機(jī)械設(shè)計(jì)制造中液壓機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）13-0136-04

Abstract：Thispaperaims todiscuss thedesign methodandapplicationof hydraulic mechanicalcontrol systemsin mechanicaldesignandmanufacturing.Throughacombinationoftheoreticalanalysisandexperimentalverification，theresearch deeplyanalyzedthecomposition，workingprincipleandkeyperformanceindicatorsofthehydraulicmechanicalcontrolsystem.In thesystemdesignsection，thespecificstepsandconsiderationsoftheoveralldesignplan，keycomponentdesign，andcontrol systemhardwareandsoftwaredesignaredescribedindetail.Bybuildinganexperimentalplatform，acomprehensiveperformance testwascariedoutonthesystem，includingevaluationofkeyindicatorssuchasacuracy，stabilityandresponsespeed.The researchresultsshowthatthehydro-mechanicalcontrolsystemdesignedinthispapercanmetthepredeteminedfunctional requirements，has stable and reliable performance，and has high application value.

Keywords： hydraulic machinery; control system;mechanical design and manufacturing;PLC;system design

在當(dāng)今的機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，液壓機(jī)械控制系統(tǒng)作為重要的傳動(dòng)與控制方式，憑借其功率重量比大、傳動(dòng)平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和智能化趨勢(shì)的加強(qiáng)，對(duì)液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的性能要求也日益提高，如更高的精度、更快的響應(yīng)速度、更強(qiáng)的穩(wěn)定性及更好的能效比等。本研究正是基于這一背景，旨在深入探討機(jī)械設(shè)計(jì)制造中液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓傳動(dòng)、自動(dòng)控制等多技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的液壓機(jī)械控制系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備對(duì)高效、精準(zhǔn)控制的需求。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)架構(gòu)主要包含以下組成部分： ① 液壓動(dòng)力源。作為系統(tǒng)的心臟，液壓動(dòng)力源（如油泵或液壓泵）將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，常見(jiàn)類型有齒輪泵、葉片泵等。 ② 控制元件。負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定要求動(dòng)作，包括壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等。 ③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)具體的工作動(dòng)作，如離合器的接合與分離、制動(dòng)器的制動(dòng)與松開(kāi)等，主要由液壓缸和液壓馬達(dá)組成。④ 傳感器與反饋系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，為控制系統(tǒng)提供必要的反饋信息，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 ⑤ 控制系統(tǒng)。根據(jù)傳感器反饋的信息，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以滿足特定的性能要求。此架構(gòu)設(shè)計(jì)確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行和控制精度。系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1 液壓缸設(shè)計(jì)

液壓缸作為本文系統(tǒng)關(guān)鍵執(zhí)行部件，其設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：首先，尺寸計(jì)算。液壓缸缸筒內(nèi)徑 （ D ） 計(jì)算需根據(jù)液壓缸所需的最大推力 F 和選定的工作壓力 p ，可以通過(guò)公式 來(lái)反推缸筒內(nèi)徑 D 。假設(shè)最大推力 F 為 1 0 0 k N ，工作壓力 p 為1 6 M P a 。計(jì)算過(guò)程則為將已知數(shù)值代人公式，得到

為了標(biāo)準(zhǔn)化和便于加工，通常會(huì)將計(jì)算結(jié)果圓整到最接近的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如 D=1 6 0 m m 。活塞桿直徑 （ d ） 的設(shè)定依據(jù)是液壓缸的速度比、負(fù)載力及穩(wěn)定性要求。速度比是指活塞桿伸出速度與縮回速度的比值，它影響液壓缸的動(dòng)態(tài)性能。活塞桿直徑計(jì)算公式如下

d=λ×D / （ λ+1 ） ，式中： D 為缸筒內(nèi)徑； λ 為速度比。

其次，材料選擇。液壓缸的缸筒和活塞桿通常選用高強(qiáng)度、耐磨損的材料，如 鋼等。這些材料具有良好的機(jī)械性能和加工性能，能夠滿足液壓缸在高壓、高速工作環(huán)境下的使用要求。

1.2.2 控制閥選擇與設(shè)計(jì)

在本文系統(tǒng)中，控制閥的選擇與設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。以一套復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，其液壓系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)多工位的精確同步與順序控制。首先，選定了一款高性能的電液比例控制閥。這款閥門不僅具有精確的流量調(diào)節(jié)能力，還具備快速響應(yīng)和優(yōu)秀的穩(wěn)定性，非常適合于復(fù)雜工況下的精確控制。其次，結(jié)合生產(chǎn)線的具體需求，對(duì)控制閥的流量調(diào)節(jié)范圍、流量穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，其中，流量調(diào)節(jié)范圍通常設(shè)定為一個(gè)較寬的范圍，以適應(yīng)不同工況下的流量需求，如調(diào)節(jié)范圍可設(shè)為最大流量的10 %～1 0 0 % 。

在設(shè)置流量穩(wěn)定性時(shí)，需確保在設(shè)定流量下，控制閥的輸出流量穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小。一般要求穩(wěn)定性在設(shè)定流量的 ± 5 % 以內(nèi)。此外，還考慮了閥門的安裝位置與管道布局，確保液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能夠流暢、穩(wěn)定。

1.2.3 油泵與電動(dòng)機(jī)選型

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，液壓機(jī)械控制系統(tǒng)油泵與電動(dòng)機(jī)的選型尤為關(guān)鍵。油泵作為液壓系統(tǒng)的“心臟”，其排量、壓力參數(shù)直接影響系統(tǒng)的流量與性能。選型時(shí)需根據(jù)系統(tǒng)所需的工作壓力和流量來(lái)確定油泵的類型與規(guī)格，考慮到系統(tǒng)對(duì)精度和穩(wěn)定性的高要求，決定選用柱塞泵作為主油泵。柱塞泵因其高壓、大流量、變量調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，非常適合于此類精密控制系統(tǒng)。在確定柱塞泵規(guī)格時(shí)，根據(jù)工作壓力和流量需求，選定一款額定壓力為 、最大流量可達(dá) 1 2 0 L / m i n 的變量柱塞泵。該泵具備變量調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)實(shí)際工況靈活調(diào)整輸出流量和壓力。電動(dòng)機(jī)作為油泵的動(dòng)力源，其選型需與油泵相匹配，確保提供足夠的扭矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)油泵工作。選型過(guò)程中，需選用一款交流異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)額定功率為 1 8 . 5 k W ，轉(zhuǎn)速范圍覆蓋油泵所需轉(zhuǎn)速。該電動(dòng)機(jī)具備良好的過(guò)載能力和穩(wěn)定性，滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的需求。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1PLC選型與配置

在本文系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，PLC（可編程邏輯控制器）的選型與配置是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具體操作如下：首先，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求，選擇了西門子S7-1500系列PLC。該系列PLC具有高性能的處理能力、豐富的I/O模塊選項(xiàng)、強(qiáng)大的通信功能和易于擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，非常適合于大型復(fù)雜控制系統(tǒng)。其次，I/O模塊配置。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出需求，配置相應(yīng)的數(shù)字量輸入/輸出模塊（DI/DO）和模擬量輸入/輸出模塊（AI/AO）。例如，配置多個(gè)DI模塊用于接收傳感器信號(hào)，DO模塊用于控制電磁閥等執(zhí)行元件；AI模塊用于采集壓力傳感器等模擬量信號(hào)，AO模塊用于輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速等。最后，通信接口配置。配置適當(dāng)?shù)耐ㄐ拍K或接口，以實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)、觸摸屏或其他智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。例如，配置以太網(wǎng)通信模塊，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

2.2傳感器與執(zhí)行器選型

在本文系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，傳感器與執(zhí)行器的選型至關(guān)重要。傳感器選型方面，首先采用了激光位移傳感器來(lái)精確測(cè)量沖壓頭的位置，保證每次沖壓的精度。同時(shí)，為了監(jiān)控液壓系統(tǒng)的壓力變化，選用了高精度壓力傳感器，確保系統(tǒng)在安全壓力下工作。執(zhí)行器方面，考慮到?jīng)_壓機(jī)需要承受較大的沖擊力和壓力，選用了重載型液壓缸，其具有高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠滿足沖壓過(guò)程中的高負(fù)載要求。此外，為了精確控制液壓缸的動(dòng)作，選用了高性能電磁閥，其具有快速響應(yīng)和精確控制的特點(diǎn)。

2.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，相關(guān)人員采用了先進(jìn)的PLC控制系統(tǒng)。PLC作為核心控制器，負(fù)責(zé)接收傳感器的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯程序?qū)σ簤罕谩⒁簤洪y等執(zhí)行元件進(jìn)行控制。相關(guān)人員還設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，方便操作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)的安全性和可靠性，相關(guān)人員在電氣系統(tǒng)中設(shè)置了多重保護(hù)措施，如過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等，以確保系統(tǒng)在異常情況下能及時(shí)切斷電源，防正事故發(fā)生。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。從圖2中可以看出，整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：① 信號(hào)采集。PLC接收來(lái)自各傳感器的信號(hào)，包括壓力、位移等。 ② 邏輯處理。PLC對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出控制指令。 ③ 執(zhí)行控制。液壓泵、液壓閥等執(zhí)行元件根據(jù)PLC的指令進(jìn)行動(dòng)作。④ 狀態(tài)反饋。執(zhí)行元件的狀態(tài)通過(guò)傳感器反饋給PLC，形成閉環(huán)控制。 ⑤ 人機(jī)交互。操作人員通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。 ⑥ 安全保護(hù)。在電氣系統(tǒng)中設(shè)置多重保護(hù)措施，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

演著至關(guān)重要的角色，它們直接關(guān)系到系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度及穩(wěn)定性。控制算法設(shè)計(jì)方面，以液壓缸的位置控制為例，相關(guān)人員采用了經(jīng)典的PID（比例-積分-微分）控制算法，并進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化。首先，相關(guān)人員深人分析了液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，包括液壓缸的響應(yīng)速度、油液的壓縮性等因素，為PID參數(shù)的選定提供了理論依據(jù)。其次，在軟件中實(shí)現(xiàn)了PID控制算法，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)位置與實(shí)際位置之間的偏差，以及偏差的累積和變化率，生成相應(yīng)的控制信號(hào)。這個(gè)信號(hào)隨后被發(fā)送到PLC，用于調(diào)整液壓閥的開(kāi)度，從而精確控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)。

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

在本文系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行和用戶便捷操作的關(guān)鍵。一個(gè)典型的上位機(jī)界面可以被精心劃分為3個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)輸入欄、狀態(tài)監(jiān)測(cè)欄及偏差預(yù)設(shè)欄。其中，數(shù)據(jù)輸入欄允許用戶輕松輸入或修改液壓系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，如壓力值、流量速率等，確保系統(tǒng)能夠按照用戶設(shè)定的要求準(zhǔn)確運(yùn)行。狀態(tài)監(jiān)測(cè)欄則實(shí)時(shí)顯示液壓系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)，包括壓力、溫度、流量等關(guān)鍵指標(biāo)，幫助用戶迅速掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況，及時(shí)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。偏差預(yù)設(shè)欄為用戶提供了一個(gè)設(shè)置系統(tǒng)允許偏差范圍的功能，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)偏離預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)或采取相應(yīng)措施，從而有效保障液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。這樣的界面設(shè)計(jì)不僅提高了系統(tǒng)的可操作性，也大大增強(qiáng)了用戶的使用體驗(yàn)。上位機(jī)圖形界面圖如圖3所示。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1控制算法設(shè)計(jì)

在本文系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，軟件設(shè)計(jì)與控制算法設(shè)計(jì)扮

3.3故障診斷與自診斷功能實(shí)現(xiàn)

在本文系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)中，故障診斷與自診斷功能的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的一環(huán)。該功能能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，包括壓力、流量、溫度等，并與預(yù)設(shè)的正常范圍進(jìn)行比對(duì)。一旦發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)立即觸發(fā)報(bào)警，并在用戶界面上顯示具體的故障信息和可能的原因，為操作人員提供及時(shí)的故障排查指導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，相關(guān)人員在軟件中嵌人了先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該算法能夠分析傳感器數(shù)據(jù)，識(shí)別出潛在的故障模式，并預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，相關(guān)人員還建立了完善的故障數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含了各種常見(jiàn)故障及其解決方案，為系統(tǒng)的自診斷提供了有力的支持。

4系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

本文系統(tǒng)的測(cè)試方法主要包括以下幾個(gè)方面：① 精度測(cè)試。首先，重復(fù)定位精度測(cè)試。通過(guò)多次對(duì)同一目標(biāo)位置進(jìn)行定位，測(cè)量實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置的偏差，評(píng)估系統(tǒng)的重復(fù)定位能力。其次，定位誤差測(cè)試。測(cè)量系統(tǒng)在定位過(guò)程中的最大偏差，以評(píng)估其定位準(zhǔn)確性。 ② 穩(wěn)定性測(cè)試。首先，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試。讓系統(tǒng)在額定負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（如 2 4 h 、4 8 h 等），觀察并記錄系統(tǒng)性能的變化情況。其次，抗干擾能力測(cè)試。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中引入外部干擾（如電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)等），評(píng)估系統(tǒng)對(duì)這些干擾的抵抗能力。 ③ 響應(yīng)速度測(cè)試。首先，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量。測(cè)量從系統(tǒng)接收到指令到開(kāi)始執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)間間隔。其次，動(dòng)作延遲測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作過(guò)程中從指令發(fā)出到動(dòng)作實(shí)際完成的時(shí)間延遲。

4.2 不同系統(tǒng)對(duì)比

為更好地驗(yàn)證本文系統(tǒng)性能是否達(dá)標(biāo)，本文采用對(duì)比分析的方式，將本文系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等指標(biāo)與傳統(tǒng)液壓機(jī)械控制系統(tǒng)A、傳統(tǒng)液壓機(jī)械控制系統(tǒng)B進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，與其他傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)在精度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度方面均表現(xiàn)出色，適合對(duì)精度和效率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了機(jī)械設(shè)計(jì)制造中液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)需求分析出發(fā)，明確了控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能與關(guān)鍵性能指標(biāo)。通過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括總體方案、關(guān)鍵部件、硬件與軟件的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速的液壓機(jī)械控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性。未來(lái)，隨著智能制造與工業(yè)4.0的不斷發(fā)展，液壓機(jī)械控制系統(tǒng)將面臨更高的性能要求與更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，未來(lái)的研究可以探索更先進(jìn)的控制算法，如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時(shí)，加強(qiáng)系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性與可靠性。此外，還應(yīng)關(guān)注節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，推動(dòng)液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的綠色化發(fā)展。

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