毕业设计（论文）-数控车床主轴卡盘液压装置设计（全套图纸）.pdf

I XX 大学 毕业设计（论文） 数控车床主轴卡盘液压装置设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 II 摘 要 通过对数控车床的液压系统的分析和了解，结合已掌握的液压方面的知识对原有系 统进行优劣分析并提出改进方案；最终使液压系统实现车床的变档及卡紧，使其满足旋 转精度，刚度，温升，抗震性等主要性能，以提高整机性能，并保证该液压系统执行上 述二个动作时的可行性与可靠性，充分体现现代液压技术应用于数控机床的优越性。 关键词：主轴，卡盘，液压装置，液压系统 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 III Abstract Through the analysis and understanding of the hydraulic system for numerical control lathe, combined with the available hydraulic knowledge analysis of the original system and the improved scheme is put forward; and the hydraulic system and the locking gear lathe, make it meet the rotary accuracy, rigidity, temperature rise, the main performance of shock resistance etc., to improve the performance of the whole machine, and ensure the feasibility and reliability of the hydraulic system for executing the two action, fully reflects the superiority of the application of the modern hydraulic technology in CNC machine tool. Keywords: spindle, chuck, hydraulic equipment, hydraulic system IV 目 录 摘 要 . II Abstract. III 目 录 . IV 第 1 章 概述 . 1 1.1 液压传动发展概况 . 1 1.2 液压传动的工作原理及组成部分 . 1 1.2.1 液压传动的工作原理 . 1 1.2.2 液压传动的组成部分 . 2 1.3 液压传动的优缺点 . 3 1.4 液压系统的设计步骤与设计要求 . 4 1.4.1 设计步骤 . 4 1.4.2 明确设计要求 . 4 1.4.3 课题主要参数 . 5 1.5 数控机床定义 . 5 1.6 数控机床的优点 . 5 1.7 数控机床的分类 . 6 1.7.1 按加工工艺方法分类 . 6 1.7.2 按控制运动轨迹分类 . 7 1.8 数控机床发展趋势 . 7 第 2 章 数控车床主轴卡盘液压系统工作原理图设计 . 10 2.1 课题来源 . 10 2.2 方案的制定与论证 . 10 2.2.1 方案制定的背景和特点 . 10 2.2.2 多方案的比较和论证 . 10 2.2.3 最终方案的制定和说明 . 11 2.3 液压卡盘的运动分析 . 12 2.3 液压系统原理图 . 12 V 第 3 章 液压三爪卡盘设计 . 13 3.1 总体框架 . 13 3.2 主要参数确定与结构计算 . 14 3.2.1 液压腔的结构设计 . 14 3.2.2 转子叶片数的设计 . 14 3.3.3 摆动角的设计 . 14 3.3.4 定子圆柱活塞杠面积的设计 . 15 3.3.5 活塞杠的升程 . 15 第 4 章 液压站的设计 . 17 4.1 液压站简介 . 17 4.2 油箱设计 . 17 4.2.1 油箱有效容积的确定 . 17 4.2.2 油箱容积的验算 . 18 4.2.3 油箱的结构设计 . 19 4.3 液压站的结构设计 . 21 4.3.1 液压泵的安装方式 . 21 4.4 辅助元件 . 23 总 结 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 第 1 章 概述 1.1 液压传动发展概况 液压传动相对于机械传动来说是一门新技术，但如从 17 世纪中叶巴斯卡提出静压 传递原理、18 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，也已有二三百年历史了。近代 液压传动在工业上的真正推广使用只是本世纪中叶以后的事，至于它和微电子技术密切 结合，得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以精确控制，更是近 10 年 内出现的新事物。 本世纪的 60 年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术（微电子技术）等的发 展再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自 动化技术，使它在国民经济的各方面都得到了应用。液压传动在某些领域内甚至已占有 压倒性的优势，例如，国外今日生产的 95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上 的自动线都采用了液压传动。因此采用液压传动的程度现在已成为衡量一个国家工业水 平的重要标志之一。 当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集 成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、数字控制等技术上也有许 多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化以及微 机控制等开发性工作方面，更日益显示出显著的成绩。 我国的液压工业开始于本世纪 50 年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来 才用到拖拉机和工程机械上。自 1964 年从国外引进一些液压元件生产技术、同时进行 自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设 备上得到了广泛的使用。80 年代起更加速了对西方先进液压产品和技术的有计划引进、 消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、人才培训、 研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。 1.2 液压传动的工作原理及组成部分 1.2.1 液压传动的工作原理 驱动的液压系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、 液压缸以及连接这些元件的油管组成。它的工作原理：液压泵由电动机带动旋转后，从 油箱中吸油。 油液经滤油器进入液压泵， 当它从泵中输出进入压力管后， 将换向阀手柄、 2 开停手柄方向往内的状态下，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞 和工作台向右移动。这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管排回油箱。 如果将换向阀手柄方向转换成往外的状态下，则压力管中的油将经过开停阀、节流 阀和换向阀进入液压缸右腔，推动活塞和工作台向左移动，并使液压缸左腔的油经换向 阀和回油管排回油管。 工作台的移动速度是由节流阀来调节的。 当节流阀开大时， 进入液压缸的油液增多， 工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。 为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这 个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反 之压力就越低。输入液压缸的油液是通过节流阀调节的，液压泵输出的多余的油液须经 溢流阀和回油管排回油箱，这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于 或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。所以，在 系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的，它和缸中的油液压力不一样大。 如果将开停手柄方向转换成往外的状态下，压力管中的油液将经开停阀和回油管排 回油箱，不输到液压缸中去，这时工作台就停止运动。 从上面的例子中可以得到： 1）动是以液体作为工作介质来传递动力的。 2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传 动是不相同的。 3）压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的， 因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。 1.2.2 液压传动的组成部分 液压传动装置主要由以下四部分组成： 1）能源装置把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液压泵， 它给液压系统提供压力油。 2）执行装置把油液的液压能转换成机械能的装置。它可以是作直线运动的液 压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 3)制调节装置对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。例 如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了不同功能的液 压系统。 3 4)辅助装置上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。它们对 保证系统正常工作也有重要作用。 1.3 液压传动的优缺点 液压传动有以下一些优点： 1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力，因为 液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出 3040 倍。在同等的功率下，液压装置 的体积小，重量轻，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的 12%左右。 2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置 易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转运动时 可达 500 次/min，实现往复直线运动时可达 1000 次/min。 3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达 2000） ，它还 可以在运行的过程中进行调速。 4）液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量或流动方向易 于进行调节或控制的缘故。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使 用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。 5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在失速状 态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压件能自行润 滑，使用寿命较长。 6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、 制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也具有较大的机动性。 7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 液压传动的缺点是： 1）液压传动不能保证严格的传动化，这是由液压油液的可压缩性和泄 漏等原因造成的。 2）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失 等） ，长距离传动时更是如此。 3）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影 响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。 4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价 较贵，而且对油液的污染比较敏感。 4 5）液压传动要求有单独的能源。 6）液压传动出现故障时不易找出原因。 总的说来，液压传动的优点是突出的，它的一些缺点有的现已大为改善，有的 将随着科学技术的发展而进一步得到克服。 1.4 液压系统的设计步骤与设计要求 液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设 计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥 液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修 方便的液压传动系统。 1.4.1 设计步骤 液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。一般来说，在明 确设计要求之后，大致按如下步骤进行。 1）确定液压执行元件的形式； 2）进行工况分析，确定系统的主要参数； 3）制定基本方案，拟定液压系统原理图； 4）选择液压元件； 5）液压系统的性能验算； 1.4.2 明确设计要求 设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手液压系统各部 分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。 1）主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等； 2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何； 3）液压驱动机构的运动形式，运动速度； 4）各动作机构的载荷大小及其性质； 5）对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； 6）自动化程序、操作控制方式的要求； 7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求； 8）对效率、成本等方面的要求。 5 1.4.3 课题主要参数 主要技术参数：数控车床的切削用量 f=0.1- 0.3mm/r；切削速度为 v=50- 80m/min；最 大车削工件直径 400mm,最大加工长度 350mm,切削粗糙度为 Ra1.6- 3.2m。 1.5 数控机床定义 数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。 该系 统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床 动作并加工零件的自动化机床。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是现代化工业生产 中的一门新型的、发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术对 传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备；其技 术范围所覆盖的领域有：机械制造技术；微电子技术信息处理、加工点输技术；自动控 制技术；伺服驱动技术；检测监控技术、传感器技术；软件技术等。数控技术及装备是 发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、 航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。在提高牛产率、降低成本、保证加 工质量及改善工人劳动强度等方面，都有突出的优点；待别是在适应机械产品迅速更新 换代、小批量、多品种生产方面，各类数控装备是实现先进制造技木的关键。数控机床 是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟 (Internation Fderation of Information processing,IFIP)第五技术委员会，对数控 机床作如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有 使用号码或其他符号编码指令规定的程序1。 1.6 数控机床的优点 1 提高生产率 数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳切削参数和最 佳定刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。 2 提高零件的加工精度，稳定产品质量 由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工梢度还可以利用软件进行校正 及补偿。故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。 3 有广泛的适应性和较大的灵活性 通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根 本不能加工的复杂型面零件的加工。 4 可以实现一机多用 一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。一次装卡后，几乎能完成零件的全 部加工部位的加工，节省了设备相厂房面积。 6 5 可以进行精确的成本计算和生产进度安排 可以减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。 6 不需要专用夹具 采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的 费用。 7 大大减轻了工人的劳动强度 数控机床是具有广泛的通用性又具有很高自动化程度的机床。它的控制 系 统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动 部件的运动速度，以及刀 具相对工件的运动轨迹。数控机床是计算机辅助设计与制造(CADCAM)、柔性制造系统 (FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)等柔性加工和柔性制造系统的基础。 但是，数控机床的韧投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的累质也较 高。 合理地选择及使用数控机床， 可以降低企业的生产成本， 提高经济效益和竞争能力。 1.7 数控机床的分类 1.7.1 按加工工艺方法分类 1 金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数 控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很 大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较 高的生产率和自动化程度。在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中 心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、 镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形 成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、 钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以 有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了 辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量2 2 特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电 火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 3 板材加工类数控机床 常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机 等。 近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘 图机及工业机器人等。 7 1.7.2 按控制运动轨迹分类 1点位控制数控机床 点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精 确定位， 在移动和定位过程中不进行任何加工。 机床数控系统只控制行程终点的坐标值， 不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标 同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗 床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控 装置。 2直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方 向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制 的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标 轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多 轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣床、加 工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点 位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。 3轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制， 使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的 起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的 轮廓形状。 常用的数控车床、 数控铣床、 数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。 数控火焰切割机、 电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点 位/直线控系统更为复杂， 在加工过程中需要不断进行插补运算， 然后进行相应的速度与 位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的 增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 1.8 数控机床发展趋势 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要 求愈来愈强烈。 中、 小批量生产的比重明显增加， 要求现代数控机床成为一种只有柔性、 精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为满足制造业向更高 层次发展， 为柔性制造单元(FMC)、 柔性制造系统(FMS)， 以及计算机集成制造系统(CIM5) 提供基础设备也要求数控机床向更高水平发展。当前；数控机床技术呈现如卞发展趋 势: 8 1高精度化 现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。加工 精密化不只是由于发展高、新技术的需要，也是为了提高普通机电产品的性能质量、寿 命和可靠性的需要，向时还是为了减少机械产品装配时的修配工作员，提高装配效率的 需要。故机床的加工精度有提高的趋势。如近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已 由原来的土 10um 提高到土 5um 和土 2um，精密级从土 5um 提高到土 15um，最高可达 土 1um 以内。主轴回转精度为 0.02 0.05um、加工圆度为 0.1um，表面粗糙度 Ra 为 0.003um 的超精密车床，已有多种产品 在市场上出现。预计到 2000 年，普通加工和精密加工的精度与 1980 年比，还将分别提 高 45 倍，定位精度达到微米级、纳米级。 2运动高速化 高速是高效的基础，要提高生产率，首先就得提高切削速度。这正是机床技术发展 追求的基本目标之一。而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度相减 少辅助时间。数控机床的“高速化”主要体现在主轴转速相进给速度。随着刀具、电机、 轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大幅度 提高。提高主轴转速是提高切削速度的最直接最有效的方法。提高生产率的另一措施就 是把非切削时间缩减到最短。主要体现在提高快速移动速度和缩短换刀时间与工作台交 换时间。 备坐标轴快速移动速度已由 812mmin 提高到 1824mmin， 30 一 40mmin 的机床也稳定用于生产。 3高柔性化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力。传统的自动化设备，由于是机械或刚性连 接和控制的，当被加工对象交换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新、 更换。数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强 的适应能力。 而且 在提高单机秉性化的同时， 正努力向单元柔性化和系统柔性化发展。 如在数控机床的软硬件的基础上，增加不同容量的刀库和自动换刀机械手，增加第二主 轴，增加交换工作台装置，或配以工业机器人和自动运输小车，以组成新的加工中心、 柔性加工单元(FMc)或柔性制造系统(FM5)。 实践证明，采用柔性自动化设备或系统是提高加工精度和效率、缩短生产和供货周 期、并能对市场变化需求做出快速响应和提高竞争能力的有效手段。 4高自动化 这里指的柔性自动化是包活物料流和信息流的自动化。 80 年代个期以来， 以数控机 床为主体的加工自动化已从“点”(单台数控机床)发展到“线”的自动化(FMs、FTL)和 “而”的自动化(柔性制造车间)。结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体” 的自动化。在国外已出现 FA(自动化工厂)和 cIM(计算机集成制造)工厂的实体。尽管由 于这种高自动的技术还不够完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化以及 9 向 FMc、萨 Ms 的系统集成方向发展的总趋势仍是机械制造业发展的主流。数控机床(包 括 FMc 相 FMs)的自动化除进一步提高其自动编程、自动换刀、自动上下料、自动加工等 自动化程序外，在自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、 自动管理等方面也进“步得到发展，同时也提高丁其标准比和在线的适应能力。 5复合化 复合化包括工序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗.精加工工序的 概念。加工中心(包括车削中心、磨削中心、电加工中心等)的出现，又把车、铣、镗、 钻等类的工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。 一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的膛铣加工中心，不仅 一次装卡可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体五个面腿、 精加工的全部工序。 6高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能开发挥其高 性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性至要的量 化指标是平均无故障工作时间(Mcantime Bctween FailurcsMTBF)。作为数控机床的 大脑数控系统的 MTBF 已由 70 年代的3000h， 80 年代的10000h， 提高到 90 年代 初的30000h。据日本近期介绍，FANVC 的 CNC 系统已达到 MTBF 增 125 个月。数控机床 整机的可累性水平也有显著的提高。整机的 MTBF 已从 80 年代初期的 100 一 200h 提高 到现在的 500 一 800h. 目前，很多企业正在对可靠性设计技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术、可靠 性增长技术以及可靠性管理与可靠性保证体系等进行深入研究和广泛应用，以期使数控 机床的整机可靠性水平提高到一个新水平。 7宜入化 宜入化是一种新的设计思想和观点，是将功能设计与美学设计有机结合，是技术与 经济、文化、艺术的协调统一，其核心是使产品变为更具有魅力、更适销的对路商品， 引导人们进入一种新的生活方式和工作方式。工业先进国家早已将其广泛用于各种产品 的设计中。因此它是经济腾飞、提高市场竞争能力的重要手段。 目前，国外机床生产广家为了能在方案设计阶段就知道其产品的外观造型、色彩配 置的效果，普遍采用计算机辅助工艺造型设计(CAID)技术，相继开发了商品化的 CAID 软件系统致使国际市场上数控机床的品类、结构、造型、色彩发生了日新月异的变化， 使用户在操作安全、使用方便、性能可靠的同时，还能体会到种美的享受感、舒服感、 欣赏感，令人在心情愉快中完成工作。 10 第 2 章 数控车床主轴卡盘液压系统工作原理图设计 2.1 课题来源 对于采用手动卡紧的机械卡盘加工某一工件普通数控车床，工人们需要手动 卡紧及松开卡盘。数控系统自动加工该零件只需要花 3 分钟，而装夹、卡紧工件 及卸下工件就需要耗费 1- 2 分钟， 这段时间有一多半是用来手动卡紧卡盘及松开 卡盘的。这样算来，手动装夹，卡紧工件加工工件打开卡盘卸下工件这一 过程式要花费 4- 5 分钟。而当我们采用液压传动借以代替之后即可节省近 1 分钟 的时间， 则上面所描述的加工过程大概耗时在 3.54 分钟， 这样一来回工 100 件即 可节省将近 100 分钟，对于加工零件来说，这是一笔十分可观的时间。这完全达 到了提高生产效率，降低劳动者作业强度，提高生产效率的目的。另外，采用液 压驱动系统使得机床卡盘的夹紧力可靠性大大加强，性能十分稳定，这样就避免 了采用手动卡紧和换档时卡紧力不足导致工件在加工过程中松弛或加工精度不够 甚至报废和损坏刀具等状况的发生。而且随着液压传动技术越来越完备，采用自 动化完成上述工序是完全可以的。基于此种状况，本次设计将数控车床的卡盘卡 紧，主轴变档二个动作全部设计成由液压传动系统来完成。 2.2 方案的制定与论证 2.2.1 方案制定的背景和特点 近年来，由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技 术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有 了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高。液压传动技术在 数控自动化机床上的应用也越来越广泛，而且也为机床工业的自动化程度的提高 上起到了重要的力量。尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技 术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的 要求。 2.2.2 多方案的比较和论证 根据对液压传动系统有关知识的学习、调查和了解，并且借鉴前人经验，拟 设计如下二个方案以供选择: 11 （1）系统全部采用常规阀控制，液压缸动作顺序由手动换向阀来控制。其优 点是性能可靠，安全性高。可以采用国内均可生产的常规阀，价格较便宜，较易 购买。缺点是自动化程度低、不能适应数控程度高自动化程度的机床，而且移动 速度较慢。 （2）系统全部采用电磁铁驱动的电磁控制阀来控制，其优点是移动速度快， 系统安全可靠，可连续长时间工作，是近年高自动化液压传动系统控制的发展趋 势。但目前国内生产的电磁换向阀的安全性能还达到使用要求的还不多，因此需 要进口或采用台湾产品，并且台湾产品价格不是很高，而且基本可以达到国际先 进水平，完全可以满足使用要求。 从自动化的使用要求和安全方面考虑，第二种方案更适合本次设计。因此本 次设计的液压系统采用了电磁铁驱动的电磁控制阀。在液压泵站的设计中，采用 了独立的液压泵和供油集成块，用一个单向阀保证系统安全性。另外，在各个液 压站集成块上，有三个压力继电器，可使系统更加安全可靠的工作。 2.2.3 最终方案的制定和说明 1.确定液压泵类型及调速方式 参考同类机床，选用单向定量液压泵供油、调速阀进油节流调速的开式回路， 溢流阀作定压阀。回油路上设置背压阀，初定背压值为 0.8MPa。 2.选用执行原件 因系统要求变挡，且液压缸有正向和反向运动，因此选用单活塞杆的二位液 压缸变挡。 3.换向回路的选择 本系统对换向的平稳性没有严格的要求，所以选用电磁换向阀的换向回路。 因此两个油缸都选用三位四通换向阀。 4.组成液压系统绘原理图 将上述所选定的液压回路进行组合，并根据要求作必要的修改补充，即组成 如图 1.1 所示的液压系统原理图。 数控机床液压系统的工况分析是指对液压执行元件进行运动分析和负载分 析，目的是查明每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力、功率的变化规律， 作为拟定液压系统方案，确定系统主要参数（压力和流量）的依据。 12 2.3 液压卡盘的运动分析 根据对普通数控车床机床卡盘卡紧动作的观察和分析可知，液压卡盘执 行元件，即液压缸运动过程可分解为：向前卡紧，保持不动，向后松开。其 运动循环图如下： 向前卡紧 向后松开 图 2-1 卡盘液压缸运动循环图 2.3 液压系统原理图 图 2-1 液压系统原理图 保 持 不 动 原 位 停 止 13 第 3 章 液压三爪卡盘设计 3.1 总体框架 本设计是在三爪卡盘的结构基础上增设一个液压机构来实现夹紧省力的，设计方案 如图 1 所示，主要是在原有结构的基础上增加了一个螺旋盘，一个摆动油缸及柱塞等。 大锥齿轮背面加工出凹槽， 圆柱活塞一端与槽配合， 另一端装在液压缸定子叶片的孔中， 端部装有弹簧，柱塞在弹簧作用下，一端始终与凹槽接触。 工作时利用转动杠转动小锥齿轮 2 带动大锥齿轮 3,当卡爪 7 未接触工件时,圆锥螺 旋弹簧 5 所受载荷较小,圆柱活塞 4 与大锥齿轮 3 无相对运动,缸体 6 随之一起转动,卡爪 7 径向移动,接近工件,此为空行程。当卡爪 7 接触工件后,所受阻力激增,进 1.卡盘体端盖 2.小锥齿轮 3.大锥齿轮 4.圆柱活塞 5.圆锥螺旋弹簧 6.液压缸体 7.卡 爪 8.定子叶片 9.换油机构 10.转子叶片 11.缸体端盖 12.液压油 13.卡盘体 图 2- 1 卡盘结构方案简图 给激减，继续转动手柄，活塞 4 受力增大，当其达到一定程度时，圆锥螺旋弹簧 5 被压缩，活塞 4 与大锥齿轮 3 产生相对运动，活塞 4 向定子孔中运动，液压油 12 被加 压缩，液体推动转子叶片 10 旋转，卡爪 7 径向微进给，此为夹紧行程。当大锥齿轮 3 14 继续旋转至某一角度，活塞 4 将复位，继续转动，将重复上一次的运动直到把工件完全 夹紧。 3.2 主要参数确定与结构计算 以下以在KZ320型卡盘基础上增设一个螺旋摆动式液压机构为例进行分析。 3.2.1 液压腔的结构设计 根据其具体的安装条件和强度刚度要求，拟对其尺寸初步取： 外壁厚： n1=16mm 内壁厚： n2=8mm 油腔宽： a=30mm 空隙宽： x=1mm 故液压腔的面积： S1=a(D/2- d/2- L1- L2- x- n1- n2) =1350mm （3.1） 其中：卡盘体大径D=320mm 小径d=100mm 卡盘体外壁厚L1=25mm 卡盘体内壁厚L2=15mm 3.