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1、1,数控机床,2,第3章 数控机床液压与气动系统,3,3.1 项目的引出 3.2 液压元件概述 3.3 气动元件概述 3.4 液压气动基本回路 3.5 数控机床上典型液压与气压回路分析 3.6 项目训练,4,3.1 项目的引出,本 节 提 示 本节引出的教学项目一至教学项目四分别列举了运用 液压与气动装置实现数控机床中自动运行功能的实例，按 照完成运行功能的不同，需采用不同的传动方案。,6,3.1.2 项目二 一些数控机床主运动传动系统带有齿轮变速机构，其 滑移齿轮的移位大都采用液压 拨叉或直接由液压缸带动 滑移齿轮变换啮合位置，实现主轴自动变速。了解和掌握 液压系统中执行元件实现直线运动的控
2、制方式及回路的构 成，是本章学习的基本知识。,3.1 项目的引出,7,3.1.3 项目三 在加工中心的刀具自动交换装置中，盘式刀库刀盘的抬起转位选刀定位;链式刀库的移动;主轴夹紧与松开刀具、机械手的抓刀与插刀、机械手转位等换刀动作，都是按顺序自动完成的。,3.1 项目的引出,8,3.1.4 项目四 加工中心气动系统的设计与加工中心的类型、结构、要求完成的功能等有关。结合气压传动的特点，一般在要求力或力矩不太大的情况下采用气压传动。了解和掌握气动系统的构成与控制过程是本章学习的重点内容之一。,3.1 项目的引出,9,3.2 液压元件概述,本 节 提 示 本节所述液压元件均为数控机床液压系统中的常
3、用元件。掌握这些元件的原理、性能及应用是掌握数控机床 液压系统知识的必备基础。,10,一个完整的液压系统应由以下几部分组成: （1）动力元件 供液压系统压力油，将机械能转换成液压能 的装置。常见形式是液压泵。 （2）执行元件 将液压能转换成机械能的装置。其形式有做 直线运动的液压缸和做回转运动的液压马达。 （3）控制元件 对系统油液压力、流量和流动方向进行控制 的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。 （4）辅助元件 上述三部分之外的其他装置。如油箱、滤油 器、油管、管接头、加热器、冷却器等。它们是保证系 统正常工作必不可少的部分。,3.2 液压元件概述,11,3.2.1 液压动力元件 液
4、压泵是向系统提供一定流量和压力的动力元件，它将原动机输 出的机械能转换成液体的压力能，是一种能量转换装置。 1. 液压泵工作原理 如图 3-1所示为单柱塞液压泵的工作原 理图。图中柱塞2装在缸体3内，靠间隙密封， 柱塞、缸体和单向阀5、6形成一个密封容积 a，柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮 1 上。当偏心轮旋转时，柱塞在偏心轮和弹 簧的作用下在缸体中做往复移动，使密封容 积 a的大小发生周期性的交替变化。增大时，,图3-1 液压泵工作原理图,3.2 液压元件概述,12,3.2 液压元件概述,形成局部真空，油箱中的油液在大气压 作用下顶开单向阀 6流入泵体内，实现 吸油，此时，单向阀 5封
5、闭出油口，防 止系统压力油回流; 减小时，已吸入的 油液受到挤压，产生一定的压力，顶开 单向阀 5压入系统，而实现压油，此时， 单向阀 6封闭吸油口，避免油液流回油 箱。偏心轮不断地旋转，液压泵就不停 地吸油和压油。 由此看出，液压泵是靠密封容积大小的变化实现吸油和压油 的，故称液压泵为容积式液压泵。,图3-1 液压泵工作原理图,13,3.2 液压元件概述,通过以上分析可得出液压泵工作必备的三个条件: （1）具有若干个周期性变化的密闭容积 液压泵输出流量 与此空间的容积变化量及单位时间内的变化次数成正 比,与其他因素无关。 （2）具有相应的配流装置 配流装置将吸、压油腔隔开,保 证液压泵有规律
6、地、连续地吸、压液体。 （3）油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力这 是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件。,14,3.2 液压元件概述,2. 液压泵分类 液压泵按其单位时间内所能输出的油液体积是否可调节分为定量泵和变量泵; 液压泵按结构形式分为齿轮式、叶片式、柱塞式和螺杆式等类型。 3. 液压泵图形符号,(a) 单向定量液压泵 (b) 单向变量液压泵 (c) 双向定量液压泵 (d) 双向变量液压泵 图3-2 液压泵图形符号,(a),(d),(b),(c),15,3.2 液压元件概述,4. 液压泵的主要性能参数 （1）压力 工作压力:液压泵实际工作时的输出压力。工作压力取决 于外负载的
7、大小和排油管路上的压力损失，与 液压泵的流量无关。 额定压力:液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连 续运转的最高压力。 最高允许压力:指在超过额定压力的条件下，根据试验标 准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力。,16,3.2 液压元件概述,（2）排量和流量 排量:指在不考虑泄漏情况下，泵每转一转所排出的液体 体积，用V表示，单位为 mL/r。 流量 理论流量:指在不考虑泄漏情况下，泵单位时间内所排出的液 体体积，用qt表示，单位为 L/min。泵的理论流量 等于泵的排量V与其主轴转速n的乘积，即 实际流量:指在考虑泄漏情况下，泵单位时间内所排出的液体 体积，用q表示。,17,3.2 液压元
8、件概述,（3）液压泵功率 液压泵输入的是转矩和转速，输出的是油液的压力和流量。 液压泵输出功率P为 液压泵输入功率Pi为 式中，p泵的工作压力; 泵的输入角速度; n泵的输入转速; Ti泵的实际输入转矩。,18,3.2 液压元件概述,（4）液压泵效率 液压泵在能量转换过程中是有损失的，其输出功率总是 小于输入功率。两者之间的差值为功率损失，它分为容积损 失和机械损失两部分。液压泵的总效率是容积效率v与机 械效率m的乘积。即,19,3.2 液压元件概述,5.齿轮泵 齿轮泵是液压泵中结构最简 单的一种，且价格便宜，故在一 般机械上被广泛使用; 齿轮泵是 定量泵，可分为外啮合齿轮泵和 内啮合齿轮泵两
9、种。图3-3所示为 外啮合齿轮泵外观图。,图3-3 外啮合齿轮泵外观图,20,3.2 液压元件概述,6.叶片泵 叶片泵具有运转平稳、压力脉动小，噪音小; 结构紧凑、尺寸小、流量大等优点; 其缺点是对油液污染敏感; 与齿轮泵相比结构较复杂。它广泛应用于机械制造中的专用机床及自动线等中、低压液压系统中。 按结构形式分为单作用式和双作用式。 单作用叶片泵转子每转一转，泵吸排油各一次，单作用叶片泵大多是变量泵; 双作用叶片泵转子每转一转，泵吸压油各两次，双作用叶片泵大多是定量泵。,21,3.2 液压元件概述,（1）单作用叶片泵 图3-4所示为单作用叶片泵外观图及工作原理图.它由转 子1、定子2、叶片
10、3 和端盖等零件组 成。定子具有圆柱 形内表面，定子和 转子间有偏心量e， 叶片装在转子的叶 片槽内，并可在槽 内滑动，转子回转,图3-4 单作用叶片泵,22,3.2 液压元件概述,时，在离心力的作用下，叶片紧 靠在定子内壁，在定子、转子、 叶片和上下配油盘间形成密封工 作容腔。 当转子逆时针方向回转时， 在图3-4（b）的右部，叶片逐渐 伸出，两叶片间的工作容腔逐渐 增大，将油液从吸油口吸入。在图3-4（b）的左部，叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作容腔逐渐减小，将油液从压油口压出。吸油腔和压油腔之间有一段封油区，把吸、压油腔,图3-4 单作用叶片泵,23,3.2 液压元件概述,隔开，转子不停
11、地旋转，泵不断地吸油和压油。改变转子与 定子的偏心量，即可改变泵的流量。 （2）双作用叶片泵 图3-5所示为双作用叶片泵 的工作原理图。双作用叶片泵的 定子内表面近似椭圆，转子和定 子同心安装，有两个吸油区和两 个压油区并对称布置，故转子每 转一转，泵吸、压油各两次。,图3-5 双作用叶片泵工作原理图,24,3.2 液压元件概述,5. 柱塞泵 柱塞泵是通过柱塞在缸筒内往复运动使密封容积大小变 化来实现吸油和压油的。柱塞泵具有容积效率高、工作压力 高、结构紧凑、且在结构上易于实现流量调节等优点; 其缺 点是结构复杂、制造成本高、对油液污染敏感。 柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，分为径向柱塞泵
12、和轴向柱塞泵。径向柱塞泵的柱塞径向放置，与缸体中心线 垂直。轴向柱塞泵的柱塞轴向放置，与缸体中心线平行; 轴 向柱塞泵可分为斜盘式和斜轴式两种。,25,3.2 液压元件概述,下面以斜盘式为例，分析轴向柱塞泵的工作原理。 图3-6所示为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图。它由缸体 1、配油盘2、柱塞3和斜盘4等主要零件组成。斜盘与缸体有一,图3-6 斜盘式轴向柱塞泵工作原理图,26,3.2 液压元件概述,倾角。配油盘和斜盘固定不转，柱塞靠弹簧在低压油作用下压紧在斜盘上, 当传动轴带动缸体转动时，由于斜盘的作用，迫使柱塞在缸体做往复运动，柱塞与缸体间的密封容积便发生增大减小的变化。密封容积增大时，通过配
13、油盘的吸油窗口吸油; 密封容积减小时通过配油盘的压油窗口压油。,图3-6 斜盘式轴向柱塞泵工作原理图,图3-6 斜盘式轴向柱塞泵工作原理图,27,3.2 液压元件概述,缸体每转一转，每个柱塞各完成吸、压油一次，缸体连续旋 转，柱塞则不断地吸油和压油。如改变斜盘倾角，就能改变柱塞的行程，即改变泵的排量，如改变斜盘倾角的方向，就能改变吸油和压油的方向，即成为双向变量泵。,图3-6 斜盘式轴向柱塞泵工作原理图,28,3.2 液压元件概述,3.2.2 液压执行元件,液压执行元件包括液压缸和液压马达。它们都是将压力 能转换为机械能的能量转换装置。液压马达输出旋转运动， 液压缸输出直线运动（其中包括输出摆
14、动运动）。 1.液压马达 （1）液压马达的特点和分类 液压马达按转速高低分高速液压马达和低速液压马达。 额定转速高于500 r/min 的属高速液压马达，基本形式有齿 轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。其主要特点是转速 高、转动惯量小，便于启动和制动。通常高速液压马达输出,29,3.2 液压元件概述,转矩不大（仅几十Nm到几百Nm），所以又称为高速小转 矩马达。额定转速低于500 r/min 的属于低速液压马达。基 本形式是径向柱塞式，其主要特点是排量大、体积大、转速 低（可达每分钟几转甚至零点几转）、输出转矩大（可达几 千Nm到几万Nm），所以又称为低速大转矩液压马达。 液压马达按其排量是
15、否可调分为变量液压马达和定量液 压马达。 液压马达按其结构类型可分为齿轮式、叶片式、柱塞式 等形式。,30,3.2 液压元件概述,（2）叶片式液压马达 图3-7所示，为叶片式液压马达的工作原理图。当压力油 进入压油腔后，在叶片1、3（或5、7）上，一面作用有压力油，另一面为低压油。由于叶片3伸出的面积大于叶片1伸出 的面积，因此作用于叶片 3上的 总液压力大于叶片 1上的总液压 力，于是压力差使叶片带动转子 做顺时针方向旋转。作用于其它 叶片如5、7上的液压力，其作用 原理同上。叶片2、6两面同时受 压力油作用，受力平衡对转子不,图3-7 叶片式液压马达工作原理图,31,3.2 液压元件概述,
16、产生作用转矩。叶片式液压马达的输出转矩与液压马达的排 量和液压马达进出油口之间的压力差有关，其转速由输入液 压马达的流量大小来决定。叶片 式液压马达的体积小，转动惯量 小，因此动作灵敏，适用换向频 率较高的场合。但泄漏较大，不 能在很低的转速下工作。因此， 一般用于转速高、转矩小和动作 灵敏的场合。,图3-7 叶片式液压马达工作原理图,32,3.2 液压元件概述,（3）轴向柱塞式液压马达 轴向柱塞式液压 马达的结构形式与轴 向柱塞泵基本上一样， 故其种类与轴向柱塞 泵相同，也分为直轴 斜盘式和斜轴直盘式 图3-8所示为直轴斜盘式轴向柱塞液压马达的工作原理 图。当压力油进入液压马达的高压腔之后，工作柱塞便受 到油压作用力pA（p为油压力，A为柱塞面积），通过滑靴,图3-8 直轴斜盘式轴向柱塞液压马达工作原理图,33,3.2 液压元件概述,压向斜盘，其反作用力为N。 N分解成两个分力，沿柱塞 轴向分力p，与柱塞所受液 压力平衡;另
