数控机床控制技术基础

1、第3章 气压控制技术,一、概述 气压传动是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质来传递动力和信号的一门工程技术。它是工程实际中进行生产控制和自动控制的重要手段之一。气压传动广泛应用于机械、纺织、食品、造纸以及电子工业中。,（一）气压传动系统的组成与工作原理,1、气压传动的工作原理,空气压缩机1产生的压缩空气，经冷却器2、油水分离器3进行降温和初步净化后，送入储气罐4中备用；使用时压缩空气从储气罐中引出经分水滤气器5再次净化后，经减压阀6、油雾器7达到气控换向阀9的A腔，将其阀芯推到上位，压缩空气经气控换向阀达到气缸10的上腔，使活塞处于下位，此时剪切机的剪口张开，处于预备工作状态。当送料机

2、构将工件11送入剪切机并达到规定位置时，工件将换向阀8的阀芯顶到右端，使气控换向阀的A腔与大气相通，在弹簧力的作用下，气控换向阀处于下位，因此气缸上腔与大气相通，下腔与压缩空气相通。压缩空气推动活塞带动剪刃快速向上运动从而将工件切下。切下工件后，行程阀在弹簧力的作用下复位，将气控换向阀A腔的排气通道封闭，使其压力上升，阀芯移至上位，使气路换向。如此，气缸的下腔与大气相通排气，压缩空气进入其上腔，推动活塞带动剪刃向下运动，系统恢复到预备工作状态,2、气压传动系统的组成,（1）动力元件 其主体部分是空气压缩机，它是气压系统的动力源。其作用是为气压系统提供洁净的压缩空气。 （2）执行元件 是指气缸（

3、用于直线运动）和气马达（用于旋转运动）。其作用是在压缩空气的推动下，输出力和速度（或力矩和转速），以驱动运动部件。 （3）控制调节元件 是指各种方向控制阀，压力控制阀和流量控制阀。它们的作用是控制气压系统中压缩空气的压力、方向和流量，以保证执行元件完成预期的工作运动。 （4）辅助元件 指各种过滤器、油雾器、消声器、散热器、传感器、放大器及管件等。,3、气压传动系统的图形符号,在实际工作中，气压系统与液压系统一样，都采用简单的图形符号来表示。,（二）气压传动的特点 1、由于采用空气作为工作介质，故其来源方便，取之不尽、成本低廉； 2、对工作环境适应性强，使用安全可靠。 3、适宜于集中供气和远距离

4、输送。 4、气压传动反应灵敏、动作迅速，维护和调节方便，故非常适用于自动控制的场合。 5、气动元件结构简单，制造工艺性好，制造成本低，使用寿命长，易于实现“三化”。 6、由于空气的可压缩性大，故在外负载发生变化时对其运动的平稳性影响较大。 7、由于工作压力低（一般为0.51MPa），且结构尺寸较小，故气压系统的输出力或转矩不大，不适应于重载系统。 8、系统中所使用的气源和压缩空气需经过干燥和净化处理后才能使用，且空气无自润滑作用，故须在系统中设置净化和润滑装置。 9、具有较大的排气噪声，污染环境。,二、气动元件,（一）动力元件 1、空气压缩机的分类 容积式压缩机: 通过机件的运动，使密封工作容

5、积被缩小，单位体积内气体的分子密度增加，从而提高气体的压力。容积式压缩机按结构不同又可分为活塞式、螺杆式和膜片式等； 动力式压缩机: 通过利用转子或叶轮的高速旋转使空气加速具有较大的动能，再使气流速度降低，将其动能转化为压力能，从而提高气体的压力。动力式压缩机按结构不同可分为离心式和轴流式等。,2、活塞式压缩机的工作原理,通过曲柄连杆机构，将电动机的旋转运动转变为活塞的往复直线运动。当活塞3向右运动时，气缸2的容积增大，压力降低而形成局部真空，此时，排气阀1关闭，外界空气在大气压力的作用下推开吸气阀8而进入气缸中，此过程称为吸气过程。当活塞向左运动时，气缸的容积减小，空气受到压缩其压力逐渐升高

6、而将吸气阀关闭，缸内压力升高到排气管路中的压力时排气阀被打开，气体被排出并经排气管输送到储气罐中，这一过程称为压缩过程。曲柄旋转一周，活塞往复运动一次，完成一个工作循环，压缩机就这样循环往复，不断产生压缩空气。,3、压缩空气站简介 压缩空气站是气压系统的动力源装置，一般规定：排气量大于或等于612m3/min时，须独立设置压缩空气站；若排气量低于6m3/min时，可将压缩机或气泵直接安装在主机旁。,（二）辅助元件 根据气动设备使用的具体情况，气动系统还需安装一些辅助元件，以解决润滑、噪声等问题，以便系统能正常工作。 1、油雾器 油雾器是一种特殊的注油装置，其作用是以压缩空气为动力，将润滑油喷射

7、成雾状后注入气流中并与压缩空气混合，随气流进入需要润滑的部件，使该压缩空气具有润滑气动元件的能力。这种润滑方式具有方便、干净和润滑质量高的特点，主要用于气动控制阀、气缸和气马达等元件的润滑。,2、消声器 消声器是一种能阻止声音传播而允许气流通过的气动元件，它是通过对气流的阻尼或增加排气面积等方法来达到降低噪声的目的。 （1）吸收型消声器 吸收型消声器主要是利用吸声材料（玻璃纤维、泡沫塑料、烧结金属、烧结陶瓷等）来消声的。 （2）膨胀干涉型消声器 膨胀干涉型消声器是根据声学滤波原理制造的。 （3）膨胀干涉吸收型消声器 膨胀干涉吸收型消声器是综合上述两种消声器的特点而构成的，使其既具有吸声材料，又

8、具有膨胀干涉型消声器的干涉等作用，能在很宽的频率范围内起消声的作用。,3、转换器 常用的转换器有气电、 电气、气 液等形式。气 电转换器是将压缩空气的气信 号转换为电信号的装置，也称 压力继电器。,（三）执行元件,执行元件是将压缩空气的压力能转换为运动部件的机械 能的能量转换装置， 1、气缸 （1）气缸的分类 1）按压缩空气对活塞端面作用力的方向，可分为单作用气缸和双作用气缸。 2）按气缸的结构不同可分为活塞式气缸、柱塞式气缸、薄膜式气缸和伸缩式气缸等。 3）按气缸的安装形式可分为耳座式气缸、固定式气缸、轴销式气缸、法兰式气缸等。 4）按气缸的功能可分为普通气缸、缓冲气缸、气液阻尼缸、冲击气缸

9、、步进气缸等。,（2）常见气缸的工作原理和用途,1）单作用气缸 单作用气缸是指气缸只有一个方向的运动是靠压缩空气推动活塞（或柱塞）完成的，复位则是借助其他外力，如弹簧力、重力等。,2）双作用气缸 双作用气缸是指气缸的往返运动全靠压缩空气来完成。,3）气液阻尼气缸 气液阻尼气缸是由气缸和液压缸组合而成的一种组合缸，它以压缩空气为能源，利用油液的不可压缩性和控制油液的流量，来获得活塞的平稳运动和调节活塞的运动速度。,4）冲击气缸 冲击气缸是一种较新型的气动执行元件。它与普通气缸相比增加了蓄能腔和带有喷嘴的中盖。,2、气马达,气动马达常简称气马达，它是一种将压缩空气的压力 能转换成旋转的机械能的装置

10、。 （1）气马达的分类及工作原理 气马达按工作原理的不 同可分为容积式和动力式两 大类，而容积式又分为齿轮 式、活塞式、叶片式和薄膜 式等。,（2）气马达的特点 1）换向容易，操作简单，通过改变进、排气阀的开闭程度，可以实现无级调速。 2）有较高的起动力矩，能带载启动。起、停迅速，可长时间满载工作，温升较小，且具有过载保护的性能。 3）具有防爆性能，工作安全。在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等恶劣环境中均能正常工作。 4）单位功率尺寸小，重量轻，适用于安装在位置狭小的场合及手持工具上。,（四）控制元件,气动控制元件是气压系统中用来控制和调节压缩空气 的压力、流量、流动方向和发送信号的元件，

11、利用它们可 组成各种气动回路，用以保证执行元件按照设计程序正常 工作。 1、方向控制阀 分为单向型控制阀和换向型控制阀。但由于气压传动 的特点，气动换向阀按滑芯结构不同分为滑阀式、截止式、 平面式、旋塞式和膜片式等；按其控制方式不同可分为电 磁控制、气压控制、机动控制和手动控制等。,（1）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。其中锥阀芯的空气流阻小但制造比平面阀芯困难。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。,2）梭阀 梭阀的结构相当 于具有共同出口的两个单向 阀的组合，用于当两个通路 P1和P2都和通路A相通，而不 允许P1与P2相

12、通的气压传动 系统中。因工作时其阀芯像 织布梭子一样来回运动，所 以称之为梭阀。,3）双压阀 双压阀又称与门型梭阀，其结构与梭阀相似，但作用相反。,（2）换向型控制阀 1）气压控制阀 气压控制阀是利用压缩空气的压力来进行切换的换向阀。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；按主阀结构不同又可分为截止式和滑阀式两种主要形式。,如图，当控制口K没有信号时，弹簧力和P腔的压力使阀芯关闭，阀处于排气状态；当K口有信号输入时，主阀芯下移，打开阀口使P与A相通。,2）直动式电磁换向阀 直动式电磁阀是一种由电磁铁的衔铁直接推动换向阀阀芯换向的阀，它分为单电磁铁和双电磁铁两种。,3）先导式电磁换

13、向阀 先导式电磁阀是一种由电磁铁首先控制从主阀气源节流出来的一部分气体，产生先导压力推动主阀阀芯换向的阀，也分为单电控和双电控两种。,2、压力控制阀,压力控制阀都是利用作用于阀芯上气压力与弹簧力相 平衡的原理来控制系统中气体的压力，用以满足各种气 动设备对压力的要求，按所起的作用不同分为三类。一 类是起降压稳压作用的减压阀、定值器；一类是起限压 安全保护作用的溢流阀、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。,定值器是一种高精度的减压阀，其输出压力的波动不大于最大输出压力的1%。,3、流量控制阀 流量控制阀是通过改变阀口通流面积来调节通过阀口 流量，从而控制执行元件运动

14、速度的控制阀。常用的流 量控制阀有节流阀、单向节流阀、排气节流阀和柔性节 流阀等。 （1）排气节流阀,（2）柔性节流阀 如图，依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管而产生节流的作用， 也可以用气控方法来代替阀杆压缩橡胶管。柔性节流阀结 构简单，压力损失小，动作可靠性高，对污染不敏感，工 作压力范围通常为0.30.63Mpa。,三、气压传动基本回路,（一）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或系统某一支路的压力，以满足执行元件对力和转矩的要求的回路。 1、一次压力控制回路 用于控制空压站储气罐输出的压力不超过规定压力。通常采用在储气罐上安装安全阀，一旦罐内压力超过规定压力就向大气排气。也可以用

15、带电触点的压力表来代替安全阀，一旦罐内压力超过规定压力即控制空压机断电，不再供气。,2、二次压力控制回路 用来对气压系统的每台气动设备的气源进口处的压力进行调节，保证其为一稳定值。,3、高低压转换回路 如图，主要由两个减压阀和一个气控换向阀组成。通过换向阀的控制，可进行压缩空气高低压的转换。,4、过载保护回路 如图，在活塞伸出的过程中，若遇到偶然障碍而过 载时，气缸左腔压力将升高，当超过调定值后，打开顺 序阀3，使阀2换向，阀4随即复位，活塞即退回。待排 除障碍后，按下阀1，活塞重新向右运动，压下阀5后， 活塞返回。,（二） 速度控制回路,速度控制回路是利用节流阀控制进入（或排出）执行元件的气

16、体流量，用以调节或变换执行元件工作速度的回路。 1、单作用气缸速度控制回路,2、双作用气缸速度控制回路 如图，这两个回路都采用在气缸的进、排气口安装节 流阀，组成双向调速回路。在图a中采用单向节流阀，在 图b中采用排气节流阀。这两个回路均采用出口节流速， 运动平稳性较口节流调速好，能承受负值载荷。,（三）方向控制回路,方向控制回路是利用各种换向阀来控制压缩空气的流动方向，用以控制执行机构运动方向的回路。 1、单作用气缸换向回路,2、双作用气缸换向回路,四、数控机床气压传动系统分析,如图3.33所示为H400型卧式加工中心气动系统原理图。该系统主要完成刀具的拉紧和松开、双工作台的交换、工作台与鞍座之间的夹紧、工作台的回转分度、分度插销定位、刀库前后移动