组合机床液压动力滑台的液压及电气设计毕业设计

1、(2014 届届) 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 组合机床液压动力滑台的液压及电气设计组合机床液压动力滑台的液压及电气设计 专 业 机械制造及自动化 班 级 机制 s2011-1 学 号 10 姓 名 指导老师 ii 设 计 说 明 书 3 【摘要】 本论文主要阐述了组合机床动力滑台液压系统，能实现的工作循环是：快 速前进 工作进给 快速退回 原位停止，液压技术是机械设备中发展速度 最快的技术之一。特别是近年可与微电子、计算机技术相结合、使液压技术进 入了一个新的发展阶段。目前，已广泛应用在工业各领域。由于近年来微电子、 计算机技术的发展，液压元器件制造技术的进一步提高，使液压技术不仅在作

2、 为一种基本的传统形式上占有重要地位而且以优良的静态、动态性能成为一种 重要的控制手段。 面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中占 重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。制造装备的改进，使得作为制造 工业重要设备的各类机加工艺装备也有了许多新的变化，尤其是孔加工，其在 今天的液压系统的地位越来越重要。 本液压系统的设计，除了满足主机在动作和性能方面规定的要求外，还必 须符合体积小、重量轻、成本低、效率高、结构简单、工作可靠、使用和维修 方便等一些公认的普遍设计原则。液压系统的设计主要是根据已知的条件，来 确定液压工作方案、液压流量、压力和液压泵及其它元件的设计。 综上

3、所述，完成整个设计过程需要进行一系列艰巨的工作。设计者首先应 树立正确的设计思想，努力掌握先进的科学技术知识和科学的辩证的思想方法。 同时，还要坚持理论联系实际，并在实践中不断总结和积累设计经验，向有关 领域的科技工作者和从事生产实践的工作者学习，不断发展和创新，才能较好 地完成机械设计任务。 关键词:组合机床 液压系统 液压缸 液压泵换向阀 4 目录目录 一、绪论一、绪论.5 1.1 课题意义和背景及应用现状 .5 1.2 液压控制特点.6 1.3 机械式与液压式滑台特点7 二、液压滑台液压系统动能设计二、液压滑台液压系统动能设计.10 2.1 运动负载分析计算.10 2.2 确定执行元件类

4、型及基本参数.11 2.3 确定液压控制方案.13 2.4 选择液压控制元件.14 三、液压动力滑台的电气控制设计三、液压动力滑台的电气控制设计.16 3.1 确定电气控制的对象.16 3.2 确定电器控制的方案.16 四、液压缸的结构设计四、液压缸的结构设计.20 4.1 确定类型和主要参数.20 4.2 确定部件的链接方式.21 4.3 排气缓冲设计.21 4.4 校核.21 五、总结五、总结.21 参考文献参考文献.22 致谢致谢.22 5 一、一、 绪论绪论 1 1课题意义、背景及应用现状课题意义、背景及应用现状 1.11.1课题意义 通过对专用铣床动力滑台的负载分析及工艺分析，熟悉机

5、床液压及电气设 计的基本思路、方法，掌握机电设备电气与液压系统设计机液压执行机构的机 构设计方法。通过本课题的训练加强对机床液压与电气控制知识的综合应用， 具备初步的工程实践能力。 1.21.2液压动力滑台背景及应用现状 动力滑台是组合机床用以实现进给运动的通用部件,其运动由液压缸驱动。在滑 台上可根据加工工艺要求安装各类动力箱和切削头，以完成车、铣、镗、钻、 扩、铰、攻螺纹等加工工序，并能按多种进给方式实现自动工作循环。液压动 力滑台应满足进给速度稳定、速度换接平稳、系统效率高、发热小等要求。 液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压 力传动原理而发展起来的一门

6、新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。 如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。 第一个使用液压原理的是 1795 年英国约瑟夫布拉曼(joseph braman,1749- 1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世 界上第一台水压机。1905 年他又将工作介质水改为油,进一步得到改善。 第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用,特别是 1920 年以后,发展更 为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间,才开始进入正规的 工业生产阶段。1925 年维克斯(f.vikers)发明了压力平衡式

7、叶片泵,为近代液压 元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克 (gconstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910 年对液力传 动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 我国的液压工业开始于 20 世纪 50 年代，液压元件最初应用于机床和锻压 设备。60 年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶 金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应 用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿 命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系统计算机辅

8、助设计、计 算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。 6 目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件， 如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业 在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压 件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合 理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步 淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发 展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。 工程机械主要配套件有动力元件、传动元件、液压元件及电气元件等。目 前工程机械

9、动力元件基本上都用内燃式柴油发动机(简称柴油机)；传动分机械 传动、液力机械传动、静液压传动、电传动等。但目前工程机械用得最多、最 普遍的为液力机械传动及静液压传动。整个传动系统还包括传动轴、驱动桥等。 静液压传动有多种结构形式，有的有传动轴、驱动桥，有的没有，视情况而定； 液压元件主要有缸、泵、阀、密封件及液压附件等。静液压元件的泵(主要是变 量泵)、马达(变量与定量)，以及相应的减速机等；电气元件以前对工程机械的 影响还并不大，最早的工程机械电气系统，主要是起动电路及照明电路，系统 及元件都非常简单，起动可以用拖起动，白天干活不用照明，因此，这两个电 路系统出了故障也能勉强维持工作。但工程

10、机械发展到今天，电气系统及电气 元件已经成了工程机械一个非常关键的部分，可以说今天的绝大多数工程机械， 电气系统出了故障根本就不能工作，有的甚至寸步难行，等于一堆废钢铁。因 此电气系统、电器元件目前也是工程机械最关键最主要的配套件之一。主要电 器元件除传统的元件外，还有各种传感器，各种控制元件及微处理机等等。 1.21.2 液压控制特点液压控制特点 液压控制系统多采用伺服阀等电业控制阀组成的带反馈的闭外系统，以传递 信息为主，以传递动力为辅，追求控制特性的完善。由于加入了检测反馈，故 系统可用一般元件组成精确的控制系统，其控制质量受工作条件变化的影响小。 液压控制系统的类型繁杂，可按不同方式分

11、类，每种分类方式均代表一定特 点。 (1)按系统的输出量分类 可分为位置控制、速度控制、加速度控制和力(或压力)控制系统。 (2)按控制的方式分类 可分为阀控系统和泵控系统。阀控又称节流控制式系统，其主要控制 元件是液压控制阀，具有响应快、控制精度高的优点，缺点是效率低， 7 特别适合在中小功率快速高精度控制系统中使用。按照控制阀的不同， 阀控系统还可以分为伺服阀式、比例阀式、数字阀式系统等。泵控系统 主要的控制元件是变量泵，具有效率高、刚性大的优点，但是响应速度 慢、结构复杂，适合在大功率而响应速度要求不高的控制场合中使用。 (3)按控制信号传递介质分类 按控制信号传递介质的不同可分为机械液

12、压控制系统、电气液压控制 系统。 机械液压控制系统简称机液控制系统，系统中的给定、反馈和比较元 件都是机械构件。其优点是简单可靠、价格低廉、环境适应性好，缺点 是偏差信号的校正及系统增益的调整不如电气方便，难以实现远距离操 作。此外，反馈机构的摩擦和间隙都会对系统的性能产生不利影响。 电气液压控制系统简称电液控制系统，系统中偏差信号的检测、校正 和初始放大都是采用电气、电子元件来实现的。其优点是信号的测量、 校正和放大都较为方便，容易实现远距离操作，容易与响应速度快、抗 负载刚性大的液压动力元件实现整合，组成以电子、电气为神经，以液 压为筋肉的电液控制系统。具有很大的灵活性与广泛韵适应性，是目

13、前 响应速度和控制精度最优的控制系统。 由于机电一体化技术的发展和计算机技术的普及，电液控制系统已 在工程上普遍得到应用并成为液压控制中的主流系统。 1.31.3 机械式与液压式滑台特点机械式与液压式滑台特点 1 1 组合机床的工艺特点组合机床的工艺特点 1）组合机床特点）组合机床特点 组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具， 组成的半自动或自动专用机床。 8 图图 1 1 组组合合机机床床 作为一种高效率的专用机床，组合机床在大批、大量机械加工生产中应用广泛。本次课程 设计将以组合机床动力滑台液压系统设计为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法和设 计步骤

14、，其中包括组合机床动力滑台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理 图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。 组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定外形和加工工艺设计的专用部件和夹具而 组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同 时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率的优 点，在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。组合机床通常采用多 轴、多刀、多面、多工位同时加工的方式，能完成钻、扩、铰、镗孔、攻丝、车、铣、磨 削及其他精加工工序，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。液压系统由于具有结构简单、

15、 动作灵活、操作方便、调速范围大、可无级连读调节等优点，在组合机床中得到了广泛应 用。 2、机械式滑台机械式滑台 机械滑台用以实现进给运动，可卧式也可立式使用，在机械滑台上安装动力箱（装上多 轴箱）钻削头、镗削头、铣削头、镗孔车端面头等各种部件，用以完成钻、扩、铰、镗、 锪窝、刮端面、倒角、车端面、铣削及攻丝等工序，亦可在其上安装工件组成输送运动 实现工作循环。 滑台又分 a、b 型，采用高牌号铸铁或镶刚结构，具有普通级和精密级两种精度。 a 型为双矩型导轨，一般用于粗加工， b 型为一山一矩合型导轨，用于精加工。该系 列滑台外形美观、设计合理、刚性好、性能可靠，是组合机床和自动线较理想的基础

16、动 力部件。 9 图图 2 2 机机械械式式滑滑台台 机械滑台它具有门式框架和卧式长床身的铣床,机械滑台加工精度和生产率均较高,适合在成 批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。 3、液压式滑台液压式滑台 是组合机床的重要通用部件之一，用于实现进给运动，液压滑台的主要元件有液压泵、 电液换向阀、顺序阀、背压阀、液压缸。 图图 3 3 液液压压式式滑滑台台 4、机机械械式式滑滑台台与与液液压压式式滑滑台台的的比比较较 10 表表 1 1 2、液压滑台液压系统动能设计液压滑台液压系统动能设计 2.12.1 运动负载分析计算运动负载分析计算 1） 运动分析 绘制动力滑台的工作循环图 图图 4 2）负

17、载工况分析 a、启动加速阶段 n n mawu n fff m j m uf1580 1 )( 1 )( 11 b、快进、快退阶段 n n ma n f f mm f 450 c、工进阶段 n n ff f m fq 28268 工作阶段 速度)( s m v 负载 f/n 启动加速 0.061580n 快进、快退 490n 工进 0.00428268n 表表 2 2 2.22.2 确定执行元件类型及基本参数确定执行元件类型及基本参数 1)工作压力 通过查表、查资料取工作压力为。a3mp 2）确定液压缸的主要结构参数 最大负载 f=28268n mm p f d100 4 取液压缸内径为 10

18、0mm 活塞杆的直径 d=0.7d=70mm。 3）液压缸实际有效面积计算 无杆腔面积 a1=d2/4=3.141002/4 mm2=7850mm2 有杆腔面积 a2=（d2d2）/4=3.14（1002702）/4 mm2=4004 mm2 活塞杆面积 a3=d2/4=3.14702/4 mm2=3846 mm2 4)最低稳定速度验算。最低速度为工进时 u=m/s，工进采用2104 . 0 无杆腔进油，单向行程调速阀调速，查得最小稳定流量 qmin=0.05l/min uqmin/a1=0.04m/s 3 4 10 5 . 7860 1005 . 0 x 12 满足最低速度要求。 5)计算液

19、压缸在工作循环中各阶段所需的压力、流量、功率列表 表 1-1 液压缸压力、流量、功率计算 差 动 快 进快 退 工 况 启 动 加 速 恒 速 工 进 启 动 加 速 恒 速 计 算 公 式 p= f/a3 q=u3 a3 p=pq p=(f+ p2a2) / a1 q=u1 a1 p=pq p=(f+ p2a1) / a2 q=u2 a2 p=pq 速 度 m/s u2=0.06u1=0.04u3=0.06 有 效 面 积 m2 a1=785010-6a2=400410-6a3=384610-6 负 载 n 9801580490282689801580490 压 力 mpa 0.260.41

20、0.133.60.240.390.12 流 量 l/min 13.81.914.4 功 率 kw 0.0940.1130.029 取 背 压 力 p2=0.8mpa 13 表表 3 3 2.32.3 确定液压控制方案确定液压控制方案 液压系统方案设计是根据主机的工作情况、主机对液压系统的技术要求、 液压系统的工作条件和环境条件以及成本，经济性、供货情况等诸多因素，进 行全面、综合的设计，从而拟定出一个各方面比较合理的、可实现的液压系统 的方案来。其内容包括：油路循环方式的分析与选择，油源形式的分析与选择， 液压回路的分析、选择与合成，液压系统原理图的拟定、设计与分析。 1)速度控制回路的选择

21、a、选择油源形式 从工况图可以清楚看出，在工作循环内，液压缸要求油 源提供快进、快退行程的低压大流量和工进行程的高压小流量的油液。最大流 量与最小流量之比qmax/qmin=14.4/1.98；其相应工进的时间远比快进和快退的 时间长，这表明在一个工作循环中的大部分时间都处于高压小流量工作。从提 高系统效率、节省能量角度来看，选用单定量泵油源显然是不合理的，为此可 选用变量叶片泵或双联叶片泵作为油源。考虑到变量叶片泵能随着系统压力的 变化匹配相应的输出流量，相比双联叶片泵在经济性和减少能量损失方面更加 适合。最后确定选用变量叶片泵方案。 b、选择快速运动和换向回路 本系统已选定液压缸差动连接和

22、变量叶片泵 供油两种快速运动回路实现快速运动。考虑到从工进转快退时回油路流量较大， 故选用换向时间可调的电液换向阀式换向回路，以减小液压冲击。由于要实现 液压缸差动连接，所以选用三位五通电液换向阀。 c、选择速度换接回路 由于本系统滑台由快进转为工进时，速度变化大， 为减少速度换接时的液压冲击，选用行程阀控制的换接回路。 d、(4) 选择调压和卸荷回路 在变量叶片泵供油的油源形式确定后，调压 和卸荷基本解决。即滑台工进时，变量叶片泵自动匹配所需要的工作流量，从 而控制其压力。无需另设调压回路。在滑台工进和停止时，变量叶片泵流量基 本上很小。故可不需再设卸荷回路。 2)液压原理系统图 14 图图

23、 5 5 2.42.4 选择液压元件选择液压元件 1、选择液压泵和电机 1）确定液压泵的工作压力 a、由表 1-1 可知，液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为 3.6mpa， 本系统采用调速阀进油节流调速，选取进油管道压力损失为 0.6mpa。 故泵的最高压力为 pp1=（3.6+0.6）mpa=4.2mpa 液压泵的公称工作压力 pr 为 pr=1.25 pp1 =1.254.2mpa=5.25mpa 2）液压泵的流量 由图可知，在快退时，最大流量值为 14.4lmin, 15 取 k=1.1，则可计算泵的最大流量 k( v q)max vp q vp q =1.114.4lmin=15.

24、84lmin 在工进时，最小流量值为 1.9 lmin，故液压泵的最小流量为 1.9l/min 根据以上计算数值，选用公称流量 16.7l/min；公称压力为 6mpa 的变量叶 片泵。 2、选择电机 由表 1-1 可知，最大功率出现在工进阶段，其数值按下式计算 pp= pp2qvp=3.610610-30.9=1120w 0.28 式中 qv大泵流量，qv1=16.7 lmin p液压泵总效率，取 p =0.9。 根据工进阶段所需功率 1120w 及变量叶片泵要求的转速，选用功率为 1.5kwy90l-4 型的异步电机。 3、选择液压元件 根据系统所需要的流量和压力选择液压元件 表表 4 4

25、 16 3、液压动力滑台的电气控制设计液压动力滑台的电气控制设计 3.13.1 确定电气控制的对象确定电气控制的对象 电气控制的对象主要是液压泵电机、动力头电机、冷却泵电机和两个电磁 铁 1ya 和 2ya。 3.23.2 确定电器控制的方案确定电器控制的方案 组合机床通常是采用多刀、多面、多工序、多工位同时加工，由通用部件 和专用部件组成的工序集中的高效率专用机床。它的电气控制线路是将各个部 件组合成一个统一的循环系统。在组合机床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗 孔、攻螺纹、铣削及磨削等工序。组合机床用于大批量生产。 组合机床的控制系统大多采用机械、液压或气动、电气相结合的控制方式。 其中，电

26、气控制又起着中枢连接的作用。因此，应注意分析组合机床电气控制 系统与机械、液压或气动部分的相互关系。 组合机床组成部件不是一成不变的，它将随着生产力的向前发展而不断更 新，因此与其相适应的电气控制线路也随着更新换代，目前主要有以下两种： 1、机械动力滑台控制线路 机械动力滑台和液压动力滑台都是完成进给运动的动力部件，两者区别仅 在于进给的驱动方式不同。动力滑台与动力头相比较，前者配置成的组合机床 较动力头更为灵活。在动力头上只能安装多轴箱，而动力滑台还可以安装各种 切削头组成的动力头，用来组成卧式、立式组合机床，以完成钻、扩、铰、镗、 刮端面、倒角和攻螺纹等工序，安装分级进给装置后，也可用来钻

27、深孔。一般 机械动力滑台由滑台、机械滑座及双电动机（快速电动机和进给电动机）传动 装置三部分组成。滑台进给运动的自动循环是通过传动装置将动力传递给丝杆 来实现的。 2、液压动力滑台控制线路 液压动力滑台与机械动力滑台在结构上的区别在于：液压动力滑台的进给 运动的借助压力油通过液压缸的前腔和后腔来实现的。液压动力滑台由滑台、 滑座及液压缸三部分组成，液压缸驱动滑台在滑座上移动。液压动力滑台也具 有前面机械动力滑台的典型自动工作循环过程，它是通过电气控制线路控制液 压系统来实现的。滑台的工进速度是通过调整节流调速阀进行无级调速的。电 气控制一般采用行程原则、时间原则控制方式及压力控制方式。 组合机

28、床电气控制系统总的特点，是它的基本电路可根据通用部件的典型 17 控制电路和一些基本控制环节组成，再按加工、操作要求以及自动循环过程， 无须或只要作少量修改综合而成。 本设计分析对象是由一个液压动力滑台和铣削动力头来实现加工的组合机 床电气控制电路。 1、确定机床的工作循环 首先是动力头快速接近工件到位后，接触到行程阀，由快进转工进，工进 到位后，压力继电器发出信号，快速退回。接触到行程开关，计时器计时，短 暂停留后开始下一个循环。 2、确定液压动力滑台系统的工作过程 表表 5 5 （1）快速趋进 液压泵电动机启动后，按下 sb2 按钮发出滑台快速移动信号，ka1 吸合，电磁 铁 ya1 得电

29、，三位五通电磁阀向右移，控制油路开通，控制三位五通液控换向 阀向右移，接通工作油路，压力经过行程阀进入液压缸大腔，而小腔内回油经 过三位五通液控换向阀、单向阀、行程阀再进入大腔，液压缸体、滑台、工件 向前快速移动。 （2）工作进给 滑台快速移动到工件接近铣削动力头时，滑台上的挡铁压下行程阀，切断 压力油通路，此时压力油只能通过调速阀进入液压缸大腔，减少进油量，降低 滑台移动速度，滑台转为工进进给。此时由于负载增加，工作油路油压升高， 18 顺序阀打开，液压缸小腔的回油不再经单向阀流入液压缸大腔，而是经顺序阀 流回油箱。 （3）死挡铁停留 液压动力滑台工作进给结束时（铣削加工完成） ，滑台撞上死

30、挡铁，停止前 进，但油路仍处于工作进给状态，液压缸大腔内继续进油，至使油压升高，压 力继电器 kp 动作。 （4）快速退回停于原位 死挡铁停留，压力继电器 kp 动作，其常闭触点打开，使电磁铁 yv1 失电 ，kp 常开触点闭合，电磁铁 ya2 得电，三位五通电磁阀左移，控制油控制阀左 移，工作压力油直接进入液压缸小腔，使液压缸体、滑台、工件迅速退回。同 时大腔内的回油经单向阀、三位五通液控换向阀无阻挡地流回油箱。工作台快 速退回原位时，压下原位行程开关，电磁铁 ya2 失电，在弹簧作用下，液控换 向阀处于中间状态，切断工作油路，系统中各元件均恢复原位状态，滑台停于 原位，一个工作循环结束。

31、3、电动机控制电路 为液压泵电动机，操作按钮 sb2 或 sb1，使 km1 得电或失电，控制电动 1 m 机启动或停止。机床所有的操作都必须在液压泵电动机启动以后进行。 4、液压动力滑台控制 液压泵电动机启动工作后，按下按钮 sb3，继电器 ka1 得电并自锁，电磁 铁 ya1 得电，控制液压滑台快速趋近，至滑台压下行程阀，滑台转为工作进给 速度进给。工作进给至终点，死挡铁停留，进油路油压升高，到压力继电器 动作。ka1 失电，电磁铁 ya1 失电，同时 ka2 得电，电磁铁 ya2 得电，滑台kp 快速退回到原位，压下原位行程开关 sq1，ka2 失电，ya2 失电，滑台停在原位， 一个工作循环结束。 5、绘制电气控制原理图 根据各局部线路之间的相互关系和电气保护线路，完成电气控制原理图 19 图图 6 6 6、液压元件的选择 根据电动机的功率、线路的电流和电压选择其电气元器件如下表 20 表表 6 6 4、液压缸的结构设计液压缸的结构设计 4.1 确定类型和主要参数 液压缸采用单杆活塞杆类型，其主要是为了实现差动快进。液压缸缸内径为 100mm 活塞杆的直径 d=0.7d=70mm。 4.2 确定部件的链接方式 由于液压缸的属于低压液压缸，有两种链接方式可以考虑，一个是焊接式另 一个是法兰式。焊接