机械毕业设计1484小型模具柔性制造系统立体仓库及巷式起重机的设计.doc
机械毕业设计1484小型模具柔性制造系统立体仓库及巷式起重机的设计
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机械毕业设计1484小型模具柔性制造系统立体仓库及巷式起重机的设计,机械毕业设计论文
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1 第一章 概述 本次毕业设计的题目为小型模具柔性制造系统 立体仓库及巷式起重机的设计。 立体仓库及巷式起重机是这个小型模具柔性制造系统的一部分，首先要了解柔性制造系统，理解它的工作原理，进而详细研究巷式起重机的结构，组成，工作原理。 1.1 柔性制造系统以及起重机 1.1.1 柔性制造系统简介 随着社会进步和和生活水平的提高，市场更加需要具有特色、符合客户要求样式和功能千差万别的个性化产品。激烈的市场竞争迫使传统的大规模的生产方式发生改变，要求对传统的零部件生产工艺加以改进。传统的制造系统不能满足市场对多品种小批 量产品的需求，因此生产制造系统的柔性对系统的生存越来越重要。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大成都上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线旨在实现单一品种的大批量生产，其优点是神产率高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低，但价格相当昂贵，且只能加工一个或几个相类似的零件。如果想要获得其他品种的产品， 则必须对其结构进行大调整，重新配置系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上下，刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品，难以应付多品种中小批量的生产。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统FMS。 FMS 目前尚无统一的定义，一般认为柔性制造技术是一种能迅速相应调整生产品种的制造技术；柔性制造系统是由若干台数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的 自动化制造系统。一般定义可以用以下三个方面来概括 :(1)FMS 是一个计算机控制的生产系统 ;(2)系统采用半独立的 NC 机床 ;(3)这些机床通过物料输送系统连成一体。 FMS 的结构如图 1 所示。 nts 2 FMS 从 20 世纪 60 年代诞生至今已有 40 多年的历史，它从探索阶段走向实用化和商品化阶段，并在 80 年代辉煌一时，成为机械制造业技术进步的重要标志，美、英、德、日等许多先进国家的企业争相创造出自己的 FMS，其中不乏成功的例子。 1994 年初，世界各国已投人运行的 FMS 约有 3000 多个，其中日本拥有 2100 多个，占世界首位。在 现已运行的 FMS中 ,50%FMS 由美国制造商提供，另外 50%由日本和德国厂商提供。著名的 FMS 生产厂家有 :法那克、日立精机、丰田公机、新泻铁工、山崎 (日本 )，公机、新泻铁工、山崎 (日本 ),Ingersoll milling,Sundstung,Bendaw,Kearaey& Trecker,cincinnati Milacron(美国 )， Werner & Kolb,Burkhandt&Weber,Huller Hille,Scharman(德国 )等。我国第一套 FMS 于 1986 年 10月在北京机床研究所投入运行 ，用于加工伺服电机的零件。许多科研院所和大学都开展 FMS的研究和开发，成功设计制造了许多 FMS 案例。 通过近 40 年的努力和实践， FMS 技术已臻完善，进人了实用化阶段，并已形成高科技产业。随着科学技术的飞跃进步以及生产组织与管理方式的不断更换， FMS 作为一种生产手段正在向小型化、单元化、模块化、集成化方向发展，单项技术性能与系统性能不断提高，重视人的因素，完善适应先进制造系统的组织管理体系，将人与 FMS 以及非 FMS 生产设备集成为企业综合生产系统，实现人一技术一组织的兼容和人机一体化。应用范围逐步扩大，如金属切 削 FMS 的批量适应范围和品种适应范围正逐步扩大，例如向适合于单件生产的 FMS扩展和向适合于大批量生产的 FMS(即 FML)扩展。另一方面， FMS 由最初的金属切削加工向金属热加工、装配等整个机械制造范围发展，并迅速向电子、食品、药品、化工等各行业渗透。 1.1.2 起重机简介 起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称吊车。它主要用来吊运成件物品，配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料。 起重机的工作特点是作间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的 。各机构经常处于起动、制动和正反方向运转的工作状态。 中国古代灌溉农田用的桔槔是臂架型起重机的雏形； 14 世纪，西欧出现人力和畜力驱动的转动臂架型起重机； 19 世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金 属材料制造，并开始采用水力驱动；到了 19 世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机； 20 世纪 20 年代开始，由于电气工业和内燃机工业的迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。 起重机通常按结构分为臂架型起重机和桥架型起重机。臂架型起重机包括塔式起 重机、门座起重机、浮游起重机、自行式起重机、由桅杆和臂架组成的桅杆起重机、沿墙壁运行的壁行起重机和装在船舶甲板上的甲板起重机等 ；桥架型起重机包括桥式起重机、龙门起重机、运载桥和缆索起重机等。起重机也可按用途、驱动方式和机动性等特点分类。 臂架型起重机通过外伸的长臂架，可将重物搬运到离机座较远的地方， 主要用于车、船的装卸作业。臂架有可俯仰的倾斜式和不可俯仰的水平式两种。倾斜臂架起重机的吊具悬挂在臂架顶端滑轮的下面，水平臂架起重机的臂架上有带吊具的起重小车。 nts 3 臂架型起重机一般可 以回转，通过起重机的回转和臂架的俯仰，或起重小车沿臂架的运行，使重物在特定范围内移动。这类起重机的起重能力以臂架最小幅度时的额定起重重量和额定起重力矩来表示。幅度是吊具离起重机回转中心线的水平距离，起重力矩是起吊物品的重力与幅度的乘积。 桥架型起重机具有水平桥架，能越过地面障碍物吊运重物，或完成一定的工艺操作，它广泛应用于机械制造和冶金等部门的车间和室内外仓库。桥式起重机在高架轨道上运行，其他桥架型起重机则在地面轨道上运行。起重小车沿桥架上的轨道运行 ，通过桥架和起重小车的运动，可以获得矩形的工作范 围。表征这类起重机的主要参数是额定起重量和跨度。 起重机的型式很多，但其主要组成部分都包括起升机构、运行机构、变幅机构和回转机构，以及金属结构等。有的起重机还有完成一定工艺操作的专用工作装置，如夹钳起重机的夹钳。 起升机构是起重机最基本的工作机构，大多由吊挂系统和绞车组成，也有通过液压系统升降重物的。吊挂系统一般由钢丝绳、滑轮组和吊具组成，吊钩是最常见的吊具。绞车可安置在起重小车上，也可安置在起重机金 属结构上或附近的地基上，通过收放钢丝绳而升降nts 4 重物，有时可用电动葫芦或手动葫芦作为起升 机构。有些起重机还配有副起升机构，用以吊运较轻的物品或进行辅助作业。 运行机构是用以纵向水平运移重物 ，或调整起重机工作位置的部件，一般由电动机、减速器、制动器和车轮组成。现代起重机中，两侧车轮通常由各自独立的驱动机构带动，也有采用由电动机、减速器和制动器组合成一体的 “ 三合一 ” 方式。 起重小车运行机构的组成与起重机运行机构相似，用以横向水平运移重物或调整小车位置。大多数小车是自行式的，即本身带驱动装置；有时为了减轻小车自重，也可采用钢丝绳牵引式的，即把驱动机构装在水平臂架或桥架的一端。 变幅机构只有在臂架型 起重机上才配备。臂架仰起时幅度减小，俯下时幅度增大。按性能要求可分为平衡变幅和非平衡变幅两种 ；按作业要求又可分为工作性变幅和非工作性变幅两种。 回转机构是用以使臂架回转 的部件，由驱动装置和回转支承装置组成。驱动装置带动起重机的转动部分回转，回转支承装置使起重机的转动部分支持在非转动部分上 。 金属结构是指起重机的骨架。各种起重机有不同的结构型式 ，主要承载件如桥架、臂架和门架可以是箱形结构或桁架结构，也可以是腹板结构。金属结构的尺寸和重量占起重机外形尺寸和总重量的很大部分，要在 保证强度、稳定性和刚度，即保证金 属结构不发生破坏、不产生过度变形和振动的条件下，尽量减轻结构重量。 多数起重机是用电动机驱动的，人力驱动仅适用于起重量很小且搬运距离不大的起重机。与普通电动机比较，起重机专用电动机的起动转矩大、转子的转动惯量小、机械强度高。交流绕线型电动机用得最多。需要在很大范围内平稳调速时，也可采用直流电动机。自行式起重机和浮游起重机大多采用内燃机或内燃机 -电机驱动。 起重机的操作方式很多，通常是在司机室内操纵；也可在地面上用按钮操纵；还可以采用有线或无线远距离控制。当要 完成固定程序的作业时，可以采用程序控制的方法自动完成多种动作。 起重机的故障会引起重大的人身事故和经济损失，因此，在起重机上装有各种起重机安全装置，如防止超载的负荷限制器，限制起重机、起重小车或吊具位置的行程开关，防nts 5 止起重机被大风吹走的起重机夹轨器，以及信号装置等。对臂架型起重机尤其要注意整体稳定性，即保证它在外载荷作用下不发生倾翻。 起重机的主要发展趋势是：研制更合理的金属结构、机构和零部件，以减少金属消耗量；发展大起重量的起重机；提高工作速度、扩大调速范围；研究结构振动问题；提高金 属结构、机构 和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作的条件，保证作业安全提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。 1.2 研究内容 这次所要设计的小型模具柔性制造系统包括立体仓库、机械手搬运、多工位加工、多通道环行线、视觉检测五个系统单元。在本次设计任务中，我主要负责 TVT 4000E 立体仓库系统单元中 巷式起重机结构的硬件设计，如何运用 PLC 软件程序使巷式起重机实现货物在仓库中的自动存取和使自动取料机构实现对货物的自动存取。了 解立体仓库及自动取料机构的工作原理，以及如何使用组态王软件编写程序来实现人机界面的控制。 TVT 4000E 立体仓库系统单元 结构图 如图 2 所示。 nts 6 4000E 立体仓库系统单元结构图 （ 5-1） 巷式起重机 （ 5-2） 立体仓库 （ 5-3） 自动取料机构 巷式起重机由丝杠驱动步进电机（ 5-1-1）、光杠（ 5-1-2）、气动储取货物机构（ 5-1-3）、X 轴步进电机（ 5-1-4）、轴光杠（ 5-1-5）、轴气缸（ 5-1-6）、滚珠丝杠（ 5-1-7）组成。巷式起重机 (5-1)主要是实现货物 在仓库内的自动存取。见图 3。 ( 5 - 1 - 1 )( 5 - 1 - 2 )( 5 - 1 - 3 )( 5 - 1 - 4 )( 5 - 1 - 5 )( 5 - 1 - 7 )( 5 - 1 - 6 )由货物储备台（ 5-2-1）、检测传感器（ 5-2-2）、立体仓库型材基体（ 5-2-3）组成。立体nts 7 仓库（ 5-5-1）主要是实现货物的存储，见图 4。 自动取料机构 5000E5 立体仓库 系统单元工作原理 通过并联真空吸盘（ 5-3-2）把环行线的立体仓库存取料工位上的货物通过直线气缸（ 5-3-1）使货物被放入巷式起重机（ 5-1），并有巷式起重机（ 5-1）把货物放入立体仓库（ 4-2）中，立体仓库主要是实现 成品、半成品的自动存取。 自动流程图： 自动取料机构 巷式起重机 立体仓库 nts 8 第二 章 巷式起重机的结构设计 巷式起重机主要由步进电机、光杆、滚珠丝杠、气动储取货物机构组成。 2.1 步进电机的选择 2.1.1 步进电机的运动控制 步进电机是生产机械上常用的另一种运动部件，它具有结构简单，控制方便，定位准确，成本低廉等优点，因而应用十分广泛。目前世界上主要的 PLC 厂家生产的 PLC 均有专门的步进电机控制指令，可以很方便地 和步进电机构成运动控制系统。 步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。 在这种应用中，关系运动直接后果的参数有以下几个： N： PLC 发出的控制脉冲的个数 n：步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动） ：步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度 d：丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离 根据以上几个参数，我们可以得到以下结果： PLC 发出的脉冲个数到达步进电机上， 脉冲实际有效数应为 N/n 步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为 360/ 则 PLC 发出 N 个脉冲，工作台面移动的距离为： nNdL 360PLC 要和步进电机配合实现运动控制，还需要在 PLC 内部进行一系列设定，或者是编制一定的程序。不同的 PLC 类型所要编制的程序不同，控制字也有不同，参考其说明书就可以知道这种差异。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以 PLC 必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的 PLC 来控制步进电机。 2.1.2 步进电机的 原理与选择 1.步进电机的工作原理 步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。 2. 步进电动机的特点 nts 9 步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度 (称为“步距角” )一步一步运行的，其特点是没有积累误差 (精度为 100 )，所以广泛应用于各种开环控制。 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 步 距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变 ,使用开环控制 (或半闭环控制 )就能进行良好的定位控制。 起制动、正反转、变速等控制方便。 价格便宜 ,可靠性高。 步进电动机的主要缺点是效率较低 ,并且需要配上适当的驱动电源。 步进电动机带负载惯性的能力不强 ,在使用时既要注意负载转矩的大小 ,又要注意负载转动惯量的大小 ,只有当两者选取在合适的范围时 ,电机才能获的满意的运行性能。 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。 3. 步进电机驱动系统的基本组成 与交直流电动机不同，仅仅接上 供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用 PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示 。 4.步进电动机的选择 在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的 相数和拍数。 在进行步进电机的品种选择时，要综合考虑速比、轴向力 F、负载转矩 T、额定转矩 T和运行频率，以确定步进电机的具体规格和控制装置。 5.步进电机驱动器的原理与选择 (1).步进电机驱动器的选择 nts 10 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。 所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号 CP、方向电平信号 DIR、脱机信号 FREE(此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行 )。它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。 OPTO 端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以 OPTO端须接外部系统的 VCC，如果 VCC 是 +5V 则可直接接入；如果 VCC 不是 +5V 则须外部另加限流电阻 R，保证给驱动器内部光耦提供 8-1 5mA 的驱动电流，参见图 4 和图 5。外围提供电平为 24V，而输入部分的电平为 5V，所以须外部另加 1.8K 的限流电阻 R。 图 4 输入信号接口电路 图 5 外接限流电阻 R 步进电机驱动器的输出信号有两种 : .初相位信号：驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图 6。 图 6 初相位信号接口电路 . 报警输出信号：每台 驱动器都有多种保护措施 (如：过压、过流、过温等 )。当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。如要通知系统，就要用到报警输出信号。此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触点立即闭合。驱动器正常时，触点为常开状态。触点规格： DC24V 1A或 AC11OV O 3A。 一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，见下 图。 nts 11 电机与驱动器接线图 以北京斯达特机电科技发展有限公司生产 SH系列步进电动机驱动器 (型号为 SH-2H057)为例，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。 SH-2H057 步进电动机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器 ,这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。 此步进电机驱动器的电气技术数据为： 驱动器型号 相数 类别 细分数 通过拨位 开关设定 最大 相电流 开关设定 工作电源 SH-2H057 二相或四相 混合式 二相八拍 3.0A 一组直流 DC(24V-40V) nts 12 (2).步进电机驱动器接线示意图见图 8 图 8 步进电机驱动器接线示意图 (3).步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定 . 细分数的设定 要了解“细分”，先要弄清“步距角”这个概念：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。 SH 系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，您只需根据面板上的提示设定即可。在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。 对于两相 步进电机 ,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数，例如细分数设定为 40、驱动步距角为 0.9 /1.8的电机，其细分步距角为 1.8 40=0.045。可以看出 ,步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在 40 细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态驱动上例的电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动 1.8；而用细分驱动器工作在 40细分状态时，电机只转动了 0.045，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电 流所产生的，与电机无关。 驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱动器本身产生的，和电机及控制系统无关。在使用时，唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变 ,这一点将对控制系统所发出的步进信号的频率有影响 ;因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高。 驱动器细分后的主要优点为： nts 13 a.完全消除了电机的低频振荡。低频振荡 (约在 200Hz 左右 )是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作 (如走圆弧 )，选择细分驱动器是唯一的选择。 b.提 高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约 304096。 c.提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的。 以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。所以我们最好选用细分驱动器。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。但现在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器，相数将变得没有意义 .电机相电流的设定 SH 系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电流设定表格进行设定。 (4). 步进电机驱动器指示灯说明 驱动器的指示灯共有两种：电源指示灯 (绿色或黄色 )和保护指示灯 (红色 )。当任一保护发生时，保护指示灯变亮。 (5). 步进电机驱动器电源接口 对于超小型驱动器 (SH 2H057、 SH 3F075、 SH 2H057M、 SH-3F075M)，采用一组直流供电 DC(24-40V)，注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流 滤波 (无须稳压 )组成 ;或者由一开关电源提供 ,参考下图。因为 PLC 需要采用开关式稳压电源供电 ,所以在设计中电源应选用开关式稳压电源，见下图 。 开关式稳压电源 不同的步进电机驱动器需配合适当的 PLC，原则是使 PLC 的输出高速脉冲可以传输到步进电器驱动器内部。在上图中，步进电机驱动器的输入信号采取的是公共阳极，则 PLC 就应当采用 NPN 晶体管输出类型的，并且接线如图 9 所示。如果步进电机驱动器的输入信号采取的是nts 14 公共阴极，则 PLC 就应当采用 PNP 晶体管输出类型的。 2.2 气动机构的选择 气动传动简称气动 ,是指 以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号 ,控制和驱动各种机械和设备 ,以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一个重要分支。因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点。 气压传动的优点： （ 1） 空气随处可取，取之不尽，节省了购买、贮存、运输介质的费用； （ 2） 空气在 使用完后排入大气中去，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路； （ 3） 因空气粘度小，在管内流动阻 力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送； （ 4） 与液压相比，气动反应快，制 造容易，适用于标准化、系列化、通用化； （ 5） 气动元件对工作环境适应性好 ； （ 6） 空气具有可压缩性 ,使气动系统能够实现过载自动保护。 2.2.1 气压传动系统的组成 典型的气压传动 系统是由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。 气压发生装置简称气源装置，是获得压缩空气的能源装置，其主体部分是空气压缩机，另处还有气源净化设备。空气压缩机将原动机供的机械能转化为空气的压力能；而气源净化设备用以降低压缩空气中的水分、油分以及污染杂质等。使用气动设备较多的厂矿将气源装置集中在压气站（俗称空压站）内，由压气 站再统一向各用气点（分厂、车间和用气设备等）分配供应压缩空气。 执行元件是以压缩空气为工作介质，并将压缩空气的压力能变为机械能的能量转换装置。包括作直线往复运动的气缸，作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达。 控制元件又称操纵、运算、检测元件，是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。包括各种压力阀、方向阀、流量阀、逻辑元件、射流元件、行程阀、转换器和传感器等。 辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所示需要的一些装置 。包括分小滤气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。 2.2.2 气源装置 气源装置给系统提供足够清洁、干燥且具有一定压力和流量的压缩空气。根据气动系统对压缩空气品质的要求来设置气源装置。常见的气源装置是空气压缩机。 空气压缩机简称空压机，是气源装置的核心，用以将原动机输出的机械能转化为气体的压力能。空压机有以下几种分类方法： （ 1） 按工作原理分类： nts 15 （ 2） 按输出压力 P 分类： 鼓风机： P 0.2MPa 低压空压机： 0.2Mpa P 1Mpa 中压空压机： 1Mpa 100Mpa （ 3） 按输出流量 qz（即铭牌流量或自由流量）分类： 微型空压机： qz 0.017m3/s 小型空压机： 0.017m3/s 1.7m3/s 2.2.3 气动执行元件 气动执行元件有作直线往复运动的 气缸、作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达等。下面主要以气缸为主来介绍。 气缸的分类、原理和特点 ： 普通气缸的结构组成见 下 图。主要由前盖、后盖 9、活塞 6、活塞杆 4、缸筒 5 其他一些零件组成。 普通气缸 1 组合防尘圈； 前端盖； 3 轴用 YX密封圈； 4 活塞杆； 5 缸筒； 6 活塞； 7 孔用 YX密封圈； 8 缓冲调节阀； 9 后端盖 气缸的种类很多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类。按 压缩 空气 对 活塞端面作用力的方向分 ： nts 16 单作用气缸 气缸只有一个方向的运动是气压传动，活塞的复位靠弹簧力或自重和其它外力。 双作用气缸 双作用气缸的往返运动全靠压缩空气来完成 。 按气缸的 结 构特征分 ： 1)活塞式气缸 ； 2)薄膜式气缸 ； 3)伸缩式气缸 。 按气缸的安装形式分 ： 1)固定式气缸 气缸安装在机体上固定不动，有耳座式、凸缘式和法兰式。 2)轴销式气缸 缸体围绕一固定轴可作一定角度的摆动。 3)回转式气缸 缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常 于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。 4)嵌入式气缸 气缸做在夹具本体内。 按气缸的功能分 ： 1)普通气缸 包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。 2)缓冲气缸 气缸的一端或两端带有缓冲装置，以防止和减轻活塞运动到端点时对气缸缸盖的撞击。 3)气一液阻尼缸 气缸与液压缸串联，可控制气缸活塞的运动速度，并使其速度相对稳定。 4)摆动气缸 用于要求气缸叶片轴在一定角度内绕轴线回转的场合，如夹具转位、阀门的启闭等。 5)冲击气缸 是一种以活塞杆高速运动形成冲击力的高能缸，可用于冲压、切断等。 6)步进气缸 是一种根据不同的控制信号，使活塞杆伸出不同的相应位置的气缸。 气缸的类型 类别 名称 简图 特点 单作用气缸 柱塞式气缸 压缩空气只能使柱塞向一个方向运动；借助外力或重力复位 活塞式气缸 压缩空气只能使活塞向一个方向运动；借助外力或重力复位 压缩空气只能使活塞向一个方向运动；借助弹簧力复位；用于行程较小场合 薄膜式气缸 以膜片代替活塞的气缸。单向作用；借助弹簧力复位；行程短；结构简单，缸体内壁不须加工；须按行程比例增大直径。若无弹簧，用压缩空气复位，即nts 17 为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄膜式气缸膜片受到滚压，常称滚压（风箱）式气缸。 双作用气缸 普通气缸 利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定，双向作用的力和速度不同 双活塞杆气缸 压缩空气可使活塞向两个方向运动，且其速度和行程都相等 不可调缓冲气缸 设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时减速，防止冲击，缓冲效果不可调整 可调缓冲气缸 缓冲装置的减速和缓冲效果可根据需要调整 特殊 气缸 差动气缸 气缸活塞两端有效面积差较大，利用压力差原理使活塞往复运动，工作时活塞杆侧始终通以压缩空气 双活塞气缸 两个活塞同时向相反 方向运动 多位气缸 活塞杆沿行程长度方向可在多个位置停留，图示结构有四个位置 串联气缸 在一根活塞杆上串联多个活 塞，可获得和各活塞有效面积总和成正比的输出力 冲击气缸 利用突然大量供气和快速排气相结合的方法得到活塞杆的快速冲击运动，用于切断、冲孔、打入工件等 数字气缸 将若干个活塞沿轴向依次装在一起，每个活塞的行程由小到大，按几何级数增加 回转气缸 进排气导管和导气头固定而气缸本体可相对转动。用于机床夹具和线材卷nts 18 曲装置上 伺服气缸 将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。用于自动调节系统中。 挠性气缸 缸筒由挠性材料制成，由夹住缸筒的滚子代替活塞。用于输出力小，占地空间小，行程较长的场合，缸筒可适当弯曲 钢索式气缸 以钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气缸，用于小直径，特长行程的场合 组合 气缸 增压气缸 活塞杆面积不相等，根据力平衡原理，可由小活塞端输 出高压气体 气 -液增压缸 液体是不可压缩的，根据力的平衡原理，利用两两相连活塞面积的不等，压缩空气驱动大活塞，小活塞便可输出相应比例的高压液体 气 -液阻尼缸 利用液体不可压缩的性能及液体流量易于控制的优点，获得活塞杆的稳速运动 气缸的选用： 选择气缸时应注意以下几个方面： （ 1） 选择气缸类型：根据使用场合和负载特点选择不同类型的气缸。 （ 2） 选择安装形式：由气缸的安装位置、使用目的等因素来决定。 （ 3） 确定气缸作用力大小：根据工作机构所示需的作用力的大小来确定。 （ 4） 确定气缸行程：与使用场合和机构所示需的行程比有关，也受加工和结构的限制。 （ 5） 确定运动速度：普通气缸的运动速度为 0.5 1m/s，应根据需要在系统中设置调速元件，如节流阀等。 2.2.4 气 动辅 助元件 1、 油雾器 油雾器是以压缩空气为动力，将润滑油喷射成雾状并混合于压缩空气中，使该压缩空气具有润滑气动元件的能力。 目前，气动控制阀，气缸和气马达主要是靠这种带有油雾的压缩空气来实现润滑的，其优点是方便、干净、润滑质量高。 2、 消声器 气压传动装置的噪声一般都比较大，尤其当压缩气体直接从气缸或阀中排向大气，较高的压差使气体体积急剧膨胀，产生涡流，引起气体的振动，发出强烈的噪声，为消除这种噪nts 19 声应安装消声器。消声器是指能阻止声音传播而允许气流通过的一种气动元件，气动装置中的消声器主要有阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合消声器三大类。 3、 转换器 在气动控制系统中，也与其它自动控制装置一样，有发信、控制和执行部分，其控制部分工作介质为气体，而信号传感部分和执行部分不一定全用气体，可能用电或液体传输，这就要通过转换器来转换。常用的转换器有：气一电、电一气、气一液等。 4、 气电转换器和电气转换器 气电转换器是将压缩空气的气信号转变成电信号的装置，又称压力继电器。 电气转换器是将电信号转换成气信号的装置，各种电磁换向阀可作为电气转换器。 2.2.5 气 动 控制元件 在气 压传动 系 统 中的控制元件是控制和 调节压缩 空气的 压 力、流量、流 动 方向和 发 送信号的重要元件，利用它 们 可以 组 成各 种 气 动 控制回路，使气 动执 行元件按 设计 的程序正常地进 行工作。控制元件按功能和用途可分 为 方向控制 阀 、 压 力控制 阀 和流量控制 阀 三大 类 。 1、 方向控制阀 (1).方向控制阀的分类 按阀芯结构不同可分为：滑柱式 (又称柱塞式、也称滑阀 )、截止式 (又称提动式 )、平面式 (又称滑块式 )、旋塞式和膜片式。其中以截止式换向阀和滑柱式换向阀应用较多； 按其控制方式不同可以分为：电磁换向阀、气动换向阀、机动换向阀和手动换向阀 按其 作用特点可以分为：单向型控制阀和换向型控制阀。 (2).单向型控制阀 1）单向阀 单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动的阀。单向阀的工作原理、结构和图形符号与液压阀中的单向阀基本相同，只不过在气动单向阀中，阀芯和阀座之间有一层胶垫 (密封垫 )。 2）快速排气阀 快速排气阀简称快排阀。它是为加快气缸运动速度作快速排气用的。 2、 换向型控制阀 换向型方向控制阀 (简称换向阀 )的功用是改变气体通道使气体流动方向发生变化从而改变气动执行元件的运动方向。换向型控制阀包括气压控制阀、电 磁控制阀、机械控制阀、人力控制阀和时间控制阀。 (1).气压控制换向阀 气压控制换向阀是利用气体压力来使主阀芯运动而使气体改变流向的。按控制方式不同可分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。 加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的，当气压增加到阀芯的动作压力时，主阀便换向；卸压控制指所加的气控信号压力是减小的，当减小到某一压力值时，主阀换向；差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。 气控换向阀按主阀结构不同，又可分为截止式和滑阀式两种。 1）截止式气控阀 nts 20 2）滑阀式气控阀 工作原理和液动换向阀基本相同。 (2).电磁控制换向阀 按控制方式不同分为电磁铁直接控制 (直动 )式电磁阀和先导式电磁阀两种。它们的工作原理分别与液压阀中的电磁阀和电液动阀相类似，只是二者的工作介质不同而已。 3、 压力控制阀 压力控制阀主要用来控制系统中气体的压力，以满足各种压力要求或用以节能。压力控制分为三类：一类是起降压稳压作用，如减压阀，定值器；一类是起限压安全保护作用的安全阀等；一类是根据气路压力不同进行某种控制的顺序阀、平衡阀等。 4、 流量控制阀 在气压传动系统中，经常要求控制气动执 行元件的运动速度，这要靠调节压缩空气的流量来实现。凡用来控制气体流量的阀，称为流量控制阀。流量控制阀就是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件，它包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和柔性节流阀等。其中节流阀和单向节流阀的工作原理与液压阀中同类型阀相似。 (1).排气节流阀 与节流阀原理一样，但节流阀装在系统中调节气流的流量，而排气节流阀只能装在排气口处，调节排入大气的流量。图 13 18 为排气节流阀的工作原理图。 (2).柔性节流阀 柔性节流阀依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管而产生节流作用。 2.3 主轴轴承的配置 主轴轴承的配置根据机床的不同而不同，有滚动轴承，液体静压轴承、气体静压轴承、磁力轴承等。一般中小型数控机床的主轴普遍采用滚动轴承，本设计采用滚动轴承。选择时考虑轴承的极限转速、刚度、阻尼特性和温升等因素，一般采用 2 3 个角接触球轴承组合，或者用角接触球轴承和圆柱滚子轴承组合构成支承系统，这些轴承经过预紧后，可得到较高的刚度，除非要求很大的刚性才采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合，但在极限转速上受限制。 数控机床主轴常用的几种滚动轴承如下图。 nts 21 目前主轴常用的几种滚动轴承的配置如下图 。 1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承组合，承受径向和轴向载荷；后支承采用成对角接触球轴承，特点是刚度高，可以满足强力切削的要求，数控机床应用较多。（图中 a）。 2）前轴承采用成组角接触球轴承， 2 3 个轴承组成一套，要求背靠背安装，承受径向和轴向载荷；后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于高速、重载、精度好的主轴要求，但承受的轴向载荷比前一配置小。（图中 b）。 3）前后支承均采用高精度的成组角接触球轴承，承受径向和轴向载荷；这类轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速达 4000r/min，它的承载能力小，适合于高速度、 轻载荷、高精度的数控机床主轴。（图中 c）。 4）前轴承采用双列圆锥滚子轴承，能够承受较大的径向和轴向载荷，后轴承采用单列圆锥滚子轴承。能承受重载荷尤其能承受较强的动载荷，可调整性好，但限制了主轴最高转速与nts 22 精度，适合于低速、重载、中等精度的机床。（图中 d）。 轴承的精度分为 2、 4、 5、 6、 0 五级， 2 级最高， 0 级为普通精度级。主轴轴承以 4 级为主（记为 P4），较低精度的主轴可以用 P5 级，而 P6、 P0 一般不用。 前后轴承之间，前轴承对主轴组件的精度影响比后轴承的影响大。因此后轴 承精度可以比前轴承低一级。轴承并列使用时，选择背对背的方式。采用推力轴承时，分清楚先装配内径小的圈还是内径大的圈，内径小的圈随轴转动。 主轴轴承的刚度计算 ： 轴承在零间隙时的变形和刚度，可以按下列公式计算。 （ 1） 点接触的轴承 （ 2） 线接触的滚子轴承 式中：ra、 径向与周向变形（ m ）； ,rKKa 径向与周向刚度（ m ）； ,rFFa 轴承的径向和轴向载荷（ N） ； 0 . 90 . 80 . 0 7 7 ()c o s rr aQ ml 0 . 90 . 1 0 . 8 1 . 93 . 3 9 c o s ( / )r r aK F l i z N m0 . 90 . 80 . 0 7 7 ()s i n aa aQ ml0 . 1 0 . 8 0 . 9 1 . 91 4 . 4 3 s i n ( / )a a aK F l z N m(2-3) (2-4) 230 . 4 3 6 ()c o s rrbQ md230 . 4 3 6 ()s i n aabQ md（ 2-1） 2 531 . 1 8 c o s ( / )rr r brdFK F d i z N md 2533 . 4 4 s i n ( / )aa a badFK F d z N md （ 2-2） nts 23 接触角（）； db 球径（ mm）； al 滚子有效长度（ mm） ; ,iz 列数和每列滚动体数； ,rQQa 单个滚动体的径向和轴向载荷（ N）； 轴承的刚度不是一个定值，而是载荷的 函数，载荷越大，刚度也越大。由于球轴承载荷对刚度的影响比滚子轴承的影响大，所以，球轴承在计算时应该同时考虑预紧力。计算时，当外载荷无法确定时，常取轴承额定动载荷的 0.1 倍作为轴承的载荷。 主轴轴承的速度： 若 n 是转速， d 是轴承的中径，那么它们的乘积值是速度因子，它反映滚动体的公转速度，正是轴承转速的限制因素。推力角接触球轴承的速度因子都小于双列圆柱滚子轴承。有关主轴轴承的速度因子值，可以查阅机械设计手册。 主轴轴承的润滑： 设计时，必须合理选择轴承的润滑方式和润滑路径。加工箱体上的油路时，往往要打若干工艺孔 才行，最后用密封堵头封闭这些工艺孔，防止漏油。 对于双列轴承，箱体的油孔应对准双列轴承中间的入油孔，使油液能够准确流入轴承的内部。有入油孔就必然对应有出油孔，入油孔开设在方便安装的地方。 润滑方式有：油液循环润滑、脂润滑、油雾润滑、喷射润滑等。其中油脂润滑（如高级锂基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常为轴承空间容积的 10，如果填得太满会加剧轴承发热。对于油液循环润滑，一般用于中等转速的主轴上，多用于后支承上，设计时注意油路布局合理，既畅通、方便，又不影响其它结构件或者主轴箱的刚度。 设计时，选择合理的 密封方式。对于采用油脂润滑，主轴前端采用迷宫式密封外，卧式主轴还于前法兰盖下端加一个泄漏孔；而后端密封可以与前端相似，也可以采用好的密封圈。 5cosrr FQ iz sinaa FQ z (2-5) nts 24 第三 章 导轨的结构设计 3.1 导轨的作用和设计要求 当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的 导轨 起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对 导轨 的要求如下： 1.一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。 2.运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 3.良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 4.足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承受外载。 5.温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 6.结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前 提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整，降低成本。 不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述六点要求是相互影响的。 3.2 导轨设计的主要内容 设计导轨应包括下列几方面内容： 1.根据工作条件，选 择合适的导轨类型 ； 2.选择导轨的截面形状，以保证导向精度 ； 3.选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳 ； 4.选择导 轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精度 ； 5.选择合理 的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和磨损 ； 6.制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工和测量方法等。 3.3 导轨的结构设计 3.1.1 滑动导轨 (1) 基本形式 nts 25 三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。它的截面角 度由载荷大小及导向要求而定，一般为 90。为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（ 110 120）；为提高导向性，采用较小的顶角（ 60）。如果导轨上所受的力，在两个方向上的分力相差很大，应采用不对称三角形，以使力的作用方向尽可能垂直于导轨面。 矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚
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