數(shù)控車床主軸卡盤液壓裝置設(shè)計(jì)
數(shù)控車床主軸卡盤液壓裝置設(shè)計(jì),數(shù)控車床,主軸,卡盤,液壓,裝置,設(shè)計(jì)
大XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
數(shù)控車床主軸卡盤液壓裝置設(shè)計(jì)
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摘 要
通過對(duì)數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)的分析和了解，結(jié)合已掌握的液壓方面的知識(shí)對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)劣分析并提出改進(jìn)方案；最終使液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車床的變檔及卡緊，使其滿足旋轉(zhuǎn)精度，剛度，溫升，抗震性等主要性能，以提高整機(jī)性能，并保證該液壓系統(tǒng)執(zhí)行上述二個(gè)動(dòng)作時(shí)的可行性與可靠性，充分體現(xiàn)現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：主軸，卡盤，液壓裝置，液壓系統(tǒng)
27
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
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 概述 1
1.1液壓傳動(dòng)發(fā)展概況 1
1.2液壓傳動(dòng)的工作原理及組成部分 1
1.2.1液壓傳動(dòng)的工作原理 1
1.2.2液壓傳動(dòng)的組成部分 2
1.3液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 3
1.4液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求 4
1.4.1設(shè)計(jì)步驟 4
1.4.2明確設(shè)計(jì)要求 4
1.4.3課題主要參數(shù) 5
1.5數(shù)控機(jī)床定義 5
1.6 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) 5
1.7數(shù)控機(jī)床的分類 6
1.7.1按加工工藝方法分類 6
1.7.2按控制運(yùn)動(dòng)軌跡分類 7
1.8數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢 7
第2章 數(shù)控車床主軸卡盤液壓系統(tǒng)工作原理圖設(shè)計(jì) 10
2.1 課題來源 10
2.2方案的制定與論證 10
2.2.1方案制定的背景和特點(diǎn) 10
2.2.2多方案的比較和論證 10
2.2.3最終方案的制定和說明 11
2.3 液壓卡盤的運(yùn)動(dòng)分析 12
2.3 液壓系統(tǒng)原理圖 12
第3章 液壓三爪卡盤設(shè)計(jì) 13
3.1 總體框架 13
3.2 主要參數(shù)確定與結(jié)構(gòu)計(jì)算 14
3.2.1 液壓腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.2.2 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的設(shè)計(jì) 14
3.3.3 擺動(dòng)角的設(shè)計(jì) 14
3.3.4 定子圓柱活塞杠面積的設(shè)計(jì) 15
3.3.5 活塞杠的升程 15
第4章 液壓站的設(shè)計(jì) 17
4.1液壓站簡介 17
4.2 油箱設(shè)計(jì) 17
4.2.1油箱有效容積的確定 17
4.2.2 油箱容積的驗(yàn)算 18
4.2.3 油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.3 液壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.3.1 液壓泵的安裝方式 21
4.4 輔助元件 23
總 結(jié) 25
參考文獻(xiàn) 26
致謝 27
第1章 概述
1.1液壓傳動(dòng)發(fā)展概況
液壓傳動(dòng)相對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)來說是一門新技術(shù)，但如從17世紀(jì)中葉巴斯卡提出靜壓傳遞原理、18世紀(jì)末英國制成世界上第一臺(tái)水壓機(jī)算起，也已有二三百年歷史了。近代液壓傳動(dòng)在工業(yè)上的真正推廣使用只是本世紀(jì)中葉以后的事，至于它和微電子技術(shù)密切結(jié)合，得以在盡可能小的空間內(nèi)傳遞出盡可能大的功率并加以精確控制，更是近10年內(nèi)出現(xiàn)的新事物。
本世紀(jì)的60年代后，原子能技術(shù)、空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)（微電子技術(shù)）等的發(fā)展再次將液壓技術(shù)推向前進(jìn)，使它發(fā)展成為包括傳動(dòng)、控制、檢測在內(nèi)的一門完整的自動(dòng)化技術(shù)，使它在國民經(jīng)濟(jì)的各方面都得到了應(yīng)用。液壓傳動(dòng)在某些領(lǐng)域內(nèi)甚至已占有壓倒性的優(yōu)勢，例如，國外今日生產(chǎn)的95%的工程機(jī)械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動(dòng)線都采用了液壓傳動(dòng)。因此采用液壓傳動(dòng)的程度現(xiàn)在已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。
當(dāng)前，液壓技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、經(jīng)久耐用、高度集成化等各項(xiàng)要求方面都取得了重大的進(jìn)展，在完善比例控制、數(shù)字控制等技術(shù)上也有許多新成就。此外，在液壓元件和液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化以及微機(jī)控制等開發(fā)性工作方面，更日益顯示出顯著的成績。
我國的液壓工業(yè)開始于本世紀(jì)50年代，其產(chǎn)品最初只用于機(jī)床和鍛壓設(shè)備，后來才用到拖拉機(jī)和工程機(jī)械上。自1964年從國外引進(jìn)一些液壓元件生產(chǎn)技術(shù)、同時(shí)進(jìn)行自行設(shè)計(jì)液壓產(chǎn)品以來，我國的液壓件生產(chǎn)已從低壓到高壓形成系列，并在各種機(jī)械設(shè)備上得到了廣泛的使用。80年代起更加速了對(duì)西方先進(jìn)液壓產(chǎn)品和技術(shù)的有計(jì)劃引進(jìn)、消化、吸收和國產(chǎn)化工作，以確保我國的液壓技術(shù)能在產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、人才培訓(xùn)、研究開發(fā)等各個(gè)方面全方位地趕上世界水平。
1.2液壓傳動(dòng)的工作原理及組成部分
1.2.1液壓傳動(dòng)的工作原理
驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)，它由油箱、濾油器、液壓泵、溢流閥、開停閥、節(jié)流閥、換向閥、液壓缸以及連接這些元件的油管組成。它的工作原理：液壓泵由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)后，從油箱中吸油。油液經(jīng)濾油器進(jìn)入液壓泵，當(dāng)它從泵中輸出進(jìn)入壓力管后，將換向閥手柄、開停手柄方向往內(nèi)的狀態(tài)下，通過開停閥、節(jié)流閥、換向閥進(jìn)入液壓缸左腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向右移動(dòng)。這時(shí)，液壓缸右腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。
如果將換向閥手柄方向轉(zhuǎn)換成往外的狀態(tài)下，則壓力管中的油將經(jīng)過開停閥、節(jié)流閥和換向閥進(jìn)入液壓缸右腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向左移動(dòng)，并使液壓缸左腔的油經(jīng)換向閥和回油管排回油管。
工作臺(tái)的移動(dòng)速度是由節(jié)流閥來調(diào)節(jié)的。當(dāng)節(jié)流閥開大時(shí)，進(jìn)入液壓缸的油液增多，工作臺(tái)的移動(dòng)速度增大；當(dāng)節(jié)流閥關(guān)小時(shí)，工作臺(tái)的移動(dòng)速度減小。
為了克服移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所受到的各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個(gè)足夠大的推力，這個(gè)推力是由液壓缸中的油液壓力產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的油液壓力越高；反之壓力就越低。輸入液壓缸的油液是通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)的，液壓泵輸出的多余的油液須經(jīng)溢流閥和回油管排回油箱，這只有在壓力支管中的油液壓力對(duì)溢流閥鋼球的作用力等于或略大于溢流閥中彈簧的預(yù)緊力時(shí)，油液才能頂開溢流閥中的鋼球流回油箱。所以，在系統(tǒng)中液壓泵出口處的油液壓力是由溢流閥決定的，它和缸中的油液壓力不一樣大。
如果將開停手柄方向轉(zhuǎn)換成往外的狀態(tài)下，壓力管中的油液將經(jīng)開停閥和回油管排回油箱，不輸?shù)揭簤焊字腥?，這時(shí)工作臺(tái)就停止運(yùn)動(dòng)。
從上面的例子中可以得到：
1） 動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)來傳遞動(dòng)力的。
2）液壓傳動(dòng)用液體的壓力能來傳遞動(dòng)力，它與利用液體動(dòng)能的液力傳
動(dòng)是不相同的。
3）壓傳動(dòng)中的工作介質(zhì)是在受控制、受調(diào)節(jié)的狀態(tài)下進(jìn)行工作的，
因此液壓傳動(dòng)和液壓控制常常難以截然分開。
1.2.2液壓傳動(dòng)的組成部分
液壓傳動(dòng)裝置主要由以下四部分組成：
1）能源裝置——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液液壓能的裝置。最常見的形式就是液壓泵，它給液壓系統(tǒng)提供壓力油。
2）執(zhí)行裝置——把油液的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。它可以是作直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸，也可以是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)。
3)制調(diào)節(jié)裝置——對(duì)系統(tǒng)中油液壓力、流量或流動(dòng)方向進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)的裝置。例如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥、開停閥等。這些元件的不同組合形成了不同功能的液壓系統(tǒng)。
4)輔助裝置——上述三部分以外的其它裝置，例如油箱、濾油器、油管等。它們對(duì)保證系統(tǒng)正常工作也有重要作用。
1.3液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)有以下一些優(yōu)點(diǎn)：
1） 在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生出更多的動(dòng)力，因?yàn)?
液壓系統(tǒng)中的壓力可以比電樞磁場中的磁力大出30~40倍。在同等的功率下，液壓裝置的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓馬達(dá)的體積和重量只有同等功率電動(dòng)機(jī)的12%左右。
2） 液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應(yīng)快，液壓裝置
易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。液壓裝置的換向頻率，在實(shí)現(xiàn)往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)500次/min，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)1000次/min。
3） 液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍可達(dá)2000），它還
可以在運(yùn)行的過程中進(jìn)行調(diào)速。
4） 液壓傳動(dòng)易于自動(dòng)化，這是因?yàn)樗鼘?duì)液體壓力、流量或流動(dòng)方向易
于進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制的緣故。當(dāng)將液壓控制和電氣控制、電子控制或氣動(dòng)控制結(jié)合起來使用時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)裝置能實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的順序動(dòng)作，接受遠(yuǎn)程控制。
5） 液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。液壓缸和液壓馬達(dá)都能長期在失速狀
態(tài)下工作而不會(huì)過熱，這是電氣傳動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置無法辦到的。液壓件能自行潤滑，使用壽命較長。
6） 由于液壓元件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、
制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也具有較大的機(jī)動(dòng)性。
7） 用液壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比用機(jī)械傳動(dòng)簡單。
液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)是：
1） 液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)化，這是由液壓油液的可壓縮性和泄
漏等原因造成的。
2） 液壓傳動(dòng)在工作過程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄漏損失
等），長距離傳動(dòng)時(shí)更是如此。
3） 液壓傳動(dòng)對(duì)油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很易受到溫度的影
響，因此它不宜在很高或很低的溫度條件下工作。
4） 為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上的要求較高，因此它的造價(jià)
較貴，而且對(duì)油液的污染比較敏感。
5） 液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源。
6） 液壓傳動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)不易找出原因。
總的說來，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是突出的，它的一些缺點(diǎn)有的現(xiàn)已大為改善，有的將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步得到克服。
1.4液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)要求
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。著手設(shè)計(jì)時(shí)，必須從實(shí)際情況出發(fā)，有機(jī)地結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維修方便的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
1.4.1設(shè)計(jì)步驟
液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟并無嚴(yán)格的順序，各步驟間往往要相互穿插進(jìn)行。一般來說，在明確設(shè)計(jì)要求之后，大致按如下步驟進(jìn)行。
1）確定液壓執(zhí)行元件的形式；
2）進(jìn)行工況分析，確定系統(tǒng)的主要參數(shù)；
3）制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)原理圖；
4）選擇液壓元件；
5）液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算；
1.4.2明確設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)要求是進(jìn)行每項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。在制定基本方案并進(jìn)一步著手液壓系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)之前，必須把設(shè)計(jì)要求以及與該設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的其他方面了解清楚。
1）主機(jī)的概況：用途、性能、工藝流程、作業(yè)環(huán)境、總體布局等；
2）液壓系統(tǒng)要完成哪些動(dòng)作，動(dòng)作順序及彼此聯(lián)鎖關(guān)系如何；
3）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)速度；
4）各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的載荷大小及其性質(zhì)；
5）對(duì)調(diào)速范圍、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、轉(zhuǎn)換精度等性能方面的要求；
6）自動(dòng)化程序、操作控制方式的要求；
7）對(duì)防塵、防爆、防寒、噪聲、安全可靠性的要求；
8）對(duì)效率、成本等方面的要求。
1.4.3課題主要參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)：數(shù)控車床的切削用量f=0.1-0.3mm/r；切削速度為v=50-80m/min；最大車削工件直徑400mm,最大加工長度350mm,切削粗糙度為Ra1.6-3.2μm。
1.5數(shù)控機(jī)床定義
數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。 該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件的自動(dòng)化機(jī)床。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的、發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備；其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域有：機(jī)械制造技術(shù)；微電子技術(shù)信息處理、加工點(diǎn)輸技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；檢測監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的使能技術(shù)和最基本的裝備。在提高牛產(chǎn)率、降低成本、保證加工質(zhì)量及改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出的優(yōu)點(diǎn)；待別是在適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代、小批量、多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技木的關(guān)鍵。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處理聯(lián)盟(Internation Fderation of Information processing,IFIP)第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床作如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號(hào)碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序[1]。
1.6 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
1提高生產(chǎn)率
數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，增加切削加工時(shí)間的比率。采用最佳切削參數(shù)和最佳定刀路線，縮短加工時(shí)間，從而提高生產(chǎn)率。
2提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量
由于它是按照程序自動(dòng)加工不需要人工干預(yù)，其加工梢度還可以利用軟件進(jìn)行校正及補(bǔ)償。故可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度和重復(fù)精度。
3有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性
通過改變程序，就可以加工新產(chǎn)品的零件，能夠完成很多普通機(jī)床難以完成或者根本不能加工的復(fù)雜型面零件的加工。
4 可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用
一些數(shù)控機(jī)床，例如加工中心，可以自動(dòng)換刀。一次裝卡后，幾乎能完成零件的全部加工部位的加工，節(jié)省了設(shè)備相廠房面積。
5可以進(jìn)行精確的成本計(jì)算和生產(chǎn)進(jìn)度安排
可以減少在制品，加速資金周轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
6不需要專用夾具
采用普通的通用夾具就能滿足數(shù)控加工的要求，節(jié)省了專用夾具設(shè)計(jì)制造和存放的費(fèi)用。
7大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度
數(shù)控機(jī)床是具有廣泛的通用性又具有很高自動(dòng)化程度的機(jī)床。它的控制 系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床各種動(dòng)作的先后順序，還能控制機(jī)床運(yùn)動(dòng) 部件的運(yùn)動(dòng)速度，以及刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD／CAM)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
但是，數(shù)控機(jī)床的韌投資及維修技術(shù)等費(fèi)用較高，要求管理及操作人員的累質(zhì)也較高。合理地選擇及使用數(shù)控機(jī)床，可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和競爭能力。
1.7數(shù)控機(jī)床的分類
1.7.1按加工工藝方法分類
1金屬切削類數(shù)控機(jī)床
與傳統(tǒng)的車、銑、鉆、磨、齒輪加工相對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床等。盡管這些數(shù)控機(jī)床在加工工藝方法上存在很大差別，具體的控制方式也各不相同，但機(jī)床的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)都是數(shù)字化控制的，具有較高的生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。在普通數(shù)控機(jī)床加裝一個(gè)刀庫和換刀裝置就成為數(shù)控加工中心機(jī)床。加工中心機(jī)床進(jìn)一步提高了普通數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。例如銑、鏜、鉆加工中心，它是在數(shù)控銑床基礎(chǔ)上增加了一個(gè)容量較大的刀庫和自動(dòng)換刀裝置形成的，工件一次裝夾后，可以對(duì)箱體零件的四面甚至五面大部分加工工序進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸以及攻螺紋等多工序加工，特別適合箱體類零件的加工。加工中心機(jī)床可以有效地避免由于工件多次安裝造成的定位誤差，減少了機(jī)床的臺(tái)數(shù)和占地面積，縮短了輔助時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量[2]
2特種加工類數(shù)控機(jī)床
除了切削加工數(shù)控機(jī)床以外，數(shù)控技術(shù)也大量用于數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控等離子弧切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床以及數(shù)控激光加工機(jī)床等。
3板材加工類數(shù)控機(jī)床
常見的應(yīng)用于金屬板材加工的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)和數(shù)控折彎機(jī)等。 近年來，其它機(jī)械設(shè)備中也大量采用了數(shù)控技術(shù)，如數(shù)控多坐標(biāo)測量機(jī)、自動(dòng)繪圖機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等。
1.7.2按控制運(yùn)動(dòng)軌跡分類
1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床
點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是機(jī)床移動(dòng)部件只能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確定位，在移動(dòng)和定位過程中不進(jìn)行任何加工。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)只控制行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值，不控制點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此幾個(gè)坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)無任何聯(lián)系?？梢詭讉€(gè)坐標(biāo)同時(shí)向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以各個(gè)坐標(biāo)單獨(dú)依次運(yùn)動(dòng)。 這類數(shù)控機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)等。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位數(shù)控裝置。
2．直線控制數(shù)控機(jī)床
直線控制數(shù)控機(jī)床可控制刀具或工作臺(tái)以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動(dòng)和切削加工，進(jìn)給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)變化。 直線控制的簡易數(shù)控車床，只有兩個(gè)坐標(biāo)軸，可加工階梯軸。直線控制的數(shù)控銑床，有三個(gè)坐標(biāo)軸，可用于平面的銑削加工?，F(xiàn)代組合機(jī)床采用數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭帶有多軸箱的軸向進(jìn)給進(jìn)行鉆鏜加工，它也可算是一種直線控制數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控鏜銑床、加工中心等機(jī)床，它的各個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，兼有點(diǎn)位和直線控制加工的功能，這類機(jī)床應(yīng)該稱為點(diǎn)位/直線控制的數(shù)控機(jī)床。
3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床
輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，使合成的平面或空間的運(yùn)動(dòng)軌跡能滿足零件輪廓的要求。它不僅能控制機(jī)床移動(dòng)部件的起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)，而且能控制整個(gè)加工輪廓每一點(diǎn)的速度和位移，將工件加工成要求的輪廓形狀。
常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。數(shù)控火焰切割機(jī)、電火花加工機(jī)床以及數(shù)控繪圖機(jī)等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點(diǎn)位/直線控系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過程中需要不斷進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制。
現(xiàn)在計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的控制功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，增加輪廓控制功能不會(huì)帶來成本的增加。因此，除少數(shù)專用控制系統(tǒng)外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置都具有輪廓控制功能。
1.8數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求愈來愈強(qiáng)烈。中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種只有柔性、精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動(dòng)化加工設(shè)備。同時(shí)，為滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)，以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIM5)提供基礎(chǔ)設(shè)備．也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展。當(dāng)前；數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如卞發(fā)展趨勢:
1．高精度化
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械加工與測量提出了越來越高的精度要求。加工精密化不只是由于發(fā)展高、新技術(shù)的需要，也是為了提高普通機(jī)電產(chǎn)品的性能質(zhì)量、壽命和可靠性的需要，向時(shí)還是為了減少機(jī)械產(chǎn)品裝配時(shí)的修配工作員，提高裝配效率的需要。故機(jī)床的加工精度有提高的趨勢。如近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由原來的土10um提高到土5um和土2um，精密級(jí)從土5um提高到土1．5um，最高可達(dá)土1um以內(nèi)。主軸回轉(zhuǎn)精度為0.02
—0.05um、加工圓度為0.1um，表面粗糙度Ra為0.003um的超精密車床，已有多種產(chǎn)品在市場上出現(xiàn)。預(yù)計(jì)到2000年，普通加工和精密加工的精度與1980年比，還將分別提高4—5倍，定位精度達(dá)到微米級(jí)、納米級(jí)。
2．運(yùn)動(dòng)高速化
高速是高效的基礎(chǔ)，要提高生產(chǎn)率，首先就得提高切削速度。這正是機(jī)床技術(shù)發(fā)展追求的基本目標(biāo)之一。而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的最主要、最直接的方法就是提高切削速度相減少輔助時(shí)間。數(shù)控機(jī)床的“高速化”主要體現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速相進(jìn)給速度。隨著刀具、電機(jī)、軸承、數(shù)控系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)的突破及機(jī)床本身基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，使各種運(yùn)動(dòng)速度大幅度提高。提高主軸轉(zhuǎn)速是提高切削速度的最直接最有效的方法。提高生產(chǎn)率的另一措施就是把非切削時(shí)間縮減到最短。主要體現(xiàn)在提高快速移動(dòng)速度和縮短換刀時(shí)間與工作臺(tái)交換時(shí)間。備坐標(biāo)軸快速移動(dòng)速度已由8—12m／min提高到18—24m／min，30一40m／min的機(jī)床也穩(wěn)定用于生產(chǎn)。
3．高柔性化
柔性是指機(jī)床適應(yīng)加工對(duì)象變化的能力。傳統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備，由于是機(jī)械或剛性連接和控制的，當(dāng)被加工對(duì)象交換時(shí)，調(diào)整很困難，甚至是不可能的，有時(shí)只得全部更新、更換。數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，開創(chuàng)了柔性自動(dòng)化加工的新紀(jì)元，對(duì)滿足加工對(duì)象變換有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。而且．在提高單機(jī)秉性化的同時(shí)，正努力向單元柔性化和系統(tǒng)柔性化發(fā)展。如在數(shù)控機(jī)床的軟硬件的基礎(chǔ)上，增加不同容量的刀庫和自動(dòng)換刀機(jī)械手，增加第二主軸，增加交換工作臺(tái)裝置，或配以工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)運(yùn)輸小車，以組成新的加工中心、柔性加工單元(FMc)或柔性制造系統(tǒng)(FM5)。
實(shí)踐證明，采用柔性自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)是提高加工精度和效率、縮短生產(chǎn)和供貨周期、并能對(duì)市場變化需求做出快速響應(yīng)和提高競爭能力的有效手段。
4．高自動(dòng)化
這里指的柔性自動(dòng)化是包活物料流和信息流的自動(dòng)化。80年代個(gè)期以來，以數(shù)控機(jī)床為主體的加工自動(dòng)化已從“點(diǎn)”(單臺(tái)數(shù)控機(jī)床)發(fā)展到“線”的自動(dòng)化(FMs、FTL)和“而”的自動(dòng)化(柔性制造車間)。結(jié)合信息管理系統(tǒng)的自動(dòng)化，逐步形成整個(gè)工廠“體”的自動(dòng)化。在國外已出現(xiàn)FA(自動(dòng)化工廠)和cIM(計(jì)算機(jī)集成制造)工廠的實(shí)體。盡管由于這種高自動(dòng)的技術(shù)還不夠完備，投資過大，回收期較長，但數(shù)控機(jī)床的高自動(dòng)化以及向FMc、薩Ms的系統(tǒng)集成方向發(fā)展的總趨勢仍是機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的主流。數(shù)控機(jī)床(包括FMc相FMs)的自動(dòng)化除進(jìn)一步提高其自動(dòng)編程、自動(dòng)換刀、自動(dòng)上下料、自動(dòng)加工等自動(dòng)化程序外，在自動(dòng)檢測、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)診斷、自動(dòng)對(duì)刀、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)調(diào)度、自動(dòng)管理等方面也進(jìn)“步得到發(fā)展，同時(shí)也提高丁其標(biāo)準(zhǔn)比和在線的適應(yīng)能力。
5．復(fù)合化
復(fù)合化包括工序復(fù)合化和功能復(fù)合化。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已模糊了粗.精加工工序的概念。加工中心(包括車削中心、磨削中心、電加工中心等)的出現(xiàn)，又把車、銑、鏜、鉆等類的工序集中到一臺(tái)機(jī)床來完成，打破了傳統(tǒng)的工序界限和分開加工的工藝規(guī)程。一臺(tái)具有自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)交換工作臺(tái)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換立臥主軸頭的膛銑加工中心，不僅一次裝卡可以完成鏜、銑、鉆、鉸、攻絲和檢驗(yàn)等工序，而且還可以完成箱體五個(gè)面腿、精加工的全部工序。
6．高可靠性
數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床能開發(fā)揮其高性能、高精度、高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于可靠性。衡量可靠性至要的量化指標(biāo)是平均無故障工作時(shí)間(Mcantime Bctween Failurcs—MTBF)。作為數(shù)控機(jī)床的大腦——數(shù)控系統(tǒng)的MTBF已由70年代的＞3000h，80年代的＞10000h，提高到90年代初的＞30000h。據(jù)日本近期介紹，F(xiàn)ANVC的CNC系統(tǒng)已達(dá)到MTBF增125個(gè)月。數(shù)控機(jī)床整機(jī)的可累性水平也有顯著的提高。整機(jī)的MTBF已從80年代初期的100一200h提高到現(xiàn)在的500一800h.
目前，很多企業(yè)正在對(duì)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、可靠性試驗(yàn)技術(shù)、可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)、可靠性增長技術(shù)以及可靠性管理與可靠性保證體系等進(jìn)行深入研究和廣泛應(yīng)用，以期使數(shù)控機(jī)床的整機(jī)可靠性水平提高到一個(gè)新水平。
7．宜入化
宜入化是一種新的設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，是將功能設(shè)計(jì)與美學(xué)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，是技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、文化、藝術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，其核心是使產(chǎn)品變?yōu)楦哂绪攘?、更適銷的對(duì)路商品，引導(dǎo)人們進(jìn)入一種新的生活方式和工作方式。工業(yè)先進(jìn)國家早已將其廣泛用于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。因此它是經(jīng)濟(jì)騰飛、提高市場競爭能力的重要手段。
目前，國外機(jī)床生產(chǎn)廣家為了能在方案設(shè)計(jì)階段就知道其產(chǎn)品的外觀造型、色彩配置的效果，普遍采用計(jì)算機(jī)輔助工藝造型設(shè)計(jì)(CAID)技術(shù)，相繼開發(fā)了商品化的CAID軟件系統(tǒng)．致使國際市場上數(shù)控機(jī)床的品類、結(jié)構(gòu)、造型、色彩發(fā)生了日新月異的變化，使用戶在操作安全、使用方便、性能可靠的同時(shí)，還能體會(huì)到—種美的享受感、舒服感、欣賞感，令人在心情愉快中完成工作。
第2章 數(shù)控車床主軸卡盤液壓系統(tǒng)工作原理圖設(shè)計(jì)
2.1 課題來源
對(duì)于采用手動(dòng)卡緊的機(jī)械卡盤加工某一工件普通數(shù)控車床，工人們需要手動(dòng)卡緊及松開卡盤。數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)加工該零件只需要花3分鐘，而裝夾、卡緊工件及卸下工件就需要耗費(fèi)1-2分鐘， 這段時(shí)間有一多半是用來手動(dòng)卡緊卡盤及松開卡盤的。這樣算來，手動(dòng)裝夾，卡緊工件—加工工件 —打開卡盤—卸下工件這一過程式要花費(fèi)4-5分鐘。而當(dāng)我們采用液壓傳動(dòng)借以代替之后即可節(jié)省近1分鐘的時(shí)間，則上面所描述的加工過程大概耗時(shí)在3.5~4分鐘，這樣一來回工100件即可節(jié)省將近100分鐘，對(duì)于加工零件來說，這是一筆十分可觀的時(shí)間。這完全達(dá)到了提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)者作業(yè)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率的目的。另外，采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使得機(jī)床卡盤的夾緊力可靠性大大加強(qiáng)，性能十分穩(wěn)定，這樣就避免了采用手動(dòng)卡緊和換檔時(shí)卡緊力不足導(dǎo)致工件在加工過程中松弛或加工精度不夠甚至報(bào)廢和損壞刀具等狀況的發(fā)生。而且隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)越來越完備，采用自動(dòng)化完成上述工序是完全可以的?；诖朔N狀況，本次設(shè)計(jì)將數(shù)控車床的卡盤卡緊，主軸變檔二個(gè)動(dòng)作全部設(shè)計(jì)成由液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來完成。
2.2方案的制定與論證
2.2.1方案制定的背景和特點(diǎn)
近年來，由于液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用了高技術(shù)成果，如自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、磨擦磨損技術(shù)、可靠性技術(shù)及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術(shù)有了新的發(fā)展，也使液壓系統(tǒng)和元件的質(zhì)量、水平有一定的提高。液壓傳動(dòng)技術(shù)在數(shù)控自動(dòng)化機(jī)床上的應(yīng)用也越來越廣泛，而且也為機(jī)床工業(yè)的自動(dòng)化程度的提高上起到了重要的力量。盡管如此，走向二十一世紀(jì)的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當(dāng)主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)和擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來的要求。
2.2.2多方案的比較和論證
根據(jù)對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)、調(diào)查和了解，并且借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，擬設(shè)計(jì)如下二個(gè)方案以供選擇:
（1）系統(tǒng)全部采用常規(guī)閥控制，液壓缸動(dòng)作順序由手動(dòng)換向閥來控制。其優(yōu)點(diǎn)是性能可靠，安全性高?？梢圆捎脟鴥?nèi)均可生產(chǎn)的常規(guī)閥，價(jià)格較便宜，較易購買。缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低、不能適應(yīng)數(shù)控程度高自動(dòng)化程度的機(jī)床，而且移動(dòng)速度較慢。
（2）系統(tǒng)全部采用電磁鐵驅(qū)動(dòng)的電磁控制閥來控制，其優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)速度快，系統(tǒng)安全可靠，可連續(xù)長時(shí)間工作，是近年高自動(dòng)化液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制的發(fā)展趨勢。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的電磁換向閥的安全性能還達(dá)到使用要求的還不多，因此需要進(jìn)口或采用臺(tái)灣產(chǎn)品，并且臺(tái)灣產(chǎn)品價(jià)格不是很高，而且基本可以達(dá)到國際先進(jìn)水平，完全可以滿足使用要求。
從自動(dòng)化的使用要求和安全方面考慮，第二種方案更適合本次設(shè)計(jì)。因此本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用了電磁鐵驅(qū)動(dòng)的電磁控制閥。在液壓泵站的設(shè)計(jì)中，采用了獨(dú)立的液壓泵和供油集成塊，用一個(gè)單向閥保證系統(tǒng)安全性。另外，在各個(gè)液壓站集成塊上，有三個(gè)壓力繼電器，可使系統(tǒng)更加安全可靠的工作。
2.2.3最終方案的制定和說明
1.確定液壓泵類型及調(diào)速方式
參考同類機(jī)床，選用單向定量液壓泵供油、調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的開式回路，溢流閥作定壓閥。回油路上設(shè)置背壓閥，初定背壓值為0.8MPa。
2.選用執(zhí)行原件
因系統(tǒng)要求變擋，且液壓缸有正向和反向運(yùn)動(dòng)，因此選用單活塞桿的二位液壓缸變擋。
3.換向回路的選擇
本系統(tǒng)對(duì)換向的平穩(wěn)性沒有嚴(yán)格的要求，所以選用電磁換向閥的換向回路。因此兩個(gè)油缸都選用三位四通換向閥。
4.組成液壓系統(tǒng)繪原理圖
將上述所選定的液壓回路進(jìn)行組合，并根據(jù)要求作必要的修改補(bǔ)充，即組成如圖1.1所示的液壓系統(tǒng)原理圖。
數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的工況分析是指對(duì)液壓執(zhí)行元件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和負(fù)載分析，目的是查明每個(gè)執(zhí)行元件在各自工作過程中的流量、壓力、功率的變化規(guī)律，作為擬定液壓系統(tǒng)方案，確定系統(tǒng)主要參數(shù)（壓力和流量）的依據(jù)。
2.3 液壓卡盤的運(yùn)動(dòng)分析
根據(jù)對(duì)普通數(shù)控車床機(jī)床卡盤卡緊動(dòng)作的觀察和分析可知，液壓卡盤執(zhí)行元件，即液壓缸運(yùn)動(dòng)過程可分解為：向前卡緊，保持不動(dòng)，向后松開。其運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖如下：
向前卡緊
原位停止
保持不動(dòng)
向后松開
圖2-1卡盤液壓缸運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖
2.3 液壓系統(tǒng)原理圖
圖2-1 液壓系統(tǒng)原理圖
第3章 液壓三爪卡盤設(shè)計(jì)
3.1 總體框架
本設(shè)計(jì)是在三爪卡盤的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)液壓機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)夾緊省力的，設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)螺旋盤，一個(gè)擺動(dòng)油缸及柱塞等。大錐齒輪背面加工出凹槽，圓柱活塞一端與槽配合，另一端裝在液壓缸定子葉片的孔中，端部裝有彈簧，柱塞在彈簧作用下，一端始終與凹槽接觸。
工作時(shí)利用轉(zhuǎn)動(dòng)杠轉(zhuǎn)動(dòng)小錐齒輪2帶動(dòng)大錐齒輪3,當(dāng)卡爪7未接觸工件時(shí),圓錐螺旋彈簧5所受載荷較小,圓柱活塞4與大錐齒輪3無相對(duì)運(yùn)動(dòng),缸體6隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng),卡爪7徑向移動(dòng),接近工件,此為空行程。當(dāng)卡爪7接觸工件后,所受阻力激增,進(jìn)
1.卡盤體端蓋 2.小錐齒輪 3.大錐齒輪 4.圓柱活塞
5.圓錐螺旋彈簧 6.液壓缸體 7.卡 爪 8.定子葉片 9.換油機(jī)構(gòu) 10.轉(zhuǎn)子葉片 11.缸體端蓋 12.液壓油 13.卡盤體
圖 2-1 卡盤結(jié)構(gòu)方案簡圖
給激減，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，活塞4受力增大，當(dāng)其達(dá)到一定程度時(shí)，圓錐螺旋彈簧5被壓縮，活塞4與大錐齒輪3產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，活塞4向定子孔中運(yùn)動(dòng)，液壓油12被加壓縮，液體推動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片10旋轉(zhuǎn)，卡爪7徑向微進(jìn)給，此為夾緊行程。當(dāng)大錐齒輪3繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至某一角度，活塞4將復(fù)位，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將重復(fù)上一次的運(yùn)動(dòng)直到把工件完全夾緊。
3.2 主要參數(shù)確定與結(jié)構(gòu)計(jì)算
以下以在KZ320型卡盤基礎(chǔ)上增設(shè)一個(gè)螺旋擺動(dòng)式液壓機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。
3.2.1 液壓腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)其具體的安裝條件和強(qiáng)度剛度要求，擬對(duì)其尺寸初步?。?
外壁厚： n1=16mm 內(nèi)壁厚： n2=8mm
油腔寬： a=30mm 空隙寬： x=1mm
故液壓腔的面積：
S1=a(D/2-d/2-L1-L2-x-n1-n2) =1350mm2 （3.1）
其中：卡盤體大徑D=320mm 小徑d=100mm
卡盤體外壁厚L1=25mm 卡盤體內(nèi)壁厚L2=15mm
3.2.2 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)的設(shè)計(jì)
擺動(dòng)缸中轉(zhuǎn)子葉片的作用是得到盡可能大的扭矩,其輸出扭矩的表達(dá)式為：
M=Zb(2-2)Pym (N.m) （3.2）
其中 Z：葉片數(shù) b：軸間寬度 D1：油腔大徑
d1：油腔小徑 P：進(jìn)油口壓力(Pa) Ym：機(jī)械效率
D1=D-2L1-2X1-2n1=236mm d1=d+2L1+2L2=146mm
在b、D1、d1、P及Ym等一定的情況下，理論上葉片數(shù)越大，得到的輸出扭矩也越大。
在本設(shè)計(jì)中，擺動(dòng)液壓缸是利用液體壓強(qiáng)向各個(gè)方向等壓強(qiáng)傳遞的原理，來實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。由于已知結(jié)構(gòu)特定，故在本方案中其輸出扭矩并不隨葉片數(shù)的增大而增大，在外力一定的情況下，M只與油腔軸向面積成正比。葉片數(shù)Z只影響壓力油壓強(qiáng)，但最終扭矩不變。故為了便于制造、安裝和密封，取 Z=3.
3.3.3 擺動(dòng)角的設(shè)計(jì)
由經(jīng)驗(yàn)可知，在通常情況下，工件被夾緊時(shí)其變形B≤1mm,取每次夾緊行程中卡爪進(jìn)給0.05mm,故可得擺動(dòng)角θ=360o∕t·f=1.5o
其中 平面螺旋機(jī)構(gòu)的升程t=12，卡爪每次進(jìn)給量f=0.05
3.3.4 定子圓柱活塞杠面積的設(shè)計(jì)
由結(jié)構(gòu)可知，葉片輸出扭矩M=P?S1?r?Z1?Ym （3.3）
其中 P：進(jìn)油口壓強(qiáng) S：葉片面積 Z：葉片數(shù)
r：葉片面積的幾何中心到軸心線的距離 Ym：機(jī)械效率
油液壓強(qiáng) P=F2/S2（3.4）
其中 F2=F/Z （3.5）
每個(gè)葉片受力 F1=PS1 （3.6）
F1/F2=S1/S2=σ1 （3.7）
其中σ1為增力比,為一常數(shù),故S2=S1/σ1 （3.8）
3.3.5 活塞杠的升程
活塞杠的升程 H= H1+ H2 分別確定H1、 H2
再根據(jù) H=σ?m （4.1）
其中 σ：增力比
m：卷子葉片的平均移動(dòng)距離
m=θ0/π?r=θ0/π? （D1+d2/2）191/2×2π/200=3mm
根據(jù)安裝的需要，活塞杠軸線與卡盤體軸線R=（191-6）/2==92mm
得輪廓線參數(shù)L=2πr /6=90.3mm
則H=m·σ1=12mm, 故S2=S1/σ1,=1350/15=270mm. r2=σ1S2/π=9.0mm
凹槽輪廓線的增力部分增力比最大為σ3=J/L
對(duì)活塞杠進(jìn)行受力分析,如圖4所示
圖4 活塞杠受力圖
θ=Nsinα+Fcosα （4.2） J=Ncosα (4.3)
F=Nf (4.4) 其中f為摩擦系數(shù),可取f=0.18,則：σ3=T/Q=1/tgα+ f
若α取極大值,則 tgα≤H/L-2r1=15/96.3-18=0.20
故可得：σ3min=1/0.20+0.18=1/0.36=2.6
σ1σ3=4×2.5=10.4
由于新增機(jī)構(gòu)增力比為σ1σ3,且其他機(jī)構(gòu)不變,故σ1σ3就是最終的增力比.設(shè)計(jì)目標(biāo)為增力比σ0=10,故σ1σ3=10.4相差不大,符合要求，故取σ1=4,H=mσ1=12mm可設(shè)H1=4mm,H2=8mm。
參數(shù)θ1的設(shè)計(jì)
當(dāng)活塞杠處于與凹槽配合狀態(tài)，與大錐齒輪還沒有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，其受力如圖5所示，
圖5 活塞杠—凹槽受力圖
取臨界狀態(tài)分析，則根據(jù)平衡條件可得：
Fcosθ+Nsinθ+R2=R 水平力平衡 (4.4)
F1+F2+Fsinθ+T=Nsinθ 豎直力平衡 (4.5)
Fcosθ+Nsinθ=Q (4.6)
F=Rf (4.7)
T=PS2+T0 (4.8)
T：圓錐螺旋彈簧彈力 F1、F2為密封圈處摩擦力
R1、R2為密封圈處空壁對(duì)活塞杠作用力
f：摩擦系數(shù)取f=0.15，f1=f2=0.3
已知H1=4,力N的作用點(diǎn)在h=H1/2=2處,為方便計(jì)算和實(shí)際需要,初取θ=45
由以上各式可得:
(3.83sinθ-0.85cosθ)T/(0.1cosθ+sinθ)=2R1
(1.83sinθ-1.15cosθ)Q/(0.15cosθ+sinθ)=2R2
由于T≥0，θ≤52°38′； 由于R2≥0，θ≤32°9′
取θ=32°9′，則T=0.86Q，R2=0
取θ=52°38′，則T=0.故可得：
隨著θ的增大,T急劇減少,且T隨活塞杠升程增大而增大,其與彈簧彈力及液體壓強(qiáng)有關(guān),若彈簧確定,則臨界T確定,即能求得螺旋盤從空行程轉(zhuǎn)入到夾緊行程的最小動(dòng)力，故θ=45符合要求,此時(shí)R1=1.3Q，R2=0.3Q，T=0.26Q。
第4章 液壓站的設(shè)計(jì)
4.1液壓站簡介
液壓站的結(jié)構(gòu)型式有分散式和集中式兩種類型。
(1)集中式 這種型式將機(jī)床按壓系統(tǒng)的供油裝置 , 控制調(diào)節(jié)裝置獨(dú)立于機(jī)床之外，單獨(dú)設(shè)置一個(gè)液壓站。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是安裝維修方便，按壓裝置的振動(dòng)、發(fā)熱都與機(jī)床隔開；缺點(diǎn)是液壓站增加了占地面積。
控制調(diào)節(jié)裝置獨(dú)立于機(jī)床之卸，
按壓裝置的振動(dòng)、發(fā)熱都與機(jī)床隅
(2)分散式 這種型式將機(jī)床液壓系統(tǒng)的供油裝置、控制調(diào)節(jié)裝置分散在機(jī)床的各處。例如利用機(jī)床床身或底座作為液壓油箱存放液壓油。把控制調(diào)節(jié)裝置放任便于操作的地方。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，泄漏油易回收，節(jié)省占地面積，但安裝維修不方使。同時(shí)供油裝置酌振動(dòng)、液壓油的發(fā)熱都將對(duì)機(jī)床的工作精度產(chǎn)生不良影響，故較少采用，一般非標(biāo)設(shè)備不推薦使用。
4.2 油箱設(shè)計(jì)
在開式傳動(dòng)的油路系統(tǒng)中，油箱是必不可少的，它的作用是，貯存油液，凈化油液，使油液的溫度保持在一定的范圍內(nèi)，以及減少吸油區(qū)油液中氣泡的含量。因此，進(jìn)行油箱設(shè)計(jì)時(shí)候，要考慮油箱的容積、油液在油箱中的冷卻、油箱內(nèi)的裝置和防噪音等問題。
4.2.1油箱有效容積的確定
（一）油箱的有效容積
油箱應(yīng)貯存液壓裝置所需要的液壓油，液壓油的貯存量與液壓泵流量有直接關(guān)系，在一般情況下，油箱的有效容積可以用經(jīng)驗(yàn)公式確定：
（ 6.1）
式中，——油箱的有效容積（L）；
Q ——油泵額定流量（L/min）；
K ——系數(shù)；
查參考文獻(xiàn)[1]，P47，取K=7，油泵額定流量Q=41.76 L/min，代入公式6.1，計(jì)算得：
=6×41.76=292.32 L
油箱有效容積確定后，還需要根據(jù)油溫升高的允許植，進(jìn)行油箱容積的驗(yàn)算。
4.2.2 油箱容積的驗(yàn)算
液壓系統(tǒng)的壓力、容積和機(jī)械損失構(gòu)成總的能量損失，這些能量損失轉(zhuǎn)化為熱量，使系統(tǒng)油溫升高，由此產(chǎn)生一系列不良影響。為此，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算，以便對(duì)系統(tǒng)溫升加以控制。
液壓系統(tǒng)發(fā)熱的主要原因，是由于液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失以及溢流閥的溢流損失所造成的，當(dāng)液壓油溫度升高后，會(huì)引起油液粘度下降，從而導(dǎo)致液壓元件性能的變化，壽命降低以及液壓油老化。因此，液壓油必須在油箱中得到冷卻,以保證液壓系統(tǒng)正常工作。
1 系統(tǒng)總的發(fā)熱公率
系統(tǒng)總的發(fā)熱公率H是估算得來的，查參考文獻(xiàn)[1]，P 46，得系統(tǒng)總的發(fā)熱公率H估算公式：
（6.2）
式中，N——液壓泵輸入功率（ KW）；
——執(zhí)行元件的有效功率（KW）；
若一個(gè)工作循環(huán)中有幾種工況，則應(yīng)求出其總平均有效功率，系統(tǒng)總的發(fā)熱公率：H=N（1-η） （6.3）
式中 η——系統(tǒng)總效率。
由查參考文獻(xiàn)[5]，液壓泵輸入功率：
N=Nd×η1 （6.4）
式中Nd——電動(dòng)機(jī)功率（KW）；
η1——聯(lián)軸器傳動(dòng)效率。
查參考文獻(xiàn)[5] P7，取η=0.99，代入公式6.4得：
N=0.99×7.5KW=7.425KW
所以，液壓泵輸入功率N=7.425KW。
將N=7.425KW代入公式6.3，得：
H= N（1-η）=7.425×（1-0.695）KW=2.265KW。
2 散熱功率及溫升
油路系統(tǒng)的散熱,主要靠油箱表面散熱,油箱的散熱功率可以用下式進(jìn)行估算：
=KA (KW) （6.5）
式中, K——油箱的散熱系數(shù)（KW/℃）；
A——油箱散熱面積（）；
——系統(tǒng)溫升植（℃）。
其中，油箱的散熱面積可以用下式估算
A=0.065 （） （6.6）
式中，——油箱的有效容積（L）。
液壓系統(tǒng)的熱平衡條件：
機(jī)器在長期連續(xù)工作下，應(yīng)該保持系統(tǒng)的熱平衡，其熱平衡式為：
H-=0， （6.7）
H-KA=0， （6.8）
（6.9）
查參考文獻(xiàn)[1]，P40，取K=0.025 KW/℃，將K=0.025代入公式6.9，得：
==29.7℃
查參考文獻(xiàn)[1]表3-32所給的允許值為：一般工作機(jī)械≤35℃，故系統(tǒng)溫升驗(yàn)算合格。
4.2.3 油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（一） 結(jié)構(gòu)簡介
長期以來，液壓油箱的結(jié)構(gòu)型式，基本上是由矩形板折邊壓形成四棱柱，再用封板堵住兩側(cè)而構(gòu)成。端部封板及中間隔板由沖壓成形，箱體是經(jīng)四次壓圓角，接頭外焊接而成的。這種結(jié)構(gòu)的液壓油箱制造工藝較差，主要表現(xiàn)在箱體鋼板下料時(shí)要求的精度較高；壓形的反彈量因每次供貨鋼板的機(jī)械性能不同有所不同，導(dǎo)致箱體的圓角與襯板的半徑吻合不良；不同機(jī)型上的液壓油箱必須使用自己專用的一套壓型模具。每套模具的體積大、造價(jià)高、利用率低。圖6.1所示的液壓油箱完全不用壓形模，而是利用折邊機(jī)折邊成形。箱底面及端部，以及箱底面和側(cè)面分別折成Ｕ形斷面；再焊好加油口和中間隔板等附件后，扣合拼焊而成。這種結(jié)構(gòu)的液壓油箱具有以下優(yōu)點(diǎn)：下料精度要求不高；對(duì)原材料機(jī)械性能適應(yīng)力強(qiáng)；折邊部位可隨意調(diào)整，適合多品種小批量生產(chǎn)；不用模具，大大節(jié)省了費(fèi)用，縮短了生產(chǎn)周期等等。這種結(jié)構(gòu)的液壓油箱，近年來被我們廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、建筑機(jī)械等行走機(jī)械上。
圖6.1
（二） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過對(duì)油箱的了解，壓裝機(jī)的油箱，是單件的生產(chǎn)，因此，采用拼焊的方法焊接而成。進(jìn)行油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),首先考慮的是油箱的剛度,其次考慮便于換油和清洗油箱以及安裝和拆卸油泵裝置,當(dāng)然,從企業(yè)的方面考慮，油箱的結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡單,以利于密封和降低造價(jià)。
（1）油箱體 油箱體由A3鋼板焊接而成,取鋼板厚度3～6mm，箱體大者取大值，本壓裝機(jī)的油箱板厚度為4mm。在油箱側(cè)壁上安裝油位指示器。在油箱與隔板垂直的一個(gè)壁上常常開清洗孔，以便于清洗油箱。
（2）油箱底部 油箱底部采用傾斜的方式，用焊接方法與壁板焊接而成，采用這種結(jié)構(gòu)，便于排油，底部最低處有排油口，排油口與基礎(chǔ)面的距離為150mm，。
焊接結(jié)構(gòu)油箱，油箱用A3鋼板，其厚度等于側(cè)壁鋼板的厚度，為4mm。
（3）油箱隔板 為了使吸油區(qū)和壓油區(qū)分開，便于回油中雜質(zhì)的沉淀，油箱中設(shè)置了隔板。隔板的安裝方式主要有兩種，第一種：回油區(qū)的油液按一定方向流動(dòng)，既有利于回油中的雜質(zhì)、氣泡的 分離，又有利于散熱。第二種：回油經(jīng)過隔板上方溢流至吸油區(qū)，或經(jīng)過金屬網(wǎng)進(jìn)入吸油區(qū)，更有利于雜質(zhì)和氣泡的分離。在本壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用隔板的方式，主要為了將沉淀的雜質(zhì)分開。
隔板的位置在油箱的中間，將吸油區(qū)和回油區(qū)分開，隔板的高度，為最低油面的1/2。隔板的厚度等于油箱側(cè)壁厚度。
（4）油箱蓋 油箱蓋多用鑄鐵或鋼板兩種材料制造，現(xiàn)采用鋼板，在油箱蓋上鉆下列通孔：回油管孔、通大氣孔（孔口有空氣濾清器）以及安裝液壓集成裝置的安裝孔。
（三）減少油箱噪音
防噪音問題是現(xiàn)代機(jī)械裝備設(shè)計(jì)中必須考慮的問題之一。油路系統(tǒng)的噪音源，以泵站為首，因此，進(jìn)行油箱設(shè)計(jì)時(shí)，從下列幾方面減輕噪音：
（1）油箱與箱蓋間增加防振橡皮墊：
（2）用地腳螺栓將油箱牢固固定在基礎(chǔ)上；
（3）油泵排油口用橡膠軟管與閥類元件相連接；
（4）回油管管接頭振動(dòng)噪音較大時(shí)，改變回油管直徑或增設(shè)一條回油管，使每個(gè)回油管接頭的通路減少。
4.3 液壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3.1 液壓泵的安裝方式
液壓泵裝置包括不同類型的液壓泵．驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其聯(lián)軸器等。其安裝方式分為上置式和非上置式兩種。
(1) 上置式安裝 將液壓泵和與之相聯(lián)的油管放在液壓油箱內(nèi)(如圖6.2)，這種結(jié)構(gòu)型式緊湊、美觀，同時(shí)電動(dòng)機(jī)與液壓泵的同軸度能保證，吸油條件好，漏油可直接回液壓油箱，并節(jié)省內(nèi)地面積。但散熱條件不好。
圖6.2
(2）非上置式安裝 將液壓泵和與電動(dòng)機(jī)放在液壓油箱旁，(如圖6.3)所示，這種結(jié)構(gòu)，振動(dòng)較小，油箱的清洗比較容易，但占地面積較大，吸油管與泵連接要求嚴(yán)格，應(yīng)用于較大型液壓站。
圖6.3
YZJ壓裝機(jī)的液壓系統(tǒng)安放在壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)架上面，要求結(jié)構(gòu)緊湊，站地面積小，經(jīng)過對(duì)比分析，采用上置式安裝,通過螺栓將電機(jī)上的法蘭與油箱和好的固定在一起,并且將泵放在油箱內(nèi),泵浸在油液中,可以改善泵的吸油條件。
二 液壓泵與電動(dòng)機(jī)的連接
將液壓泵與電動(dòng)機(jī)連接方式,采用聯(lián)軸器，用來把電動(dòng)機(jī)軸與泵軸聯(lián)接在一起，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸不能分離；只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離(如圖6.4)。
圖6.4
（一） 選擇聯(lián)軸器的類型
聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)釉器兩大類，其中撓性聯(lián)釉器又可以分為無彈性元件的撓性聯(lián)釉器和有彈性元件的撓性聯(lián)釉器兩大類別。選擇聯(lián)釉器考慮以下幾點(diǎn)：
（1）所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對(duì)緩沖減娠功能的要求。例如，對(duì)大功率的重載傳動(dòng)，可選用齒式聯(lián)軸器；對(duì)嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳動(dòng)，可選用輪胎式聯(lián)袖器等具有高彈性的聯(lián)軸器。
（2） 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對(duì)于高速傳動(dòng)軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。
液壓泵與電機(jī)之間的聯(lián)軸器，一般用簡單彈性套柱銷聯(lián)軸器或彈性。其二者的共同特點(diǎn)是傳遞扭矩范圍較大，轉(zhuǎn)速較高，彈性好，能緩沖扭矩急劇變化引起的振動(dòng)，能補(bǔ)償軸位移。但在使用中應(yīng)定期檢查彈性圈。
（二）計(jì)算聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
由于機(jī)器起動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca，查參考文獻(xiàn)[4] P343，計(jì)算轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算；
TCa=KAT （6.10）
式中 T——公稱轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；
KA——工作情況系數(shù)。
查參考文獻(xiàn)[4] 表14-1，轉(zhuǎn)矩變化小，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，得KA=1.3。KA=1.3代入公式6.10，計(jì)算得：
=9550=49.74N·m。
TCa= KAT=1.3×49.74=64.66N·m。
（三）確定聯(lián)軸
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