-0.5mm2 100m 39 行線槽 30mm*30mm 2 20 絕緣膠木板 765mm*520*8mm 1 40 銅箔連接板 100mm*50mm 1