基于双工作台的立式FMC工作台交换装置设计-本科毕业论文

1 1 本科毕业设计（论文）说明书本科毕业设计（论文）说明书 （题目）题目） 系系别别 专业班级专业班级 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 提交日期提交日期年月日 2 2 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学广州学院可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：日期：年月日 指导教师签名：日期：年月日 3 3 华华 南南 理理 工工 大大 学学 广广 州州 汽汽 车车 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 （论文）（论文） 任任 务务 书书 兹发给班学生毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目：基于双工作台的立式 FMC 工作台交换装置及 PLC 设计 2.应完成的项目： （1）立式 FMC 工作台交换机构的工作原理设计与计算。 （2）立式 FMC 工作台交换机构的机械装配图设计及部分零件图设计。 （3）立式 FMC 工作台交换机构的辅助控制系统设计（液压或气压传动） 。 （4）立式 FMC 工作台交换机构的自动工作过程的 PLC 控制逻辑构建。 3.参考资料以及说明： （1） 加工中心安装调试与维护 沙杰主编，机械工业出版社，2003.2 （2） 数控机床与编程 刘战术主编，机械工业出版社，2008.8 （3） 机械设计手册 ，机械工业出版社 （4） 数控系统连接与操作使用说明书 （5） 流体传动设计手册 （含液压、气压及典型回路设计） 仔细阅读以上资料中关于数控机床机械部件的设计和 PLC 构建部分，同时 到图书馆期刊室使用计算机查阅与柔性制造单元机械部件设计和 PLC 构建相关 的连续性出版物之内容。 4.本毕业设计 （论文） 任务书于 2011 年 12 月 20 日发出， 应于 2012 年 5 月 18 日 前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人审核11 年 12 月 20 日 指导教师（导师组负责人）刘战术签发11 年 12 月 25 日 4 4 毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年月日 5 5 前言 毕业设计是高等职业教育教学计划的重要组成部分， 是加强理论 与实际相结合的实践性教学环节，是各专业的必修课程，在学生完成 所有专业课程学习、结合毕业实习进行。大学生活即将结束,我们也 将迎接的最后一次考验和竞争就是毕业设计。这次毕业设计中，我的 设计题目是：基于双工作台的立式 FMC 工作台交换装置设计 。由于 设计的需要，我仔细研究了装配图，但在设计过程中，因自己经验不 足，遇到了很多实际问题，使我体会到了在现场实习调研仅证明可不 可以实干， 而不能代表能不能干好。 所以我积极与设计指导老师沟通， 在老师的全力帮助、指导下问题得到了全面解决，同时受到老师优良 工作品质的影响，培养出了我缓中求稳、虚心求教、实事求是、一丝 不苟的工作作风，并树立了明确的生产观、经济观和全局观，为今后 从事工作打下了良好的基础。通过毕业设计，我真正认识到理论和实 践相结合的重要性， 并培养了我综合运用所学理论知识和实际操作知 识去理性的分析问题和解决实际工作中的一般技术工程问题的能力， 使我建立了正确的设计思想，掌握了工艺设计的一般程序、规范和方 法，并进一步巩固、深化地吸收和运用了所学的基本理论知识和基本 操作技能。还有，它提高了我设计计算、绘图、编写技术文件、正确 使用技术资料、标准、手册等工具书的独立工作能力，更培养了我勇 于创新的精神及严谨的学风及工作作风和团队合作精神。 毕业设计让 我更加地懂得自己所学的东西的不足， 在以后的实习或者工作中都要 不断地学习，这样我才会进步。毕业设计是我们进入社会前的一个很 6 6 好锻炼的机会，不应该马虎地对待。作为一个机械人，做事一定要大 胆细心，这样才会做好事情。在这次毕业设计中，对待一些比较细节 的东西，我都会慢慢地研究和深入去探索，不会的话就去问同学和上 网查资料。毕业设计是我们所离开学校走向社会所必需的，是培养我 们独立进行运用所学的基本知识、 理论和技能去解决在实际工作中的 一个重要环节。 由于本人能力有限，缺少设计经验，设计中漏误在所难免，敬 请老师指正批评，以使我对自己的不足得到及时的发现并修改，也使 我在今后的工作中避免再次出现。在这里，向在这次毕业设计中给予 过我鼓励、指导及帮助的老师表示我虔诚和衷心的感谢！ 编者： 2012 年 3 月 28 日 7 7 目录 前言2 一，外文翻译 2 二，加工中心概述 13 1， 加工中心 13 2， 机床主要参数 16 3， 加工中心控制系统 18 4， 机床总体布局 19 5， 主要参数 20 三，方案选择 24 四，气液动技术的应用 32 五，丝杠螺母 34 六，数控机床故障报警可能出现的原因 35 七，安装调试 37 八，结语 42 九，参考文献 42 8 8 Summary: This system is mainly to complete processing center table flexible manufacturing cell design. Flexible manufacturing cell by one or several numerical control machine tools or machining centers constitute the processing unit.The unit can automatically replace the necessary tools and fixtures, processing of different workpieces.Flexible Manufacturing Cell for processing of complex shape, a simple processing procedure and processing man-hours long, small batch parts.It has a large Flexible Equipment, personnel and processing of flexible low.The so-called flexible, is a manufacturing system to adapt to changing conditions of production capacity, its programs and systems, personnel and equipment-related.The flexible system solutionisprocessedindifferentpartsofthedegreesof freedom.Personnel flexibility refers to the operator can guarantee processingtasks,thecompletionofthevolumeand time-adaptability.Flexibility refers to the machine tool equipment in the near future to adapt to new parts of the processing capacity.The faceofdemandforpersonalizedproducts,andrising manufacturing costs, improve production flexibility has been a manufacturer of begging, flexible manufacturing cell (FMC) and flexible manufacturing systems (FMS) applications for us.FMC is 9 9 actually an extension of CNC machining centers, usually by machining centers and industrial robots, each one composed by a uniform background for programmable control computer.Evolved from the DNCs FMS, usually from a few machining center, industrial robots and automatic guided vehicles (AGV) formed by the centralized control of a computer background.FMC / FMS have a certain amount of flexibility, but because of limited equipment, the hardware features and a huge investment in equipment, the face of changing market demand, often not yield the desired benefits.Have therefore chosen this technology to conduct a detailed assessment of input-output 10 10 二，加工中心概述二，加工中心概述 1，加工中心 1.1 加工中心简介 加工中心(Machining Center)简称 MC,是指备有刀库，具有自动 换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心 是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同 工序自动选择、 更换刀具， 自动对刀、 自动改变主轴转速、 进给量等， 可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件 装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂， 精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 1.2 加工中心的分类 (1)卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心， 主要适用于加工箱体类零件。 卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个 侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。 (2)立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心， 主要适用于加工板类、盘类、模具及小 型壳体类复杂零件。 立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。 此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整 成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心， 它们能对工件进行五个面的加 工。 (3)万能加工中心(又称多轴联动型加工中心)：是指通过加工主 轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化， 完成复杂空间曲面 加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具 等工件的加工。 多工序集中加工的形式扩展到了其他类型数控机床，例如车削中 11 11 心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐 标， 除车削外， 主轴可以停转或分度， 而由刀具旋转进行铣削、 钻削、 铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。 1.3 加工中心新型结构及可交换工作台 传统的加工中心都是单工作台工作的,对于批量相对比较大的产 品加工时,由于辅助时间比较多,严重地阻碍了生产效率,由此也催生 了可交换工作台加工中心,即是双工作台轮流工作的加工中心。为了 提高加工中心的加工效率， 利用可交换的双工作台实现工件加工中的 装、卸时间与加工时间重合的方法，是批量生产中常用提高生产效率 的法。 双工作台最常见于卧式加工中心,但根据用途需要,同时也为了 提高生产效率,立式加工中心也设有双工作台。我们设计的是柔性制 造单元，如下图所示 我们设计的是 H400 加工中心，随着数控技术的发展，加工中心在机 械制造领域的应用越来越广泛， 教学型加工中心设计的基本原则是结 构及控制原理要先进且符合实际机床精度可适当降低机床制造成本 降低操作运动机构增加安全性设计。 12 12 1.4 机床总体布局 H400 加工中心总体布局见图 1 该加工中心 XYZ 三轴联动工作台四分 度 回 转 双 工 作 台 转 位 180 交 换 可 实 现 柔 性 连 续 加 工 机床采用半动柱 T 型结构布局即主轴实现 XZ 两座标运动工作台实现 Y 轴运动该结构的特点是 1、机床整体尺寸较小结构紧凑降低了成本； 2、工作台具有前后两极限位置当工作台在前位时工作台有足够的空 间可便于实现加工过程中的零件交换； 3、机床的排屑沟对称分布在机床的左右两侧切屑的散热对机床的整 体热稳定性影响很小； 4、机床的床身结构采用 T 型结构三点支承保证了底座处于正确的状 态使滚动导轨获得较高的精度。 加工中心还配有双工位工作台交换系统上料工位与加工工位的工作 台回转交换解决了上料时间与加工时间的重合问题缩短了辅助加工 13 13 时间提高了工作效率 1.5 主要技术参数 H400 教学型加工中心主要技术参数如下 工作台尺寸 480320 最大承载 400 kg 主轴；转速 03000 r/min；主 轴功率 3.755.5 kW； 工作行程 X 轴 400 mm； Y 轴 320 mm； Z 轴 400 mm； 最大进给速度 XY 为 10 m/min；Z 为 5 m/min；定位精度 0.022 mm/； 全长重复定位精度 0.01/全长；刀库容量 10 个刀位换刀时间 8 s 2，机床主要结构 2.1 主轴 H400 教学型加工中心主轴电机采用主轴交流调速电机，传动采用同 步带实现； 由于主轴转速较低， 主轴承受的负荷小故采用了简化设计， 主轴前后支承各采用 1 个向心推力球轴承组成主轴的支承体系， 支承 结构简单，安装调整方便。主轴轴承采用特殊润滑油脂润滑，油脂封 在主轴套内一般不许更换。由于主轴发热主要是主轴轴承部分，设 计时将切削液回路经过轴承外面的主轴箱内腔， 从而对轴承进行了冷 却，减少了热变形对主轴回转精度的影响。 2.2 刀库 H400 型加工中心刀库部分采用 PICK-UP 刀库的设计形式，由主 轴直接完成刀库的取刀动作。 刀库驱动由普通电机通过外啮合槽轮机 构进行驱动，可靠性高，控制简单，制造成本较低。在加工中心操作 过程中换刀过程，最容易产生事故，根据教学型的要求，该加工中心 针对刀库部分特别加强了安全设计： 14 14 1、安全防撞设计：刀库与底座连接支架之间增加了一个传动轴，操 作如有不当，刀库本体可反时针转动一个角度，使刀库与连接支架之 间的形成开关断开，控制系统及时停机： 2、2 刀盘上 10 对刀爪的转动销轴上，增加了安全剪断槽的设计，意 外动作时，如发生结构性破坏，应优先剪断销轴。 2.3 工作台交换系统 工作台交换系统是由托叉带动工作台回转 180实现，可分为工 作台抬起、交换、夹紧 3 个过程。为了省略液压油源，简化结构，托 叉的升降采用气压系统实现。回转到加工工位的工作台与鞍座由 4 个定位锥定位，通过气缸拉紧拉钉使工作台与鞍座固定。相配合的锥 面孔与锥面销经配磨加工而成，实践证明，上述方法定位精度稳定， 接触刚性好。 3 加工中心控制系统 3.1 CNC 数控系统 数控系统是机床的控制核心， 教学型加工中心数控系统应满足教 学和加工两种功能的需要。这就要求具有： （1）系统界面友好，帮助 能力较强（2）系统开放，可进行自我开发（3）具有网络等多种接口； 根据上述要求，加工中心数控系统选择台湾智研科技公司生产的 INCON-M40F 开放体系结构数控系统。 INCON-M40F 数控系统基于 IPC，各个控制模块(含接口电路板、 CPU 板等)均插接在系统总线母板上构成灵活开放的总线式结构。该 系统利用硬盘作为 NC 大容量缓冲内存， 可由软盘或由 RS-232 连接外 15 15 部 CAD 工作站执行 DNC 加工，充分利用了计算机系统的丰富资源。数 控系统 PMC 程序采用 C+高级语言编制，与一般的梯形图、语句表相 比，语法限制较少，结构更灵活，简单。 3.2 电气控制系统总体结构 该加工中心电气控制系统是基于 INCON-M40F 数控系统，配接三 套 MELSERVO-J2-A 系列交流伺服驱动器及伺服电动机， 完成 XYZ 轴的 伺服进给；配接一套 MDS-A-SPJA 系列主轴伺服驱动器及主轴伺服电 机，完成主轴速度控制及定位控制；配接 1#、2#两块 ICON-EQ 型 PLC 扩展中继板，完成共 64 路输入、32 路输出的加工中心逻辑控制加工 中心电气控制。系统的总体结构图如图 2 4，工作台基本结构 16 16 H400是具有480 mmx500 mm双工作台的卧式加工中心，通过交换机构 可以轮流将两个工作台分别送人加工区域， 加工过程中根据需要还可 以实现固定位置的分度停止(90。或45。)。为降低数控机床的整体制 造成本， 由气压驱动实现工作台与底座的同联以及加工中工作台位置 的锁定，由此可以省去有较高成本的液压系统，使数控机床具有更高 的性价比。可交换工作台结构如图1所示。工作台2通过4个60。锥角 的定位锥3在底座上定位， 底座上的固锁气缸4通过工作台上的拉钉将 工作台与底座同联为一个整体。锁紧机构用气压驱动，常态为锁紧状 态。当工作台因加工需要需完成转位动作时，首先活塞7松开锁止碟 片6，由伺服电动机1带动蜗杆副5实现旋转运动的传递，工作台及底 座可以在滚动导轨上实现旋转运动。旋转到位由数控机床的PLC模块 发出控制指令，在伺服电动机运动停止的同时，气缸进气活塞7锁紧 碟片6，工作台可进入加工状态。该机构设计的重点是保证工作台固 联机构和旋转锁止机构的可靠性。 工作台固联机构应保证在承受数控 机床加工中产生的切削力及振动的共同作用下， 工作台在底座上的固 联稳定；而旋转锁止机构则应具有足够的止转转矩，此止转转矩应大 于数控机床工作过程中绕垂直轴作用在工作台上的转矩。 5、固锁系统的设计 51工作台与底座固联机构的设计 固联结构设计的重点是保证工作台在底座上的准确定位及固联强度。 如图2所示，工作台由4个锥面机构同时定位，安装在底座上。锥面定 位属多自由度约束，4个锥面机构同时定位，属过约束。在定位锥安 17 17 装时需进行精确的测量和调整，否则会影响工作台的定位精度。工作 台的固联使用钢球和拉钉机构实现，气缸产生的向下的拉力，由钢球 通过拉钉施加到工作台上。由于工作台底座的结构尺寸限制，气缸尺 寸不能太大，最终设计是气缸内径75 mm，活塞杆直径取30 mm。在额 定供气压力下单个活塞缸能产生向下的拉力为F：孚(D2一d2)P4 ：l(o07520032)05 X 106：l 855 N4式中D气缸内径， m卜气缸活塞杆直径。m 作台固联可靠性产生影响，在每个气缸的周 围增加6 卜额定供气压力05 MPa 个强力弹簧，共提供600 N向下的 拉力， 施加在气缸活考虑到加工过程中的瞬时切削负荷波动可能对工 塞上。因此，单个气缸产生的拉力和弹簧力合计达到2 455 N，整个 工作台共可产生9 820 N的向下拉力。试加工后验证，此设计可满足 切削加工的需要。在固锁气缸的活塞中心设置有小活塞，在弹簧5 的作用下可以自动复位。在小活塞的中间加工有通气孔，当工作台交 换时，可以输出高速气流，冲刷可能掉落在定位锥表面上的杂物。 52分度工作台锁止机构设计 旋转锁止机构如图3所示。在分度工作台的旋转部件上安装有锁止碟 片2，在鞍座l上固定有可产生微量位移的活塞3。锁止碟片处于鞍座l 和活塞3之间，在设计时要保证其间隙在01 lnm左右。锁止碟片2 和活塞3采用弹性较好的65Mn制造，在制造时保留其表面的自然加工 纹路，以提高其摩擦系数，并通过热处理使其具有较高的表面硬度。 工作中需要锁止动作时，气管4进气，活塞3下部为压力腔，活塞在压 力下产生弹性变形，同时作微量移动，将锁止碟片2锁定在鞍座上。 18 18 活塞3在额定气压o5 MPa下，于200 mm碟片上可产生止转转矩，其 计算过程如下。额定压力F=詈(D2一d2)P=q-i“(0220122) 05106：10 048 N式中D气缸内径，m 出t缸活塞杆直径， mP-额定供气压力05 MPa碟片工作时为两个摩擦面，其计算直径为 184 mill。 可计算出其静态最大转矩为M： 2彤譬： 210 0480 7 半： 1 294 Nm4式中卜碟片计算直径，1111卜碟片承受正压力，N卜钢一 钢静摩擦系数，取07考虑活塞工作中的弹性变形会抵消一部分锁紧 力， 取其折算系数为0 8。 计算可知其静态最大止转转矩约为1 000 Nm， 完全可以满足加工过程中的需要。 19 19 20 20 定位面的自动吹屑清理工作原理： 交换台是实现双工作台交换的 关键部件，由于加工中心交换台提升载荷较大（达12000N） ，工作台 过程冲击较大，设计上升、下载动作时间为3S，且交换台位置空间较 大，故采用大直径气缸（D=350mm） ，6mm 内径的气管，可满足设计载 荷和交换时间的要求。机床在无工作台时交换，在两位双电控电磁阀 HF3的控制下交换台托升缸处于下位感应 LS17有信号，工作台与托叉 分离，工作台可以进行自由的运动。当进行自动和物动的双工作台交 换时， 数控系统通过 PMC 发出信号， 使用两位双电控电磁阀 HF3的3YA 得电，拖开缸下腔通入高压气，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 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 板到 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 21 21 速度，避免较大的载荷冲击及机械部件的损伤。 工作台夹紧支路工作原理： 由于加工中心要求进行双工作台的交 换，为了节约交换时间，保证交换的可靠，所以工作台与鞍座之间必 须具有能够快速可靠的定位，夹紧及速度脱离的功能。可交换台的工 作台固定于鞍座上，由四个带定位锥的气缸夹紧，并且为了达到拉力 大于12000N 的可靠工作要求，以及受位置结构的限制，该气缸采用 了弹簧示增力结构，在气缸内径仅mm 的情况下酒达到了设计接力 要求。该支路采用两位双电控磁阀 HF4进行控制，当双工作台交换将 要进行或已进行完毕时，数控系统通过 PMC 控制电磁阀 HF4，使线圈 5YA 或6YA 得电，分别控制气缸活塞的上升或下降，通过钢珠拉套机 构放松或拉紧工作台上的拉钉，完成鞍座下工作台之间的放松或夹 紧。为了避免活塞运动时的冲击，在该支路采用具有得电动作，失电 不动作，双线圈同时得电不动作特点的两位双电控电磁阀 HF4进行控 制，可避免在动作过程中突然断电造成的机械部件冲击损伤。并采用 单向节流阀 DJ5、DJ6来调节夹紧的速度，避免较大的冲击载荷。该 位置由于受结构限制，用感应开关检测放松与拉紧信号较为困难，故 采用可调工作点的压力继电 YK3、YK4检测压力信号，并以此信号作 为气缸到位的信号。 三、方案选择三、方案选择 气动传动和液压传动属于流体传动的两个分支， 它们分别是以压缩 空气和液压油为工作介质，进行能量的传递和控制的传动技术。相等于 22 22 机械传动、电力传动等传动技术，气、液液压传动是新兴的技术工程。 由于它们具有许多机械传动所不具有的优点，故其发展速度较快，应用 范围越来也越广，目前已广泛应用于工程技术中的各个领域。 近20年来，随着现代制造技术，密封技术等的发展，液压传动技术 高压、高速、大功率、低噪音、节能、高效和提高使用寿命等方面取得 了巨大的进展，并在交流液压技术、机电液组全传动、液压系统的唤回 设计、液压技术计算机化等方面进行了有益的探索，取得了不定式的成 效，并在工程实际中开始推广应用。气动技术目前已发展成为一门独立 的技术领域，在各方面的应用范围在不断地扩大。近年来，气动技术在 向小型化、集成化、无油化（由不供油润滑和无润滑元件组成的系统） ， 提高元大器件和系统可靠性及使用寿命， 反战节能技术。 电气一体化 （如 压力阀、流量比例阀、数字控制气缸等气、电技术结合的自适应控制气 动元件等） ，提高拨动系统的机电一体化和自动化水平（如 PLC 控制气 动系统）等方面进行发展。 与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点： 1、传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。 3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000： 1） 。 23 23 4、可自动实现过载保护。 5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使 用寿命长； 6、很容易实现直线运动/ 7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可 实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。 液压的缺点 1、阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅 污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很 低的温度条件下工作。 3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。 4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动 比。 5、动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水 平。 气动技术的优点： 1、装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用 安全。 2、作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单， 不污染环境，成本低。 3、输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般 24 24 为50500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。 4、可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万 次，而 SMC 的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。 5、利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。可短时间 释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载 和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持 能力。 6、全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比， 气动方式可在高温场合使用。 7、由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。 气动技术的缺点： 1、由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。 采用气液联动方式可以克服这一缺陷。 2、气缸在低速运动时候，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸 的低速稳定性不如液压缸。 3、虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其 输出力比液压缸小。 气压传动还是液压传动都要以实际的工作环境来定。 我觉得这次 的回路更合用气动回路，因为从经济的角度来说，它更实惠，空气来 源更丰富， 抽取方便， 成本低廉， 有较好的工作环境， 无污染噪音等。 从加工方面来说， 气动回路加工方便， 气压传动反应灵敏， 动作迅速， 易维护和调节。如果用油液控制，加工时油液到处乱飞，对环境造成 25 25 了一定的影响，噪音大，随着机器的老化，也同时会出现泄露现象， 造成资源的浪费。 综合上述种种情况，气动回路更适合此机器。 二、设计计算 1、气缸的输出力：单作用气缸的输出推力为：F=A1P1-(f+ma-LoKs） 式中，A1的活塞的工作面积，P1为作用于活塞上的压力，f 为摩擦阻 力（包括活塞与气缸以及活塞杆和气缸密封圈等） ：m 为运动时构件 质量:a 为运动构件加速度： Lo 为活塞位移 L 和弹簧预压缩量的总和： Ks 为弹簧刚度。 双作用气缸 （2） 输出的推力为： F=P1A1-P2A2-(f+ma） 式中，P1,P2为输入侧和侧气压的气压;A1,A2为输入侧和排气侧的面 积；一般在计算过程中，用下式求双双作用缸活塞上输出的推力，即 F=(P1A1-P2A2)* 为罐子缸的效率。一般取=0.80.9。 2、气缸的速度：由于活塞两侧压力为 P1P2的变化比较复杂，因为而 推动活塞的力的变化也比较复杂，再加上气体的可压缩性，要使气缸 体质准确的运动速度是比较困难的， 气缸的平均速度可按进气量的大 小求出即：V=P/A，式中 P 为压缩空气的体积流量，A 为活塞的有效 26 26 面积，约为0.5m/s 左右。 3、气缸的耗气量：气缸的耗气量与活塞的直径 D、活塞杆的直径 d， 活塞的行程 L 以及单位时间往复次数 N 有关， 活塞杆伸出和退回行程 的耗气量分别为：V1=D2L,V2=（D2-d2)L/4所以活塞往复一次 所耗压缩空气量为：V=V1+V2=（2D2-d2）L/4.若活塞每分钟往返 N 次，则每分钟活塞运动的耗气量为 V=NV 为理论耗气量，实际耗 气量要比理论值大，因泄漏存在，因此时间耗气量：Vs=（1.21.5） V 。 未经压缩的自由空气量 Vs 时， 其自由空气的耗气量 Vs2为： Vs2=Vs （P+0.1013）/0.1013P 为气体的工作压力（mpa） 。 4、气缸的直径 D： D （4F/p） 1/2,所求的 D 的值， 一般要提高20%， 再圆整到系列标准值。见表：标准气缸的缸径和活塞直径系列表如下 图所示 气缸 直径 D 3 2 4 0 5 0 6 3 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 5 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 5 0 3 2 0 4 0 0 5 0 0 63 0 活塞 直径 d 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 23 3 6 4 0 4 5 5 0 5 6 6 3 7 0 8 0 9 0 10 0 活塞行程：L 一般根据实际需要来确定，通常 L 值取（0.55）D 气缸 进、排气口直径 do 的大小，直接决定气缸进气速度，亦决定了活塞 的运行速度。设计中，应充分重视直径 do。速度V来计算，一般取 V=1025m/s，因而 do=（4q/V1/2,q 为工作台压力输入气缸的 空气流量。 27 27 5、在设计气缸各部分机械结构时，主要要确定各部分结构型式及主 要尺寸： （1）气缸筒的结构尺寸设计，气缸筒的主要作用是提供压缩 空气的储存与膨胀空间及活塞实现导向， 从而通过活塞将压力能转化 为机械能，气缸筒的主要作用是提供压缩： a：气缸筒直径（即为罐子缸直径）D b：气缸筒的长度 L，长度 L 应为活塞行程 L 和活塞宽度 H 之和，即 为 LL+H c：气缸筒的壁厚 壁厚可利用薄壁筒的计算来确定=PD/2+C 式中 P 为罐子缸工作压力（MPa);D 为气缸内径（mm） ，为气缸材 料的许用拉应力（MPa） ；=b/n；b 为缸体材料的抗拉强度 （MPa） ；n 为安全系数，一般取68； （为考虑到刚度、加工制造、腐 蚀等要求所得裕量，气缸材料的许用拉应力通常去下列数据：铸铁 HT150和 HT200， ）=30MPa；Q235钢管，=60MPa；45钢管， =120MPa；铝合金2L203，=30MPa。气缸进、排气口直径： 气缸内径 D/mm进、排气口直径 d/mm 40 50，63 80，100，125 8 10 15 140，160，18020 气缸筒壁厚 材料气缸直径 D/mm 5080100125160200250300 壁厚/mm 铸铁78101012141616 28 28 HT150 45 钢,235 5788991112 铝合金 2L203 81212141417 6,活塞杆及其强度校核： 活塞杆的作用是将活塞转换出的机械以机械 力的形式推动负载运动，对活塞杆不仅要进行结构设计（如活塞和外 接负载的连接方式等）还要进行强度校核。活塞杆在工作中，即要受 到轴向拉伸，也往往要受到轴向压缩，因此要用强度校核和稳定性校 核。当活塞杆在工作中，活塞杆的长度 L=10d 时，要进行强度校核， 即活塞杆的直径 d（4F/p）1/2式中，F 为活塞所受外力为活 塞杆的材料许用应力，当活塞杆的计算长度 L10d 时，要进行压杆稳 定性校核，以保证活塞杆不产生弯曲。 经计算出的活塞杆直径可按表标准气缸的缸径和活塞杆直径系列选 取标准值。为降低数控机床的整体制造成本，山气压驱动实现工作台 与底座的固联以及加工中工作台位置的锁定， 由此可以省去有较高成 本的液压系统，使数控机床具有更高的性价比。I_J 交换 T 作台结构 如图 l 所示。工作台2通过4个60。锥角的定位锥3在底座上定位，底 座 t 的固锁气缸4通过工作台 E 的拉钉将工作台与底座固联为一个整 体.锁紧机构用气压驱动，常态为锁紧状态。当工作台因加工需要需 完成转位动作时，首先活塞7松开锁止碟片6，由伺服电动机1带动蜗 杆副5实现旋转运动的传递，工作台及底座可以在滚动导轨 J 二实现 旋转运动。旋转到佗由数控机床的 Pl_c 模块发出控制指令，在伺服 29 29 电动机运动停止的同时， 气缸进气活塞7锁紧碟片6， 工作台可进入加： T-#t 态。该机构没计的重点是保证工作台同联机构和旋转锁止机构 的 Hj 靠性一 j 二作台固联机构应保汪在承受数控机床加工中产生的 切削力及振动的共同作用下，工作台在底座上的同联稳定；而旋转锁 止机构则应具有足够的止转转矩， 此止转转矩应大于数控机床工作过 程中绕垂直轴作用在工作台上的转矩。 2固锁系统的设计2.1工作台与 底座固联机构的设计固联结构设计的重点是保证工作台在底座上的 准确定位及固联强度。如图2所示，工作台由4个锥面机构同时定位， 安装在底鹰上。锥面定位属多自由度约束，4个锥面机构同时定位， 属过约束。在定位锥安装时需进行精确的测最和凋整，否则会影响工 作台的定位精度。工作台的固联使用钢球和拉钉机构实现，气缸产生 的向下的拉力，由钢球通过拉钉施加到工作台上。由于工作台底座的 结构尺寸限制，气缸尺寸不能太大，最终设计是气缸内径75mm，活塞 杆直径取30mm。 四、气液动技术的应用四、气液动技术的应用 机床上采用气、液压技术的方面很多，但主要是利用气、液传动 在工作中可以实现无级变速，易于实现自动化，可频繁换向等优点。 一般气、液传动常在机床的以下一些装置使用。 （1）进给运动传动 机床种类不同，进给运动的特点也不同。如磨床砂轮架，车床 刀架，磨床、钻床、铣床、刨床的工作台或主轴箱，组合机床动力滑 台等，有的要求快速移动，有的要求慢快兼具，有的要求有较大的调 30 30 整范围，有的要求有良好的频繁换向性能等，气、液压传动都能满足 这些要求。 数控机床工作台的直线或回转进给， 也可以由电气信号控制电液 伺服系统来实现。 如加上相应的检测装置构成闭环控制系统则可实现 高精度和大进给力或力矩的进给活动。 （2）往复直线运动 龙门刨床工作台，在工作时要求具有高速的往复直线运动，前 者可达6090m/min 的速度，后者可达3050m/min 的速度，这种情况 下采用液压传动，在减少换向冲击、降低能耗、缩短换向时间等方面 都很有利。 （3）回转运动和仿形运动 无级变速的回转运动通过液压传动可以实现提高机床负载变化 时的稳定性，提高加工精度、液压伺服系统可以实现车、铣、刨床上 的仿形加工，并达到0.010.1mm 的加工精度。 （4)辅助装置 机床上的工件的夹紧，操纵机构，消除装置，垂直移动部件的自 重平衡、分度装置、工件和刀具的装卸、输送和储存等，一般采用液 压拨动装置来实现， 既简化了机床结构， 又提高了机床的自动化程度， 还可以节省空间体积。 （5）静压支承 随着机床在工作平稳性和运动精度等方面要求的不断提高。 近年来采 用气体或液体静压支承的轴承导轨和丝杠螺母机构在重型机床、 高速 31 31 机床和高精度机床上得到了广泛的发展和应用。 就数控机床而言，气、液压传动的应用主要在静压和辅助运动的 实现方面，如主轴静压轴承、静压导轨，工件夹紧，装卸，刀具的更 换，垂直移动部件的自重平衡，托盘的交换，工作台的回转分度等， 有时机床和工件的清理，冷却等场合也应用到气、液压系统。 综合以上气、液传动的特点与本身活塞的设计相结合，如果选用 液压传动方式，可以达到其工作要求，但其喷嘴通进压缩空气。如果 选用气压传动方式，其压缩空气可以达到完成所要的过程，而且在放 松与平紧时气体可以通过活塞导向杠内的管道通到喷嘴， 从而把加工 工件时飞溅到空位锥附近的铁屑和杂物吹走， 防止铁屑和杂物进入拉 钉的工作范围。 所以其活塞的传动选用气压传动方式比液压传动方式 好。 五、丝杠螺母五、丝杠螺母 滚珠丝杠的结构形式繁多，但归纳起来下列三方面： 1，螺级滚道的截面形状螺级滚道的截面形状和尺寸是滚珠丝杠最 基本的结构特征，常用为单圆弧和双圆弧两种截面。 2，滚珠循环方式循环方式及其相应结构滚珠丝杠的加工工艺以及 工作可靠性和使用寿命都有很大的影响。 目前主要是外循环和内循环 两种。 3，轴向间隙消除方法轴向间隙通常是丝杠和螺母无相对转动时。 丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。常用双螺母结构消除间隙。 32 32 它的结构是在丝杠螺母上加工油弧形螺旋槽，当它们套装在一起的 时候就形成了螺旋式滚道，在滚道内填满滚珠。当丝杠相对于螺母旋 转时。二者发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动。螺母螺旋槽的两 端用回珠管连接起来，使滚珠能作周而复始的循环运动，管道的两端 还起着挡珠的作用，以防滚珠从滚道掉出。滚珠丝杠的特点： 1.高传动效率滚珠丝杠副的传动效率高达 90%99%，约为一般滑 动丝杠副的 24 倍，所以移动相同的负荷所需的动力就小得多。 2.运动平稳滚珠丝杆的启动力矩和运动力矩基本相等，所以运动平 稳，启动时无颤振，低速时无爬行。 3.寿命高 机床上使用的滚珠丝杠寿命按累计行程距离计算可达 250km，数控机床的滚珠丝杠，其尺寸主要有刚度来决定，而实际载 荷远小于许用载荷，因此它的实际寿命将超过它的设计寿命。 4.磨损小，精度保持性好滚珠丝杠不仅在设计上保证了很高的精 度，而且由于磨损小而使它有良好的精度保持性。 5.可预紧消除，提高系统的刚度经过适当的预紧能提高其反向传动 精度和刚度，但是滚珠丝杠和螺母等元件结构较为复杂，而且要求较 高的加工精度和表面质量，因此价格较贵，还因为滚珠丝杠具有可逆 传动特征，没有自锁能力，因此，在垂直升降系统或高速大小惯量系 统中必须有预紧装置或制动机构。 六、数控机床故障报警构建可能出现的原因六、数控机床故障报警构建可能出现的原因 故障原因正常现象恢复方法 33 33 1 刀库在换刀时超 过行程 正常到达换刀位置 把刀库链带的可调部分 调松一些，故障消除 2刀架定位不准故障准确抓夹刀具将对此信号“软键开关” 设置为“1”即无效 3刀具交换中发生掉 刀 刀具准确交换换刀时主轴箱到换刀点 就行了 4交换台传动机构卡 阻 运转灵活机械维修，消除卡阻故障 5电网波动过大，PLC 不工作 PLC 工作正常系统电源输入端加入一 个交流稳压器 6 主轴在运转过程中 出现无规律性的振 动或转动 主轴运转正常无振动电源进线端加装电源净 化装置，动力线和信号线 分开 7电网突然断电后开 机，系统无法启动 系统正常启动直接更换熔断器，启动机 床 8交换台电机线圈短 路 线圈不能短路维修电机 9交换台电机热保护 继电器损坏 正常情况，触电断开更换继电器 10鞍座运转时未放松鞍座放松时旋转电气、气动及机械维修 11交换台电机减速箱 损坏 运转灵活更换电机或减速箱 12PLC 界面故障PLC-IN 指示灯灭，CRT 界 面检测=0 维修 PLC 界面卡或重新规 划 PLC I/O 点，避开已损 坏的点 13交换台电机散热不 良 电机外壳不可覆盖覆盖 异物 排除散热不良的因素 34 34 14鞍座电机热保护继 电器导线短路 导线不能短路更换导线 15机床出现飞车故障正常速度运转重装紧固螺钉后，并检查 所有的连接件 16测速发电机异常，X 轴进给时振动 X 轴进给时不振动机床商买一个新的测速 电机 17测速发电机连接松 动，进给轴工作时 速度不稳 进给轴工作速度平稳认真清洗连接表明后，用 101胶重新粘接 18采用某光栅尺的卧 室加工中心，开机 后，X 轴正、反方向 运动正常，但机床 无法进行回参考点 操作 可以回参考点按照光栅尺维护保养的 要求，认真细致地清洗 19机床出现 V 轴（工 作台）抬起不转故 障 工作台转动更换电磁阀与保险丝 20开机电动机即高速 旋转的故障 开机电动机不会旋转交换测速反馈极性 七、安装调试七、安装调试 注意事项： 1、装配活塞时应用柴油通过高压喷枪把活塞内的所有元件喷洗干 净，防止有铁屑和杂物停留在里面。 35 35 2、装配滚动导轨和滚动丝杠时进行滚动体的润滑。 3、保证其定位锥的安装尺寸。 4、工作台与定位锥装配后，用 1+3D042-0 检测椎体检测四个定位锥 套，保证四处锥套等高在 0.01mm 内。 5、定位锥体与鞍座装配后用 H3D042-0 检测锥套检测四个定位锥体， 保证四处等高在 0.01mm 内。 维修与保养 1034：COOLANT OL 水箱马达过载 1040：CHIP CNVYR OL 除屑机马达过载 发生原因正常状况恢复方法 01 马 达 过 载 开 关 （THR04）跳脱 电气箱过载开关不