数控铣削中心设计-液压与气压系统设计

数控铳削中心设计一液压与气压系统设计

摘要

液压与气压传动在整个现代机械工程中起到非常重要的作用，数控铳削中心的组成

离不开液压与气压传动系统。目前全世界数控铳削中心的现状、发展和发展方向上在现

代工业中起到重要作用，尤其是加工中心生产装备，是现代化工业的核心。运用液压与

气压元件知识，对其系统设计。根据设计的实际需要和个人能力水平，对数控铳削中心

对液压与气压系统设计并进行优化。

本设计针对主轴换刀气压系统和动力滑台的液压系统进行设计。

关键词：数控铳削中心；液压系统；气压系统

DesignofCNCMillingCenter------HydraulicandPneumaticSystem

ABSTRACT

Hydraulicandpneumatictransmissionhasbeenusedinmanyaspects,amongwhichthe

machiningcenterisinseparablefromit.Atpresent,thestatusquo,developmentanddevelopment

directionofCNCmillingcentersallovertheworldplayanimportantroleinmodernindustry,

especiallytheproductionequipmentofmachiningcenters,whichisthecoreofmodern

industry.Accordingtotheactualneedsofthedesignandpersonalabilitylevel,thehydraulicand

pneumaticpartsystemofCNCmillingcenterisstudied,andthestructuralelerrentsofthe

hydraulicandpneumaticsystemandthestructureofthehydraulicandpneumaticcontrolsystem

areoptimized.

Thisdesignisdesignedforthepressuresystemofspindletoolchangeandthehydraulic

systemofpowerslide.

Keywords:CNCmillingcenter;Hydraulicsystem;Airpressuresystem

目录

I绪论....................................................................................2

1.1数控铳削中心国内外现状...........................................................2

1.2数控铳削中心今后发展.............................................................3

1.3液压与气压传动特点...............................................................4

1.4液压与气压技术发展趋势..........................................................5

2数控加工中心的总体设计.................................................................5

2.1加工中心的组成...................................................................5

2.2数控铳削中心的布局...............................................................6

2.3性能技术参数.....................................................................7

3主轴换刀气压系统设计...................................................................8

3.1数控铳削加工中心Z轴换刀装置....................................................8

1

3.2换刀气动系统的工作原理..........................................................9

3.3气压回路设计....................................................................11

3.3.1溢流阀控制回路.............................................................11

3.3.2方向回路...................................................................12

3.3.3单向节流阀回路............................................................14

3.4选择、设计执行元件..............................................................16

3.4.1双作用普通气缸（拔插缸）设计.............................................16

3.4.2单作用活塞式气缸（定位缸）设计...........................................17

343气缸选型....................................................................18

3.4.4耗气量计算................................................................18

3.5选择控制元件....................................................................19

3.5.1压力控制阀.................................................................20

3.5.2速度控制阀................................................................20

353换向控制阀.................................................................20

3.6选择气压辅件....................................................................20

3.7管道直径确定和验算压力损失.....................................................20

3.7.1管径确定...................................................................20

3.7.2压力损失验算..............................................................21

3.8空压机的选择....................................................................24

4加工中心液压工作台设计................................................................25

4.1工况分析........................................................................25

4.1.1运动分析...................................................................25

4.1.2初参数.....................................................................26

4.2设计液压系统参数................................................................27

4.2.1液压缸工作压力选择........................................................27

4.2.2液压系统主要参数的确定....................................................28

4.3绘制液压系统原理图..............................................................30

4.3.1制订回路基本方案..........................................................30

4.3.2液压系统原理图的拟定......................................................32

4.4确定液压元件....................................................................33

4.4.1液压泵类型.................................................................33

4.4.2确定其它元件及辅件........................................................34

4.5性能验算........................................................................36

4.5.1压力损失的验算............................................................36

452发热温升的验算.............................................................39

5总结..................................................................................40

参考文献................................................................................40

谢辞....................................................................

1绪论

L1数控铳削中心国内外现状

随着我国国力增强，机械行业日益发展，数控机床是整个机械行业的重要部分，国

2

内数控加工中心的快速发展，自动化率高。国内数控产品成熟，质量高，在国际市场上

竞争力超高。但是和发达国家相比，我国数控加工中心仍存在许多多不足，如表所

zjso

表1-1数控加工中心不足之处

不足之处叙述

我国数控机床行业总体的技术基础薄弱和技术开发能力。引进国

信息化技术基础薄弱，

外技术对行业现的的信息化技术成为了主要依靠米源，依存度

对国外技术依存度高

高，仍停留在技术和提高国产化率的掌握上。

国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开

产品成熟度较低，可行性不高发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国

外达800小时以上，国内最好只有300小时

我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生

创新能力低，市场竞争力不强产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场

竞争能力不强

L2数控铳削中心今后发展

在计算机集成系统（CIMS）的迅速发展与柔性制造系统（FMS）的不断成熟，如表

1-2所示，对数控加工中心提出了更高要求。

表1-2数控加工中心属性

属性叙述

高速度、高精度化它们直接关系到加工效率和产品质量。现在，国内的生产均采用

现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检

测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出

智能化

实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工

过程处于最佳状态

随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较

多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，

经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零

基于CAD和CAM的

部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前

数控编程自动化

又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参

数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统

自动化的进一步发展

发展可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用

3

更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，

减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、

离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故

障诊断和报警

1.3液压与气压传动特点

液压与气压传动在机械行业中应用广泛，特别是在加工中心不可缺少的一部分，如

表1-3和表1-4所示，液气压传动优缺点如下。

表1-3液压传动的特点

优点缺点

体积小、重量轻、结构紧凑液压传动能量损失较大，传动效

液压传动的各种元件可根据需要灵活方便的布置率比机械、电力传动要低

液压装置工作平稳，换向冲击小，易于实现快递不能保证严格的传动比，这主要由

液压油泄漏等造成的

启动、制动和频繁的换向

操纵控制方便，可实现大范围的无级调速，而且工作性能易受温度变化的影响，不

宜在高温或者温度很低的环境下

可以在运行过程中进行调速

工作

一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行

润滑，使用寿命长

易于实现自动化以及过载保护，当采用电液联合

控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、

灯杂运动的自动控制液压传动系统出现故障不易诊断

液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于

设计、制造和推广使用

表1-4气压传动的特点

优点缺点

以空气为工作介质，来源方便且用之不竭，用由于空气是可压缩的，因此气压

后可直接排入大气而不污染环境传动系统稳定性差C给位置控制

和速度控制精度带来很大影响

使用快速接头可以非常简单的进行配管，因此系

不宜获得较大的推力或转矩

统的组装维修以及元件的更换比较简单

全气压传动控制装置具有防火、防爆、防潮的能噪声大，尤其在声速排气时，需

力，可在高温场合下使用要加装消声器

空气的黏性很小，其损失也很小，节能高效，适因工作介质空气本身没有涧滑

于远距离运输性，须在气路中设置给油润滑装

4

动作迅速、反应快、维护简单、不易堵塞置

工作环境适用好，安全可靠。具有较高的自保持

能力，即使压缩机停止运行，由于储气罐的储能，

气压传动系统仍可维持一个稳定压力

1.4液压与气压技术发展趋势

走向未来的液压与气动技术应该要以现在的技术基础上改进和扩展，不断满足未

来的生产需要。如表1-5所示为液压与气压的发展方向。

表1-5液压与气压发展方向

液压气压

气动行业产品向体积小、重量轻、功耗低、组合

液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系

集成化方向发展，执行元件向种类多、结构紧凑、

统成套方向发展

定位精度高方向发展

向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控

气动元件与电子技术相结合，向智能化方向发展

制、应用水基介质等适应环保要求方向发展

开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体元件性能向高速、高频、高响应、高寿命、耐高温、

化以及轻小型微型液压元件耐高压方向发展

积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新普遍采用无油润滑，应用新工艺

技术

2数控加工中心的总体设计

2.1加工中心的组成

数控系统，主传动，进给系统，冷却润滑系统等儿部分是数控铳削中心的组成。如

表2T所示各部分介绍，总体布局如图2T所示。

5

图2T数控铳削中心组成

表2-1数控铳削中心系统介绍

名称详细介绍

包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和

主轴箱

输出扭矩对加工有直接的影响

由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间

进给伺服系统

的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动

控制系统数控铳床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工

辅助装置液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置

机床基础件底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架

2.2数控铳削中心的布局

设计应以整机整体尺寸小，加工的零件种类广泛。采用立式铳床形式，为了，并考

虑所做项目的实际情况，采用XY垂直结构工作滑台，床身导轨水平放置，主轴Z轴垂

直工作台，这样布局有利于减少占地面积。图2-2为立式加工中心。

6

图2-2立式数控铳削加工中心

2.3性能技术参数

如表2-2所示，为加工中心性能和技术参数。

表2-2加工中心的性能和技术参数

名称技术参数

工作台外形尺寸（工作面）1200mni*450(1000*320)mm

工作台T形槽宽*槽数18*3

工作台左右行程（X轴）75Omni

7

工作台前后行程（Y轴）400mm

主轴箱上下行程（Z轴）470mm

主轴端面到工作台面距离180-650mm

主轴锥孔BT-45

主轴转速22.5-2250r/min

主轴电动机5.5/7.5(额定/30m猫)热FANUCAC12型

快速移动速度

X、Y轴14m/min

Z轴lOm/min

进给速度（X、Y、Z轴）l-400mm/min

进给驱动电动机（X、Y、Z轴）1.4kWFANUC-BESK直流伺服电动机15型

刀库容量16

选刀方式任选

最大刀具尺寸中100-300mm

最大刀具质量8kg

刀库电动机1.4kWFANUC-BESK直流伺服电动机15型

工作台允许负载500kg

滚珠丝杠尺寸（X、Y、Z轴）①40nlm*1Omni

钻孔能力（一次钻出）①32nlm

攻螺纹能力M24mm

铳削能力110cm3/min

定位精度±0.012mm/300mm

重复定位精度±0.005mm

气源5-7*105Pa(250L/min)

3主轴换刀气压系统设计

3.1数控铳削加工中心Z轴换刀装置

数控铳削加工中心Z轴是数控机床的重要执行部件之一，其前端锥孔用于装夹刀杆

和刀柄.换刀定位靠前端的两个端面键实现。如匡3-1和3-2所示主轴的内部有刀具自

动夹紧机构，由伺服爪和蝶形弹簧。该机构在换刀时具有松开和夹紧刀柄的功用。

8

图3-1松开状态（碟簧压紧，四瓣爪松开）图3-2夹紧状态（碟簧复位，四瓣爪夹紧）

3.2换刀气动系统的工作原理

如图3-3和3-4所小系统工况图和气压系统原理图，工作状态和过程如表3-1、表

3-2和表3-3所示。

表3T状态利过程

状态过程

系统发出换刀指令时,Z轴停转,4YA通电,气源调节装置2、换向阀4和单向节

定位

流阀8进入Z轴定位缸A的右腔，定位缸A活塞向左移动，使Z轴自动定位

定位后压下无触点开关，使6YA通电,压缩空气经换向阀6和快速排气阀8

进入气液增压缸B的上腔，增压腔的高压油使活塞伸出，实现主轴松刀，同

拔刀时使8YA通电，压缩空气经换向阀9和单向节流阀11进入气缸C的上腔，

气缸C下腔排气，活塞下移实现拔刀。由回转刀库交换刀具，同时1YA通电，

压缩空气经换向阀2和单向节流阀3向主轴锥孔吹气。

稍后1YA断电、2YA通电，停止吹气，8fA断电、7YA通电，压缩空气经换向

阀9、单向节流阀10进入气缸C下腔，活塞上移，实现插刀动作。6YA断电、

夹紧5YA通巾，压缩空气经换向阀6讲入气液增压缸B的下腔，活塞退回，主轴的

机械机构使刀具夹紧。4YA断电、3YA通电，缸A的活塞在弹簧力作用下复位，

回复到开始状态，换刀结束。

9

主轴定位

主轴松刀

拔刀

(◄-------------

锥孔吹气

停止吹气____

插刀’

刀具夹紧，________

主轴复位

图3-3工况图

拔刀插刀

定位

11

A诟

C

1

0

09

9%JO

1YA4

3

图3-4气压原理图

10

表3-2元件表

序号名称序号名称

1气源7、8、9、10单向节流阀

2气源调节装置11、12快速排气阀

3二位三通电磁换向阀A单作用气缸

4二位三通电磁换向阀B气液增压缸

5二位五通电磁换向阀C双作用气缸

6三位五通电磁换向阀

表3-3电磁铁动作顺序表

1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA

主轴定位+

主轴松刀+

拔刀+

主轴锥孔吹气+

停止吹气+

插刀+

刀具夹紧+

主轴复位+

3.3气压回路设计

3・3.1溢流阀控制回路

如图3-5所示，压缩电动机的启停是靠溢流阀和压力表控制来控制，从而使气源内

的压力保持在规定压力范围内，采用溢流阀，结构简单，工作可靠，但无功耗，气量大。

11

图3-5溢流阀拄制【可路

如图3-6所示，为了提高气液缸的输出力，增力回路采用气液增压缸，图中的油箱

是为了液腔补液。

图3-6增力回路

3.3.2方向回路

采用二位三通电磁阀使定位气缸变向，如图3-7所示，通电时，工作位在上方，气

路同，断电时靠弹簧力是工作为在下方。

12

采用三位五通电磁阀使拔插气缸变向，当上方电磁铁通电时，工作位在上方，气源

进入拔插缸左腔，活塞右移，当下方电磁铁通电时，工作位在下方，气源进入拔插缸右

腔，活塞左移。如图3-8所示。

图3-8三位五通双电控阀控制回路

采用二位五通双电磁阀使气液缸气缸变向，当左方电磁铁通电时，工作位在左方，

气源进入气液缸左腔，活塞右移，当右方电磁铁通电时，工作位在右方，气源进入气液

缸右腔，活塞左移。如图3-9所示。

13

图3-9二位五通双电控阀控制回路

3.3.3单向节流阀回路

活塞杆进退速度靠单向节流阀调速，如图3-10所示。

图3T0单向节流阀调速回路

如图3-11所示，当二位五通阀工作位在右位时，气源从右单向节流阀进入拔插缸

右腔，活塞左移。当阀工作位在左位时，气源从左单向节流阀进入拔插缸左腔，活塞右

移。阻力小，效果好。使双作用气缸运动平稳。

14

1一

0

0

0

§

%

路

速回

阀调

节流

单向

1两

图37

缸快速

现气液

。可实

气阀

速排

个快

备两

中配

缸。图

传动

气液

回路

控制

速度

联动

气液

。

所示

T2

如图3

用，

油作

充漏

）起补

标出