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摘要
柔性制造系統(tǒng)（FMS）是一種形式的柔性自動化，把若干個機床聯(lián)系在一起的一個材料處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的所有方面的控制都有一個中央電腦完成。這一系統(tǒng)減少了安裝或轉(zhuǎn)換時間和便利的生產(chǎn)小數(shù)目的產(chǎn)品。 轉(zhuǎn)移的重點是從大規(guī)模生產(chǎn)的少數(shù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為車間作業(yè)的環(huán)境中定制訂單產(chǎn)品。The shift in emphasis is from mass production of a few products to a job-shop environment in which customized orders are manufactured. Automation allows for better quality and scheduling, rapid changes in product lines, and lower inventories and costs .自動化設(shè)計具備更好的質(zhì)量和調(diào)度能力，使生產(chǎn)線可以快速變化，降低了庫存和成本。
柔性制造系統(tǒng)具有靈活性的特點，他們的裝置控制器和中央控制計算機可以復制出新的零件或改造舊零件。 They can also often make a number of different types of parts at the same time.他們也可以在同一時間內(nèi)作出多項不同類型的零件。 然而，這種靈活性是有局限性的，以車軸為例， However, this flexibility is limited to a certain family of parts, for example, axles.A general goal for designers is to increase flexibility, and advanced flexible manufacturing systems are more flexible than the earlier ones.總體目標是增加靈活性，因此柔性制造系統(tǒng)相較于從前的制造系統(tǒng)更具有靈活性。
總體來說，柔性制造系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：更大的勞動生產(chǎn)率：只需要具有專門的教育和技能的較少的工人。更大的機械效率：產(chǎn)品的生產(chǎn)需要較少的及其樓面面積和空間。質(zhì)量的提高：由于上線測試，使之能即時反饋信息和調(diào)整制造過程。增加了系統(tǒng)的可靠性：智能化，自診斷控制，為確定硬件問題減少了時間。減少了部分庫存：柔性制造系統(tǒng)的一個主要特點就是柔性制造能力，在經(jīng)濟上容納不同的一批大小、甚至下降至運行一個單一的部分。改進調(diào)度能力：容許這些快速反應(yīng)的變化，在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)調(diào)度，有能力，以符合剛剛在時間調(diào)度，并減少前置作業(yè)時間。 適應(yīng)性的CAD\CAM行動：數(shù)碼規(guī)格開發(fā)的電腦輔助設(shè)計/電腦輔助制造系統(tǒng)可以作為投入的過程。
作為一個柔性制造系統(tǒng)，必須具備的關(guān)鍵要素有：計算機控制，自動化材料處理能力，工具處理能力。柔性制造整合了自動化制造的概念：計算機數(shù)值控制個別機床，分布式數(shù)字控制的制造系統(tǒng)，自動化物料處理系統(tǒng)，成組技術(shù)。當這些自動化流程，機器和觀念聚集在一個集成的系統(tǒng)，就是所謂的柔性制造系統(tǒng)。在柔性制造系統(tǒng)中，人類和計算機發(fā)揮主要作用。
關(guān)鍵字：柔性制造系統(tǒng)；靈活性；柔性制造能力；計算機控制
1.
Abstract
A flexible manufacturing system (FMS) is a form of flexible automation in which several machine tools are linked together by a material-handling system, and all aspects of the system are controlled by a central computer.
Flexible manufacturing systems are flexible in the sense that their device controllers and central control computer can be reprogrammed to make new parts or old parts in new ways. They can also often make a number of different types of parts at the same time. However, this flexibility is limited to a certain family of parts, for example, axles. A general goal for designers is to increase flexibility, and advanced flexible manufacturing systems are more flexible than the earlier ones.This system reduces setup or changeover times and facilitates the production of differentiated products in small numbers. The shift in emphasis is from mass production of a few products to a job-shop environment in which customized orders are manufactured. Automation allows for better quality and scheduling, rapid changes in product lines, and lower inventories and costs.
Greater labor productivity. Fewer workers requiring specialized education and skills. Greater machine efficiency. Fewer machines, less floor space and less space for operator movement. Improved quality. Less waste because on-line gauging allows immediate feedback and adjustment of the manufacturing process. Increased system reliability. Intelligent, self-diagnosing controls decrease the time required to identify and correct hardware problems. Reduced parts inventories. A key feature of flexible manufacturing is its ability to economically accommodate different batch sizes - even down to a run of a single part. Improved scheduling capabilities. These allow rapid response to changes in product design and production scheduling, the ability to conform to just-in-time scheduling, and reduced lead times. Adaptability to CAD/CAM operations. The digital specifications developed by Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing systems can serve as inputs to the process.
The key elements necessary for a manufacturing system to qualify as an FMS are as follows:Computer controlautomated materials handling capabilityTool handling capabilityFlexible manufacturing integrates several automated manufacturing concepts:Computer numerical control (CNC) of individual machine toolsDistributed numerical control (DNC) of manufacturing systemsautomated materials handling systemsGroup technology (families of parts).When these automated processes, machines, and concepts are brought together in one integrated system, an FMS is the result. Humans and computers play major roles in an FMS.
Keywords: flexible manufacturing system, flexible, flexible manufacturing ability, Computer controlautomated materials
目錄
摘要 （中文）……………………………………………………………………………………………Ⅰ
（英文）……………………………………………………………………………………………..Ⅱ
第一章 概述.........................................................................................................1
1.1 柔性制造系統(tǒng)以及起重機…………………………………………………………………....1
1.2 研究內(nèi)容…………………………………………………………………………………………5
第二章 巷式起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計.........................................................................8
2.1 步進電機的選擇............................................................................................8
2.2 氣動機構(gòu)的選擇...........................................................................................14
2.3 主軸軸承的配置...........................................................................................20
第三章 導軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計.....................................................................................24
3.1 導軌的作用和設(shè)計要求.................................................................................24
3.2 導軌設(shè)計的主要內(nèi)容.....................................................................................24
3.3 導軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計............................................................................................24
第四章 PLC編程以及電路圖............................................................................36
結(jié)束語....................................................................................................................39
參考文獻................................................................................................................39
IV
第一章 概述
本次畢業(yè)設(shè)計的題目為小型模具柔性制造系統(tǒng)——立體倉庫及巷式起重機的設(shè)計。立體倉庫及巷式起重機是這個小型模具柔性制造系統(tǒng)的一部分，首先要了解柔性制造系統(tǒng)，理解它的工作原理，進而詳細研究巷式起重機的結(jié)構(gòu)，組成，工作原理。
1.1 柔性制造系統(tǒng)以及起重機
1.1.1 柔性制造系統(tǒng)簡介
隨著社會進步和和生活水平的提高，市場更加需要具有特色、符合客戶要求樣式和功能千差萬別的個性化產(chǎn)品。激烈的市場競爭迫使傳統(tǒng)的大規(guī)模的生產(chǎn)方式發(fā)生改變，要求對傳統(tǒng)的零部件生產(chǎn)工藝加以改進。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)不能滿足市場對多品種小批量產(chǎn)品的需求，因此生產(chǎn)制造系統(tǒng)的柔性對系統(tǒng)的生存越來越重要。隨著批量生產(chǎn)時代正逐漸被適應(yīng)市場動態(tài)變化的生產(chǎn)所替換，一個制造自動化系統(tǒng)的生存能力和競爭能力在很大成都上取決于它是否能在很短的開發(fā)周期內(nèi)，生產(chǎn)出較低成本、較高質(zhì)量的不同品種產(chǎn)品的能力。柔性已占有相當重要的位置?！叭嵝浴笔窍鄬τ凇皠傂浴倍缘模瑐鹘y(tǒng)的“剛性”自動化生產(chǎn)線旨在實現(xiàn)單一品種的大批量生產(chǎn)，其優(yōu)點是神產(chǎn)率高，由于設(shè)備是固定的，所以設(shè)備利用率也很高，單件產(chǎn)品的成本低，但價格相當昂貴，且只能加工一個或幾個相類似的零件。如果想要獲得其他品種的產(chǎn)品，則必須對其結(jié)構(gòu)進行大調(diào)整，重新配置系統(tǒng)內(nèi)各要素，其工作量和經(jīng)費投入與構(gòu)造一個新的生產(chǎn)線往往不相上下，剛性的大批量制造自動化生產(chǎn)線只適合生產(chǎn)少數(shù)幾個品種的產(chǎn)品，難以應(yīng)付多品種中小批量的生產(chǎn)。柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)FMS。
FMS目前尚無統(tǒng)一的定義，一般認為柔性制造技術(shù)是一種能迅速相應(yīng)調(diào)整生產(chǎn)品種的制造技術(shù)；柔性制造系統(tǒng)是由若干臺數(shù)控設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)組成的，并能根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種變化而迅速進行調(diào)整的自動化制造系統(tǒng)。一般定義可以用以下三個方面來概括:(1)FMS是一個計算機控制的生產(chǎn)系統(tǒng);(2)系統(tǒng)采用半獨立的NC機床;(3)這些機床通過物料輸送系統(tǒng)連成一體。FMS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
FMS從20世紀60年代誕生至今已有40多年的歷史，它從探索階段走向?qū)嵱没蜕唐坊A段，并在80年代輝煌一時，成為機械制造業(yè)技術(shù)進步的重要標志，美、英、德、日等許多先進國家的企業(yè)爭相創(chuàng)造出自己的FMS，其中不乏成功的例子。1994年初，世界各國已投人運行的FMS約有3000多個，其中日本擁有2100多個，占世界首位。在現(xiàn)已運行的FMS中,50%FMS由美國制造商提供，另外50%由日本和德國廠商提供。著名的FMS生產(chǎn)廠家有:法那克、日立精機、豐田公機、新瀉鐵工、山崎(日本)，公機、新瀉鐵工、山崎(日本),Ingersoll milling,Sundstung,Bendaw,Kearaey& Trecker,cincinnati Milacron(美國)，Werner & Kolb,Burkhandt&Weber,Huller Hille,Scharman(德國)等。我國第一套FMS于1986年10月在北京機床研究所投入運行，用于加工伺服電機的零件。許多科研院所和大學都開展FMS的研究和開發(fā)，成功設(shè)計制造了許多FMS案例。
通過近40年的努力和實踐，F(xiàn)MS技術(shù)已臻完善，進人了實用化階段，并已形成高科技產(chǎn)業(yè)。隨著科學技術(shù)的飛躍進步以及生產(chǎn)組織與管理方式的不斷更換，F(xiàn)MS作為一種生產(chǎn)手段正在向小型化、單元化、模塊化、集成化方向發(fā)展，單項技術(shù)性能與系統(tǒng)性能不斷提高，重視人的因素，完善適應(yīng)先進制造系統(tǒng)的組織管理體系，將人與FMS以及非FMS生產(chǎn)設(shè)備集成為企業(yè)綜合生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)人一技術(shù)一組織的兼容和人機一體化。應(yīng)用范圍逐步擴大，如金屬切削FMS的批量適應(yīng)范圍和品種適應(yīng)范圍正逐步擴大，例如向適合于單件生產(chǎn)的FMS擴展和向適合于大批量生產(chǎn)的FMS(即FML)擴展。另一方面，F(xiàn)MS由最初的金屬切削加工向金屬熱加工、裝配等整個機械制造范圍發(fā)展，并迅速向電子、食品、藥品、化工等各行業(yè)滲透。
1.1.2 起重機簡介
起重機是在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械，又稱吊車。它主要用來吊運成件物品，配備適當?shù)蹙吆笠部傻踹\散狀物料和液態(tài)物料。
??? 起重機的工作特點是作間歇性運動，即在一個工作循環(huán)中取料、運移、卸載等動作的相應(yīng)機構(gòu)是交替工作的。各機構(gòu)經(jīng)常處于起動、制動和正反方向運轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)。
??? 中國古代灌溉農(nóng)田用的桔槔是臂架型起重機的雛形；14世紀，西歐出現(xiàn)人力和畜力驅(qū)動的轉(zhuǎn)動臂架型起重機；19世紀前期，出現(xiàn)了橋式起重機；起重機的重要磨損件如軸、齒輪和吊具等開始采用金 屬材料制造，并開始采用水力驅(qū)動；到了19世紀后期，蒸汽驅(qū)動的起重機逐漸取代了水力驅(qū)動的起重機；20世紀20年代開始，由于電氣工業(yè)和內(nèi)燃機工業(yè)的迅速發(fā)展，以電動機或內(nèi)燃機為動力裝置的各種起重機基本形成。
起重機通常按結(jié)構(gòu)分為臂架型起重機和橋架型起重機。臂架型起重機包括塔式起重機、門座起重機、浮游起重機、自行式起重機、由桅桿和臂架組成的桅桿起重機、沿墻壁運行的壁行起重機和裝在船舶甲板上的甲板起重機等 ；橋架型起重機包括橋式起重機、龍門起重機、運載橋和纜索起重機等。起重機也可按用途、驅(qū)動方式和機動性等特點分類。
臂架型起重機通過外伸的長臂架，可將重物搬運到離機座較遠的地方， 主要用于車、船的裝卸作業(yè)。臂架有可俯仰的傾斜式和不可俯仰的水平式兩種。傾斜臂架起重機的吊具懸掛在臂架頂端滑輪的下面，水平臂架起重機的臂架上有帶吊具的起重小車。
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臂架型起重機一般可以回轉(zhuǎn)，通過起重機的回轉(zhuǎn)和臂架的俯仰，或起重小車沿臂架的運行，使重物在特定范圍內(nèi)移動。這類起重機的起重能力以臂架最小幅度時的額定起重重量和額定起重力矩來表示。幅度是吊具離起重機回轉(zhuǎn)中心線的水平距離，起重力矩是起吊物品的重力與幅度的乘積。
??? 橋架型起重機具有水平橋架，能越過地面障礙物吊運重物，或完成一定的工藝操作，它廣泛應(yīng)用于機械制造和冶金等部門的車間和室內(nèi)外倉庫。橋式起重機在高架軌道上運行，其他橋架型起重機則在地面軌道上運行。起重小車沿橋架上的軌道運行 ，通過橋架和起重小車的運動，可以獲得矩形的工作范圍。表征這類起重機的主要參數(shù)是額定起重量和跨度。
起重機的型式很多，但其主要組成部分都包括起升機構(gòu)、運行機構(gòu)、變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)，以及金屬結(jié)構(gòu)等。有的起重機還有完成一定工藝操作的專用工作裝置，如夾鉗起重機的夾鉗。
起升機構(gòu)是起重機最基本的工作機構(gòu)，大多由吊掛系統(tǒng)和絞車組成，也有通過液壓系統(tǒng)升降重物的。吊掛系統(tǒng)一般由鋼絲繩、滑輪組和吊具組成，吊鉤是最常見的吊具。絞車可安置在起重小車上，也可安置在起重機金 屬結(jié)構(gòu)上或附近的地基上，通過收放鋼絲繩而升降重物，有時可用電動葫蘆或手動葫蘆作為起升機構(gòu)。有些起重機還配有副起升機構(gòu)，用以吊運較輕的物品或進行輔助作業(yè)。
運行機構(gòu)是用以縱向水平運移重物 ，或調(diào)整起重機工作位置的部件，一般由電動機、減速器、制動器和車輪組成?，F(xiàn)代起重機中，兩側(cè)車輪通常由各自獨立的驅(qū)動機構(gòu)帶動，也有采用由電動機、減速器和制動器組合成一體的“三合一”方式。
起重小車運行機構(gòu)的組成與起重機運行機構(gòu)相似，用以橫向水平運移重物或調(diào)整小車位置。大多數(shù)小車是自行式的，即本身帶驅(qū)動裝置；有時為了減輕小車自重，也可采用鋼絲繩牽引式的，即把驅(qū)動機構(gòu)裝在水平臂架或橋架的一端。
變幅機構(gòu)只有在臂架型起重機上才配備。臂架仰起時幅度減小，俯下時幅度增大。按性能要求可分為平衡變幅和非平衡變幅兩種 ；按作業(yè)要求又可分為工作性變幅和非工作性變幅兩種。
???
回轉(zhuǎn)機構(gòu)是用以使臂架回轉(zhuǎn) 的部件，由驅(qū)動裝置和回轉(zhuǎn)支承裝置組成。驅(qū)動裝置帶動起重機的轉(zhuǎn)動部分回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)支承裝置使起重機的轉(zhuǎn)動部分支持在非轉(zhuǎn)動部分上。
金屬結(jié)構(gòu)是指起重機的骨架。各種起重機有不同的結(jié)構(gòu)型式 ，主要承載件如橋架、臂架和門架可以是箱形結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)，也可以是腹板結(jié)構(gòu)。金屬結(jié)構(gòu)的尺寸和重量占起重機外形尺寸和總重量的很大部分，要在保證強度、穩(wěn)定性和剛度，即保證金 屬結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞、不產(chǎn)生過度變形和振動的條件下，盡量減輕結(jié)構(gòu)重量。
??? 多數(shù)起重機是用電動機驅(qū)動的，人力驅(qū)動僅適用于起重量很小且搬運距離不大的起重機。與普通電動機比較，起重機專用電動機的起動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小、機械強度高。交流繞線型電動機用得最多。需要在很大范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)速時，也可采用直流電動機。自行式起重機和浮游起重機大多采用內(nèi)燃機或內(nèi)燃機-電機驅(qū)動。
??? 起重機的操作方式很多，通常是在司機室內(nèi)操縱；也可在地面上用按鈕操縱；還可以采用有線或無線遠距離控制。當要完成固定程序的作業(yè)時，可以采用程序控制的方法自動完成多種動作。
??? 起重機的故障會引起重大的人身事故和經(jīng)濟損失，因此，在起重機上裝有各種起重機安全裝置，如防止超載的負荷限制器，限制起重機、起重小車或吊具位置的行程開關(guān)，防止起重機被大風吹走的起重機夾軌器，以及信號裝置等。對臂架型起重機尤其要注意整體穩(wěn)定性，即保證它在外載荷作用下不發(fā)生傾翻。
起重機的主要發(fā)展趨勢是：研制更合理的金屬結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和零部件，以減少金屬消耗量；發(fā)展大起重量的起重機；提高工作速度、擴大調(diào)速范圍；研究結(jié)構(gòu)振動問題；提高金 屬結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和電氣設(shè)備的可靠性和使用壽命；改善司機操作的條件，保證作業(yè)安全提高自動化控制程度和擴大遠距離控制系統(tǒng)的使用范圍尤其是把它們應(yīng)用到作業(yè)頻繁的倉庫堆垛起重機和環(huán)境惡劣的冶金起重機上。
1.2 研究內(nèi)容
這次所要設(shè)計的小型模具柔性制造系統(tǒng)包括立體倉庫、機械手搬運、多工位加工、多通道環(huán)行線、視覺檢測五個系統(tǒng)單元。在本次設(shè)計任務(wù)中，我主要負責TVT－4000E立體倉庫系統(tǒng)單元中巷式起重機結(jié)構(gòu)的硬件設(shè)計，如何運用PLC軟件程序使巷式起重機實現(xiàn)貨物在倉庫中的自動存取和使自動取料機構(gòu)實現(xiàn)對貨物的自動存取。了解立體倉庫及自動取料機構(gòu)的工作原理，以及如何使用組態(tài)王軟件編寫程序來實現(xiàn)人機界面的控制。
TVT－4000E立體倉庫系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)圖 如圖2所示。
4000E立體倉庫系統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)圖
（5-1）－巷式起重機 （5-2）－立體倉庫 （5-3）－自動取料機構(gòu)
巷式起重機由絲杠驅(qū)動步進電機（5-1-1）、光杠（5-1-2）、氣動儲取貨物機構(gòu)（5-1-3）、X軸步進電機（5-1-4）、Ｘ軸光杠（5-1-5）、Ｚ軸氣缸（5-1-6）、滾珠絲杠（5-1-7）組成。巷式起重機(5-1)主要是實現(xiàn)貨物在倉庫內(nèi)的自動存取。見圖3。
由貨物儲備臺（5-2-1）、檢測傳感器（5-2-2）、立體倉庫型材基體（5-2-3）組成。立體倉庫（5-5-1）主要是實現(xiàn)貨物的存儲，見圖4。
自動取料機構(gòu)
5000E5立體倉庫系統(tǒng)單元工作原理 通過并聯(lián)真空吸盤（5-3-2）把環(huán)行線的立體倉庫存取料工位上的貨物通過直線氣缸（5-3-1）使貨物被放入巷式起重機（5-1），并有巷式起重機（5-1）把貨物放入立體倉庫（4-2）中，立體倉庫主要是實現(xiàn)成品、半成品的自動存取。
自動流程圖：
自動取料機構(gòu)
巷式起重機
立體倉庫
第二章 巷式起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
巷式起重機主要由步進電機、光桿、滾珠絲杠、氣動儲取貨物機構(gòu)組成。
2.1 步進電機的選擇
2.1.1 步進電機的運動控制
步進電機是生產(chǎn)機械上常用的另一種運動部件，它具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，定位準確，成本低廉等優(yōu)點，因而應(yīng)用十分廣泛。目前世界上主要的PLC廠家生產(chǎn)的PLC均有專門的步進電機控制指令，可以很方便地和步進電機構(gòu)成運動控制系統(tǒng)。
步進電機和生產(chǎn)機械的連接有很多種，常見的一種是步進電機和絲杠連接，將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成工作臺面的直線運動。
在這種應(yīng)用中，關(guān)系運動直接后果的參數(shù)有以下幾個：
N：PLC發(fā)出的控制脈沖的個數(shù)
n：步進電機驅(qū)動器的脈沖細分數(shù)（如果步進電機驅(qū)動器有脈沖細分驅(qū)動）
θ：步進電機的布距角，即步進電機每收到一個脈沖變化，軸所轉(zhuǎn)過的角度
d：絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉(zhuǎn)過一圈，工作臺面前進的距離
根據(jù)以上幾個參數(shù)，我們可以得到以下結(jié)果：
PLC發(fā)出的脈沖個數(shù)到達步進電機上，脈沖實際有效數(shù)應(yīng)為N/n
步進電機每轉(zhuǎn)過一圈，需要的脈沖個數(shù)為360/θ
則PLC發(fā)出N個脈沖，工作臺面移動的距離為：
PLC要和步進電機配合實現(xiàn)運動控制，還需要在PLC內(nèi)部進行一系列設(shè)定，或者是編制一定的程序。不同的PLC類型所要編制的程序不同，控制字也有不同，參考其說明書就可以知道這種差異。另外，步進電機控制是要用高速脈沖控制的，所以PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式，不可以使用繼電器輸出形式的PLC來控制步進電機。
2.1.2 步進電機的原理與選擇
1.步進電機的工作原理
步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機，當系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到步進電機定子繞組時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)一步，當電脈沖按某一相序加到電動機時，轉(zhuǎn)子沿某一方向轉(zhuǎn)動的步數(shù)等于電脈沖個數(shù)。因此，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步進電動機轉(zhuǎn)子機械位移的大?。桓淖冚斎朊}沖的通電相序，就能控制步進電動機轉(zhuǎn)子機械位移的方向，實現(xiàn)位置的控制。當電脈沖按某一相序連續(xù)加到步進電動機時，轉(zhuǎn)子以正比于電脈沖頻率的轉(zhuǎn)速沿某一方向旋轉(zhuǎn)。因此，改變電脈沖的頻率大小和通電相序，就能控制步進電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)寬廣范圍內(nèi)速度的無級平滑控制。步進電動機的這種控制功能，是其它電動機無法替代的。步進電動機可分為磁阻式、永磁式和混合式，步進電動機的相數(shù)可分為：單相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多種。增加相數(shù)能提高步進電動機的性能，但電動機的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電源就會復雜，成本就會增加，應(yīng)按需要合理選用。
2. 步進電動機的特點
u 步進電動機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差(精度為100％)，所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。
u 步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比
u 步距值不容易因為電氣、負載、環(huán)境條件的變化而改變,使用開環(huán)控制(或半閉環(huán)控制)就能進行良好的定位控制。
u 起制動、正反轉(zhuǎn)、變速等控制方便。
u 價格便宜,可靠性高。
u 步進電動機的主要缺點是效率較低,并且需要配上適當?shù)尿?qū)動電源。
u 步進電動機帶負載慣性的能力不強,在使用時既要注意負載轉(zhuǎn)矩的大小,又要注意負載轉(zhuǎn)動慣量的大小,只有當兩者選取在合適的范圍時,電機才能獲的滿意的運行性能。
u 由于存在失步和共振，因此步進電機的加減速的方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復雜多變。
3. 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成
與交直流電動機不同，僅僅接上供電電源，步進電機不會運行的。為了驅(qū)動步進電動機，必須由一個決定電動機速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器（在該立體倉庫控制系統(tǒng)中采用PLC作脈沖發(fā)生器進行位置控制）、一個使電動機繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、一個保證電動機正常運行的功率放大器，以及一個直流功率電源等組成一個驅(qū)動系統(tǒng)，如下圖所示 。
4.步進電動機的選擇
在選擇步進電動機時首先考慮的是步進電動機的類型選擇，其次才是具體的品種選擇，根據(jù)系統(tǒng)要求，確定步進電動機的電壓值、電流值以及有無定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，從而就可以確定步進電動機的相數(shù)和拍數(shù)。
在進行步進電機的品種選擇時，要綜合考慮速比、軸向力F、負載轉(zhuǎn)矩T、額定轉(zhuǎn)矩T和運行頻率，以確定步進電機的具體規(guī)格和控制裝置。
5.步進電機驅(qū)動器的原理與選擇
(1).步進電機驅(qū)動器的選擇
步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。
所有型號驅(qū)動器的輸入信號都相同，共有三路信號，它們是：步進脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機信號FREE(此端為低電平有效，這時電機處于無力矩狀態(tài)；此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電機可正常運行)。它們在驅(qū)動器內(nèi)部的接口電路都相同，見下圖。OPTO端為三路信號的公共端，三路輸入信號在驅(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以O(shè)PTO端須接外部系統(tǒng)的VCC，如果VCC是+5V則可直接接入；如果VCC不是+5V則須外部另加限流電阻R，保證給驅(qū)動器內(nèi)部光耦提供8-1 5mA的驅(qū)動電流，參見圖4和圖5。外圍提供電平為24V，而輸入部分的電平為5V，所以須外部另加1.8K的限流電阻R。
圖4 輸入信號接口電路 圖5 外接限流電阻R
步進電機驅(qū)動器的輸出信號有兩種:
①.初相位信號：驅(qū)動器每次上電后將使步進電機起始在一個固定的相位上，這就是初相位。初相位信號是指步進電機每次運行到初相位期間，此信號就輸出為高電平，否則為低電平。此信號和控制系統(tǒng)配合使田，可產(chǎn)生相位記憶功能，其接口見圖6。
圖6 初相位信號接口電路
②. 報警輸出信號：每臺驅(qū)動器都有多種保護措施(如：過壓、過流、過溫等)。當保護發(fā)生時，驅(qū)動器進入脫機狀態(tài)使電機失電，但這時控制系統(tǒng)可能尚未知曉。如要通知系統(tǒng)，就要用到‘報警輸出信號’。此信號占兩個接線端子，此兩端為一繼電器的常開點，報警時觸點立即閉合。驅(qū)動器正常時，觸點為常開狀態(tài)。觸點規(guī)格：DC24V／1A或AC11OV／O．3A。
一般來說，對于兩相四根線電機，可以直接和驅(qū)動器相連，見下圖。
電機與驅(qū)動器接線圖
以北京斯達特機電科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)SH系列步進電動機驅(qū)動器(型號為SH-2H057)為例，主要由電源輸入部分、信號輸入部分、輸出部分組成。SH-2H057步進電動機驅(qū)動器采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)主要用于小功率驅(qū)動器,這種結(jié)構(gòu)為封閉的超小型結(jié)構(gòu)，本身不帶風機，其外殼即為散熱體，所以使用時要將其固定在較厚、較大的金屬板上或較厚的機柜內(nèi)，接觸面之間要涂上導熱硅脂，在其旁邊加一個風機也是一種較好的散熱辦法。
此步進電機驅(qū)動器的電氣技術(shù)數(shù)據(jù)為：
驅(qū)動器型號
相數(shù)
類別
細分數(shù)
通過撥位
開關(guān)設(shè)定
最大
相電流
開關(guān)設(shè)定
工作電源
SH-2H057
二相或四相
混合式
二相八拍
3.0A
一組直流
DC(24V-40V)
(2).步進電機驅(qū)動器接線示意圖見圖8
圖8步進電機驅(qū)動器接線示意圖
(3).步進電機驅(qū)動器細分數(shù)和電機相電流的設(shè)定
①. 細分數(shù)的設(shè)定
要了解“細分”，先要弄清“步距角”這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。SH系列驅(qū)動器是靠驅(qū)動器上的撥位開關(guān)來設(shè)定細分數(shù)的，您只需根據(jù)面板上的提示設(shè)定即可。在系統(tǒng)頻率允許的情況下，盡量選用高細分數(shù)。
對于兩相步進電機,細分后電機的步距角等于電機的整步步距角除以細分數(shù)，例如細分數(shù)設(shè)定為40、驅(qū)動步距角為0.9°/1.8°的電機，其細分步距角為1.8÷40=0.045。可以看出,步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在40細分狀態(tài)時，其步距角只為電機固有步距角的十分之一，也就是說：當驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)驅(qū)動上例的電機時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動1.8°；而用細分驅(qū)動器工作在40細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了0.045°，這就是細分的基本概念。細分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。
驅(qū)動器細分后將對電機的運行性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，但是這一切都是由驅(qū)動器本身產(chǎn)生的，和電機及控制系統(tǒng)無關(guān)。在使用時，唯一需要注意的一點是步進電機步距角的改變,這一點將對控制系統(tǒng)所發(fā)出的步進信號的頻率有影響;因為細分后步進電機的步距角將變小，要求步進信號的頻率要相應(yīng)提高。
驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點為：
a.完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩(約在200Hz左右)是步進電機的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果您的步進電機有時要在共振區(qū)工作(如走圓弧)，選擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。
b.提高了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機，其力矩比不細分時提高約30—4096。
c.提高了電機的分辨率。由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。
以上這些優(yōu)點，尤其是在性能上的優(yōu)點，并不是一個量的變化，而是質(zhì)的飛躍。所以我們最好選用細分驅(qū)動器。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。但現(xiàn)在的情況不同了，細分驅(qū)動器的出現(xiàn)改變了這種觀念，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。所以如果用戶采用細分驅(qū)動器，‘相數(shù)’將變得沒有意義
②.電機相電流的設(shè)定
SH系列驅(qū)動器是靠驅(qū)動器上的撥位開關(guān)來設(shè)定電機的相電流，您只需根據(jù)面板上的電流設(shè)定表格進行設(shè)定。
(4). 步進電機驅(qū)動器指示燈說明
驅(qū)動器的指示燈共有兩種：電源指示燈(綠色或黃色)和保護指示燈(紅色)。當任一保護發(fā)生時，保護指示燈變亮。
(5). 步進電機驅(qū)動器電源接口
對于超小型驅(qū)動器(SH—2H057、SH—3F075、 SH—2H057M、SH-3F075M)，采用一組直流供電DC(24-40V)，注意正負極不要接錯，此電源可以由一變壓器變壓后加整流濾波(無須穩(wěn)壓)組成;或者由一開關(guān)電源提供,參考下圖。因為PLC需要采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電,所以在設(shè)計中電源應(yīng)選用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，見下圖。
開關(guān)式穩(wěn)壓電源
不同的步進電機驅(qū)動器需配合適當?shù)腜LC，原則是使PLC的輸出高速脈沖可以傳輸?shù)讲竭M電器驅(qū)動器內(nèi)部。在上圖中，步進電機驅(qū)動器的輸入信號采取的是公共陽極，則PLC就應(yīng)當采用NPN晶體管輸出類型的，并且接線如圖9所示。如果步進電機驅(qū)動器的輸入信號采取的是公共陰極，則PLC就應(yīng)當采用PNP晶體管輸出類型的。
2.2 氣動機構(gòu)的選擇
氣動傳動簡稱氣動,是指以壓縮空氣為工作介質(zhì)來傳遞動力和控制信號,控制和驅(qū)動各種機械和設(shè)備,以實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械化、自動化的一門技術(shù)。它是流體傳動及控制學科的一個重要分支。因為以壓縮空氣為工作介質(zhì)，具有防火、防爆、防電磁干擾，抗振動、沖擊、輻射，無污染，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等特點。
氣壓傳動的優(yōu)點：
（1） 空氣隨處可取，取之不盡，節(jié)省了購買、貯存、運輸介質(zhì)的費用；
（2） 空氣在使用完后排入大氣中去，對環(huán)境無污染，處理方便，不必設(shè)置回收管路；
（3） 因空氣粘度小，在管內(nèi)流動阻力小，壓力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送；
（4） 與液壓相比，氣動反應(yīng)快，制造容易，適用于標準化、系列化、通用化；
（5） 氣動元件對工作環(huán)境適應(yīng)性好；
（6） 空氣具有可壓縮性,使氣動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過載自動保護。
2.2.1 氣壓傳動系統(tǒng)的組成
典型的氣壓傳動系統(tǒng)是由氣壓發(fā)生裝置、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件四個部分組成。
氣壓發(fā)生裝置簡稱氣源裝置，是獲得壓縮空氣的能源裝置，其主體部分是空氣壓縮機，另處還有氣源凈化設(shè)備?？諝鈮嚎s機將原動機供的機械能轉(zhuǎn)化為空氣的壓力能；而氣源凈化設(shè)備用以降低壓縮空氣中的水分、油分以及污染雜質(zhì)等。使用氣動設(shè)備較多的廠礦將氣源裝置集中在壓氣站（俗稱空壓站）內(nèi)，由壓氣站再統(tǒng)一向各用氣點（分廠、車間和用氣設(shè)備等）分配供應(yīng)壓縮空氣。
執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)，并將壓縮空氣的壓力能變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。包括作直線往復運動的氣缸，作連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的氣馬達和作不連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的擺動馬達。
控制元件又稱操縱、運算、檢測元件，是用來控制壓縮空氣流的壓力、流量和流動方向等，以便使執(zhí)行機構(gòu)完成預定運動規(guī)律的元件。包括各種壓力閥、方向閥、流量閥、邏輯元件、射流元件、行程閥、轉(zhuǎn)換器和傳感器等。
輔助元件是使壓縮空氣凈化、潤滑、消聲以及元件間連接所示需要的一些裝置。包括分小濾氣器、油霧器、消聲器以及各種管路附件等。
2.2.2 氣源裝置
氣源裝置給系統(tǒng)提供足夠清潔、干燥且具有一定壓力和流量的壓縮空氣。根據(jù)氣動系統(tǒng)對壓縮空氣品質(zhì)的要求來設(shè)置氣源裝置。常見的氣源裝置是空氣壓縮機。
空氣壓縮機簡稱空壓機，是氣源裝置的核心，用以將原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能?？諌簷C有以下幾種分類方法：
（1） 按工作原理分類：
（2） 按輸出壓力P分類：
鼓風機： P ≤ 0.2MPa
低壓空壓機： 0.2Mpa ≤ P ≤ 1Mpa
中壓空壓機： 1Mpa < P ≤ 10Mpa
高壓空壓機： 10Mpa < P ≤ 100Mpa
超高壓空壓機： P > 100Mpa
（3） 按輸出流量qz（即銘牌流量或自由流量）分類：
微型空壓機： qz ≤0.017m3/s
小型空壓機： 0.017m3/s < qz ≤0. 17m3/s
中型空壓機： 0. 17m3/s < qz ≤1.7m3/s
大型空壓機： qz > 1.7m3/s
2.2.3 氣動執(zhí)行元件
氣動執(zhí)行元件有作直線往復運動的氣缸、作連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的氣馬達和作不連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的擺動馬達等。下面主要以氣缸為主來介紹。
氣缸的分類、原理和特點：
????普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成見下圖。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5其他一些零件組成。
普通氣缸
1—組合防塵圈；—前端蓋；3—軸用YX密封圈；4—活塞桿；5—缸筒；
6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—緩沖調(diào)節(jié)閥；9—后端蓋
????氣缸的種類很多。一般按壓縮空氣作用在活塞面上的方向、結(jié)構(gòu)特征和安裝方式來分類。按壓縮空氣對活塞端面作用力的方向分：
單作用氣缸 氣缸只有一個方向的運動是氣壓傳動，活塞的復位靠彈簧力或自重和其它外力。
雙作用氣缸 雙作用氣缸的往返運動全靠壓縮空氣來完成。
按氣缸的結(jié)構(gòu)特征分：
1)活塞式氣缸；
2)薄膜式氣缸；
3)伸縮式氣缸。
按氣缸的安裝形式分：
1)固定式氣缸 氣缸安裝在機體上固定不動，有耳座式、凸緣式和法蘭式。
2)軸銷式氣缸 缸體圍繞一固定軸可作一定角度的擺動。
3)回轉(zhuǎn)式氣缸 缸體固定在機床主軸上，可隨機床主軸作高速旋轉(zhuǎn)運動。這種氣缸常
于機床上氣動卡盤中，以實現(xiàn)工件的自動裝卡。
4)嵌入式氣缸 氣缸做在夾具本體內(nèi)。
按氣缸的功能分：
1)普通氣缸 包括單作用式和雙作用式氣缸。常用于無特殊要求的場合。
2)緩沖氣缸 氣缸的一端或兩端帶有緩沖裝置，以防止和減輕活塞運動到端點時對氣缸缸蓋的撞擊。
3)氣一液阻尼缸 氣缸與液壓缸串聯(lián)，可控制氣缸活塞的運動速度，并使其速度相對穩(wěn)定。
4)擺動氣缸 用于要求氣缸葉片軸在一定角度內(nèi)繞軸線回轉(zhuǎn)的場合，如夾具轉(zhuǎn)位、閥門的啟閉等。
5)沖擊氣缸 是一種以活塞桿高速運動形成沖擊力的高能缸，可用于沖壓、切斷等。
6)步進氣缸 是一種根據(jù)不同的控制信號，使活塞桿伸出不同的相應(yīng)位置的氣缸。
氣缸的類型
類別
名稱
簡圖
特點
單作用氣缸
柱塞式氣缸
? 壓縮空氣只能使柱塞向一個方向運動；借助外力或重力復位
活塞式氣缸
? 壓縮空氣只能使活塞向一個方向運動；借助外力或重力復位
? 壓縮空氣只能使活塞向一個方向運動；借助彈簧力復位；用于行程較小場合
薄膜式氣缸
? 以膜片代替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復位；行程短；結(jié)構(gòu)簡單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。若無彈簧，用壓縮空氣復位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓（風箱）式氣缸。
雙作用氣缸
普通氣缸
? 利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動，活塞行程可根據(jù)實際需要選定，雙向作用的力和速度不同
雙活塞桿氣缸
? 壓縮空氣可使活塞向兩個方向運動，且其速度和行程都相等
不可調(diào)緩沖氣缸
? 設(shè)有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點時減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整
可調(diào)緩沖氣缸
? 緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整
特殊
氣缸
差動氣缸
? 氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復運動，工作時活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣
雙活塞氣缸
? 兩個活塞同時向相反方向運動
多位氣缸
? 活塞桿沿行程長度方向可在多個位置停留，圖示結(jié)構(gòu)有四個位置
串聯(lián)氣缸
? 在一根活塞桿上串聯(lián)多個活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力
沖擊氣缸
? 利用突然大量供氣和快速排氣相結(jié)合的方法得到活塞桿的快速沖擊運動，用于切斷、沖孔、打入工件等
數(shù)字氣缸
? 將若干個活塞沿軸向依次裝在一起，每個活塞的行程由小到大，按幾何級數(shù)增加
回轉(zhuǎn)氣缸
? 進排氣導管和導氣頭固定而氣缸本體可相對轉(zhuǎn)動。用于機床夾具和線材卷曲裝置上
伺服氣缸
?將輸入的氣壓信號成比例地轉(zhuǎn)換為活塞桿的機械位移。用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。
撓性氣缸
? 缸筒由撓性材料制成，由夾住缸筒的滾子代替活塞。用于輸出力小，占地空間小，行程較長的場合，缸筒可適當彎曲
鋼索式氣缸
? 以鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸，用于小直徑，特長行程的場合
組合
氣缸
增壓氣缸
? 活塞桿面積不相等，根據(jù)力平衡原理，可由小活塞端輸出高壓氣體
氣-液增壓缸
? 液體是不可壓縮的，根據(jù)力的平衡原理，利用兩兩相連活塞面積的不等，壓縮空氣驅(qū)動大活塞，小活塞便可輸出相應(yīng)比例的高壓液體
氣-液阻尼缸
? 利用液體不可壓縮的性能及液體流量易于控制的優(yōu)點，獲得活塞桿的穩(wěn)速運動
氣缸的選用：
選擇氣缸時應(yīng)注意以下幾個方面：
（1） 選擇氣缸類型：根據(jù)使用場合和負載特點選擇不同類型的氣缸。
（2） 選擇安裝形式：由氣缸的安裝位置、使用目的等因素來決定。
（3） 確定氣缸作用力大?。焊鶕?jù)工作機構(gòu)所示需的作用力的大小來確定。
（4） 確定氣缸行程：與使用場合和機構(gòu)所示需的行程比有關(guān)，也受加工和結(jié)構(gòu)的限制。
（5） 確定運動速度：普通氣缸的運動速度為0.5∽1m/s，應(yīng)根據(jù)需要在系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)速元件，如節(jié)流閥等。
2.2.4 氣動輔助元件
1、油霧器
油霧器是以壓縮空氣為動力，將潤滑油噴射成霧狀并混合于壓縮空氣中，使該壓縮空氣具有潤滑氣動元件的能力。
目前，氣動控制閥，氣缸和氣馬達主要是靠這種帶有油霧的壓縮空氣來實現(xiàn)潤滑的，其優(yōu)點是方便、干凈、潤滑質(zhì)量高。
2、消聲器
氣壓傳動裝置的噪聲一般都比較大，尤其當壓縮氣體直接從氣缸或閥中排向大氣，較高的壓差使氣體體積急劇膨脹，產(chǎn)生渦流，引起氣體的振動，發(fā)出強烈的噪聲，為消除這種噪聲應(yīng)安裝消聲器。消聲器是指能阻止聲音傳播而允許氣流通過的一種氣動元件，氣動裝置中的消聲器主要有阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復合消聲器三大類。
3、轉(zhuǎn)換器
在氣動控制系統(tǒng)中，也與其它自動控制裝置一樣，有發(fā)信、控制和執(zhí)行部分，其控制部分工作介質(zhì)為氣體，而信號傳感部分和執(zhí)行部分不一定全用氣體，可能用電或液體傳輸，這就要通過轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換器有：氣一電、電一氣、氣一液等。
4、氣電轉(zhuǎn)換器和電氣轉(zhuǎn)換器
氣電轉(zhuǎn)換器是將壓縮空氣的氣信號轉(zhuǎn)變成電信號的裝置，又稱壓力繼電器。
電氣轉(zhuǎn)換器是將電信號轉(zhuǎn)換成氣信號的裝置，各種電磁換向閥可作為電氣轉(zhuǎn)換器。
2.2.5 氣動控制元件
在氣壓傳動系統(tǒng)中的控制元件是控制和調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量、流動方向和發(fā)送信號的重要元件，利用它們可以組成各種氣動控制回路，使氣動執(zhí)行元件按設(shè)計的程序正常地進行工作?？刂圃垂δ芎陀猛究煞譃榉较蚩刂崎y、壓力控制閥和流量控制閥三大類。
1、方向控制閥
(1).方向控制閥的分類
按閥芯結(jié)構(gòu)不同可分為：滑柱式(又稱柱塞式、也稱滑閥)、截止式(又稱提動式)、平面式(又稱滑塊式)、旋塞式和膜片式。其中以截止式換向閥和滑柱式換向閥應(yīng)用較多；
按其控制方式不同可以分為：電磁換向閥、氣動換向閥、機動換向閥和手動換向閥
按其作用特點可以分為：單向型控制閥和換向型控制閥。
(2).單向型控制閥
1）單向閥
單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動的閥。單向閥的工作原理、結(jié)構(gòu)和圖形符號與液壓閥中的單向閥基本相同，只不過在氣動單向閥中，閥芯和閥座之間有一層膠墊(密封墊)。
2）快速排氣閥
快速排氣閥簡稱快排閥。它是為加快氣缸運動速度作快速排氣用的。
2、換向型控制閥
換向型方向控制閥(簡稱換向閥)的功用是改變氣體通道使氣體流動方向發(fā)生變化從而改變氣動執(zhí)行元件的運動方向。換向型控制閥包括氣壓控制閥、電磁控制閥、機械控制閥、人力控制閥和時間控制閥。
(1).氣壓控制換向閥
氣壓控制換向閥是利用氣體壓力來使主閥芯運動而使氣體改變流向的。按控制方式不同可分為加壓控制、卸壓控制和差壓控制三種。
加壓控制是指所加的控制信號壓力是逐漸上升的，當氣壓增加到閥芯的動作壓力時，主閥便換向；卸壓控制指所加的氣控信號壓力是減小的，當減小到某一壓力值時，主閥換向；差壓控制是使主閥芯在兩端壓力差的作用下?lián)Q向。
氣控換向閥按主閥結(jié)構(gòu)不同，又可分為截止式和滑閥式兩種。
1）截止式氣控閥
2）滑閥式氣控閥
工作原理和液動換向閥基本相同。
(2).電磁控制換向閥
按控制方式不同分為電磁鐵直接控制(直動)式電磁閥和先導式電磁閥兩種。它們的工作原理分別與液壓閥中的電磁閥和電液動閥相類似，只是二者的工作介質(zhì)不同而已。
3、 壓力控制閥
壓力控制閥主要用來控制系統(tǒng)中氣體的壓力，以滿足各種壓力要求或用以節(jié)能。壓力控制分為三類：一類是起降壓穩(wěn)壓作用，如減壓閥，定值器；一類是起限壓安全保護作用的安全閥等；一類是根據(jù)氣路壓力不同進行某種控制的順序閥、平衡閥等。
4、 流量控制閥
在氣壓傳動系統(tǒng)中，經(jīng)常要求控制氣動執(zhí)行元件的運動速度，這要靠調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量來實現(xiàn)。凡用來控制氣體流量的閥，稱為流量控制閥。流量控制閥就是通過改變閥的通流截面積來實現(xiàn)流量控制的元件，它包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、排氣節(jié)流閥和柔性節(jié)流閥等。其中節(jié)流閥和單向節(jié)流閥的工作原理與液壓閥中同類型閥相似。
(1).排氣節(jié)流閥
與節(jié)流閥原理一樣，但節(jié)流閥裝在系統(tǒng)中調(diào)節(jié)氣流的流量，而排氣節(jié)流閥只能裝在排氣口處，調(diào)節(jié)排入大氣的流量。圖13－18為排氣節(jié)流閥的工作原理圖。
(2).柔性節(jié)流閥
柔性節(jié)流閥依靠閥桿夾緊柔韌的橡膠管而產(chǎn)生節(jié)流作用。
2.3 主軸軸承的配置
主軸軸承的配置根據(jù)機床的不同而不同，有滾動軸承，液體靜壓軸承、氣體靜壓軸承、磁力軸承等。一般中小型數(shù)控機床的主軸普遍采用滾動軸承，本設(shè)計采用滾動軸承。選擇時考慮軸承的極限轉(zhuǎn)速、剛度、阻尼特性和溫升等因素，一般采用2～3個角接觸球軸承組合，或者用角接觸球軸承和圓柱滾子軸承組合構(gòu)成支承系統(tǒng)，這些軸承經(jīng)過預緊后，可得到較高的剛度，除非要求很大的剛性才采用圓柱滾子軸承和雙向推力球軸承的組合，但在極限轉(zhuǎn)速上受限制。
數(shù)控機床主軸常用的幾種滾動軸承如下圖。
目前主軸常用的幾種滾動軸承的配置如下圖。
1）前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸雙列向心推力球軸承組合，承受徑向和軸向載荷；后支承采用成對角接觸球軸承，特點是剛度高，可以滿足強力切削的要求，數(shù)控機床應(yīng)用較多。（圖中a）。
2）前軸承采用成組角接觸球軸承，2～3個軸承組成一套，要求背靠背安裝，承受徑向和軸向載荷；后軸承采用雙列短圓柱滾子軸承，適用于高速、重載、精度好的主軸要求，但承受的軸向載荷比前一配置小。（圖中b）。
3）前后支承均采用高精度的成組角接觸球軸承，承受徑向和軸向載荷；這類軸承具有良好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速達4000r/min，它的承載能力小，適合于高速度、
輕載荷、高精度的數(shù)控機床主軸。（圖中c）。
4）前軸承采用雙列圓錐滾子軸承，能夠承受較大的徑向和軸向載荷，后軸承采用單列圓錐滾子軸承。能承受重載荷尤其能承受較強的動載荷，可調(diào)整性好，但限制了主軸最高轉(zhuǎn)速與精度，適合于低速、重載、中等精度的機床。（圖中d）。
軸承的精度分為2、4、5、6、0五級，2級最高，0級為普通精度級。主軸軸承以4級為主（記為P4），較低精度的主軸可以用P5級，而P6、P0一般不用。
前后軸承之間，前軸承對主軸組件的精度影響比后軸承的影響大。因此后軸承精度可以比前軸承低一級。軸承并列使用時，選擇背對背的方式。采用推力軸承時，分清楚先裝配內(nèi)徑小的圈還是內(nèi)徑大的圈，內(nèi)徑小的圈隨軸轉(zhuǎn)動。
主軸軸承的剛度計算：
軸承在零間隙時的變形和剛度，可以按下列公式計算。
（2-1）
（2-2）
（1）點接觸的軸承
(2-3)
(2-4)
（2）線接觸的滾子軸承
式中： ——徑向與周向變形（）；
——徑向與周向剛度（）；
——軸承的徑向和軸向載荷（N）；
——接觸角（°）；
db——球徑（mm）；
——滾子有效長度（mm）;
——列數(shù)和每列滾動體數(shù)；
——單個滾動體的徑向和軸向載荷（N）；
(2-5)
軸承的剛度不是一個定值，而是載荷的函數(shù)，載荷越大，剛度也越大。由于球軸承載荷對剛度的影響比滾子軸承的影響大，所以，球軸承在計算時應(yīng)該同時考慮預緊力。計算時，當外載荷無法確定時，常取軸承額定動載荷的0.1倍作為軸承的載荷。
主軸軸承的速度：
若n是轉(zhuǎn)速，d是軸承的中徑，那么它們的乘積值是速度因子，它反映滾動體的公轉(zhuǎn)速度，正是軸承轉(zhuǎn)速的限制因素。推力角接觸球軸承的速度因子都小于雙列圓柱滾子軸承。有關(guān)主軸軸承的速度因子值，可以查閱機械設(shè)計手冊。
主軸軸承的潤滑：
設(shè)計時，必須合理選擇軸承的潤滑方式和潤滑路徑。加工箱體上的油路時，往往要打若干工藝孔才行，最后用密封堵頭封閉這些工藝孔，防止漏油。
對于雙列軸承，箱體的油孔應(yīng)對準雙列軸承中間的入油孔，使油液能夠準確流入軸承的內(nèi)部。有入油孔就必然對應(yīng)有出油孔，入油孔開設(shè)在方便安裝的地方。
潤滑方式有：油液循環(huán)潤滑、脂潤滑、油霧潤滑、噴射潤滑等。其中油脂潤滑（如高級鋰基脂）是目前最常用的方式。油脂封入量通常為軸承空間容積的10％，如果填得太滿會加劇軸承發(fā)熱。對于油液循環(huán)潤滑，一般用于中等轉(zhuǎn)速的主軸上，多用于后支承上，設(shè)計時注意油路布局合理，既暢通、方便，又不影響其它結(jié)構(gòu)件或者主軸箱的剛度。
設(shè)計時，選擇合理的密封方式。對于采用油脂潤滑，主軸前端采用迷宮式密封外，臥式主軸還于前法蘭蓋下端加一個泄漏孔；而后端密封可以與前端相似，也可以采用好的密封圈。
第三章 導軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 導軌的作用和設(shè)計要求
當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力（載荷及運動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。對導軌的要求如下：
1.一定的導向精度。導向精度是指運動件沿導軌移動的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準確性。
2.運動輕便平穩(wěn)。工作時，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時應(yīng)無爬行現(xiàn)象。
3.良好的耐磨性。導軌的耐磨性是指導軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導軌在使用過程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整。
4.足夠的剛度。運動件所受的外力，是由導軌面承受的，故導軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導軌面寬度，以降低導軌面比壓；設(shè)置輔助導軌，以承受外載。
5.溫度變化影響小。應(yīng)保證導軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。
6.結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導軌其它要求的前提下，應(yīng)使導軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、測量、裝配和調(diào)整，降低成本。
不同設(shè)備的導軌，必須作具體分析，對其提出相應(yīng)的設(shè)計要求。必須指出，上述六點要求是相互影響的。
3.2 導軌設(shè)計的主要內(nèi)容
設(shè)計導軌應(yīng)包括下列幾方面內(nèi)容：
1.根據(jù)工作條件，選擇合適的導軌類型；
2.選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度；
3.選擇適當?shù)膶к壗Y(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)；
4.選擇導軌的補償及調(diào)整裝置，經(jīng)長期使用后，通過調(diào)整能保持需要的導向精度；
5.選擇合理的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損；
6.制訂保證導軌所必須的技術(shù)條件，如選擇適當?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。
3.3 導軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1.1 滑動導軌
(1) 基本形式
三角形導軌：該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110°～120°）；為提高導向性，采用較小的頂角（60°）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應(yīng)采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。
矩形導軌：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高；導軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。
燕尾形導軌：燕尾形導軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。
圓形導軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。
(2)常用導軌組合形式
三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導軌為導向面，導向精度較高，而平導軌的工藝性好，因此應(yīng)用最廣。
這種組合有V-平組合、棱-平組合兩種形式。V-平組合導軌易儲存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導軌不能儲存潤滑油，只用于低速移動。見下圖。
為使導軌移動輕便省力和兩導軌磨損均勻，驅(qū)動元件應(yīng)設(shè)在三角形導軌之下，或偏向三角形導軌。
矩形和矩形組合：承載面和導向面分開，因而制造和調(diào)整簡單。導向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。見下圖。
雙三角形導軌：由于采用對稱結(jié)構(gòu)，兩條導軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導向精度高，但工藝性差，四個表面刮削或磨削也難以完全接觸，如果運動部件熱變形不同，也不能保證四個面同時接觸，故不宜用在溫度變化大的場合。
(3）間隙調(diào)整
為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應(yīng)保持適當?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。導軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。
矩形導軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調(diào)整它的低面間隙，其方法有：a）刮研或配磨下壓板的結(jié)合面；b）用螺釘調(diào)整鑲條位置；c）改變墊片的片數(shù)或厚度；見圖21-13。
在水平方向上，常用平鑲條或斜鑲條調(diào)整它的側(cè)面間隙。見圖下。圓形導軌的間隙不能調(diào)整。
(4）夾緊裝置
有些導軌（如非水平放置的導軌）在移動之后要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖
（夾）緊裝置。常用的鎖緊方式有機械鎖緊和液壓鎖緊。見下圖。
(5）提高耐磨性措施
導軌的使用壽命取決于導軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法，以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長的時間內(nèi)保持一定的導向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。提高導軌耐磨性的措施有：
1)選擇合理的比壓 單位面積上的壓力成為比壓，即
p=P/S（公斤/厘米2）
———式中 P-作用在導軌上的力（公斤）
———S-導軌的支承面積（厘米2）
由上式可知，要減小導軌的比壓，應(yīng)減輕運動部件的重量和增大導軌支承面的面積。減小兩導軌面之間的中心距，可以減小外形尺寸和減輕運動部件的重量。但減小中心距受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，同時中心距太小，將導致運動不穩(wěn)定。
降低導軌比壓的另一辦法，是采用卸荷裝置，即在導軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作用力，以抵消導軌所承受的部分載荷。
2)選擇合適材料 目前常采用的導軌材料有以下幾種：
鑄鐵- 導軌與承導件或運動件鑄成一體，其材料常用灰口鑄鐵。它具有成本低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點。在潤滑和防護良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200較為合適。適當增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可提高導軌的耐磨性。若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用耐磨鑄鐵，如高磷鑄鐵，硬度為HB=180～220，耐磨性能比灰口鑄鐵高一倍左右。若加入一定量的銅和鈦，成為磷銅鈦鑄鐵，其耐磨性比灰口鑄鐵高兩倍左右。但高磷系鑄鐵的脆性和鑄造應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋，應(yīng)采用適當?shù)蔫T造工藝。
此外，還可使用低合金鑄鐵及稀土鑄鐵。
鋼-要求較高的或焊接機架上的導軌，常用淬火的合金鋼制造。淬硬的鋼導軌的耐磨性比普通灰鑄鐵高5～10倍。常用的有20Cr鋼滲碳淬火和40Cr高頻淬火。
鋼導軌鑲接的方法有：
螺釘連接，應(yīng)使螺釘不受剪切；為避免導軌上有孔（孔內(nèi)積存贓物而加速磨損），一般采用倒裝螺釘。結(jié)構(gòu)上不便于從下面伸入螺釘固定時，可采用如下圖所示的方法。螺釘固緊后，將六角頭磨平，使導軌上的螺釘孔和螺釘頭之間沒有間隙。
用環(huán)氧樹脂膠接，膠接面之間的間隙不超過0.25毫米。膠粘導軌具有一定的膠接剛度和強度，尚有一定的抗沖擊性能，工藝簡單，成本較低。
塑料-用聚四氟乙烯為基材，添加不同的填充劑作為導軌材料。它具有耐磨、抗振以及動、靜摩擦系數(shù)低（0.04），可消除低速爬行現(xiàn)象，在實際應(yīng)用中取得良好的效果。
3)熱處理 為提高鑄鐵導軌的耐磨性，常對導軌表面進行淬火處理。表面淬火方法有：火焰淬火、高頻淬火和電接觸淬火。
4)潤滑和防護 潤滑油能使導軌間形成一層極薄的油膜，阻止或減少導軌面直接接觸，減小摩擦和磨損，以延長導軌的使用壽命。同時，對低速運動，潤滑可以防止"爬行"；對高速運動，可減少摩擦熱，減少熱變形。
導軌潤滑的方式有澆杯、油杯、手動油泵和自動潤滑等。
導軌的防護裝置用來防止切削、灰塵等贓物落到導軌表面，以免使導軌擦傷、生銹和過早的磨損。為此，在運動導軌端部安裝刮板；采用各種式樣的防護罩，使導軌不外露等辦法。
(6) 結(jié)構(gòu)尺寸的驗算
1)校核溫度變化對導軌間隙的影響 導軌在溫度變化較大的環(huán)境中工作，應(yīng)在選定精度和配合后，作導軌間隙驗算。為了保證工作時不致卡住，導軌的最小間隙應(yīng)大于或等于零，即 Δmin≥0 。
導軌的最小間隙用下式計算：
Δmin=Dmin[1+αk(t-t0)]-dmax[1+αz(t-t0)] (mm)
———式中t-工作溫度（°C）
———t0-制造時溫度（°C）
———Dmin-包容件在t0時的最小尺寸