数控机床控制技术基础

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1、第第2 2章章 液压控制技术液压控制技术 一、概述一、概述 液压传动液压传动是利用密闭系统中的受压液体作为工作介质来传递运动和动力的一种传动方式。1、液压传动系统的组成与工作原理、液压传动系统的组成与工作原理 （1）液压千斤顶的工作原理（2）液压传动系统的组成 动力元件 执行元件 控制调节元件 辅助元件 工作介质 二、液压传动的特点二、液压传动的特点 1、优点、优点（1）可输出很大的推力和转矩，且系统结构简单。（2）能方便地实现无级调速，且调速范围大。 （3）在输出相同功率的情况下，体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑。 （4）工作平稳、反应快、冲击小、能快速启动、制动和频繁换向。（5）操作简单，

2、调整控制方便，便于采用机、电、液联合控制以实现自动化。（6）液压元件可自行润滑，使用寿命长。且液压系统易于实现过载保护，使用安全、可靠。（7）易于实现标准化、通用化、系列化。便于设计、制造、维修和推广使用。2、缺点缺点 （1）由于油液的泄漏和可压缩性，故无法保证严格的传动比。（2）能量损失较大，传动效率较低，不适宜作远距离传动。（3）液压油对温度的变化敏感，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。（4）使用和维修技术要求较高，系统出现故障时，不易查找原因。三、静止液体的性质三、静止液体的性质 静止液体静止液体是指液体内部各个质点之间没有相对位移。1 1、液体静、液体静、液体静、液体静压压力力力力

3、 P=F/A在SI制中压力的单位为N/m2（牛/米2）或Pa（帕斯卡）。 1MPa = 103kPa = 106Pa2 2、液体静、液体静、液体静、液体静压压力的特性力的特性力的特性力的特性液体的压力沿着内法线方向作用于承压面，即静止液体承受的只是法向压力，而不承受剪切力和拉力。静止液体内任一点处所受到的静压力在各个方向上都相等。 3 3、压压力的表示方法力的表示方法力的表示方法力的表示方法 以绝对真空（P=0）作为基准所表示的压力，称为绝对压力。以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。大多数压力表测量得到的压力都是相对压力。 相对压力=绝对压力-大气压力4 4、静、静、静、静压压力的力

4、的力的力的传递传递 在密闭容器中由外力作用在液面上的压力能等值的传递到液体内部的所有各点，这就是帕斯卡原理，或称为静压力传递原理。 结论：液压系统的工作压力决定于外负载。结论：液压系统的工作压力决定于外负载。四、流动液体的性质四、流动液体的性质 1 1、流量、流量、流量、流量 单位时间流过某一通流截面的液体体积称为流量 。 qv=V/t 单位为 m3/s或L/min2 2、平均流速、平均流速、平均流速、平均流速 液体在管中流动时，在同一截面上各点的流速是不相等的，分布规律为抛物线体。平均流速是指液流质点在单位时间内流过的距离。 v=s/t= qv/A 结论：液压系统中执行元件的运动速度由液体的

5、流量结论：液压系统中执行元件的运动速度由液体的流量决定。决定。3 3、连续连续性方程性方程性方程性方程 v1 A1 =v2 A2=常数五、液压元件五、液压元件 （一）液压动力元件（一）液压动力元件 液压泵是液压系统的动力元件，它把原动机输入的机械能转换成为输出油液的压力能。1 1、液、液、液、液压泵压泵概述概述概述概述（1 1）液压泵的工作原理）液压泵的工作原理 液压泵正常工作必备的条件： 1、必须具有连续可变的密封容积V，当V由小变大时泵处于吸油状态；当V由大变小时泵处于压油状态。 2、必须具有配油装置，在保证吸压油腔严格分开的前提下，泵吸油腔通油箱，压油腔通系统。 3、油箱必须与大气相通。

6、（2 2）液压泵的主要类型）液压泵的主要类型按结构分：齿轮泵，叶片泵，柱塞泵等。按输出流量可调性分：定量泵，变量泵（3 3）液压泵的图形符号）液压泵的图形符号 （4 4）液压泵的性能参数）液压泵的性能参数压力压力 是单位面积上所受力的大小。 p = F/A 泵的排量和流量泵的排量和流量排量V：泵轴一转泵向外排出液体体积。 流量q：单位时间内泵向外输出液体体积 理论流量 q t= Vn 实际流量 q = qt-q由于存在泄漏，所以 qtq 液压泵的功率和效率液压泵的功率和效率 功率 P：单位时间内所做的功 P = Fv = pAq/A = pq 效率效率 容积效率：v = q/qt q = nV

7、v 机械效率：m = Tt/T = pqt/2nT 总效率： = P0/PI = vm2、齿轮泵（定量（定量泵） （1 1）齿轮泵的工作原理）齿轮泵的工作原理 密封容腔：由齿轮各齿间槽、泵体和前、后泵盖形成； 轮齿脱开啮合VP吸油 轮齿进入啮合VP压油 齿轮啮合线：将吸、压油腔分开； 油箱与大气相通。齿轮泵的特点：齿轮泵的特点：优点：结构简单，尺寸小，重量轻，制造方便，价格低廉，工作可靠，自吸能力强，对油液污染不敏感，维护容易，所以应用比较广泛。缺点：流量脉动大，噪声大。 （2）齿轮泵的结构特点）齿轮泵的结构特点 低压齿轮泵的结构低压齿轮泵的结构径向力不平衡径向力不平衡 齿轮泵工作时，齿轮外圈

8、径向力由压油腔到吸油腔逐级降低，使齿轮压向一侧。危害：危害：a:轴弯曲变形，轴承磨损加快，寿命下降； b:齿顶与泵体内壁摩擦。（擦壳）措施措施：a:缩小压油口； F=PA b:适当增大齿顶与泵体内壁的径向间隙。=0.130.16 mm。因径向泄漏方向与齿轮旋转方向相反，泄漏不会增加太多 困油现象困油现象 为使齿轮泵运转平稳，要求齿轮啮合的重叠系数1，即当前一对轮齿尚未脱开啮合时，后一对轮齿已经进入啮合，在这一小段时间内，同时有两对轮齿啮合，在两对啮合轮齿之间便形成了一个密闭容积V闭。危害危害： a:V闭由大变小油液受挤，压力增加，齿轮、轴承承受极大的附加载荷，寿命下降。 b:V闭由小变大因已挤

9、出部份油液形成局部真空，产生气蚀现象，引起振动，噪声。措措施施：在泵盖上铣两个困油卸荷槽（但必须保证吸、压油腔严格分开）泄漏泄漏泄漏途径：轴向间隙处q占总泄漏量的75%80%径向间隙处q 占总泄漏量的15%20%啮合线间隙处q 占总泄漏量的5%结论结论： 齿轮泵因其泄漏量大故容积效率低。 3、叶片、叶片泵 （1 1） 双作用式叶片泵（定量泵双作用式叶片泵（定量泵 ）（2 2）单作用式叶片泵（变量泵）单作用式叶片泵（变量泵） 单作用式叶片泵结构复杂、轮廓尺寸大、相对运动部件多、泄漏大，转子上受到不平衡的径向力作用，噪声较大，效率比双作用式叶片泵低，但它能按负载大小自动改变偏心距，从而调节输出流量

10、，功率应用较合理。 4、柱塞、柱塞泵 柱塞泵是依靠柱塞在缸体内往复运动，使密封容积产生变化，来实现吸油和压油的。由于柱塞和缸体内孔均为圆柱孔，因此加工方便、配合精度高、密封性能好、容积效率高，故柱塞泵具有压力高、结构紧凑、效率高、流量调节方便等优点。柱塞泵按柱塞的排列方式分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两种，而以轴向柱塞泵的应用更为广泛。 5、液、液压泵的的选用用 选择液压泵首先应根据设备的工作情况、工作性能要求等确定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。 （二）（二）液压执行元件液压执行元件 1、液、液压马达达 （1 1）主要性能参数）主要性能参数液压马达的容积效率: V

11、= nV/q 液压马达的输出转速 : n = qV/V 理论输出转矩： Tt = pV/2机械效率:m = T/Tt转矩: T = mTt = pVm/2 总效率： = mV(2)(2)叶片式液压马达叶片式液压马达 叶片径向放置，因为马达需要正反转。 叶片根部设有弹簧，且与压力油相通,为保证有足够的启动力矩。 改变输油方向，可使转轴反转。图形符号 :2、液、液压缸缸 （1 1）活塞缸）活塞缸 双杆活塞缸双杆活塞缸 v = q/A = 4q/(D2-d2) F = pA = p(D2-d2)/4 结论：两个方向的结论：两个方向的F F、V V均相等。均相等。 应用：用于要求往复运动的F、V均相等

12、的场合。单杆活塞缸单杆活塞缸 a:a:无杆腔进油时：无杆腔进油时： F1 = pA1 = pD2/4 v1 = q/A1 = 4q/D2 b:b:有杆腔进油时：有杆腔进油时： F2 = pA2 = p(D2-d2)/4 v2 = q/A2 = 4q/(D2-d2) 结论：结论：V V1 1V V2 2 F F1 1F F2 2 用于一个方向有较大的负载但速度小，另一个方向空载但快速退回的设备。 c:c:差动连接：差动连接： F3 = pd2/4 v3 = 4q/d2(2)(2)柱塞缸柱塞缸 由于柱塞由导向套导向，与缸筒内壁不接触，因而缸筒内壁不需加工，工艺性好，结构简单，制造容易，常用于工作行

13、程较长的龙门刨床、导轨磨床和拉床等设备的液压系统中。 (3)(3)摆动缸摆动缸 摆动缸用于将油液的压力能转换为叶片及输出轴往复摆动的机械能。摆动缸常用于工夹具夹紧装置、送料装置、间歇进给机构等的液压系统中。 （三）液压控制元件（三）液压控制元件 1、方向控制、方向控制阀 方向控制阀主要用来接通与断开油路或改变液流方向，它分为单向阀和换向阀两类。（1 1）单向阀）单向阀 主要作用是控制油液单向流动。对单向阀的主要性能要求是：正向流动时压力损失小，反向截止时密封性好。 a:普通单向阀 b:液控单向阀 (2)(2)换向阀换向阀 换向阀的作用是利用阀芯位置的移动来改变阀体上各油口的通、断状态，从而控制

14、油路的连通、断开和改变方向。 分类分类: : 按阀芯相对于阀体的运动方式分：滑阀、转阀； 按阀的操纵方式不同分：手动、机动、电磁动、液动、电液动等； 按阀芯位置数不同分：二位、三位、多位； 按阀体上进出油口数目不同分：二通、三通、四通、五通等； 按阀的安装方式不同分：板式、管式、法兰式等。 图形符号图形符号: :用方框表示工作位置，方格数即“位”数，三格即三位。箭头表示两油口连通，但不表示流向。“”表示油路截止。在一个方格内，箭头或“”符号与方格的交点数为油口的通路数，即“通”数。P表示压力油的进口，T表示与油箱连通的回油口，A、B表示连接其他工作油路的油口。控制方式和复位弹簧的符号应画在方框

15、两侧。图2.26所示为常见的换向阀操纵方式图形符号。三位阀的中位和两位阀的弹簧位为常态位。在液压系统原理图中，换向阀的符号与油路的连接一般应画在常态位上。2、压力控制力控制阀 压力控制阀是利用作用于阀芯上液压力与弹簧力相平衡的原理来控制系统压力的，常用的压力控制阀有溢流阀、减压阀和顺序阀等。 （1 1）溢流阀）溢流阀 溢流阀按结构不同分为直动式和先导式两种。其主要作用是调压溢流、安全保护以及使泵卸荷等。 直动式溢流阀 先导式溢流阀（2 2）减压阀）减压阀减压阀是利用油液流过缝隙时产生压降的原理，使系统某一支油路获得比系统压力低而平稳的压力油的液压阀。减压阀有直动式和先导式两种，而以先导式应用较

16、广。 （3 3）顺序阀）顺序阀 顺序阀是利用油路中压力的变化控制阀口启闭，以实现执行元件顺序动作的液压元件。它也分为直动式和先导式两种，一般先导式用于压力较高的场合。（4 4）压力继电器）压力继电器 压力继电器是使油液压力达到预定值时发出电信号的液电信号转换元件。 3、流量控制、流量控制阀 流量控制阀是通过改变阀口通流面积来调节通过阀口流量，从而控制执行元件运动速度的控制阀。常用的流量控制阀有节流阀和调速阀。 （1 1）节流阀）节流阀 （2 2）调速阀）调速阀 调速阀是由定差减压阀1和节流阀2串联而成的组合阀。 调速阀适用于负载变化较大、速度稳定性要求较高的机床液压系统，如组合机床、车床、铣床

17、等设备的液压系统。 （四）液压辅助元件（四）液压辅助元件 液压系统中的辅助元件包括：管件、滤油器、测量仪表、密封装置、蓄能器、油箱等，它们是液压系统的重要组成部分，选择和使用不当，会直接影响系统的工作性能和元件的寿命。 1、管件与油箱 2、滤油器 3、测量仪表 4、密封装置 5、蓄能器三、液压基本回路三、液压基本回路 （一）方向控制回路（一）方向控制回路 1、换向回路向回路 （1）采用换向阀的换向回路 （2）采用双向变量泵的换向回路 2、锁紧回路回路 锁紧回路能使液压缸在任何位置停止，且停止后不会因外力作用发生位置移动。采用液控单向阀的锁紧回路 ，由于液控单向阀的密封性能好，泄漏极少，故锁紧的

18、精度主要取决于液压缸的泄漏。（二）压力控制回路（二）压力控制回路 压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统或系统某一支路的压力，以满足执行元件对力和转矩的要求的回路。 1、调压回路回路调调压压溢溢流流 在定量泵系统中，在液压泵出口处设置与泵并联的溢流阀，调节溢流阀弹簧的预紧力就可调节系统的最高压力。安安全全保保护护 在变量泵系统中，与泵并联的溢流阀一般是常闭的，只有在过载时才打开，以保障系统的安全，一般称之为安全阀。二二级级调调压压 先导式溢流阀的外控口（远程控制口）K串接一个二位二通换向阀和一个调压较低的溢流阀（远程调压阀），实现二级调压。2 2、减、减、减、减压压回路回路回路回路 减压回路的

19、功用是使系统中某一部分油路（如夹紧系统、润滑系统等油路）获得较低的稳定压力。 3 3、卸荷回路、卸荷回路、卸荷回路、卸荷回路 当液压系统中的执行元件短时间停止运动（如装卸工件或测量）时，可将液压泵的输出口直接与油箱相接，使泵卸荷，这样可减少功率损耗，降低系统发热，延长泵的使用寿命。（1）采用换向阀的卸荷回路 （2）采用溢流阀的卸荷回路 4 4、顺顺序序序序动动作回路作回路作回路作回路5 5、平衡回路、平衡回路、平衡回路、平衡回路 图2.42 顺序动作回路 图 2.43 平衡回路 6 6、保、保、保、保压压回路回路回路回路 有的机械设备在工作过程中，常常要求执行元件在行程终止时，保持压力一段时间

20、，这时需采用保压回路。如图为利用蓄能器和压力继电器的保压回路，这种回路用于夹紧工件持续时间较长时，可明显减少功率损耗。 （三）速度控制回路（三）速度控制回路1、调速回路速回路（1 1）节流调速回路）节流调速回路 在定量泵供油的液压系统中，通过改变流量阀）过流面积的大小对执行元件的运动速度进行调节，这种回路称为节流调速回路。这种回路结构简单，成本低，使用维护方便，缺点是有节流损失，效率低，故仅适用于小功率液压系统。 节流调速回路根据节流阀在液压系统中的位置不同分为进油路节流调速、回油路节流调速和旁油路节流调速回路三种。进油路节流调速回路进油路节流调速回路:在执行元件进油路上串接一个节流阀 回油路

21、节流调速回路回油路节流调速回路:在执行元件回油路上串接一个节流阀 旁油路节流调速回路旁油路节流调速回路:将节流阀设置在与执行元件并联的旁 油路上 为提高液压系统的综合性能，实际应用中，常采用进油路节流调速回路，并在其回油路上加背压阀。旁油路节流调速回路有节流损失，但无溢流损失，效率较高，一般用于高速、重载和速度平稳性要求不高的较大功率场合。 （2 2）容积调速回路）容积调速回路 容积调速回路是利用改变变量泵或变量马达的排量来调节执行元件运动速度的回路。这种调速回路无溢流和节流损失，故效率高、发热少，但结构复杂，成本较高。一般用于高速和大功率的液压系统。 1）变量泵液压缸容积调速回路 2）变量泵

22、定量液压马达容积调速回路 3）定量泵变量液压马达容积调速回路 4）变量泵变量液压马达容积调速回路 （3 3）容积节流调速回路）容积节流调速回路 如图为限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速回路。调节调速阀的通流面积可以改变进入液压缸的油液流量，并使变量泵的输出流量自动和液压缸所需流量相适应。 2、快速运、快速运动回路回路 （1 1）液液压缸缸差差动连接接的的快快速运速运动回路回路 当1YA通电时，压力油通过换向阀3的左位进入液压缸的左腔，同时通过阀4左位与液压缸右腔相通，故活塞差动快进。如果电磁铁3YA也通电，则压力油只进入液压缸左腔，回油经调速阀5实现液压缸工进。（2 2）双泵供油的快速运）

23、双泵供油的快速运动回路动回路 （3 3）采用蓄能器的）采用蓄能器的快速运动回路快速运动回路 3、速度、速度换接回路接回路 速度换接回路的功能是使执行元件在一个工作循环中从一种运动速度变换到另一种运动速度，这种回路应具有较高的速度换接平稳性。（1 1）快慢速换接回路）快慢速换接回路 用行程阀来实现的快慢速换接回路，行程阀的阀口是逐渐关闭（或开启）的，因此快、慢速的换接比较平稳，换接点的位置比较准确，缺点是行程阀必须安装在运动部件附近，管路接得较长，压力损失较大。 若将行程阀改为电磁阀，安装连接较方便，速度换接快，便于实现自动控制，但速度换接的平稳性及换向精度都较差。 （2 2）两种慢速的换接回路

24、）两种慢速的换接回路 两调速阀串接的慢速换接回路 ，由于油液经过两个调速阀，所以能量损失较大。 两调速阀并联的慢速换接回路 ，两个调速阀可以独立地调节各自的流量，互不影响， 四、数控机床液压传动系统分析四、数控机床液压传动系统分析 1、数控、数控车床液床液压系系统 （1）液压工作站 主要作用是向系统提供压力油。它由电动机1驱动外反馈限压式变量泵3供油，压力油经过单向阀4和滤油器8后输出。 （2）卡盘夹紧支路 卡盘通过卡爪来实现对工件的夹紧和放松，工作中要能判别卡爪是否夹紧工件，如果没有夹紧时，则数控加工程序不能执行，并会发出报警信号。（3）尾架套筒移动支路 在套筒伸出时，能够判断顶尖是否顶紧工

25、件；在工件加工时，保持套筒处于所在位置；当工件加工完后，尾架套筒要能够回缩，便于取出工件。（4）主轴变速支路 由液压缸的活塞杆带动主轴箱内变速齿轮向左或向右移动，使传动比不同的齿轮副依次啮合工作，实现主轴在高、低速区的变速。2、加工中心液、加工中心液压系系统 主要实现链式刀库的刀链驱动、主轴箱的平衡配重、刀具的装卸和主轴高低速的转换等辅助动作的完成。该液压系统采用变量叶片泵1供油，并在泵后设置单向阀2防止油液倒流，用于减小系统断电或其他故障造成的液压泵压力突降对系统的影响，避免机械部件的冲击损坏。压力继电器3用于检测系统压力，如压力达到预定值，则发出系统压力正常的信号，如压力继电器3无信号，P

26、LC自检发出报警信号，整个加工中心的动作将全部停止。（1）刀链驱动支路 （3）松刀缸支路 （2）主轴箱配重支路 （4）高低速转换支路 五、数控机床的冷却、润滑系统五、数控机床的冷却、润滑系统 （一）冷却系统（一）冷却系统 1 1、机床冷却和温度控制、机床冷却和温度控制、机床冷却和温度控制、机床冷却和温度控制 为了保证数控机床长时间工作时加工精度的一致性、电气控制系统的工作稳定性和机床的使用寿命，数控机床对环境温度和各部分的发热冷却和温度控制均有相应的要求。 2 2、工件切削冷却、工件切削冷却、工件切削冷却、工件切削冷却 数控机床在进行高速大功率切削时伴随大量的切削热产生，使刀具、工件和机床的温度上升，从而影响刀具的寿命、工件加工质量和精度，所以，保持良好的工件切削冷却非常重要。（二）润滑系统（二）润滑系统 在数控机床上，润滑系统不仅起着润滑作用，可减小两个相对运动的接触表面之间的摩擦和磨损，而且还起着冷却作用，对机床部件实现恒温控制，减小热变形的影响。 1、油脂润滑 2、油液循环润滑 3、定时定量润滑 4、油雾润滑 5、油气润滑