液压动力滑台的控制

题 目 液压动力滑台的控制

【摘要】

本论文主要阐述了液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。液压动力滑台通过液压传动系统可以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。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序，它的性能直接关系到机床质量的优劣。

本设计是在充分分析了液压动力滑台的液压传动系统及工作原理的基础上，通过继电器一接触器控制与PLC控制方案的对比我选择了PLC控制，根据控制要求选择了PLC的型号，在硬件设计中画出了PLC的外部接线图；在软件设计中，设计了液压动力滑台PLC控制系统的软件流程图和梯形图，实现了控制要求。 关键词： 液压，动力滑台，PLC，控制

Abstract:

The captionHydraulic Power Sliding Table is a combination of tools

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used to achieve the feed movement of the general components, hydraulic power slide in the modular machine tool has been widely used. Hydraulic Power Sliding Table by hydraulic variable speed drive system can be easily carried her, positive and negative to stable, the impact force is small, easy to work frequently change. Configuration corresponding power head, spindle and tool box on the workpiece can be completed after the processing of various holes, face processing and other processes, its performance is directly related to the merits of quality machine tools.

The design is a full analysis of the hydraulic power transmission and hydraulic slide sets based on the principle, by a contactor control relay and PLC control program for comparison I chose the PLC control and PLC based control requirements of the model chosen, In the hardware design to draw the external wiring diagram of PLC; in software design, the design of the Hydraulic Power Sliding Table PLC control software flow chart and ladder, to achieve the control requirements.

Key words:Hydraulic, Power Sliding Table，PLC，control

目 录

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前 言

液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。液压动力滑台通过液压传动系统可以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。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序[1~2]，它的性能直接关系到机床质量的优劣。它利用液压传动系统实现滑台向前或向后的运动，由液压缸的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，实现滑台的工作循环。传统的液压传动系统是由电气控制线路控制，由于这种控制线路的触点多，接线复杂，可靠性低，灵活性差，功耗高，而且维修困难，其大量的硬件接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率影响了加工质量，因此越来越满足不了现代化生产过程的复杂多变的控制要求。现采用PLC对此系统进行控制，能很方便的实现多种复杂的自动工作循环，使用简单，编程方便，可靠性高，通用性和灵活性强，采用PLC控制液压系统完成基本的动作—液压缸的自由进退，从而实现液压动力滑台的进给运动。YT4543型液压动力滑台的工作循环是：快进→一工进→二工进→死挡铁停留→快退→原位停止六种工况。

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1 概述

1.1液压动力滑台的应用

液压动力滑台是组合机床用来实现进给运动的通用部件，液压动力滑台在组合机床中已得到广泛的应用。 液压动力滑台通过液压传动系统可以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。配置相应的动力头、主轴箱及刀具后可以对工件完成各种孔加工、端面加工等工序，它的性能直接关系到机床质量的优劣。

为了满足不同工艺方法的要求，动力滑台除提供足够大的进给力外，还应能实现“快进→工进→停留→快退→原位停止”等工作循环。其中，除快进和快退的速度不可改变外，用户可根据工艺要求，对工进速度的大小进行调节。由于液压动力滑台的机械结构简单，配上电气后实现进给运动的自动工作循环容易，又可以很方便地对工进速度进行调节。其中尤以YT4543型液压动力滑台应用最广。

液压传动，具有功率密度高、结构紧凑、运动平稳、有利于系统传动链的简化和实现无级调速等优点，因而在一些中、大型机床中应用广泛。但由于国内液压技术水平及液压传动本身的缺陷，如油液的可压缩性 、泄漏等，许多液压机床都存在液压动力滑台精度不高、柔性差和控制水平不高的问题。液压动力滑台，作为广为使用的基础件，如何充分利用其优势，克服或改善其不足，是一个急需解决的问题。自80年代中期以来，国内外开始将微电子技术、计算机控制技术等，用来改进、发展和拓宽液压技术的水平及其应用范围，液压动力滑台的性能得到了一定的改善提高。

1.2液压与气动的特点

1.2.1 液压传动有以下一些优点

1. 在同等体积下，液压装置比电气装置产生更高的动力。在同等功率下，液压装置体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率的电动机12%左右。

2. 液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。

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3. 液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以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节或控制。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的顺序动作，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的。

6. 由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。

7. 用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。

1.2.2 液压传动的缺点

1. 由于流体流动的阻力损失和泄漏是不可避免的，所以液压传动在工作过程中常有较多的能量损失。

2. 工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。

3. 为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求很高，因而价格较贵。 4. 液压传动出现故障时不易找出原因。

1.2.3 气压传动的优点

1. 空气可以从大气中取得，同时，用过的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，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。

2. 空气的粘度小，在管道中的压力损失很小，因此压缩空气便于集中供应和远距离输送。

3. 因压缩空气的工作压力较低（一般为0.3~0.8MPa），因此，对气体元件的材料和制造精度上的要求较低。

4. 气体系统维护简单，管道不易堵塞。 5. 使用安全，并且便于实现过载保护。

1.2.4 气压传动的缺点

1. 由于空气具有可压缩的特性，因此运动速度的平稳性不如液压传动。

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2. 因为工作压力较低和结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一般不可能很大。

3. 传动效率较低。

总的来说，液压与气压传动的优点是主要的，而它们的缺点通过技术条件进步和多年的不懈努力，已得到克服或得到了恨得的改善。

1.3液压系统实例

液压传动系统是根据机械设备的工作要求，选用适当的液压基本回路经过有机组合而成。阅读一个较复杂的液压系统图，可分为以下几个步骤：

1. 了解机器设备的工作原理，从而了解机械设备的工况对液压系统的要求;了解在工作循环中的各个工况对力、速度和方向这三个参数的要求。

2. 初读液压系统图，了解系统中包含那些元件，并且以执行元件为中心，将系统分解为若干个子系统。

3. 逐个分析每一个子系统，了解其执行元件与相应的阀、泵之间的关系和由那些基本回路组成。参照电磁铁动作表和执行元件的动作要求，理清其液流路线。

4. 工作系统的安全性。 5. 动作效率。

6. 在全面读懂液压系统的基础上，根据系统所使用的基本回路的性能，对系统作综合分析，归纳总结整个液压系统的特点，以加深对液压系统的理解。

1.4 继电器—接触器控制与PLC控制方案的比较

1.4.1 继电器—接触器控制的优缺点

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、价格便宜等。在工业生产上应用较广。但是这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗点较多、功能少，特别是由于它靠硬接线构成系统， 接线复杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线和控制盘( 柜 ) 就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。

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1.4.2 PLC在液压动力滑台中的应用

随着制造业的发展和新技术的应用，工业生产对控制设备的可靠性和灵活性的要求越来越高，传统的继电器一接触器控制由于其自身的缺陷将越来越不适应生产的需要。

PLC是可编程控制器的简称，是专为工业应用而设计的电子控制装置，具有抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、编程简单、维护方便等优点。因此，在工业生产中用PLC代替继电器一接触器控制将是必然的，现采用PLC对YT4543型液压动力滑台进行控制系统的设计。

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2 液压动力滑台液压传动系统及工作原理

2.1 功能结构

YT4543型动力滑台是众所周知的一种组合机床通用部件，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个工况的自动控制，现对其原有液压系统进行了改进，液压动力滑台的结构简图如图2-1所示。

图2-1 液压动力滑台的结构简图

2.2 液压传动系统及工作原理

2.2.1 液压传动部分的工作原理

液压系统工作循环图如图2-2所示，工作原理图如图2-3所示。系统仍采用单向变量泵供油，执行器采用缸固定活塞式液压缸10。采用综合性能好的标准电磁换向阀7和8代替了原系统电液换向阀实现动力滑台自动工作循环，采用回油路调速阀调速保证工作进给速度稳定。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顺序表，结合表2-1对系统在各工况下的油液流动路线说明如下。

图2-2

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图2-3 液压系统工作原理图

1 液压泵；2溢流阀；3单向阀；4，12二位二通电磁换向阀；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；11单向阀和调速阀

液压传动部分作出如下讲解：

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的压力油经单向阀3、换向阀8进入缸10的无杆腔，缸10有杆腔回油经换向阀7和8反馈进入液压缸10的无杆腔。由于动力滑台空载，系统压力低，液压缸成差动连接，且液压泵1有最大的输出流量，滑台向左快进。

2. 一工进 当快进到规定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的压力油经单向阀3、换向阀8进入缸10的无杆腔，缸10有杆腔经阀7的通路堵死，只有经阀8右位、调速阀6、换向阀4排油。流出缸10有杆腔的流量由调速阀6的开度大小决定，由于阀6的作用，系统压力升高，泵1输出的流量减小，动力滑台以第一种工进速度向左运动。

3. 二工进 动力滑台以第一种工进速度运动到预定位置时，活动挡块压下

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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的进油路同一工进，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的开度大小决定（调速阀5的开度小于调速阀6的开度），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无杆腔的压力憋高，压力继电器9（KP）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的供油压力升高，流量减少至仅需满足补偿泵和系统的泄漏量。

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，4YA通电，换向阀12切换至左位。泵1的压力油经换向阀12和8进入缸10有杆腔，缸10无杆腔经换向阀8排回油箱。由于此时为空载，系统压力很低，泵1输出的流量最大，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（SQ4），使电磁铁1YA、2YA、3YA、4YA均断电，换向阀4、7、8和12复至图示位置，动力滑台停止运动，泵1通过溢流阀2卸载。

7. 技术特点

(1) 采用电磁换向阀取代了结构复杂的电液换向阀，系统油路结构简化，运行可靠，易于检修维护。

(2) 采用回油路调速阀调速，动力滑台工进工况稳定性好。

(3) 液压泵原位停止时通过电磁换向阀卸载，能够使泵在下次自动工作循环开始时处于低压。

2.2.2 电气部分的简介及工作原理

电气控制技术是以各类电动机为动力的传动装置与系统为对象，以实现生产过程自动化的控制技术。电气控制系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用，是实现工业生产自动化的重要技术手段。

随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从笨重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。

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作为生产机械动力的电机拖动，经历了漫长的发展过程。20世纪初，电动机直接取代蒸汽机。开始是成组拖动，用一台电动机通过中间机构（天轴）实现能量分配与传递，拖动多台生产机械。这种拖动方式电气控制线路简单，但机构复杂，能量损耗大，生产灵活性也差，不适应现代化生产的需要。20世纪20年代，出现了单电机拖动，即由一台电动机拖动一台生产机械。单电机拖动相对成组拖动，机械设备结构简单，传动效率提高，灵活性增大，这种拖动方式在一些机床中至今仍在使用。随着生产发展及自动化程度的提高，又出现了多台电动机分别拖动各运动机构的多电机拖动方式，进一步简化了机械结构，提高了传动效率，而且使机械的各运动部分能够选择最合理的运动速度，缩短了工时，也便于分别控制。

继电器—接触器控制系统至今仍是许多生产机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习更先进电气控制系统的基础。它主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。它具有控制简单、方便实用、价格低廉、易于维护、抗干扰能力强等优点。但由于其接线方式固定，灵活性差，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要，且工作频率低，触点易损坏，可靠性差。

以软件手段实现各种控制功能、以微处理器为核心的可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是20世纪60年代诞生并开始发展起来的一种新型工业控制装置。它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境，指令系统简单、编程简便易学、易于掌握，体积小、维修工作少、现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，广泛应用于冶金、采矿、建材、机械制造、石油、化工、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环保等各个行业的控制中。在自动化领域，可编程控制器与CAD/CAM、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱，其应用日益广泛。可编程控制器技术是以硬接线的继电器—接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或者模拟量的输入、输出满足各种类型机械控制的需要。可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统联成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。 电气控制部分是控制液压元件进行工作的。对液压部分的控制如表2-1 液压动力滑台液压系统电磁铁及压力继电器动作顺序表的描述，画出电气控制原理图。电气原理图如下图2-4,2-5所示。

表2-1 液压动力滑台液压系统电磁铁及压力继电器动作顺序表

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电磁铁及压力继电器状态 工况 快进 一工进 二工进 死挡铁停留 快退 原位停止

1YA（KA1) + - - - + - 2YA (KA2) + + + + - - 3YA (KA3) - + - - - - 4YA (KA4) - - - - + - YJ - - - + - -

图2-4

图2-5

电气控制部分作出如下讲解：

1 快进 按下SB1按钮，使线圈KA1通电，KA1通电控制KA2通电，通过触点KA1，KA2控制电磁铁1YA,2YA通电，实现液压部分的快进控制功能。

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2 一工进 当液压缸的伸缩杆碰触到SQ2，使线圈KA3得电，线圈KA1失电。所以，电磁铁1YA断电，2YA,3YA得电。实现液压部分的一工进控制功能。

3 二工进 当液压缸的伸缩杆碰触到SQ3，使线圈KA3失电，电磁铁1YA失电，2YA得电，3YA失电。实现液压部分的二工进控制功能。

4 死板挡铁停留 通过压力继电器控制，当系统压力在压力继电器的控制范围内，液压缸的伸缩杆在碰触挡铁的地方停留。

5 快退 当系统压力达到压力继电器控制的范围，KP闭合，使线圈KA4通电，由电路图可以看出，KA4得电，线圈KA1得电，所以电磁铁1YA,4YA都得电，实现液压部分的快退控制功能。

6 原位停止 当液压缸的伸缩杆碰触到SQ1时，SQ1控制SB4，断掉总线路的电源，所以，线圈KA1，KA2，KA3，KA4都失电。则，电磁铁1YA,2YA,3YA,4YA都失电，液压部分实现原位停止的功能。

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3 液压动力滑台PLC控制系统的设计

3.1 硬件的设计

根据液压动力滑台的工艺特性、控制要求以及实际输入/输出点数情况，并考虑将来系统扩大功能的需要，留有一定的裕量，选定PLC的型号为三菱公司的FX2N-32MR-001，输入/输出点分配情况如下所示。

输入电器 输入点

启动按钮SB5 I0.0 停止按钮SB4 I0.1 快退按钮SB6 I0.2 行程开关SQ1 I0.3 行程开关SQ2 I0.4 行程开关SQ3 I0.5 压力继电器KP I0.6 自动开关SA1-1 I0.7 手动开关SA1-2 I0.8 输出电器 输出点 电磁铁1YA Q0.0 电磁铁2YA Q0.1 电磁铁3YA Q0.2 电磁铁4YA Q0.3

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. SB5、SB4和SB6是3个按钮开关，SB5是控制动力滑台向前运行的开始；SB4是控制动力滑台随时停止的按钮；SB6是控制动力滑台后退的按钮。

4. 压力继电器KP是控制动力滑台死挡铁停留的元件。 5. 1YA、2YA、3YA和4YA是液压传动回路中的电磁铁。 如图3-1所示为系统中PLC的外部接线图。

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图3-1

3.2 软件的设计

3.2.1 软件流程图的设计

根据液压动力滑台的动作控制要求及PLC输入9点、输出4点的分配情况，对PLC控制系统的软件设计采用软件流程图进行设计，各步驱动各步相对应的元件动作，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→原位停止六种工况的要求。系统的软件流程图如图3-2所示。

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图3-2系统软件流程图

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3.2.2 梯形图的设计

考虑到在实际控制中的需要，采用转换开关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的情况，采用控制按钮X2控制动力滑台快退来控制液压动力滑台退回原位。根据动力滑台设计要求结合软件流程图作梯形图如图3-3所示。

图3-3 PLC控制系统梯形图

根据梯形图，编写指令如下所示：

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0 LD I0.0 1 A I0.3 2 O M0.0 3 A I0.7 4 LD I0.0 5 A I0.8 6 OLD 7 AN I0.1 8 = M0.0 9 LD M0.0 10 AN M0.1 11 LD I0.2 12 AN I0.3 13 OLD 14 AN I0.1 15 = Q0.0 16 LD M0.0 17 AN I0.1 18 LPS 19 AN T37 20 = Q0.1 21 LPP 22 A M0.1 23 AN M0.2 24 = Q0.2 25 LD M0.0 26 A I0.4 27 O M0.1 28 AN M0.3 29 AN T37 30 AN I0.1 31 = M0.1 32 LD M0.1

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33 A I0.5 34 O M0.2 35 AN I0.1 36 = M0.2 37 AN I0.1 38 = Q0.3 39 LD M0.2 40 A I0.6 41 O T37 42 AN M0.1 43 TON T37 20 44 End 指令

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结 束 语

液压动力滑台是自动化程度较高的部件，对可靠性、运动精度要求较高，其控制系统具有一定的复杂性。本设计是在充分分析了液压动力滑台的液压传动系统及工作原理的基础上设计的。明白了液压系统“快进→一工进→二工进→停留→快退→原位停止”六种工况各自的液压回路，根据控制要求画出了电气原理图，根据控制要求选择了PLC的型号，在硬件设计中设计出了PLC的外部接线图；在软件设计中，设计了液压动力滑台PLC控制系统的软件流程图和梯形图，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，由于这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗点较多、功能少，特别是由于它靠硬接线构成系统，接线复杂，通用性和灵活性较差。采用PLC对原有的继电器—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，提高了系统的稳定性和可靠性，此控制系统具有良好的柔性，系统维护和升级也变得容易。其灵活方便的优点显得更加突出，投资少，经济效益高。

由于我所掌握的知识面还不够全面，设计中难免有不足之处，我会随着自己所掌握知识的不断累积来不断的完善自己，一次比一次更进一步。

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谢 辞

在整个毕业设计中，我得到了指导老师梁洪洁老师的热心指导和帮助，我在论文设计过程中遇到了一些问题，是导师为我的论文提出了指导性的意见，为我的论文的撰写扶正了方向，在导师的指导下我少走了许多的弯路，使我能够顺利的完成了论文设计。在此，特向我尊敬的导师致以最衷心的感谢！

经过这次设计，我一方面看到了自己的不足，认识到自己所掌握的知识还很有限；另一方面，我也明白了学习知识与应用知识的不同。学过的知识并不代表就会应用，实践是检验一切的关键，只有把学过的知识整理出来，应用到实际当中。学习的关键在于学以致用，学以致用才是最终目的。这次设计让我找到了收获的快乐，在此也向设计过程中给予我帮助和指导的各位老师和同学们表示由衷的谢意！

再次由衷的感谢给予我帮助和指导的副教授！

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