毕设参考资料：半自动钻床及其运动分析

1 绪论
1.1 课题选择的意义
液压传动与其他类型的传动相比较具有许多突出的优点，液压传动技术在工程中，特别是在高效率的自动化和半自动化机械中，应用十分广泛。

本文主要利用钻床液压系统设计来实现钻床的半自动化控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。

因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。

液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。

液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。

图1-1 液压传动能量传递过程
Fig.1-1 hydraulic transmission energy transfer process
从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。

所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。

我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递[2]。

图1-2 液压传动基本原理
Fig.1-2 hydraulic transmission basic principle
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液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。

随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。

1.2 液压系统在工程中的应用
液压传动相对于机械传动来说，是一门新技术。

自1795年制成第一台水压机起，液压技术就进入了工程领域，1906年开始应用于国防战备武器。

第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快和精度高的自动控制系统，因而出现了液压伺服系统。

20世纪60年代以后，由于原子能、空间技术、大型船舰及计算机技术的发展，不断地对液压技术提出新的要求，液压技术相应也得到了很大发展，渗透到国民经济的各个领域中。

在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空、和机床工业中，液压技术得到普遍应用。

近年来液压技术已广泛应用于智能机器人、海洋开发、宇宙航行、地震预测及各种电液伺服系统，使液压技术的应用提高到一个崭新的高度。

目前，液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成话等方向发展；同时，减小元件的重量和体积，提高元件寿命，研制新的传动介质以及液压传动系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化设计、微机控制等工作，也日益取得显著成果。

解放前，我国经济落后，液压工业完全是空白。

解放后，我国经济获得迅速发展，液压工业也和其它工业一样，发展很快。

20世纪50年代就开始生产各种通用液压元件。

当前，我国已生产出许多新型和自行设计的系列产品，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电液脉冲马达以及其它新型液压元件等。

但由于过去基础薄弱，所生产的液压元件，在品种与质量等方面和国外先进水平相比，还存在一定差距，我国液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业技术的发展，可以预见，液压技术也将获得进一步发展，它在各个工业部门中的用应，也将会越来越广泛。

现代机械一般多是机械、电气、液压三者紧密联系，结合的一个综合体。

液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传统形式，液压传动系统的设计在现代机械的设计工作中占有重要的地位。

1.3 液压传动系统的优缺点
液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。

其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。

液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。

齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮
合的齿轮的转动使得液体进行运动。

其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。

除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。

这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。

通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。

所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。

根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。

液压传动的应用性是很强的，比如装卸堆码机液压系统，它作为一种仓储机械，在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。

也可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。

这些系统的特点是功率比较大，生产的效率比较高，平稳性比较好。

1.3.1 优点
1) 传动平稳在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。

油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。

2) 质量轻体积小液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。

例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。

3) 承载能力大液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。

4) 容易实现无级调速在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且调速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。

5) 易于实现过载保护液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。

6) 液压元件能够自动润滑由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。

7) 容易实现复杂的动作采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件．
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8) 简化机构采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。

9) 便于实现自动化液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。

目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。

10) 便于实现“三化” 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化．也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本[3]。

1.3.2 缺点
1) 液压元件制造精度要求高由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。

2) 实现定比传动困难液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。

因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。

3) 油液受温度的影响由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。

4) 不适宜远距离输送动力由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。

5) 油液中混入空气易影响工作性能油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。

6) 油液容易污染油液污染后，会影响系统工作的可靠性。

7) 发生故障不易检查和排除。

2 液压系统的初步设计
液压系统是机械伺服装置中的经典结构。

即使在机电类元件获得长足进步的今天，液压系统仍以其高功率/重量比，响应快，低速特性好等特点而在不少系统当中扮演举足轻重的角色。

在现代电子和控制技术推动下涌现出了一些原理新颖，物美价廉的液压元器件，给这一传统的技术带来了新的生机。

液压传动系统是液压机械的一个组成部分，液压传动系统的设计要同主机的总体设计同时进行。

着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。

2.1 液压系统的设计步骤
1) 明确设计方案；
2) 确定液压执行元件的形式；
3) 进行工况分析，确定系统的主要参数；
4) 制定基本方案，拟定液压系统原理图；
5) 选择液压元件；
6) 液压系统的性能验算；
7) 绘制工作图，编制技术文件[4]。

2.2 设计要求
设计要求是进行每项工程设计的依据，在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。

目前，大部分的钻床机床的卡盘，钻头等都是由液压来控制的。

而他们的基本工作原理都是：通过液压系统回路，来实现控制卡盘的卡紧，松开及对不同的零件类型来实现正钻，反钻的控制。

而它们的工作循环大都为：
快进卡紧保压钻孔松开其中快进和卡紧并不是通过高低压的换向来控制，而是通过负载的增加来实现的，而保压过程是通过换向阀来实现的，而它是保证卡紧力在突然断电等事故发生时保护设备和人员安全的必要设备。

2.3 钻床对液压系统的要求
1) 卡盘卡紧，松开时动作要求平稳，在进行动做换向时不应有冲击；
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2) 当卡盘卡紧后，液压缸机构应具有足够的保压能力，以防止因系统内泻而造成工件的脱落或当数控机床在加工零件是因为卡紧力不够而使工件轴向不垂直，加工零件尺寸出现偏差。

3) 系统中要有减压装置，其作用为当卡盘接触工件时，系统压力忽然升高，为防止因压力过大而造成加上工件的事故发生，该系统在工作过程中因为恒压。

4) 钻头工作时应没有冲击，爬行等不良现象。

所以对系统的密封应有较高的标准。

5) 为保证安全生产，避免忽然断电以及电机损坏等突发事件的发生，系统中应有连锁保压装置。

3 液压系统方案设计
3.1 制定调速方案
液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。

方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。

对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。

对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。

相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。

节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。

此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用闪流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。

容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。

其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。

但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。

此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。

容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。

此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。

节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。

进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。

调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。

节流调速一般采用开式循环形式。

在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。

开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。

容积调速大多采用闭式循环形式。

闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。

其结构紧凑，但散热条件差[5]。

3.2 制定压力控制方案
液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。

在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。

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在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。

液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。

在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。

3.3 制定顺序动作方案
主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。

工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。

加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制接续的动作。

行程开关安装比较方便，而用行程阀需连接相应的油路，因此只适用于管路联接比较方便的场合。

另外还有时间控制、压力控制等。

例如液压泵无载启动，经过一段时间，当泵正常运转后，延时继电器发出电信号使卸荷阀关闭，建立起正常的工作压力。

压力控制多用在带有液压夹具的机床、挤压机压力机等场合。

当某一执行元件完成预定动作时，回路中的压力达到一定的数值，通过压力继电器发出电信号或打开顺序阀使压力油通过，来启动下一个动作。

3.4 选择液压动力源
液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。

节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。

容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。

为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。

对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。

对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。

油液的净化装置是液压源中不可缺少的。

一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。

为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。

根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施[6]。

3.5 绘制液压系统图
根据上述分析，可以基本拟订本次所设计的数控机床液压控制系统的原理图及电磁铁动作表：
表3-1 电磁铁动作
Tab.3-1 electro-magnet movement
YV1 YV2 YV3 YV4 缸进给+ -
缸返回- +
马达正转+ -
马达反转- +
图3-1 液压原理图
Fig.3-1 hydraulic schematic diagram
整机的液压系统图由拟定好的控制回路及液压源组合而成。

各回路相互组合时要去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。

注意各元件间的联锁关系，避免误动作发生。

要尽量减少能量损失环节。

提高系统的工作效率[7]。

为便于液压系统的维护和监测，在系统中的主要路段要装设必要的检测元件（如压力表、温度计等）。

大型设备的关键部位，要附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换，保证主要连续工作。

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各液压元件尽量采用国产标准件，在图中要按国家标准规定的液压元件职能符号的常态位置绘制。

对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制。

系统图中应注明各液压执行元件的名称和动作，注明各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有电磁铁、行程阀及其他控制元件的动作表。

4 液压执行元件的设计计算与选用
4.1 确定液压系统的主要参数
液压系统的主要参数就是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。

压力决定与外载荷。

流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

4.1.1 钻床机床控制液压系统的主要设计参数
系统工作压力：2.5-3Mpa 系统流量 16.7L/Min 马达工作压力 1.5Mpa 马达转数范围 100-2000r/min 液压油缸工作压力 1Mpa
4.1.2 初步估算系统工作压力
此钻床液压控制系统，压力最大时是在马达全速运转时，此时，油压是由泵提供的，其它工况时，载荷都没有此时大，所以系统的工作压力暂定为此时的工作压力1.5Mpa.
而液压系统的最大工作压力应按下式计算： = + （4-1）
式中
－系统最大工作压力
s P －液压缸或液压马达最大工作压力
∑∆P －从液压泵到液压马达或液压缸之间总的管路损失，可按经验数据选取：管路
简单，流速不大的取Mpa )5.02.0(P ∑-=∆。

也可选取高于0.5Mpa 的压力。

由本设计系统求得：该系统的最大工作压力取Mpa 35.15.1P p =+=。

4.1.3 系统工作流量的选择
由于在工况中已经给出系统的最大流量所以在这里就不对系统的最大流量进行计算。

用工况中给出的系统最大流量：
min /L 7.16Q p =。

4.2 管道尺寸的确定
V
q 4d v
π= （4-2） 式中 v q －系统流量
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V－系统流速
表4-1 流速推荐值
Tab.4-1 speed of flow recommendation value
管道推荐流速（m/s）
液压泵吸油管路0.5－1.5
液压系统压油管路3－6
液压系统回油管路 1.5－2.6
由上式及相关资料可求得下表：
表4-2 各油管内外径实取值
Tab.4-2 various drill tubing’s outer diameter solid value
管路名称流量流速内径实取外径
吸油管16.7L/min 1m/s 18.825mm 20mm 28mm
压油管16.7L/min 4m/s 9.41mm 10mm 14mm
回油管16.7L/min 2m/s 13.31mm 14mm 18mm
4.3 各种阀类的选择
根据本系统的设计技术要求，选择一个有电磁换向阀，叠加式双单向节流阀，叠加式压力计电器，叠加式减压阀组成液压回路。

实现卡盘的卡紧，松开和退回，钻头的正转反转等动作。

阀的规格根据系统的工作压力和工作年限来通过样本的选取决定[8]。

4.3.1 换向阀的选取
一般来说，流量在190L/min以上的适宜用二通插装阀；190L/min以下时可采用滑阀式换向阀。

70L/min以下时通常用电磁换向阀。

控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也可以有20％以内的短时间过流量。

根据以上要求，本系统选择的换向阀为电磁换向阀，具体的型号和尺寸由相关厂家的样本中查得。

其中电磁换向阀的产品型号为：4WE6E6X/EG24NZ5L/B10。

4.3.2 单向阀的选择
应选择开启压力小的单向阀，开启压力较大的单向阀可作为背压阀使用。

所以，本系统选择叠加式双单向节流阀，具体型号和尺寸可由相关厂家样本中查得。

其中叠加式双单向节流阀的型号为：Z2FS6-3-L4X/2Q。

4.3.3 减压阀的选择
减压阀根据不同的需要，可将液压系统区分成不同的压力油路，例如控制机构的控制油路或其他辅助油路，以使不同的执行机构产生不同的工作力；减压阀也可用作稳定油路工作压力的调节装置，使油路不受压力源压力变化及其他阀门工作时引起压力波动的影响。

根据以上要求，本系统选择的减压阀为叠加式P 口减压阀，具体型号和尺寸可由相关厂家样本中查得。

本系统中的叠加式减压阀型号为：ZDR6DP3-30/2.5YM 。

4.3.4 压力继电器的选择
压力继电器是利用液体压力信号来启动或关闭电器触点的液压电器转换元件。

它在油液压力达到其设定压力时，发出电信号，控制电器元件动作，实现泵的加载和卸荷。

其设定值通常是比系统正常工作压力高出约0.5Mpa ，所以本系统的压力继电器预先调定压力为3.5Mpa 。

根据以上要求，本系统选择的压力继电器为叠加式压力继电器，具体型号和尺寸可由相关厂家样本中查得[9]。

叠加式压力继电器的型号为：HED40H10/5Z14/2。

表4-3 系统中所用到的元件现总结 Table.4-3 system uses the part presently summarizes
序号 名称 数量 规格
1 减压阀
2 ZDR6DP3-30/2.5YM 2 压力继电器 1 HED4OH10/5Z14/2
3 双单向节流阀 2 Z2FS6-3-L4X/2Q
4 电磁换向阀 2 4WE6E6X/EG24NZ5L/B10
5 WU 型网式过滤器 1 WU-40⨯180
6 空气滤清器 1 QUQ1-20⨯0.4 7
液位计
1
YWZ-80T
4.4 液压泵的选择
1) 确定液压泵的最大工作压力p P ：
Mpa 5.35.03P P P 1p =+≥∆+≥∑ （4-3） 式中 p P －额定压力
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∑∆P －从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。

∑∆P 的准确计算
要待元件选定并会出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单，流速不大的，取Mpa )5.02.0(P -=∆∑
2) 确定液压泵的流量p Q ：
)Q (K Q max p ∑≥ （4-4） 式中 K －泄露系数 一般取1.1-1.3；
∑max
Q －系统最大流量 ∑max
Q
发生在马达全速运转时:
min /L 3.16min /r 1000r /ml 3.16Q
max
=⨯=∑ min /L 19)Q (K q max vp ==∑
3) 选择泵的规格
根据以上求得的p P 和p Q 值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或手册中选择相应的液压泵。

为使液压泵有一定的压力储备，所以选择的泵的额定压力一般要比最大工作压力大%60~%25。

泵取YBX-16限压式变量泵，排量调节为1r /ml 25~0-，额定压力6.3Mpa ，调节范围
Mpa 3.6~0.2，转速1min /r 1500~600-，驱动功率为2.6Kw 效率0070。

4.5 液压泵驱动电机的选择
液压泵在额定压力和额定流量下工作时，其驱动电机的功率一般可直接从产品样本或技术手册中查得，但其数值在实际中往往偏大。

因此，也可以根据具体工况用下述方法计算出来[10]。

整个系统中所需功率最大的工况是发生在马达最大转速的情况下。

p
vp
p q P P η= （4-5）
式中 p P －泵的最大工作压力
vp q －泵的流量
p η－泵的总效率。