某大型水压机的驱动系统和控制系统的设计

2.1.1 设计要求
某大型水压机的各种动作是通过以分配器为主体的液压机构实现的。开启分配器的力很大，是通过伺服系统驱动的。设计一驱动系统及控制系统，通过闭环反馈控制，启闭分配器，实现水压机的控制。
主要设计参数及设计要求：
A．分配器规格：600*300*420（mm）
B．阀开启力：15KN
C．开启曲线：12.5度推程10.9mm
D．阀数量：4个（通径）
E．驱动方式：液压驱动
F．PLC控制
2.1.2任务分析
该题目要求我们设计某大型水压机的驱动系统和控制系统，通过闭环反馈控制，启闭分配器，实现水压机的控制。由于水压机的分配器的实质是根据不同的工作过程来开闭相应的阀来完成动作。而阀的开启是依靠一个翻板机构的转动来将其顶开，是由阀芯的运动完成的。因此，设计的重点是设计一个分配器，以及电液伺服控制系统。设计的控制系统，要实现分配器的动作的自动控制。在设计的控制系统中，要用到检测装置得到的数据来控制分配器的动作，因此，设计的液压控制系统是一个闭环控制系统。综上所述，该设计题目的完成需要解决以下几个主要的问题：
A.由于阀的开启所需的开启力比较大，因此阀的开启用什么来驱动？
B.分配器的具体结构的设计？
C.如何驱动分配器的动作，使之对应相应的控制信号？
D.系统要能实现自动操作，要有较高的控制精度和灵敏度，如何实现？

2.2总体方案的确定
2.2.1 分配器的设计方案
    方案一：阀的开启采用机械系统来实现，如采用凸轮机构来驱动。基本的原理如图2.1：在这个方案中，液压缸带动齿条做往复的直线运动，齿条和齿轮啮合传动将直线运动转换成圆周运动。齿轮固定安装在轴上，另外，4个凸轮也固定在该轴上。凸轮的转动就将分配器上的阀顶开，驱动阀的动作，这样就可以运用液压系统实现对水压机的操纵控制。在该轴的右端装备有一个单圈绝对型编码器（CVE10），用此检测器来检测轴旋转过的角度，藉此来控制阀的开启程度。由于题目要求的凸轮的开启曲线为12.5度推程10.9mm，需要凸轮旋转的角度不大，因此所选的检测器必须将数据准确，快速地传送出来。在该方案中，操作形式为电控形式，分配器的控制方式为“油控水”。
 
1.分配器      2.FHS 58 单圈绝对型编码器     3.凸轮
      4.齿轮        5.齿条传动液压缸              6.电磁换向阀
图2.1 用凸轮驱动阀的分配器的原理简图
方案二：阀的开启采用液压系统来实现。基本的原理如图2.2：在该方案中，阀的开启由液压缸直接顶开。如图2.2所示，每个阀的顶杆下方均有一个液压缸，通过液压系统来控制阀的动作。
方案三：阀的开启采用机械系统来实现。跟方案一不同的是该方案的分配阀采用的控制机构为摇杆式机构。这种方案的基本原理如图2.3所示：在这种方案中，顶杆与转轴强制联接。这样同样也可以实现对分配阀的启闭控制。

设计内容分析
确定采用方案一，即采用机械机构来驱动分配阀的启闭和正常的动作。由于水压机的每一个动作都是通过不同的分配阀的启闭来实现的，因此在设计的第一个任务是设计分配器的机械结构。由于水压机在正常的工作中需要完成的动作比较多，因此一台大型的水压机必须要有若干个分配器来实现水压机的动作，由于题目的要求是设计某一个分配器，根据题目的要求，本次设计要设计的分配器上有四个分配阀，而且并没有确定要设计的是什么分配器，所以在设计的过程中，只要实现分配阀按照一定的规律打开、关闭就可以。假设每次打开两个分配阀，这样，凸轮机构的设计就比较的简单。另外没有要求分配阀打开时间的运动规律，所以凸轮的廓线就可以根据实际情况具体的设计，比较自主。
根据方案一，凸轮轴的转动采用齿条传动液压缸来驱动，因此本次设计的第二个主要任务是设计液压驱动、控制系统。要采用液压系统来驱动液压缸动作来带动凸轮机构的动作。并且要设计控制系统，要实现分配器的动作的自动控制。在设计的控制系统中，要用到检测装置得到的数据来控制分配器的动作，因此，设计的液压控制系统是一个闭环控制系统。设计的系统为一个数字电液伺服系统，由操作台上操作手柄、按扭发出控制信号，由PLC实现油压系统的控制，从而驱动执行油缸，通过凸轮机构，实现分配器的正确动作。
设计过程主要包括三个方面的内容：
1.确定总体方案。根据设计的要求及参考相关的资料，确定出整个设计的总体方案，并且要比较选优，选择最合适的方案。
2.驱动系统设计。主要设计凸轮机构、凸轮轴、支架以及齿条传动液压缸。还包括键的选择、校核；滚动轴承的选择、校核和挡圈的选择等内容。
3.液压系统、控制系统设计。液压系统主要是确定液压系统的基本原理图以及选择各个液压元件的选择和计算。控制系统主要是PLC的选型和确定整个系统的控制、操作系统框图。