第3章+数控机床液压与传动系统.ppt

1 数控机床 2 第3章数控机床液压与气动系统 3 3 1项目的引出3 2液压元件概述3 3气动元件概述3 4液压气动基本回路3 5数控机床上典型液压与气压回路分析3 6项目训练 4 3 1项目的引出 本节提示本节引出的教学项目一至教学项目四分别列举了运用液压与气动装置实现数控机床中自动运行功能的实例 按照完成运行功能的不同 需采用不同的传动方案 5 3 1项目的引出 3 1 1项目一在数控车床上 三爪卡盘的夹紧与放松 高压夹紧 加工普通零件采用较大夹紧力 与低压夹紧 加工薄壁零件采用较小夹紧力 之间的转换 回转刀盘的松开与夹紧 刀盘的转位选刀 尾架套筒的伸缩等辅助加工动作 均是机床自动完成的 无需操作者参与 了解这些辅助加工动作的驱动及控制方式 掌握其控制系统的构成是本章学习的重点内容之一 6 3 1 2项目二一些数控机床主运动传动系统带有齿轮变速机构 其滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动滑移齿轮变换啮合位置 实现主轴自动变速 了解和掌握液压系统中执行元件实现直线运动的控制方式及回路的构成 是本章学习的基本知识 3 1项目的引出 7 3 1 3项目三在加工中心的刀具自动交换装置中 盘式刀库刀盘的抬起 转位选刀 定位 链式刀库的移动 主轴夹紧与松开刀具 机械手的抓刀与插刀 机械手转位等换刀动作 都是按顺序自动完成的 3 1项目的引出 8 3 1 4项目四加工中心气动系统的设计与加工中心的类型 结构 要求完成的功能等有关 结合气压传动的特点 一般在要求力或力矩不太大的情况下采用气压传动 了解和掌握气动系统的构成与控制过程是本章学习的重点内容之一 3 1项目的引出 9 3 2液压元件概述 本节提示本节所述液压元件均为数控机床液压系统中的常用元件 掌握这些元件的原理 性能及应用是掌握数控机床液压系统知识的必备基础 10 一个完整的液压系统应由以下几部分组成 1 动力元件供液压系统压力油 将机械能转换成液压能的装置 常见形式是液压泵 2 执行元件将液压能转换成机械能的装置 其形式有做直线运动的液压缸和做回转运动的液压马达 3 控制元件对系统油液压力 流量和流动方向进行控制的装置 如溢流阀 节流阀 换向阀 开停阀等 4 辅助元件上述三部分之外的其他装置 如油箱 滤油器 油管 管接头 加热器 冷却器等 它们是保证系统正常工作必不可少的部分 3 2液压元件概述 11 3 2 1液压动力元件液压泵是向系统提供一定流量和压力的动力元件 它将原动机输出的机械能转换成液体的压力能 是一种能量转换装置 1 液压泵工作原理如图3 1所示为单柱塞液压泵的工作原理图 图中柱塞2装在缸体3内 靠间隙密封 柱塞 缸体和单向阀5 6形成一个密封容积a 柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮1上 当偏心轮旋转时 柱塞在偏心轮和弹簧的作用下在缸体中做往复移动 使密封容积a的大小发生周期性的交替变化 增大时 图3 1液压泵工作原理图 3 2液压元件概述 12 3 2液压元件概述 形成局部真空 油箱中的油液在大气压作用下顶开单向阀6流入泵体内 实现吸油 此时 单向阀5封闭出油口 防止系统压力油回流 减小时 已吸入的油液受到挤压 产生一定的压力 顶开单向阀5压入系统 而实现压油 此时 单向阀6封闭吸油口 避免油液流回油箱 偏心轮不断地旋转 液压泵就不停地吸油和压油 由此看出 液压泵是靠密封容积大小的变化实现吸油和压油的 故称液压泵为容积式液压泵 图3 1液压泵工作原理图 13 3 2液压元件概述 通过以上分析可得出液压泵工作必备的三个条件 1 具有若干个周期性变化的密闭容积液压泵输出流量与此空间的容积变化量及单位时间内的变化次数成正比 与其他因素无关 2 具有相应的配流装置配流装置将吸 压油腔隔开 保证液压泵有规律地 连续地吸 压液体 3 油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力这是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件 14 3 2液压元件概述 2 液压泵分类液压泵按其单位时间内所能输出的油液体积是否可调节分为定量泵和变量泵 液压泵按结构形式分为齿轮式 叶片式 柱塞式和螺杆式等类型 3 液压泵图形符号 a 单向定量液压泵 b 单向变量液压泵 c 双向定量液压泵 d 双向变量液压泵图3 2液压泵图形符号 a d b c 15 3 2液压元件概述 4 液压泵的主要性能参数 1 压力 工作压力 液压泵实际工作时的输出压力 工作压力取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失 与液压泵的流量无关 额定压力 液压泵在正常工作条件下 按试验标准规定连续运转的最高压力 最高允许压力 指在超过额定压力的条件下 根据试验标准规定 允许液压泵短暂运行的最高压力 16 3 2液压元件概述 2 排量和流量 排量 指在不考虑泄漏情况下 泵每转一转所排出的液体体积 用V表示 单位为mL r 流量理论流量 指在不考虑泄漏情况下 泵单位时间内所排出的液体体积 用qt表示 单位为L min 泵的理论流量等于泵的排量V与其主轴转速n的乘积 即实际流量 指在考虑泄漏情况下 泵单位时间内所排出的液体体积 用q表示 17 3 2液压元件概述 3 液压泵功率液压泵输入的是转矩和转速 输出的是油液的压力和流量 液压泵输出功率P为液压泵输入功率Pi为式中 p 泵的工作压力 泵的输入角速度 n 泵的输入转速 Ti 泵的实际输入转矩 18 3 2液压元件概述 4 液压泵效率液压泵在能量转换过程中是有损失的 其输出功率总是小于输入功率 两者之间的差值为功率损失 它分为容积损失和机械损失两部分 液压泵的总效率 是容积效率 v与机械效率 m的乘积 即 19 3 2液压元件概述 5 齿轮泵齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种 且价格便宜 故在一般机械上被广泛使用 齿轮泵是定量泵 可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两种 图3 3所示为外啮合齿轮泵外观图 图3 3外啮合齿轮泵外观图 20 3 2液压元件概述 6 叶片泵叶片泵具有运转平稳 压力脉动小 噪音小 结构紧凑 尺寸小 流量大等优点 其缺点是对油液污染敏感 与齿轮泵相比结构较复杂 它广泛应用于机械制造中的专用机床及自动线等中 低压液压系统中 按结构形式分为单作用式和双作用式 单作用叶片泵转子每转一转 泵吸排油各一次 单作用叶片泵大多是变量泵 双作用叶片泵转子每转一转 泵吸压油各两次 双作用叶片泵大多是定量泵 21 3 2液压元件概述 1 单作用叶片泵图3 4所示为单作用叶片泵外观图及工作原理图 它由转子1 定子2 叶片3和端盖等零件组成 定子具有圆柱形内表面 定子和转子间有偏心量e 叶片装在转子的叶片槽内 并可在槽内滑动 转子回转 图3 4单作用叶片泵 22 3 2液压元件概述 时 在离心力的作用下 叶片紧靠在定子内壁 在定子 转子 叶片和上下配油盘间形成密封工作容腔 当转子逆时针方向回转时 在图3 4 b 的右部 叶片逐渐伸出 两叶片间的工作容腔逐渐增大 将油液从吸油口吸入 在图3 4 b 的左部 叶片被定子内壁逐渐压进槽内 工作容腔逐渐减小 将油液从压油口压出 吸油腔和压油腔之间有一段封油区 把吸 压油腔 图3 4单作用叶片泵 23 3 2液压元件概述 隔开 转子不停地旋转 泵不断地吸油和压油 改变转子与定子的偏心量 即可改变泵的流量 2 双作用叶片泵图3 5所示为双作用叶片泵的工作原理图 双作用叶片泵的定子内表面近似椭圆 转子和定子同心安装 有两个吸油区和两个压油区并对称布置 故转子每转一转 泵吸 压油各两次 图3 5双作用叶片泵工作原理图 24 3 2液压元件概述 5 柱塞泵柱塞泵是通过柱塞在缸筒内往复运动使密封容积大小变化来实现吸油和压油的 柱塞泵具有容积效率高 工作压力高 结构紧凑 且在结构上易于实现流量调节等优点 其缺点是结构复杂 制造成本高 对油液污染敏感 柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同 分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵 径向柱塞泵的柱塞径向放置 与缸体中心线垂直 轴向柱塞泵的柱塞轴向放置 与缸体中心线平行 轴向柱塞泵可分为斜盘式和斜轴式两种 25 3 2液压元件概述 下面以斜盘式为例 分析轴向柱塞泵的工作原理 图3 6所示为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图 它由缸体1 配油盘2 柱塞3和斜盘4等主要零件组成 斜盘与缸体有一 图3 6斜盘式轴向柱塞泵工作原理图 26 3 2液压元件概述 倾角 配油盘和斜盘固定不转 柱塞靠弹簧在低压油作用下压紧在斜盘上 当传动轴带动缸体转动时 由于斜盘的作用 迫使柱塞在缸体做往复运动 柱塞与缸体间的密封容积便发生增大减小的变化 密封容积增大时 通过配油盘的吸油窗口吸油 密封容积减小时通过配油盘的压油窗口压油 图3 6斜盘式轴向柱塞泵工作原理图 图3 6斜盘式轴向柱塞泵工作原理图 27 3 2液压元件概述 缸体每转一转 每个柱塞各完成吸 压油一次 缸体连续旋转 柱塞则不断地吸油和压油 如改变斜盘倾角 就能改变柱塞的行程 即改变泵的排量 如改变斜盘倾角的方向 就能改变吸油和压油的方向 即成为双向变量泵 图3 6斜盘式轴向柱塞泵工作原理图 28 3 2液压元件概述 3 2 2液压执行元件 液压执行元件包括液压缸和液压马达 它们都是将压力能转换为机械能的能量转换装置 液压马达输出旋转运动 液压缸输出直线运动 其中包括输出摆动运动 1 液压马达 1 液压马达的特点和分类液压马达按转速高低分高速液压马达和低速液压马达 额定转速高于500r min的属高速液压马达 基本形式有齿轮式 螺杆式 叶片式和轴向柱塞式等 其主要特点是转速高 转动惯量小 便于启动和制动 通常高速液压马达输出 29 3 2液压元件概述 转矩不大 仅几十N m到几百N m 所以又称为高速小转矩马达 额定转速低于500r min的属于低速液压马达 基本形式是径向柱塞式 其主要特点是排量大 体积大 转速低 可达每分钟几转甚至零点几转 输出转矩大 可达几千N m到几万N m 所以又称为低速大转矩液压马达 液压马达按其排量是否可调分为变量液压马达和定量液压马达 液压马达按其结构类型可分为齿轮式 叶片式 柱塞式等形式 30 3 2液压元件概述 2 叶片式液压马达图3 7所示 为叶片式液压马达的工作原理图 当压力油进入压油腔后 在叶片1 3 或5 7 上 一面作用有压力油 另一面为低压油 由于叶片3伸出的面积大于叶片1伸出的面积 因此作用于叶片3上的总液压力大于叶片1上的总液压力 于是压力差使叶片带动转子做顺时针方向旋转 作用于其它叶片如5 7上的液压力 其作用原理同上 叶片2 6两面同时受压力油作用 受力平衡对转子不 图3 7叶片式液压马达工作原理图 31 3 2液压元件概述 产生作用转矩 叶片式液压马达的输出转矩与液压马达的排量和液压马达进出油口之间的压力差有关 其转速由输入液压马达的流量大小来决定 叶片式液压马达的体积小 转动惯量小 因此动作灵敏 适用换向频率较高的场合 但泄漏较大 不能在很低的转速下工作 因此 一般用于转速高 转矩小和动作灵敏的场合 图3 7叶片式液压马达工作原理图 32 3 2液压元件概述 3 轴向柱塞式液压马达轴向柱塞式液压马达的结构形式与轴向柱塞泵基本上一样 故其种类与轴向柱塞泵相同 也分为直轴斜盘式和斜轴直盘式 图3 8所示为直轴斜盘式轴向柱塞液压马达的工作原理图 当压力油进入液压马达的高压腔之后 工作柱塞便受到油压作用力pA p为油压力 A为柱塞面积 通过滑靴 图3 8直轴斜盘式轴向柱塞液压马达工作原理图 33 3 2液压元件概述 压向斜盘 其反作用力为N N分解成两个分力 沿柱塞轴向分力p 与柱塞所受液压力平衡 另一分力F 与柱塞轴线垂直向下 它与缸体中心线的距离为r 此力便产生驱动马达旋转的力矩 力F使缸体产生的扭矩大小 由柱塞在压油区所处的位置而定 设一柱塞与缸体的垂直中心线成 角 则该柱塞使缸体产生的扭矩T随着角度 的变化 柱塞产生的扭矩也跟着变化 图3 8直轴斜盘式轴向柱塞液压马达工作原理图 34 3 2液压元件概述 液压马达所能产生的总扭矩 是所有处于压力油区的柱塞产生的扭矩之和 因此 总扭矩也是脉动的 当柱塞的数目较多且为单数时 脉动较小 当输入油液压力一定时 其输出扭矩仅和每转排量有关 因此 提高液压马达的每转排量 可以增加液压马达的输出扭矩 一般来说 轴向柱塞式液压马达都是高速马达 输出扭矩小 因此 必须通过减速器来带动工作机构 如果能使轴向柱塞式液压马达的排量显著增大 也就可以使轴向柱塞式液压马达做成低速大扭矩马达 35 3 2液压元件概述 2 液压缸 1 液压缸的类型和特点液压缸按结构分为活塞式 柱塞式和摆动式液压缸三类 活塞式和柱塞式液压缸实现直线运动 输出推力和速度 摆动式液压缸 或摆动式液压马达 实现小于360 的转动 输出扭矩和角速度 2 活塞式液压缸活塞式液压缸按活塞杆伸出形式 分为单活塞杆式和双活塞杆式两种结构 其固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种 36 3 2液压元件概述 双活塞杆液压缸 图3 9所示为双活塞杆液压缸工作原理图 其活塞两侧均有伸出杆 当活塞杆直径相同时 两腔的有效工作面积相等 当向缸两腔分别供油 且供油压力和流量相同时 活塞 或缸体 在两个方向的推力和运动速度都相等 即具有等推力等速度特性 因此这种液压缸常用于要求往复运动速度 图3 9双活塞杆液压缸工作原理图 37 3 2液压元件概述 和负载都相同的场合 图3 9 a 所示为缸筒固定式 当活塞的有效行程为L时 整个工作台的运动范围为3L 所以机床占地面积大 一般适用于小型机床 图3 9 b 所示为活塞杆固定式 工作台的移动范围为2L 占地面积小 一般适用于大型机床 图3 9双活塞杆液压缸工作原理图 38 3 2液压元件概述 单活塞杆液压缸 图3 10所示为单活塞杆液压缸外观图及工作原理图 其活塞的一侧有伸出杆 两腔的有效工作面积不等 当向缸两腔分别供油 且供油压力和流量同时 活塞 或缸体 在两个方向的推力 F1 F2 和运动速度 v1 v2 不相等 即不具有等推力等速度特性 图3 10单活塞杆液压缸外观图及工作原理图 39 3 2液压元件概述 3 柱塞式液压缸图3 11所示为柱塞式液压缸工作原理图 柱塞式液压缸为单作用式 即只能实现一个方向的液压传动 反向运动要靠外力 若需要实现双向运动 则必须成对使用 图3 12所示 这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触 运动时由缸盖上的导向套来导向 因此缸筒的内壁不需要精加工 故特别适用于行程较长的场合 图3 11柱塞式液压缸工作原理图 图3 12柱塞式液压缸成对使用工作原理图 40 3 2液压元件概述 3 2 3液压控制元件液压控制元件即液压阀 按用途可分为方向控制阀 压力控制阀 流量控制阀三大类 1 方向控制阀方向控制阀通过控制阀口的通断来控制液体流动的方向 包括单向阀和换向阀两类 1 单向阀单向阀是控制油液单方向流动的控制阀 有普通单向阀和液控单向阀两种 41 3 2液压元件概述 普通单向阀普通单向阀的作用是控制油液只能沿一个方向流动 反向截止 图3 13所示为普通单向阀外观图 工作原理图及图形符号 压力油从阀体左端的通口P1流入时 克服弹簧3作用在阀芯2上的力 使阀芯向右移动 打开阀口 并通过阀芯2上的径向孔a 轴向孔b从阀体右端的通口P2流出 压力油从阀体右端的通口P2流入时 它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上 使阀口关闭 油液无法通过 图3 13普通单向阀 42 3 2液压元件概述 液控单向阀图3 14所示 为液控单向阀外观图 工作原理及图形符号 当控制口K无压力油通入时 其工作机制和普通单向阀一样 压力油只能从入口P1流向出口P2 不能反向倒流 当控制口K有压力油通入时 因控制活塞1右侧a腔通泄油口 故活塞1右移 推动顶杆2顶开阀芯3 使通口P1和P2接通 油液即可在两个方向自由流通 图3 14液控单向阀 43 3 2液压元件概述 2 换向阀换向阀是利用阀芯相对于阀体位置的改变 来控制油路接通 关闭或变换油流方向 从而使液压执行元件启动 停止或变换运动方向 换向阀的接口及切换位置接口 阀上各种接油管的进 出口 将接口称为 通 进油口通常标为P 回油口标为O或T 工作油口以A B表示 切换位置 阀体内阀芯可移动的位置数 阀芯的位置称为 位 三位换向阀 置 的动作原理说明如图3 15所示 44 3 2液压元件概述 图3 15换向阀动作原理说明 图3 16所示为换向阀的 位 和 通 符号 图3 16换向阀的 位 和 通 符号 45 3 2液压元件概述 换向阀的操作方式推动阀内阀芯移动的方法有手动 机械动 电磁动 液压动等 如图3 17所示 阀上如装有弹簧 则当外加压力消失时 阀芯会回到原位 数控机床上常用的是电磁换向阀 图3 17换向阀操纵方式符号 46 3 2液压元件概述 电磁换向阀结构电磁换向阀是利用电磁铁的通电吸合与断电释放而推动阀芯来控制液流方向的 图3 18所示为二位三通电磁换向阀工作原理图及图形符号 当电磁铁带电时 顶杆1推动阀芯2右移 弹簧3被压缩 油口P和B通 A堵死 当电磁铁失电时 弹簧复位 阀芯左移 P和A通 B堵死 图3 18二位三通电磁换向阀 47 3 2液压元件概述 电磁换向阀按工作位置分 有二位和三位等 二位电磁阀有一个电磁铁 靠弹簧复位 三位电磁阀有两个电磁铁 在大中型液压设备中 当通过阀的流量较大时 作用在滑阀上的摩擦力和液动力较大 此时电磁换向阀的电磁铁推力相对而言太小 需要用电液动换向阀来代替电磁换向阀 电液动换向阀是由电磁滑阀和液动滑阀组合而成 图3 19为三位四通电液动换向阀工作原理图及图形符号 48 3 2液压元件概述 图中电磁滑阀起先导作用 它可以改变控制液流的方向 从而改变液动滑阀阀芯的位置 由于操纵液动滑阀的液压推力可以很大 主阀芯的尺寸可以做得很大 允许有较大的油液流量通过 这样用较小的电磁铁就能控制较大的液流 图3 19三位四通电液动换向阀 49 3 2液压元件概述 换向阀的中位机能三位换向阀阀芯在中间位置时的连通方式称为换向阀的中位机能 三位换向阀阀芯中间位置各通口间不同的连通方式 可满足不同的使用要求 三位阀常见的中位机能的结构原理 机能代号 图形代号及机能特点见表3 1 三位五通换向阀的情况与此相仿 50 O型 P A B O口全部封闭 液压泵不卸荷 系统保持压力 执行元件闭锁 H型 P A B O口全部连通 液压泵卸荷 执行元件两腔连通 处于浮动状态 在外力作用下可移动 Y型 P口封闭 A B O口连通 液压泵不卸荷 执行元件两腔连通 处于浮动状态 在外力作用下可移动 K型 P A O口连通 B口封闭 液压泵卸荷 M型 P O口连通 A B口封闭 液压泵卸荷 执行元件处于闭锁状态 P型 P A B口连通 O口封闭 液压泵与执行元件两腔相通 可以实现液压缸的差动连接 3 2液压元件概述 表3 1三位换向阀的中位机能 51 3 2液压元件概述 2 压力控制阀液压传动系统中 控制油液压力高低的液压阀称为压力控制阀 常用的压力控制阀有溢流阀 减压阀 顺序阀和压力继电器 1 溢流阀 直动式溢流阀图3 20所示为直动式溢流阀工作原理图及图形符号 52 3 2液压元件概述 油液从进油口P流入 作用在阀芯上 其液压力由进口油液压力产生 当油液压力超过溢流阀调定值时 压力由弹簧调定 阀芯左移 油液从出油口T流回油箱 并使进油压力等于调定压力 在常位状态下 溢流阀进 出油口之间是不相通的 溢流阀阀芯的泄漏油液经内泄漏通道进入出油口T 直动式溢流阀一般只用于压力小于2 5MPa的小流量场合 图3 20直动式溢流阀 53 先导式溢流阀图3 21所示为先导式溢流阀外观 工作原理图及图形符号 先导式溢流阀由主阀和先导阀两部分组成 压力油从P口进入 通过阻尼孔3后作用在导阀阀芯4上 当进油口压力较低 导阀阀芯上的液压力不足以克服导阀弹簧5的作用力时 导阀关闭 即没有油液流过阻尼孔 所以主阀阀芯2两端压力相等 在较软的主阀弹簧1的作用下主阀阀芯处于最下端位置 溢 3 2液压元件概述 图3 21先导式溢流阀 54 3 2液压元件概述 图3 21先导式溢流阀 流阀阀口P和T隔断 没有溢流当进油口压力升高到作用在导阀阀芯上的液压力大于导阀弹簧作用力时 导阀打开 压力油通过阻尼孔 经导阀流回油箱 由于阻尼孔的作用 使主阀阀芯上端的液压力p2小于下端压力p1 当这个压力差作用在面积为A的主阀阀芯上的力等于或超过主阀弹簧力Fs时 主阀阀芯开启 油液从P口流入 从T口流回油箱 实现溢流 由于油液通过阻尼孔而产生的p1与p2之间的压差值不太大 所以主阀阀芯只需一个小刚度的软弹簧即可 先导式溢流阀有一个远程控制口K 如果将K口用油 55 管接到另一个远程调压阀上 远程调压阀的结构和溢流阀的先导控制部分一样 调节远程调压阀的弹簧力 即可调节溢流阀主阀阀芯上端的液压力 从而对溢流阀的溢流压力实现远程调压 但是 远程调压阀所能调节的最高压力不得超过溢流阀本身导阀的调整压力 当远程控制口K通过二位二通阀接通油箱时 主阀阀芯上端的压力接近于零 主阀阀芯上移到最高位置 阀口开得很大 由于主阀弹簧较软 这时溢流阀P口处压力很低 系统的油液在低压下通过溢流阀流回油箱 实现卸荷 3 2液压元件概述 图3 21先导式溢流阀 56 3 2液压元件概述 2 减压阀减压阀是使出口压力低于进口压力的一种压力控制阀 当回路内有两个以上液压缸 且其中之一需要较低的工作压力 同时其他液压缸仍需高压运作时 就需用减压阀提供一个比系统压力低的低压油供给低压缸 减压阀有直动式和先导式两种 图3 22所示为先导式减压阀外观图 工作原理图及图形符号 先导式减压阀由主阀和先导阀两部分组成 先导阀负责调定压力 主阀负责减压 57 压力油由A流入 经主阀阀芯2和阀体1所形成的减压缝隙x后 从B流出 故出口压力小于进口压力 出口压力油经径向孔a 阻尼孔e 轴向孔d作用在先导阀阀芯4上 当负载较小 出口压力低于先导阀的调定 3 2液压元件概述 图3 22先导式减压阀 58 压力时 先导阀阀芯关闭 油腔内的压力均等于出口压力 主阀阀芯在刚性很小的主弹簧3作用下处于最左端 减压缝隙x开口最大 减压阀无减压作用 当负载增加 出口压力p2上升并达到先导阀调压弹簧5所调定的压力时 先导阀阀芯打开 压力油经泄油口y流回油箱 阻尼孔有油液流过 则流经阻尼孔前的油液压力p2大于流经阻尼孔后的压力p3 当此压力差所产生的作用力大于主弹簧的预压力时 主阀阀芯右移 减压缝隙x减小 使p2下降 直到p2与p3之差和 3 2液压元件概述 图3 22先导式减压阀 图3 22先导式减压阀 59 主阀阀芯作用面积的乘积同主弹簧的弹簧力相等时 主阀阀芯进入平衡状态 此时减压缝隙x保持一定的开度 出口压力p2保持在恒定值 如果外界干扰使进口压力p1上升 则出口压力p2也跟着上升 从而使主阀阀芯右移 此时出口压力p2又降低 而在新的位置取得平衡 但出口压力始终保持为定值 又当出口压力p2降到调定压力以下时 先导阀阀芯关闭 则作用在主阀阀芯上的弹簧力使主阀阀芯向左移动 减压缝隙x最大 减压阀不起减压作用 3 2液压元件概述 图3 22先导式减压阀 60 3 2液压元件概述 3 顺序阀顺序阀是使用在一个液压泵供给两个以上液压缸且依一定顺序动作的场合的一种压力阀 顺序阀的构造及其工作原理类似溢流阀 有直动式和先导式两种 常用直动式 顺序阀与溢流不同的是出口直接接执行元件 有专门的泄油口 图3 23所示为直动式顺序阀工作原理图及图形符号 图3 23直动式顺序阀 61 3 2液压元件概述 4 压力继电器压力继电器是一种将液压系统的压力信号转换为电信号输出的元件 其作用是根据液压系统压力的变化 通过压力继电器内的微动开关自动接通或断开电气线路 实现执行元件的顺序控制或安全保护 压力继电器按结构特点可分为柱塞式 弹簧管式和膜片式等 图3 24所示为单触点柱塞式压力继电器工作原理图及图形符号 图3 24单触点柱塞式压力继电器 62 3 2液压元件概述 3 流量控制阀液压系统中执行元件运动速度的大小 由输入执行元件的油液流量的大小来确定 流量控制阀是依靠改变阀口通流面积 节流口局部阻力 的大小或通流通道的长短来控制流量的液压阀类 常用的流量控制阀有普通节流阀 压力补偿和温度补偿调速阀 溢流节流阀和分流集流阀等 1 节流阀图3 25所示为一种普通节流阀的外观图 工作原理图及图形符号 63 3 2液压元件概述 图3 25节流阀 节流阀的节流通道呈轴向三角槽式 压力油从进油口p1流入 经阀芯上的三角槽式节流口后 从出油口p2流出 调节手柄 可通过推杆使阀芯做轴向移动 即可改变节流口通流截面积的大小 以调节通过其流量的多少 阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上 这种节流阀的进出油口可互换 64 3 2液压元件概述 节流阀在定量泵系统中 与溢流阀配合组成节流调速系统 以调节执行元件的运动速度 但由节流阀的流量特性可知 当负载变化时 节流阀前后压力差随之发生变化 通过节流阀的流量也就变化 这样 执行元件的运动速度将受到负载变化的影响 所以 它只能用在恒定负载或对速度稳定性要求不高的场合 2 调速阀调速阀由节流阀前面串接一个定差减压阀组合而成 图3 26所示为调速阀工作原理图 图形符号 简化图形符号及调速阀与节流阀的流量特性曲线比较 65 3 2液压元件概述 图3 26 a 中 调速阀的进口接在液压泵的出口 压力p1由溢流阀调整基本不变 而调速阀的出口压力p3则由液压缸负载F决定 油液先经减压阀产生一次压力降 将压力降到p2 p2经通道e f作用到减压阀的d腔和c腔 节流阀的出口压力p3又经反馈通道a作用到减压阀的上腔b 在弹簧力Fs 油液压力p2和p3作用下处 图3 26调速阀 66 于某一平衡位置时 忽略摩擦力和液动力等 则有 p2A1 p2A2 p3A Fs式中 A A1和A2分别为b腔 c腔和d腔内压力油作用于阀芯的有效面积 且A A1 A2故p2 p3 Fs A 因为弹簧刚度较低 且工作过程中减压阀阀芯位移很小 可以认为Fs基本保持不变 故节流阀两端压差p2 p3也基本保持不变 这就保证了通过节流阀的流量稳定 图3 26调速阀 3 2液压元件概述 67 3 2液压元件概述 3 2 4辅助元件1 油箱油箱的主要功能是储存油液 还有散热 沉淀油中杂质 分离气泡等功能 油箱可分为开式和闭式两种 开式油箱中油的油液面和大气相通 而闭式油箱中的油液面和大气隔绝 液压系统中大多数采用开式油箱 开式油箱大部分是由钢板焊接而成的 如图3 27所示为工业上使用的典型焊接式油箱 图3 27典型焊接式油箱 68 3 2液压元件概述 2 滤油器 1 功用滤油器的功用是过滤混在液压油液中的杂质 降低进入系统中油液的污染度 保证系统正常地工作 2 类型滤油器按其滤芯材料的过滤机制来分 有表面型滤油器 深度型滤油器和吸附型滤油器三种 3 滤油器的选用选用滤油器时应考虑到如下问题 过滤精度 原则上大于滤芯网目的污染物是不能通过滤芯的 滤油器上的过滤精度常用能被过滤掉的杂质颗粒的公称尺寸大小来表示 系统压力越高 过滤精度越低 69 3 2液压元件概述 液压油通过的能力 液压油通过的流量大小和滤芯的通流面积有关 一般可根据要求通过的流量选用相对应规格的滤油器 耐压 选用滤油器时必须注意系统中冲击压力的产生 而滤油器的耐压包含滤芯的耐压和壳体的耐压 一般滤芯的耐压为0 01 0 1MPa 这主要靠滤芯有足够的通流面积 使其压降小 以避免滤芯被破坏 滤芯被堵塞 压降便增加 3 蓄能器 1 蓄能器的功用蓄能器是液压系统中的一种储存油液压力能的装置 其主要功用是作辅助动力源 保压和补充泄漏 吸收压力冲击和消除压力脉动 2 蓄能器的分类蓄能器有弹簧式 重锤式和充气式三类 70 3 2液压元件概述 常用的是充气式 它利用气体的压缩和膨胀储存 释放压力能 在蓄能器中 气体和油液被隔开 而根据隔离的方式不同 充气式又分为活塞式 气囊式等 图3 28 a 所示为活塞式蓄能器 图3 28 b 为气囊式蓄能器 图3 28 c 为蓄能器的图形符号 图3 28蓄能器 71 3 3气动元件概述 本节提示本节所述气动元件 均为数控机床气压系统中的常用元件 掌握这些元件的原理 性能及应用是掌握数控机床气动系统知识的必备基础 72 3 3气动元件概述 气压传动系统一般由以下部分组成 1 气源装置及辅助元件将原动机供给的机械能转换为气体的压力能 为各类气动设备提供动力 如空气压缩机 2 气动执行元件将气体的压力能转变为机械能 输出到工作机构上 如气缸 气压马达 3 气动控制元件用以控制压缩空气的压力 流量和流动方向以及执行元件的工作顺序 使执行元件完成预定的运动规律 如单向阀 换向阀 减压阀 顺序阀 安全阀 排气节流阀等 73 3 3气动元件概述 3 3 1气源装置及辅助元件1 气源装置 1 压缩空气站与空气压缩机图3 29所示为典型气源系统的组成 电动机驱动空气压缩机 将大气压力状态下的气体升压并输出 压力开关7将根据气罐2内的压力高低来控制电动机6的启闭 保证气罐2内压力在调定范围内 安全阀4用于因意外原因使气罐2内压力超过允许值时向外排气降压 为阻止压缩空气反向流动而设有单向阀3 后冷却器10通过降温将压缩空气 图3 29典型气源系统的组成 74 3 3气动元件概述 中水蒸气及油雾冷凝成液滴 经油水分离器11将液滴与空气分离 在10 11及12最低点 都设有排气器以排除液态的水和油 空压机按输出压力分为低压 0 2 1 0MPa 中压 1 0 10MPa 高压 10MPa 三大类 按工作原理分为容积式和速度式 常见的容积式空气压缩机按结构不同分为活塞式 叶片式 螺杆式 其工作原理与液压泵相同 由一个可变的密闭空间的变化产生吸排气 加上适当的配流机构来完成工作过程 图3 29典型气源系统的组成 图3 29典型气源系统的组成 75 3 3气动元件概述 2 气源净化装置由空气压缩机输出的压缩空气 虽然能够满足一定压力和流量的要求 但还不能被气动装置使用 压缩机从大气中吸入含有水分和灰尘的空气 经压缩后空气温度高达140 170 这时压缩机气缸里的润滑油也部分地成为气态 这些油分 水分以及灰尘便形成混合的胶体微雾及杂质 混合在压缩空气中一同排出 这些杂质若进入气动系统 会造成管路堵塞和锈蚀 加速元件磨损和老化 使泄漏增加 缩短使用寿命 因此 必须设置气源净化处理装置 提高压缩空气的质量 净化装置一般包括 后冷却器 油水分离器 空气过滤器 干燥器 储气罐等 冷却器冷却器的作用就是将空气压缩机出口的高温压缩空气冷却到40 并使其中的水蒸气和油雾冷凝成水滴和油滴 根据冷却介质不同可分为风冷和水冷两种 76 3 3气动元件概述 油水分离器油水分离器的作用是分离并排除压缩空气中所含的水分 油分和灰尘等杂质 使压缩空气得到初步净化 空气过滤器空气过滤器的作用是滤除压缩空气中的杂质微粒 除去液态的油污和水滴 使压缩空气进一步净化 但不能除去气态物质 常用的有一次过滤器和二次过滤器 干燥器干燥器的作用是进一步除去压缩空气中含有的水蒸气 主要方法有冷冻法和吸附法 冷冻法是利用制冷设备使压缩空气冷却到一定的露点温度 析出空气中的多余水分 从而达到所需要的干燥程度 吸附法是利用硅胶 活性氧化铝 焦炭或分子筛等具有吸附性能的干燥剂来吸附压缩空气中的水分以达到干燥的目的 77 3 3气动元件概述 2 辅助元件 1 油雾器油雾器的作用是将润滑油雾化并注入空气流中 随着压缩空气流入到需要润滑的部位 达到润滑的目的 油雾器在使用中一定要垂直安装 它可以单独使用 也可以和空气过滤器 减压阀 油雾器三件联合使用 气动三联件 组成减压和油雾润滑的功能 联合使用时 其连接顺序应为 空气过滤器 减压阀 油雾器 不能颠倒 图3 30所示为气动三联件的外观图及图形符号 图3 30气动三联件 78 3 3气动元件概述 安装时 气源调节装置应尽量靠近气动设备附近 距离不应大于5m 3 储气罐储气罐的作用是消除压力波动 保证输出气流的连续性 进一步分离压缩空气中的水分和油分 储存一定量的压缩空气 调节用气量或以备发生故障和临时需要时应急使用 79 3 3气动元件概述 3 3 2气动执行元件1 气缸在气动自动化系统中 气缸由于具有相对较低的成本 容易安装 结构简单 耐用 各种缸径尺寸及行程可选等优点 是应用最广泛的一种执行元件 根据使用条件不同 气缸的结构 形状和功能也不一样 1 气缸的分类 按结构分为活塞式 柱塞式 叶片式 薄膜式及气液阻尼式气缸 按压缩空气作用在活塞端面上的方向分为单作用和双作用气缸 按安装方式分为法兰式 耳座式 轴销式和凸缘式 按功能分为普通气缸和特殊气缸 80 3 3气动元件概述 2 典型气缸介绍 单作用气缸单作用气缸是指压缩空气在气缸的一端进气推动活塞运动 而活塞的返回则借助其它外力 如重力 弹簧力 图3 31所示为单作用活塞式气缸外观图 气液阻尼式气缸气液阻尼式气缸由气缸和液压缸组合而成 它以压缩空气为动力 利用油液的不可压缩性和控制流量来获得活塞的平稳运动及调节活塞的运动速度 由于同时具有气缸和液压缸的优点 得到了越来越广泛的应用 图3 31单作用活塞式气缸外观图 81 3 3气动元件概述 摆动式气缸摆动式气缸是将压缩空气的压力能转变为气缸输出轴的回转机械能的一种气缸 图3 32所示为叶片式摆动气缸结构原理图 叶片式摆动气缸可分为单叶片式 双叶片式和多叶片式 叶片越多 摆动角度越小 扭矩却越大 单叶片式输出摆动角度小于360 双叶片式输出摆动角度小于180 图3 32叶片式摆动气缸结构原理图1 叶片 2 定子 3 挡块 82 3 3气动元件概述 2 气动马达气动马达是一种做连续旋转运动的气动执行元件 是把压缩空气的压力能转换成回转机械能的能量转换装置 在气压传动中广泛使用的是叶片式 活塞式和齿轮式气动马达 图3 33所示为双向旋转的叶片式气压马达工作原理图 压缩空气由A孔输入 小部分经定子两端密封盖的槽进入叶片底部 图中未标示 将叶片推出 使叶片紧贴在定子内壁上 大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片上 由于两叶片伸出长度不等 产生了转矩差 使叶片与转子按逆时针方向旋转 作功后的气体由定子上的孔C和B排出 若改变压缩空气的输入方向 则可改变转子的转向 图3 33双向旋转的叶片式气压马达工作原理图1 叶片 2 转子 3 定子 83 3 3 3气动控制元件1 方向控制阀方向控制阀按阀内气流的流通方向分为单向型和换向型 按控制操纵方式分为电磁 气压 人工 机械等 按位置和通口分为二位二通 二位三通 三位四通和三位五通阀等 常用方向控制阀为梭阀 梭阀又称为双向控制阀 图3 34为梭阀外观图 工作原理图及图形符号 有两个输入信号口1和一个输出信号口2 若在一个输入口上有气信号 则与该输入口相对的阀口就被关闭 同时在输出口2上有气信号输出 这种阀具有 或 逻辑功能 即只要在任一输入口1上 3 3气动元件概述 图3 34梭阀 84 3 3气动元件概述 有气信号 在输出口2上就会有气信号输出 2 流量控制气动系统中的流量控制阀是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件 流量控制阀包括节流阀 单向节流阀 排气节流阀等 1 单向节流阀单向节流阀是由单向阀和节流阀组合而成 图3 35所示为单向节流阀外观图 工作原理图及图形符号 当气流从入口P进入 单向阀阀芯2被顶在阀座上 空气只能从节流口4流向出口R 流量被节流阀节流口的大小所限制 调节针阀1可以调节通流面积 图3 35单向节流阀1 调节针阀 2 单向阀阀芯 3 弹簧 4 节流口 85 3 3气动元件概述 2 排气节流阀排气节流阀的节流原理和单向节流阀一样 也是靠调节通流面积来调节阀的流量 图3 36所示为排气节流阀工作原理图及图形符号 气流从A口进入阀内 由节流口1节流后经消声套2排出 不仅能调节执行元件的运动速度 还能起到降低排气噪声的作用 单向节流阀通常安装在系统中调节气流的流量 而排气节流阀只能安装在排气口处 调节排出气体的流量 以此来调节执行机构的运动速度 图3 36排气节流阀 86 3 3气动元件概述 3 压力控制阀压力控制阀是用来控制气动系统中压缩空气的压力 以满足各种压力需求或用于节能 压力控制阀有减压阀 安全阀 溢流阀 和顺序阀三种 1 减压阀减压阀又称调压阀 以出口压力为控制信号 将较高的入口压力调节并降低到符合使用的出口压力 并保持调节后出口压力的稳定 使用时 应安装在分水气阀之后 油雾器之前 减压阀的调压方式有直动式和先导式两种 一般先导式减压阀的流量特性比直动式的好 直动式减压阀通径小于20 25mm 输出压力在0 1 0MPa范围内最为适当 超出这个范围应选用先导式 87 3 3气动元件概述 2 安全阀安全阀是用来防止系统内压力超过最大许用压力 用来保护回路或气动装置安全的控制阀 图3 37所示为安全阀的工作原理图及图形符号 阀的输入口与控制系统相连 当系统压力小于此阀的调定压力时 弹簧力使阀芯紧压在阀座上 如图 a 所示 当系统压力大于此阀的调定压力时 则阀芯开启 压缩空气从R口排放到大气中 如图 b 所示 当系统中的压力降低到阀的调定值时 阀门关闭 并保持密封 图3 37 c 为安全阀的图形符号 图3 37安全阀 88 3 3气动元件概述 3 顺序阀顺序阀是靠回路中的压力变化来控制气缸顺序动作的压力控制阀 气动系统中 顺序阀通常安装在需要某一特定压力的场合 只有达到需要的压力后 顺序阀才有气信号输出 图3 38所示为顺序阀的工作原理图及图形符号 当控制口12的气信号压力小于阀的弹簧调定压力时 从1口进入的压缩空气被堵塞 2口的气体经3口排放 只有当控制口12的气信号压力超过了弹簧调定值 压缩空气才能将膜片和柱塞顶起 顺序阀开启 压缩空气从1口流向2口 3口被堵塞 调节杆上带一个锁定螺母 可以锁定预调压力值 图3 38顺序阀 89 3 4液压气动基本回路 本节提示液压系统和气动系统均由基本回路组成 熟悉和掌握液压 气压基本回路是分析数控机床液压气动系统的必备基础 90 3 4液压气动基本回路 3 4 1液压基本回路液压基本回路是由一些液压元件组成 用来完成特定功能的控制回路 工程实际中 液压技术有着广泛的应用 而由于使用场合的不同 液压系统的组成形式也不同 但通常都由一些基本回路组成 故熟悉和掌握基本回路的组成 原理和性能特点及其应用 是认识分析和设计液压系统的重要基础 基本回路按照功能可分为压力控制回路 速度控制回路 方向控制回路和多缸动作控制回路 91 3 4液压气动基本回路 1 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整体或某一部分的工作压力 以满足执行元件对力或转矩的需求 或者达到合理利用功率 保证系统安全等目的 这类回路包括调压 减压 增压 保压 卸荷和平衡回路等 1 调压回路调压回路的功用是使液压系统整体或部分的压力保持恒定或不超过某个数值 在定量泵系统中 液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节 在变量泵系统中 用安全阀来限定系统的最高压力 防止系统过载 图3 38所示为调压回路 92 3 4液压气动基本回路 图3 39为单级调压回路 溢流阀2与液压泵1并联 溢流阀限定了液压泵的最高压力 也就调定了系统的最高工作压力 当系统工作压力上升至溢流阀的调定压力时 溢流阀开启溢流 便使系统压力基本维持在溢流阀的调定压力上 当系统压力低于溢流阀的调定压力时 溢流阀关闭 此时系统工作压力取决于系统的外负载 这里 溢流阀的调定压力必须大于执行元件的最大工作压力和管路上所有压力损失之和 作溢流阀使用时可大5 10 作安全阀使用时可大10 20 图3 39单级调压回路 93 3 4液压气动基本回路 图3 40为远程调压回路 在先导式溢流阀3的遥控口接一远程调压阀4 小流量的直动式溢流阀 即可实现远距离调压 远程调压阀4可以安装在操作方便的地方 远程调压阀4与先导式溢流阀3中的先导阀并联 所以先导式溢流阀3的调定压力必须大于远程调压阀4的调定压力 这样远程调压阀4才能起到调压作用 2 减压回路减压回路的功用是在单泵供油液压系统中 使某一部分油路的工作压力具有比系统压力低的稳定压力 如控制油路 辅助油路及润滑油路等 其工作压力常低于主油路的工作压力 图3 40远程调压回路 94 3 4液压气动基本回路 图3 41为常见的减压回路 在与主油路并联的支路上 串联减压阀2 使这条支路获得较低的稳定压力 主油路的工作压力由溢流阀1调定 支路压力由减压阀2调定 其调定压力至少应比溢流阀1的调定压力低0 5MPa 当支路上的工作压力低于减压阀2的调定压力时 减压阀2不起减压作用 处于常开状态 回路中的单向阀3为防止主油路压力降低 低于减压阀2的调定压力 时油液倒流 起短时保压作用 由于减压回路有一定的功率损失 大流量回路不宜采用减压回路 而应采用辅助泵低压供油 图3 41减压回路 95 3 卸荷回路卸荷回路的功用是指在液压泵驱动电动机不频繁启闭的情况下 使液压泵在功率输出接近于零的情况下运转 以减少功率损耗 降低系统发热 延长泵和电动机的寿命 液压泵的输出功率为其流量和压力的乘积 因此液压泵的卸荷有流量卸荷和压力卸荷两种 前者主要是使用变量泵 使变量泵仅为补偿泄漏而以最小流量运转 但泵仍处在高压状态下运行 磨损比较严重 后者是使泵在接近零压下运转 常见的卸荷回路有以下几种 采用换向阀的卸荷回路采用具有中位卸荷机能的三位换向阀 即可实现液压泵的卸荷 图3 42所示为采用M型中位机能机能的电液换向阀的卸荷回路 两电磁铁断 3 4液压气动基本回路 图3 42采用中位机能的卸荷回路 96 3 4液压气动基本回路 电后 执行元件停止运动 液压泵输出油液经中位直接返回油箱 这种回路切换时压力冲击小 但回路中必须设置单向阀 以使系统能保持0 3MPa左右的压力 供操纵控制油路用 采用先导式溢流阀的卸荷回路图3 43所示为采用先导式溢流阀的卸荷回路 先导式溢流阀的远程控制口可通过二位二通电磁换向阀与油箱相通 当电磁铁通电时 远程控制口通油箱 这时溢流阀主阀全部打开 泵排出油液全部回油箱 液压泵卸荷 这一回路中二位二通阀只通过很少的流量 因此可以用小流量规格 在实际产品中 可将小规格的电磁换向阀和先导式溢流阀组合在一起 这种组合阀称为电磁溢流阀 图3 43采用先导式溢流阀的卸荷回路 97 采用顺序阀的卸荷回路如图3 44所示为采用顺序阀的卸荷回路 回路为双泵供油系统 外控顺序阀3 卸荷阀 限定了双泵一起供油时的最高压力 高压小流量泵1的最高工作压力由溢流阀5调定 当系统压力低于顺序阀的调定值时 顺序阀关闭 双泵供油 为低压大流量工况 当系统压力超过顺序阀的调定值时 顺序阀开启 低压大流量泵2卸荷 高压小流量泵1供油 为高压小流量工况 顺序阀的调定压力通常要比溢流阀的调定压力低0 5MPa以上 3 4液压气动基本回路 图3 44采用顺序阀的卸荷回路 98 3 4液压气动基本回路 保压卸荷回路有些机械设备常要求液压系统在工作过程中 当液压泵卸荷时系统仍保持压力 通常可采用蓄能器来保持系统压力 图3 45所示为采用压力继电器控制电磁溢流阀使液压泵卸荷用蓄能器保压的回路 当二位二通电磁换向阀断电时 液压泵向液压缸供压力油 液压缸停止运动后 液压泵继续向蓄能器供压力油 当压力升高至压力继电器的调定压力时 压力继电器使电磁阀通电 液压泵卸荷 蓄能器则使系统保持压