第7章 数控机床的液压与气压系统

a)
b) 图7-6 常用液压马达结构 a) 齿轮式 b)叶片式
气压传动中使用最广泛的是叶片式和活塞式气压马达。表7-3是几种气压马 达的性能比较。
表7-3
类别 双齿轮 式 多齿轮 式 有连 杆式 径 向 活 塞 式 简图
常用气压马达类型及性能比较
扭矩 效率 耗气量/m3. min-1 >1.2 结构特点
第七章 数控机床的液压与气压系统
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 液压与气压传动概述 液压与气压传动的主要元件用简介 数控机床上液压系统的构成及其回路 液压与气压传动系统在机床上的应用 数控机床润滑系统 数控机床上液压与气压系统的维护
7．1 液压与气压传动概述
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 液压传动的工作原理 气压传动的工作原理 液压与气压传动系统的构成 液压与气压传动的特点
表7-2 空气压缩机的形式与性能
型式 单级往复式 额定压力/MPa 1.0 排气量/L.min-1 20～1000 驱动动力/kW 0.2～75
双级往复式
油冷螺杆式 无油单级往复式
1.5
0.7～0.85 0.7～0.85
50～10000
180～12000 20～8000
0.7～75
1.5～75 0.2～75
<3000
高
0.8
结构紧凑但很复杂
7.2.4 动力缸
动力缸与液压马达或气压马达的功能相同，也是作为执行元件将工作介质的压 力能转换成机械能，驱动工作部件。不同之处在于动力缸输出的运动形式多为直线 运动。动力缸的类型很多，按其作用方式有单作用式和双作用式；按其运动形式有 推力缸(直线运动)和摆动缸。此外，还有一些组合式和特殊结构的动力缸，安装方 式也有多种。下面介绍两种典型的动力缸结构。图7-7为典型的单杆活塞缸结构。缸 筒组件包括缸筒5、前端盖1、后端盖8等，由四根长拉杆螺栓联接，进出油口在前后 端盖上。活塞组件包括活塞3、活塞杆4及活塞与活塞杆的联接件等。密封装置：缸 筒与端盖、活塞与活塞杆之间为静密封，采用O形密封圈12、15；活塞与缸筒内壁、 导向套与活塞杆之间为动密封，采用密封圈2、7及装在导向套 上的刮油防尘圈9。 缓冲装置：活塞杆前端、缓冲套16分别与前后端盖上的单向阀14和节流阀13构成前 后缓冲器。
7.1.4 液压与气压传动的特点
液压及气压传动均属于流体传动，因此机构输出力 大，机械结构更紧凑、传递运动平稳，反应速度快， 冲击小，能高速起动、制动和换向，易于实现过载保 护。而且其控制元件的标准化、系列化和通用化程度 较高。但要配置液压泵和油箱，如传动介质易泄漏、 不适于遥控、系统安装困难、故障不易诊断等。气动 装置的气源容易获得，机床可以不必再单独配置动力 源，装置结构简单，工作速度快和动作频率高，适合 于完成频繁起动的辅助工作。过载时比较安全，不易 发生过载损坏机件等事故。
3．控制与调节装置 控制与调节装置是指用于控制、调节系统中工作介质 的压力、流量和流动方向，从而控制执行元件的作用 力\运动速度和运动方向的装置，同时也可以用来卸载、 实现过载保护等。按照功能的不同分为压力阀、流量 阀、方向阀、行程阀和逻辑元件等。 4．辅助装置 辅助装置是指对工作介质起到容纳、净化、润滑、消 声和实现元件之间连接等作用的装 置，如油箱、管件、 过滤器、分水滤气器、冷却器、油雾器、消声器等。 它们对保证系统稳定、可靠地工作是不可缺少的。 5．传动介质 传动介质是用来传递动力和运动的工作介质，即液压 油或压缩空气，是能量的载体。
7.2.2 空气压缩机
空气压缩机是气压传动系统的动力源，也是系统心脏部分，是把电动 机输出的机械能转换成传动介质压力能的能量转换装置。 气压传动系统中最常用的空气压缩机为往复活塞式压缩机，其工作原理 如图7-4所示。当活塞5向右运动时，气缸4内容积增大、气压下降，当气压 低于大气压力时，外界空气在大气压力作用下推开吸气阀3而进入气缸中， 称为吸气过程；当活塞向左运动时，缸内气体受压，气压升高，吸气阀关闭， 当缸内气压高于输气管路内的压力时，排气阀2被打开，压缩空气排人输气 管路内，称为排气过程。曲柄10旋转一周，活塞5往复运动一次，即完成 “吸气——压缩——排气”一个工作循环。活塞5的往复运动是由电动机带 动曲柄10转动，通过连杆9、滑块7、活塞杆6转化成直线往复运动而产生的。
图7-3是单作用式叶片泵的工作原理图。这种泵主要由定子1、转 子6和叶片5等组成。定子1与转子6不同心，偏心距为e，叶片5可以在 槽内作径向滑动。当电动机带动转子6旋转时，叶片在离心力作用下 紧贴在定子内表面上。因此，当转子6按图示方向转动时，位于下半 部分的各密封容积不断增大，形成局部真空，通过吸油口将油箱内的 油吸人，而位于上半部分的叶片在定子内表面的作用下，被迫内向缩 进，密封容积不断减小，于是油液 便从压油腔压出。 转子旋转一周，每一叶片在转 子槽内往复滑动一次，密封腔发 生一次增大和缩小的变化，吸油 压油各一次，故称单作用式叶片 泵。因这种泵的转子受有单向的 径向不平衡力，故又称非平衡式 叶片泵。如改变定子和转子之间 a）叶片泵 b）符号 的偏心距，便可改变泵的排量而 图7-3 叶片泵工作原理 成为变量泵。 1-定子 2-压油腔 3-吸油腔 4-轴 5-叶片 6转子 7-泵体
7.1.1 液压传动的工作原理
图7-1是液压千斤顶的工作原 G 理图。需要千斤顶工作时，向上 提起杠杆1则活塞2被提起，液压 7 缸3下腔中压力减小，单向阀5关 1 闭，单向阀4导通，油箱里的油液 被吸人到液压缸3中，这是吸油过 6 2 程；随后，压下杠杆1，活塞2下 11 3 移，液压缸3下腔中压力增大，迫 使单向阀4关闭，单向阀5导通， 5 4 9 高压油液经油管11流人液压缸6的 下腔中，推动活塞7向上移动，这 10 是压油过程。如此反复操作便可 将重物8提升到需要的高度。在此 过程中，控制阀9处于截止状态。 图7-1 液压传动的工作原理 打开控制阀9，则活塞6下腔中的 油 液 在 重 物 作 用 下 排 回 油 箱 1-杠杆 2、7-活塞 3、6-液压缸4、5-单向阀
无油双级螺杆式
离心式
0.9
0.7
2000～300000
>10000
20～0
>500
7.2.3 液压马达和气压马达
液压马达和气压马达是将工作介质的压力能转换为机械能，输出 转速和转矩的装置。液压马达的种类很多，常用的有齿轮式、叶片式 等，其结构如图7-6所示。如果不用原动机，而将液压油输入齿轮泵， 则压力油作用在齿轮上的扭矩将使齿轮旋转，并可在齿轮轴上输出一 定的转矩，这时齿轮泵就成为齿轮马达了。当压力油输入到齿轮马达 的左侧油口时，马达反向旋转。
7.1.3 液压与气压传动系统的构成
液压与气压传动系统一般由以下五个部分组成。 1．动力装置 动力装置是指将原动机的机械能转换成传动介质 压力能的装置。它是系统的动力源，用以提供一定流 量或一定压力的液体或压缩空气。常见的动力装置有 液压泵、空气压缩机等。 2．执行装置 执行装置用于连接工作部件，将工作介质的压力 能转换为工作部件的机械能，常见的有作直线运动的 动力缸(包括液压缸和气缸)和作回转运动的液压马达、 气马达。
表7-1 液压与气压传动和其他传动的性能比较
类型 液压 传动 气压 传动 电气 传动 电子 传动 机械 传动 操 作 力 最 大 中 等 中 等 最 小 较 大 动作 快慢 较慢 较快 快 最快 一般 环境 要求 不怕 振动 适应 性好 要求 高 要求 特高 一般 构 造 复 杂 简 单 稍 复 杂 最 复 杂 一 负载 影响 有一 些 较大 几乎 没有 没有 没有 操作 距离 短距 离 中距 离 远距 离 远距 离 短距 离 无级 调速 良好 较好 良好 良好 较困 难 寿 命 一 般 长 较 短 短 一 般 维护 要求 高 一般 较高 更高 简单 价 格 稍 贵 便 宜 稍 贵 最 贵 一 般
般
7.2 液压与气压传动的主要元件应用简介
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 液压泵的工作原理及其选用 空气压缩机 液压马达和气压马达 动力缸 控制元件 辅助元件
7.2.1 液压泵的工作原理及其选用
液压泵是系统的动力元件，是液压系统的重要组成部分。常见的类型有 齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等。下面就齿轮泵和叶片泵的工作原理作简要介绍。 图7-2是齿轮泵工作原理图。从图 中可以看出，齿轮泵是由一对大小一 样，齿数机同的相互啮合的齿轮与泵 体组成。其啮合处将油腔分成左、右 互不相通的两部分，即吸油腔和压油 腔。当齿轮按图示方向转动时，泵左 侧吸油腔中啮合的轮齿相继脱开，轮 齿退出齿间，使密封容积逐渐增大而 形成局部真空，油箱中油液在大气压 力作用下经吸油口进入吸油腔，并被 传动的齿轮带入右侧压油腔。而压油 腔内的轮齿则相继进入啮合，使密封 容积减小，齿间中的油液被挤出，通 过压油口排出。齿轮不断地转动，吸 油腔就不断地吸油，而压油腔则不断 a）齿轮泵 b）符号 地排油。排出的油液经过管路输送到 图7-2 齿轮泵的工作原理 执行装置。
2．气压传动的优点
1) 工作介质是空气，因此处理方便，不存 在介质变质及补充问题，对环境无污染。 2) 空气粘度小，在管路中的能量损失小，适 于远程传输及控制。 3) 所需工作压力低，元件的材料和制造精 度要求低，成本低。 4) 工作适应性强，能在各种恶劣环境下正 常工作。 5) 结构简单、轻便，使用安全。 表7-1列出了液压与气压传动和其他传动的性能 比较，由此可看出其传动的具体性能
8
7.1.2 气压传动的工作原理
如果将图7-1所示系统中的油 8 液换成空气，去掉油箱及与之相 G 连的油管，将液压缸改为气缸， 7 那么该系统便可视为一个气压传 1 动系统。生活中常用的打气筒， 就与活塞缸3的工作原理完全相同。 6 2 通过以上的分析不难看出 ， 11 3 液压与气压传动是以密封容积中 5 4 的受压工作介质来传递动力和运 9 动的。它先将机械能转换成工作 10 介质的压力能，通过由各种元件 组成的控制回路实现能量的控制 与调节，最终将传动介质的压力 图7-1 液压传动的工作原理 能还原为机械能，使执行机构实 1-杠杆 2、7-活塞 3、6-液压缸 现预定的动作，按照程序完成相 4、5-单向阀 应的动力与运动输出。
转速范围/r.min-1
1000～10000
较小 较双齿轮马 达大
低
齿轮式 马达
1000～10000
低
>1.2
结构简单，噪声大，振 动大，人字齿轮式马达 换向困难
活塞 式马 达
无连 杆式
100～1300（最大 至6000）
大
较高
0.7～1.7
结构复杂
滑杆 式 轴向活塞 式 单向回转 的叶片马 达 叶片 式马 达 双向回转 的叶片马 达 双作用双 向叶片马 达 500～50000 小 较低 1.0～1.7 结构简单，维修容易 较径向活活 式马达大
1．液压传动的优点 2．气压传动的优点
1．液压传动的优点
1) 在同等功率的情况下，液压装置的体积小、重 量轻、结构紧凑。液压马达的重量约为同功率电动机 的1／6左右。 2) 液压装置工作平稳、惯性小、反应快，易于实 现快速起动、制动，具有较高的换向频率。 3) 液压传动能在运行过程中进行无级调速，且调 速的范围相当宽，可达1：2000。 4) 液压元件能自行润滑，使用寿命长。 5) 因为液压元件已实现标准化、系列化和通用化， 所以液压传动系统的设计、制造和 使用变得较为容易。 6) 液压装置与机械装置相比更易实现直线运动。
P
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
图7-4 活塞式空气压缩机工作原理 1-弹簧 2-排气阀 3-吸气阀 4-气缸 5-活塞 6-活塞杆 7-十字头滑块 8-滑道 9-连杆 10-曲柄
空气压缩机按输出 压力大小可分为：低压 空压机(0.2～1MPa)、中 压 空 压 机 (1.0 ～ 10MPa) 、 高压空压机(10～100MPa) 和 超 高 压 空 压 机 (>100MPa)；按输出流量 (排量)可分为：微型 (<lm3 ／ min) 、 小 型 (1 ～ l0m3 ／ min) 、中型(10 ～ l00m3 ／ min) 和 大 型 (>l00m3 ／ min) 空 气 压 缩 机。图7-5为空气压缩机 图7-5 空气杖缩机的类型 的几种见类型，表7-2是 空气压缩机的型式与性 a) 活塞式 b) 转子式 c) 离心式 d) 轴流式 能比较。