全液压翻转机系统设计.pdf

2 0 1 2年 1 1 月 第 4 0卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI C S NO V ．2 01 2 Vo 1 ． 40 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 2 ． 0 1 8 全液压翻转机系统设计 陈杰 ，金鑫 ，张晖 ，张柯 ，张悦 ，王志远 1 ．上海交通大学材料科学与工程 学院，上海 2 0 0 2 4 0 ； 2 ．卡特彼勒 徐 州有限公 司，江苏徐 州 2 2 1 0 0 1 摘要为实现大型结构件的翻转，提高生产效率 ，采用全液压翻转机已成为一种趋势。作者从机械结构、电控系统、 液压系统等方面介绍了一种全液压翻转机的设计过程。实际应用表明，该新型全液压翻转机能很好地满足大型结构件翻转 的要求。 关键词翻转机 ；液压；电控；触摸屏 中图分类号T H1 2 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 1～ 3 8 8 1 2 0 1 2 2 2 0 5 2 3 De s i g n o f a W ho l e Hyd r a u l i c Tur n o v e r M a c h i ne S ys t e m C HEN J i e ，J I N Xi n ，Z HANG Hu i ，Z HANG Ke 。 ，Z HA NG Y u e ，WA NG Z h i y u a n。 1 ． S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，S h ang h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a ； 2 ． C a t e r p i l l a r X u z h o u L i mi t e d ，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T o r e a l i z e t h e t u r n o v e r o f l a r g e s t r u c t u re p a r t s a n d i mp rov e the p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y，u s i n g wh o l e h y d r a u l i c t u r n o v e r ma c h i n e h a s b e c o me a t e n d e n c y ．T h e d e s i g n p r o c e s s o f thi s n e w t u mo v e r ma c h i n e w a s r o u n d b y i n t r o d u c e d f r o m t h e me c h an i c a l ，e l e c t r i c a l and h y d r a u l i c ．P r a c t i c al a p p l i c a t i o n s h o w s t h a t t h e n e w ma c h i n e C an s at i s t h e d e m and s o f the t u r n o v e r w i th l a r g e s t r u c t u re p a r t s ． Ke y wo r d s T u r n o v e r ma c h i n e ； Hy d r a u l i c ； E l ec t r i c al c o n t r o l ； T o u c h s c r e e n 焊接作为一种重要的材料成型方法，近些年来， 伴随着新材料、新工艺、新方法的不断进步，焊接技 术取得了长足的发展。焊接作为一种制造技术 ，在机 械制造工业中有着广泛的应用 ，在现代制造技术中 焊接结构件所占的比重也越来越大，结构件的焊接向 着大型化、复杂化、自动化的方向发展。而焊接机械 装备就是为保证焊接质量，提高焊接生产率，改善工 人作业条件，为实现机械化、自动化焊接生产过程的 各种辅助装置和设备。因此焊件翻转机械已成为机械 化 、自动化焊接生产线上的重要组成部分 。针对 工件大型化、复杂化与加工制造自动化的要求，文中 分析并设计 了一种适应性强、生产效率高、运行稳 定、安全的全液压翻转机。 1 设计要求 翻转机在设计之初，在确保设备运行稳定性与安 全性的前提下，提出了以下几点要求 首先，在设计 上适应不同工件尺寸及质量，根据不同工件的结构， 设计不同的工件固定装置；其次，在翻转过程中，尽 量减少工件重心水平方向的移动；翻转过程中工件保 持平稳 ，运行时噪声要尽 量小 ，防止 产生 噪声 污染 ； 尽量减少能耗 ，符合节能减排的要求 ；最后，需满足 0 。 到 1 8 0 。 ／ 1 8 0 。 到 0 。 的翻转功能。为满足 以上要求 ， 对翻转机的机械结构、电控系统以及动力装置进行了 全面设计。 2 机械结构设计 2 ． 1 平台移动装置 为满足不同尺寸的工件 ，实现不同长度工件的成 功翻转 ，将翻转机设计成左右对称的两部分 ，其中一 部分作为固定端，另一部分作为移动端，在平台液压 缸的拖动下，沿平台移动导轨实现移动端平 台的移 动，从而使翻转机适应不同尺寸的工件。 2 ． 2 固定夹紧部分机械设计 工件固定夹紧装置如图 1 所示。1为夹紧装置支 架，用于支撑整个夹紧装置。夹紧液压缸装置上支座 2能够根据工件形状 、尺寸的不同，通过其固定螺栓 实现快速调整；也可在夹紧液压缸 5的帮助下 ，用于 工件竖直方向的固定，协同夹紧装置水平支架 3 ，共 同固定夹紧工件。4为夹紧液压缸同步支架 ，用于确 保相互并联的两个夹紧液压缸行程同步。翻转机现场 重载试验表明此夹具能起到很好的固定支撑作用， 收稿日期2 0 1 1 1 0 2 4 作者简介陈杰 1 9 8 7 一 ，男，硕 士研究 生，研究 方 向为 焊接 自动化设备 与焊接 工艺。Em a i l c h e n j i e t u d o u s j t u ． e d u ． c n 。 第 2 2期 陈杰 等全液压翻转机系统设计 5 3 并且能根据工件形状 、尺寸实现快速调节。 1 -- 夹 紧装 置支座 。 2 一 夹 紧液 压 缸 上支 座 卜 夹紧装置 水 平支 座 4 4 --夹紧液压缸 同步支 架 5 一夹 紧液 压 缸 5 图 1 固定夹紧部分示意图 2 ． 3 翻转部分机械设计 工件翻转部分的机械设计如图2所示，主要由夹 紧装置固定支座、竖直顶起油缸 、推力油缸、拉动油 缸、水平导轨 以及固定支架等组成。工作原理如下 工件夹紧到位之后，竖直顶起油缸首先向上顶起 ，带 动夹紧装置固定支座 1将工件的重心沿竖直方向提 升，同时工件实现从 0 。 到 3 0 。 的翻转；待竖直顶起油 缸顶起到设计的最大行程，推力油缸 7开始动作，此 时拉动油缸6处于伸出最大行程状态，推力油缸推动 拉力油缸固定支座5在滑块 4的协助下沿水平导轨 3 运动，在这一运动过程中工件的重心再次被提升 ，待 推力油缸伸出到设计的最大行程，工件实现从 3 0 。 到 9 0 。 的翻转，同时工件的重心达到竖直方向上的最大 值；待推力油缸动作结束 ，拉力油缸 6开始动作 ，此 时推力油缸7处于伸出最大行程状态，拉动油缸拉动 工件翻转支撑座 8 在滑块 4的协助下沿导轨 3运动， 在这过程中工件的重心不断降低，待拉力油缸回收到 设计最小行程，工件实现从 9 0 。 到 1 5 0 。 的翻转，同时 l 一夹紧装置固定支座 卜 竖直顶起油缸 卜 水平导轨 4 一水平 导轨滑块S _拉力油缸固定支座 6 _ - 拉力油缸 ．卜 推力油缸 8 一工作翻转支撑座 图2 翻转部分示意图 图 P L C 输入模块 e 厂 _- 3 0 0 P 】 触 摸 屏 f 、、 广 _ ] -J u U r L I ， 硎 P L C 输出模块 萋 I l l I I I 指 不 灯 图3 电控系统结构示意图 电控系统的部分功能说明如下 1 P r o f a c e 触摸屏显示各种信息 ，故障排除 以及各种动作操作； 2 油泵电机控制油泵电机 启动／ 停止，负责向各个液压缸供油； 3 平台移动 定位平台移动 由平台底部 液压缸控制前进／ 后退 ， 定位由接近开关进行限位控 制 ； 4 工件夹紧工 件夹紧及松开由相互并联的液压缸进行控制，并由接 近开关定性输出夹紧／ 松开信号； 5 工件翻转工 件翻转 由左右对称同步运行的液压缸执行各个动作 ， 每一步执行都 由接近开关进行定位控制 ； 6 指示 灯显示设备的运行状态。 3 ． 2电控 系统基本原理 电控系统 的设计首先考虑系统的稳定性和安全 性，能同步显示设备的运行状态，设备运行过程中出 现问题时能及时停机并报警 ，提示故障原因与排除方 法 ；其次设备要易于操作 ，单键操作实现 自动翻转 ， 并且在发生故障后能 自动复位到原始状态。 基于以上的考虑，选取西门子 s 7 - 3 0 0 P L C作为 控制系统的核心。C P U模块是 C P U 3 1 3 C ，该型号软 5 4 机床与液压 第4 O卷 件种类丰富 、可靠性高 、网络通讯能力强 、处理速度 快、集成功能强，能够满足中等性能要求，应用配置 电源模块是 P S 3 0 7 ，同时配以数字量输入模块 D I 、 数字量输出模块 D O 。 触摸屏选取 P r o ． f a c e 1 0 ． 4英寸真彩T F T 屏，最大 分辨率为 2 5 6色 无闪烁 ，防护等级 I P 6 5 f ，可适应 潮湿或多灰尘的环境 ，画面编辑和逻辑 编程软件选用 高效 、易学的 G P P r o E X，该型号触摸屏与 P L C通过 P C ／ M P I 和 R S 4 8 5电缆实现通讯。实践表明，此组合 配置能完全满足系统设计的要求。 3 ． 3 P L C程序设计 P L C的程序设计综合 考虑 了设 备 的结 构 特点 、 易于设备的检修与故障排 除 ，并且结合触摸屏的画 面编辑。程序编 辑借助 S i e m e n s S T E P 7 ，使 用 梯 形图进行编程 。采用结构 于正常状态 ； 2 启动故障排除。如果设备无法正常 自动运 转，可进入启动故障排除画面，该画面能够提示设备 故障原因 ，提示故障排除方法 ； 3 运行状态检测。该画面能够实时显示设备 运行时的状态 ，当设备出现故障时能及时提示故障原 因，方便操作人员监测设备的运行 ，从而保证了设备 的安全性与可靠性 ； 4 手动画 面。进入 该 画面 ，通 过该 画 面 的手 动启动按钮进入 手动操作模式 ，通过该 画面 的手动操 作按钮，对设备实施手动操作； 5 单动画面。当设备出现故障或者设备左右 两侧 出现液压缸行程不 同步时 ，操作人 员可凭 I D 以 及密码进入单动操作 画面实施单动操作 ，从而排除故 障。 4 液压系统设计 液压系统工作原理 液压系统为该设备的动力核心，液压设备的稳定 性很大程度上决定着设备运行稳定性 ，该设备液压 装置全部采用进口零部件，从而在硬件上保证了设备 的稳定性。在系统设计方面充分考虑了设备的特点及 要求 ，以稳定性和安全性为第一前提，最大程度提高 设备效率 。 液压系统工作原理如下 1 平台移动。液压缸动作 到达指定工位后， 平台工位控制传感器动作，平台停止移动； 2 工件夹紧 。通过移动手柄上 的夹 紧／ 松开 按 钮夹紧／ 松开工件 ，在工件 处于夹 紧状态 时 ，平 台无 法移动，从而保证了设备翻转过程中的安全性； 3 顶 升 液压 缸 顶 升。在 同步 马 达 的协 助 下 ， 左右顶升液压缸实现同步顶升 ，到达指定工位后 ，顶 升到位接近开关动作，顶升步骤结束； 4 推力 拉动液压缸伸出。在同步马达 的 协助下 ，左右 推 力 拉 动 液压 缸 实现 同步伸 出 ， 到达 指定工位 后 ，推力 拉 动 液压 缸伸 出到 位接 近开关动作，伸出步骤结束 ； 5 拉动 推力 液压 缸 回收 。在 同步 马达 的 协助下，左右拉动 推力液压缸实现同步 回收， 到达指定工位后 ，拉动 推力油缸回收到位接近 开关动作，回收步骤结束； 6 顶升液压缸下降。在同步马达 的协助下， 左右顶升液压缸实现同步下降，到达指定工位后，下 降到位接近开关动作，翻转步骤结束。 设备启动后通过检测传感器信号，判断设备初始 状态 ，若处于 0 。 状态 ，则 自动执行 1 一 2 一 3 一 4 一 5 一 6 的翻转过程；若处于 下转第6 7页 第 2 2期 王野牧 等 大型宽厚板坯铸坯机液压控制系统设计 6 7 2 ． 2 ． 1 模具 1 、3控制说明 1 模具前行。启动电机后给电磁铁 Y V 1 1上 电，模具前行。前行过程中同步精度超差时将电磁铁 Y V 1 1 断电，假设此时油缸 2落后于油缸 1和油缸 3 ， 则给电磁铁 Y V 4和 Y V 5上电，将比例减压阀L 3的压 力调整为最低值 接近于零以使模具轻轻调整到 位 ，这样也可以防止调整过度 ，同步超差调整完毕后 按原来的同步前行模式继续行走。当模具接近前行到 位停止点 ，即当油缸 1 、2和 3中前面的油缸已接近 定位位置时 比如相差 1 0 m m ，将 Y V 1 1 停止，采 用 与上 面相 同的办法 调整 3个油缸 的位置 。 2 模 具反 靠 到位。给 电 磁 阀 电磁铁 Y V 1 、 YV 2、Y V 3、Y V 4、Yv 5 、Y V 6、Yv 7 、YV 8和 Y V 9 上电，直接利用外围油路 ，使 3个油缸一起向后，调 定 比例减压 阀 I 3、L 4和 L 5的压力 ，实施力闭环控 制反靠到位。 3 模具后退。给主换 向阀电磁铁 Y V I O上电， 用同步马达先驱动模具后退。模具复位过程中同步精 度超差时可将主换向阀电磁铁 Y V I O停止，采用与前 进过程 中同步精度超差类似的办法调整 3个油缸的位 置，然后继续后退。当模具接近后退到位停止点时， 直接利用外围油路 ，使 3个油缸一起向后，实施力控 制后退 到位 。 设备可以根据工艺要求对每个油缸施加的压力进 行调整，由比例减压阀 I 3、L 4和 I J 5及压力传感器 WY 1 、WY 2和 WY 3构成压力闭环 ，在结晶过程中可 根据工艺要求随时改变每个油缸的压力 ，达到最优的 结晶效 果。 由于液压缸的缸径及行 程较大 ，使得 液压缸质量 及容积较大 ，在减小 同步误差的过程 中 ，为了消除启 动中可能存在的振动、冲击及运动不平稳等现象 ，在 液压缸及两位两通换向球阀之间配有阻尼孔 ，如图 3 所示 。 2 ． 2 ． 2 模具 2 、4控制说明 模具 2 、 4没有后退反靠到位停止及加力工作过 程 ，其他工作过程的控制方法与模具 1 、3的相同。 油缸有杆腔的压力传感器不起控制作用，只起监 控及保护作用。 3结束语 铸坯机液压系统可以满足大型板坯的铸坯运动控 制要求 ，系统性能可靠，故障少 ，操作简便 ，结构紧 凑 ，技术性能先进，自动化程度较高，降低了劳动强 度 ，节约了能源，降低了生产成本 ，提高 了工作效 率，对企业提高经济效益起到重大作用。 参考文献 【 1 】王野牧． 自动液压夹紧器及其液压控制系统设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 2 1 1 1 1 1 2 ． 【 2 】苏顺德． 三钢厂异型坯铸机设备管理初探[ J ] ． 马钢职 工大学学报 ， 2 0 0 3 2 5 6 5 8 ． 【 3 】 宋锦春， 苏东海， 张志伟． 液压与气压传动[ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 7 2 8 5 3 0 8 ． 【 4 】 侯波 ， 王志明． 插装阀在机床液压系统 中的应用研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 8 4 0 4 2 ． 【 5 】王野牧， 张旭明． 舞台升降液压泵控缸同步控制系统研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 O 2 O 5 2 5 4 ． 【 6 】王野牧， 张延忠． 低速轮胎试验机动力滑台动态特性分 析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 9 1 9 01 9 4 ． 上接 第5 4页 1 8 0 。 状态 ，则 自动执 行 1 一 2 一 3 一 4 一 5 一 6 括号 内的翻转过程 。 5结论 全液压翻转机系统，能适应多种尺寸 、形状、质 量的工件，运行安全平稳；操作面板简单整洁，易于 现场工人快速掌握、安全使用 ；配合触摸屏的使用， 易于维修工人快速查找故障原因从 而排除故障。设备 现场运转表明相对电力驱动设备 ，全液压设备稳定 性明显提高，运行噪声小，更加利于生产现场噪声控 制，生产效率也提高了近 3 0 ％。该套全液压翻转机 对促进焊接 自动化 ，保证焊接质量 ，提高焊接生产 率，改善工人作业条件，为实现机械化、自动化有很 好的作用。 参考文献 【 1 】王政． 焊接工装夹具及变位机械 性能、 设计、 选用[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】曹玉宝． 工件翻转装置液压传动系统设计[ J ] ． 机床与 液压， 2 0 1 1 ， 3 9 4 7 3 7 4， 7 7 ． 【 3 】 吴凯， 沈丽红． 焊接机械装备中的一种多 自由度、 伺服控 制焊件变位机械设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 1 0 2 1 0 21 1 ． 【 4 】廖常初． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】张利平． 液压传动系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 4 6 4 8 ． 【 6 】 周开勤， 唐容城 机械设计师应用手册[ M] ． 天津 天津 科学技术出版社 ， 1 9 9 9 2 6 7 2 6 9 ． 【 7 】蔡文彦． 液压传动系统[ M] ． 上海 上海交通大学 出版 社 ， 2 0 0 3 8 4 8 6 ．