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1、第十章数控机床的液压与气压系统,10.1 液压和气压传动系统概述 10.2 液压和气压传动系统在数控机床中的应用 10.3 数控机床液压与气压系统的维护,10.1液压和气压传动系统概述,10.1.1液压和气压传动系统在数控机床中的功能 现代数控机床在实现整机的全自动化控制中，除数控系统外，还需要配备液压和气压传动装置来辅助实现整机的自动运行功能。所用的液压和气压传动装置应结构紧凑、工作可靠、易于控制和调节。虽然它们的工作原理类似，但使用范围不同。 液压传动装置由于使用工作压力高的油性介质，因此机构输出力大，机械结构紧凑，动作平稳可靠，易于调节，噪声较小，但要配置液压泵和油箱，因为当油液泄漏时会
2、污染环境。,气压传动装置的气源容易获得，机床可以不必再单独配置动力源，装置结构简单，工作介质不污染环境，工作速度控制和动作频率高，适合于完成频繁启动的辅助工作。气压传动装置过载时比较安全，不易发生过载时损坏部件的事故。 液压和气压传动系统在数控机床中具有如下辅助功能： （1）自动换刀所需的动作。如机械手的伸、缩、回转和摆动及刀具的松开和夹紧动作。 （2）机床运动部件的平衡。如机床主轴箱的重力平衡和刀库机械手的平衡等。 （3）机床运动部件的运动、制动和离合器的控制、齿轮拨叉挂挡等。,（4）机床运动部件的支撑。如动、静压轴承和液压导轨等。 （5）机床的润滑和冷却。 (6)机床防护罩、板、门的自动开
3、关。 （7）工作台的夹紧、松开及其自动交换动作。 （8）夹具的自动放松、夹紧。 （9）工件、工具定位面和交换工作台的自动吹屑、清理和定位基准面等。,10.1.2液压和气压传动系统的构成 液压和气压传动系统一般由以下5个部分组成： （1）动力装置。动力装置是将原动机的机械能转换成传动介质的压力能的装置。常见的动力装置有液压泵和空气压缩机等。 （2）执行装置。执行装置用于连接工作部件，将工作介质的压力能转换为工作部件的机械能，常见的执行装置有液压缸和汽缸及进行回转运动的液压电机、气电机等。,（3）控制与调节装置。控制与调节装置是用于控制和调节系统中工作介质的压力、流量和流动方向，从而控制执行元件的
4、作用力、运动速度和运动方向的装置，同时也可以用来卸载或实现过载保护等。 （4）辅助装置。辅助装置是对过载介质起到容纳、净化、润滑、消声和实现元件之间连接等作用的装置。 （5）传动介质。传动介质是用来传递动力和运动的过载介质，即液压油或压缩空气。,10.1.3液压和气压传动的工作原理 液压传动的工作原理如图101所示。图中杠杆1、活塞2、液压缸3和单向阀4、5组成手动液压泵；液压缸6和活塞7组成升降液压缸。千斤顶工作时，向上提起杠杆1，则活塞2被提起，液压缸3下腔中压力减小，单向阀5关闭，单向阀4导通，油箱里的油液被吸入到液压缸3中，这是吸油过程；随后，压下杠杆1，活塞2下移，液压缸3下腔中压力
5、增大，迫使单向阀4关闭，单向阀5导通，高压油液经油管11流入液压缸6的下腔中，推动活塞7向上移动，这是压油过程。如此反复操作便可将重物8提升到需要的高度。在此过程中，控制阀9始终处于截止状态。若打开控制阀9，则液压缸6下腔中的油液将在重物的重力作用下排回油箱。,图101液压传动的工作原理,10.2液压和气压传动系统在数控机床中的应用,1数控车床的液压系统 图102所示为TND360型数控车床液压系统原理。该机床液压系统由液压站和五条液压支路组成。五条液压支路分别是卡盘夹紧支路、尾架套筒移动支路、主轴变速支路和两条预留支路。,图102TND360型数控车床液压系统原理图,1)液压工作站 液压工作
6、站的工作原理是由液压电动机1(交流电动机1.1kW)通过联轴器2驱动外反馈限压式变量泵3产生压力油，压力油经过单向阀4和滤油器8后输出。在单向阀与滤油器之间，油路上并联有蓄能器5、溢流阀6和手动二位两通换向阀7。蓄能器用于稳定系统中的油压，补偿流量的变化量；溢流阀作为系统的安全阀，限制系统的最高压力；手动换向阀是为检修而设置的，在需要时卸掉油路中的负荷，使压力油经手动阀直接流回油箱，这样可判断故障是否在油泵上。一般情况下手动换向阀在截止位。在滤油器8的两端加压力继电器14监视滤油器的堵塞情况，当滤油器堵塞时，压力继电器发出电信号给机床控制系统，产生报警信号，使操作人员能够迅速地清洗或更换过滤网
7、，恢复液压系统的正常工作状态。在液压油箱上为防止灰尘进入油箱，油箱的空气入口处加有空气过滤器。为了解油箱内油液的多少，用油标进行检测。,2)卡盘夹紧支路 卡盘通过卡爪的抓紧和放松动作来实现对工件的夹紧与放松。工作中要能判别其卡爪是否夹紧工件，如果没有夹紧工件，则数控加工程序不能执行，并在执行时发出报警信号。卡盘夹紧支路是图上最左侧一条支路。压力油经减压阀9稳定工作压力后，通过电磁换向阀10和手动换向阀11的左位进入液压缸13。当电磁换向阀左线圈L3Y1得电时，电磁阀工作在左位，压力油进入液压缸13的左腔，液压缸右腔中的油流回油箱，缸杆右移，卡盘夹紧动作。夹紧力的大小通过减压阀来调整，值的大小可
8、在压力表中观察得到。夹紧与否由缸杆上的撞块触发左极限开关L3S1与压力继电器12(L3B1)的信号组合判别。,仅有压力继电器L3S1信号时，表明卡盘上工件被夹紧；同时具有左极限开关L3S1和压力继电器L3B1的信号时，表明卡盘上的工件未被夹紧。工件未被夹紧时，要重新调整卡爪在卡盘上的位置，使工件能被卡盘夹紧。当电磁换向阀L3Y2得电时，电磁阀工作在右位，压力油经电磁阀右位、手动阀左位进入液压缸的右腔，液压缸左腔中的压力油经手动阀左位、电磁阀右位后流回油箱，这时缸杆左移，卡盘夹爪放松。当缸杆回到最左端，左极限开关L3S2发出信号，表明卡爪已完全放松。,3)尾架套筒移动支路 尾架套筒的前端用于安装
9、活动顶针，活动顶针在加工时，用于长轴类零件的辅助支撑。因此，尾架套筒要能够实现套筒的伸出，使顶针顶紧于工件上；尾架套筒要能够保持所在位置，使顶针在工件加工时能够处于稳定的位置上；尾架套筒要能够回缩，使顶针在加工结束后能够退出加工区，便于工件的取出。在套筒伸出时要能够自动识别顶针是否顶紧工件。尾架套筒支路是图102上左边的第二条支路。当三位四通电磁换向阀15的左线圈L4Y1得电时，压力油通过电磁换向阀的左位、单向减压阀16、节流阀17和液控单向阀18、进入液压缸20的右腔，液压缸20左腔中的油经过电磁换向阀15流回油箱，这时缸杆左移，也就是套筒伸出。,在进油路上的压力继电器19和套筒行程极限开关
10、构成了是否顶紧的识别系统，当仅有压力继电器发出L4B1电信号时，表明顶针已顶紧工件；当压力继电器和左极限行程开关同时发出L4B1和L4S1电信号时，表明顶针没有顶紧工件，这时就需要调整尾架在导轨上的位置。当电磁换向阀15的右线圈L4Y2得电时，电磁换向阀工作在右位，压力油经过电磁换向阀15的右位进入液压缸左腔，同时压力油使液控单向阀18打开，液压缸右腔中的压力油经液控单向阀18、节流阀17、单向减压阀16的单向阀和电磁换向阀15流回油箱，这样使得缸杆右移，实现套筒回缩。当液压缸缸杆右移到右极限位置时，压下右极限行程开关L4S2，这表明尾架套筒已回缩到底部位置。当电磁换向阀15的两个线圈没有通电
11、时，电磁换向阀15工作在中位。由于两个油口全部接回油口，液控单向阀关闭，使得液压缸右腔中的压力油既不能流入，也不能流出，液压缸缸杆保持固定的位置，也就是尾架套筒处在保持位置状态。,4)主轴变速支路 主轴变速支路是图102上最右边的一条支路，由液压缸缸杆使主轴箱内变速齿轮移动，实现变速齿轮的左、右移动；变速齿轮与不同齿轮的啮合，实现主轴在高、低速区不同的转动。,5)预留支路 其他两条油路是为机床增加其他液压驱动部件或附件而预留的液压支路，使机床在使用中，随时可安装使用液压中心跟刀架、液压回转刀架和自动送料机构等辅助部件。,图103简化后的平面磨床工作台液压系统,2平面磨床工作台的液压系统 图10
12、3所示为简化后的平面磨床工作台液压系统。当电机带动液压泵3转动时，油箱1中的油液经过过滤器2被吸入系统。来自液压泵3的压力油经节流阀6(控制流量)，进入手动三位四通换向阀7的PA通道，再进入二位四通电磁换向阀8(图中所示为未通电位置)流入液压缸9的左腔，推动活塞连同工作台12向右运动，液压缸右腔的油液被活塞压回油箱1中。,工作台的往复运动靠工作台上的两个撞块11和挡铁10的共同作用，进而控制行程开关间断打开和关闭，使电磁换向阀的右位和左位轮换接入系统来实现。若要手动换向，可将撞块11扳向上方并操作手动动换向阀7来实现。 液压泵工作时同样可以实现工作台在任意位置停止，只需将手动换向阀7的手柄扳到
13、中位(图中换向阀7中位处的符号表示不通流)，使液压缸两腔封闭，活塞不再运动，工作台立即停止。此时液压泵输出的高压油液因无去处，所以全部经溢流阀5排回油箱。,3H400型卧式加工中心的气压传动系统 图104为H400型卧式加工中心气压传动系统原理图。该系统主要包括松刀汽缸、双工作台交换、工作台夹紧、鞍座锁紧、鞍座定位、工作台定位面吹气、刀库移动、主轴锥孔吹气等几个动作完成的气压传动支路。,图104H400型卧式加工中心气压传动系统原理图,H400型卧式加工中心气压传动系统要求提供额定压力为0.7MPa的压缩空气。压缩空气通过8mm的管道连接到气压传动系统调压、过滤、油雾气压传动三联件ST，经过气
14、压传动三联件ST后，得以干燥、洁净并加入适当润滑用油雾，然后提供给后面的执行机构使用，从而保证整个气动系统的稳定安全运行，避免或减少执行部件、控制部件的磨损而使寿命降低。YK1为压力开关，该元件在气压传动系统达到额定压力时发出电参量开关信号，通知机床气压传动系统正常工作。在该系统中为了减小载荷的变化对系统的工作稳定性的影响，在设计气压传动系统时均采用单向出口节流的方法调节汽缸的运行速度。,1）松刀汽缸支路 松刀汽缸是完成刀具的拉紧和松开的执行机构。为保证机床切削加工过程的稳定、安全、可靠，刀具拉紧拉力应大于12kN，抓刀、松刀动作时间在2s以内。换刀时通过气压传动系统对刀柄与主轴间的724定位
15、锥孔进行清理，使用高速气流清除结合面上的杂物。为达到这些要求，尽可能地使其结构紧凑、重量减轻，并且结构上要求工作缸直径不能大于150mm，因此采用复合双作用汽缸(额定压力0.5MPa)可达到设计要求。图105为H400型卧式加工中心主轴气压传动结构图。,图105H400型卧式加工中心主轴气压传动结构图,2）工作台交换支路 交换台是实现双工作台交换的关键部件。由于H400加工中心交换台提升载荷较大(达12kN)，工作过程中冲击较大，设计上升、下降动作时间为3s，且交换台位置空间较大，故采用大直径汽缸(D=350mm)，6mm内径的气管，才能满足设计载荷和交换时间的要求。机床无工作台交换时，在两位
16、双电控电磁阀HF3的控制下交换台托升缸处于下位，感应开关LS17有信号，工作台与托叉分离，工作台可以进行自由的运动。当进行自动或手动的双工作台交换时，数控系统通过PMC发出信号，使两位双电控电磁阀HF3的3YA得电，托升缸下腔通入高压气，活塞带动托叉连同工作台一起上升，当达到上下运动的上终点位置时，,由接近开关LS16检测其位置信号，并通过变送扩展板传送到CNC的PMC，控制交换台回转180运动开始动作，接近开关LS18检测到回转到位的信号，并通过变送扩展板传送到CNC的PMC，控制HF3的4YA得电，托升缸上腔通入高压气体，活塞带动托叉连同工作台在重力和托升缸的共同作用下一起下降；当达到上下运动的下终点位置时由接近开关LS17检测其位置信号，并通过变送扩展板传送到CNC的PMC，双工作台交换过程结束，机床可以进行下一步的操作。在该支路中采用DJ3、DJ4单向节流阀调节交换台上升和下降的速度，以避免较大的载荷冲击及对机械部件的损伤。,3）工作台夹紧支路 由于H400型卧式加工中心要进行双工作台的交换，为了节约交换时间，保证交换的可靠，因此工作台与鞍座之间必须具有能够快速而可靠的定位、
