专用铣床液压系统的设计毕业设计论文

摘要绪论1.1铣床铣床（millingmachine）是指主要用铣刀在工件上加工各种表面的机床。通常铣刀旋转运动为主运动，工件和铣刀的移动为进给运动。它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。铣床主要分类1.按布局形式和适用范围加以区分(1)升降台铣床：有万能式、卧式和立式等，主要用于加工中小型零件，应用最广。(2)龙门铣床：包括龙门铣镗床、龙门铣刨床和双柱铣床，均用于加工大型零件。(3)单柱铣床和单臂铣床：前者的水平铣头可沿立柱导轨移动，工作台作纵向进给；后者的立铣头可沿悬臂导轨水平移动，悬臂也可沿立柱导轨调整高度。两者均用于加工大型零件。(4)工作台不升降铣床：有矩形工作台式和圆工作台式两种，是介于升降台铣床和龙门铣床之间的一种中等规格的铣床。其垂直方向的运动由铣头在立柱上升降来完成。(5)仪表铣床：一种小型的升降台铣床，用于加工仪器仪表和其他小型零件。(6)工具铣床：用于模具和工具制造，配有立铣头、万能角度工作台和插头等多种附件，还可进行钻削、镗削和插削等加工。(7)其他铣床：如键槽铣床、凸轮铣床、曲轴铣床、轧辊轴颈铣床和方钢锭铣床等，是为加工相应的工件而制造的专用铣床。按控制方式，铣床又分为仿形铣床（见仿形铣床）、程序控制铣床和数字控制铣床（见数字控制机床）2.按结构分铣床(1)台式铣床：小型的用于铣削仪器、仪表等小型零件的铣床。(2)悬臂式铣床：铣头装在悬臂上的铣床，床身水平布置，悬臂通常可沿床身一侧立柱导轨作垂直移动，铣头沿悬臂导轨移动。(3)滑枕式铣床：主轴装在滑枕上的铣床，床身水平布置，滑枕可沿滑鞍导轨作横向移动，滑鞍可沿立柱导轨作垂直移动。(4)龙门式铣床：床身水平布置，其两侧的立柱和连接梁构成门架的铣床。铣头装在横梁和立柱上，可沿其导轨移动。通常横梁可沿立柱导轨垂向移动，工作台可沿床身导轨纵向移动，用于大件加工。(5)平面铣床：用于铣削平面和成型面的铣床，床身水平布置，通常工作台沿床身导轨纵向移动，主轴可轴向移动。它结构简单，生产效率高。(6)仿形铣床：对工件进行仿形加工的铣床。一般用于加工复杂形状工件。(7)升降台铣床：具有可沿床身导轨垂直移动的升降台的铣床，通常安装在升降台上的工作台和滑鞍可分别作纵向、横向移动。8)摇臂铣床：摇臂装在床身顶部，铣头装在摇臂一端，摇臂可在水平面内回转和移动，铣头能在摇臂的端面上回转一定角度的铣床。(9)床身式铣床：工作台不能升降，可沿床身导轨作纵向移动，铣头或立柱可作垂直移动的铣床。(10)专用铣床：例如工具铣床：用于铣削工具模具的铣床，加工精度高，加工形状复杂。3.按控制方式分铣床又可分为仿形铣床、程序控制铣床和数控铣床等。1.2专用铣床的工作原理及发展状况1.2.1工作原理随着科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化。传统的普通加工设备已很难适应市场竞争的高质量、高效率的要求，以数控技术为核心的现代制造技术是机械制造行业现代化的重要的标志。微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度以及适合加工复杂零件的性能，能够很好的满足当今市场竞争与工艺发展的需要。本文针对目前机械制造业生产现场中的数控机床应用现状，提出了专门化数控机床，专用化数控机床的观点，并论述了在大批量生产条件下，专用机床向数控方向发展的趋势和可能性。1.2.2国内外发展状况铣床最早是由美国人E.惠特尼于1818年创制的卧式铣床。为了铣削麻花钻头的螺旋槽，美国人J.R.布朗于1862年创制了第一台万能铣床，是为升降台铣床的雏形。1884年前后出现了龙门铣床。20世纪20年代出现了半自动铣床，工作台利用挡块可完成“进给-快速”或“快速-进给”的自动转换。1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是70年代以后，微处理机的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。随着机械化进程不断加剧，数控编程开始广泛应用与于机床类操作，极大的释放了劳动力。数控编程铣床将逐步取代现在的人工操作。对员工要求也会越来越高，当然带来的效率也会越当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。1.3液压传动1.3.1液压传动概述液压传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油,又进一步得到改善。第一次世界大战(1914--1918)后液压传动广泛应用,特别是1920年以后,发展更为迅速。液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间,才开始进入正规的工业生产阶段。1925年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20世纪初康斯坦丁·尼斯克(G·Constantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工。业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等国；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。目前,它们分别在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小型化与轻量化一体化和执行件柔性化等方面取得了很大的进展。同时,由于与微电子技术密切配合,能在尽可能小的空间内传递尽可能大的功率并加以准确的控制,从而更使得它们在各行各业中发挥出了巨大作用。应该特别提及的是,近年来世界科学技术不断迅速发展,各部门对液压传动提出了更高的要求。液压传动与电子技术配合在一起,广泛应用于智能机器人海洋开发、宇宙航行、地震予测及各种电液伺服系统,使液压传动的应用提高到一个崭新的高度。目前，液压传动发展的动向,概括有以下几点:（1）节约能源,发展低能耗元件,提高元件效率;（2）发展新型液压介质和相应元件,如发展高水基液压介质和元件,新型石油基液压介质；（3）注意环境保护,降低液压元件噪声;（4）重视液压油的污染控制;（5）进一步发展电气－液压控制，提高控制性能和操作性能;（6）重视发展密封技术，防止漏油;（7）其它方面，如元件微型化、复合化和系统集成化的趋势仍在继续发展，对液压系统元件的可靠性设计、逻辑设计，与电子技术高度结合，对故障的早期诊断、预测以及防止失效的早期警报等都越来越准确。1.3.2液压传动的主要优点与缺点与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：(1)液压传动的各种元件、可根据需要方便、灵活地来布置；(2)重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；(3)操纵控制方便，可实现大范围的无级调速(调速范围达2000：1)；(4)可自动实现过载保护；(5)一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；(6)很容易实现直线运动；(7)容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。液压传动的缺点有以下几点:(1)液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。(2)液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。(3)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。(4)液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。(5)液压系统发生故障不易检查和排除。总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的发展前景。1.3.3液压技术的发展方向(1)正向着高压、高速、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展；(2)与计算机科学相结合，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、计算机实时控制技术、机电一体化技术、计算机仿真技术和优化技术；(3)与其他相关科学结合，如污染控制技术、可靠性技术等方面也是当前液压技术发展和研究的方向；(4)开辟新的应用领域。液压系统（HYDRAULICSYSTEM）液压传动(Hydraulictransmission)、执行元件（ACTUATOR）、液压缸（CYLINDER）、液压马达（MOTOR）、液压回路（CIRCUIT）、液压泵（PUMP）、阀（VALVE）、液压控制(Hydrauliccontrol)、流量控制阀（FLOWVALVE）、泄漏损失(Spillage)、压力损失(Pressureloss)、液压伺服系统(Hydraulicservo)。1.4设计内容依据机械设计、机械原理、液压传动、机床电气控制及可编程序控制器（PLC）、电子技术、自动控制，以任务书的要求为根本目标。本文的研究工作主要包括：①液压系统的设计及相关传动元件的计算与选型；②液压站的结构形式设计；③油管路的设计；④液压缸的设计；⑤PLC控制系统的总体设计；其论文各章节内容如下：1．绪论主要介绍本文设计的目的和意义，提出课题的研究内容和研究意义。2．液压系统原理的设计主要是通过初步拟定液压系统原理图设计合理的系统原理。3．液缸的设计主要是通过分析液压系统的工况，确定液系统工作过程中的液体流量和压力，设计出合理的液压缸。4．液压系统中个控制元件的的选择主要是通过上章的计算选出合理的液压控制元件，及液压泵。5．液压站的设计主要是通过比较选择设计出合适的液压站总装图。6．PLC控制系统的设计主要是确定数控铣床自动循环的动作流程以及PLC的选型和程序的编程。1.5本章小结本章主要阐述了数控机床的组成及发展概况及数控铣床的分类及工作原理，液压传动的概念、特点及发展方向，提出了本文设计的内容和目标。

2专用铣床的液压系统设计2.1液压传动系统的设计1.液压传动系统的设计内容与步骤液压传动系统的设计是整个设计的一部分，它的任务是根据机器的用途、特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，在经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格并进行系统的结构设计，它与主机的设计是密切相关的。液压机床驱动具有众多优点，其中一个是液压驱动在广泛的范围内提供无限变化的速度。另外，它能像改变速度一样容易来改变驱动的方向，像许多其它类型的机床一样，许多复杂的机械装置能够被简单化或者由于液压驱动的使用完全被取消，而且，液压驱动具有柔性和缓冲性，除了运动平稳外，通常可见工件的表面光洁度也得到大大的改善，刀具进刀量可以加大而不致损伤，并且可以持续更长时间。在设计过程中将通过全面方案论证，确定一部机器或机器的某一部分的传动方式采用液压传动后，则考虑液压传动系统设计的基本内容和一般流程。其流程如下：(1)明确对液压系统的要求(2)分析主机工况，确定液压系统的主要参数；(3)进行方案设计，初拟液压系统原理图；(4)计算和选择液压元件；(5)验算液压系统的性能；(6)绘制正式系统工作图，编制技术文件。在实际设计工作中，上述内容和步骤并不是固定不变的往往会随系统的简繁、借鉴的多寡、设计人员经验不同，在做法上会有穿插、交叉、反复或省略。(7)明确对液压系统的设计要求液压系统的设计必须能全面的满足主机的各项功能和技术性能。因此在拿到设计任务书后首先要了解主机设计人员对液压部分提出的要求。通过调研，一般应明确以下要求点：=1\*GB3①主机的用途、类型、工艺过程及总体布局，要求用液压传动完成的动作和空间位置的限制；=2\*GB3②对液压系统动作和性能的要求，如工作循环，运动方式（往复直线运动或旋转运动、同步、顺序或互锁等要求），自动化程度，调速范围，运动平稳性和精度负载状况，工作行程等；=3\*GB3③工作环境：如温度、湿度、污染、腐蚀及易燃等情况；=4\*GB3④其他要求：如可靠性，经济性等。2.2铣床工作台动作的工况分析首先根据已知条件，绘制运动部件的速度循环图，如图2-1所示。图2-1速度循环图液压缸所受外负载F包括三种类型，即—工作负载，对于金属切削机床来说，即为沿活塞运动方向的切削力，在本例中为9000Ｎ；—运动部件速度变化时的惯性负载；—导轨静摩擦负载；

—导轨动摩察负载：—惯性负载：—导轨摩擦系数，在本例中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1.则求得,—重力加速度；—加速或减速时间，其中=0.05S；—时间内的速度变化量。工作负载根据上述计算结果，列出各阶段所受的外负载表见表2-1，并画负载循环图，如图2-2所示。表2-1各阶段所受外负载工况外负载N推力(F∕η)N快进启动11001222加速13751528恒速550611工进955010611快退启动11001222加速13711528恒速550611图2-2负载循环图2.3确定液压缸的主要参数 工作压力P的确定。工作压力P可根据负载大小及机器的类型来初步确定，液压缸工作压力见表2-2。表2-2液压缸工作压力负载（KN）＜55～1010～2020～3030～5050～设计压力／MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～5＞5由表得工作压力为：3MPa 节流调速系统背压为：0.5MPa取，对于液压缸:（2-1）由式2-1得则，（2-2）由式2-2得 圆整得：＝80mm＝56mm则液压缸的有效面积：则,2.4液压缸工况图编制1.压力(1)快进阶段的液压缸压力；启动时：加速时： 恒速时： (2)工进阶段的液压缸压力：(3)快退阶段液压缸的压力： 启动时：加速时：恒速时：2.流量(1)快进阶段的流量：(2)工进阶段的流量：(3)快退阶段的流量：表2-3液压缸工况工况系统负载回油腔压力工作腔压力输入流量输入功率快进6111.240.4911.24142.37工进106112.372.374.82190.4快退6110.481.5811.53234.43.功率（1）快进阶段的功率:(2)工进阶段的功率：（3）快退阶段的功率：根据上述计算结果得液压缸压力流量,见表2-3：2.5确定液压缸的基本参数由计算得，单杆液压缸的基本尺寸为：＝80mm＝56mm单杆液压缸工况图如图2-3所示：（a）p-t图（b)q-t图(c)P-t图

图2-3液压缸工况图2.6拟定液压系统原理图（1）确定供油方式考虑到该机床在工作进给时负载较大，速度较低。而在快进、快退时负载较小，速度较高。从节省能量、减少发热考虑，泵源系统宜选用变量泵供油。现采用带压力反馈的限压式变量叶片泵。（2）调速方式的选择在中小型专用机床的液压系统中，进给速度的控制一般采用节流阀或调速阀。根据数控铣床工作时对低速性能和速度负载特性都有一定要求的特点，决定采用限压式变量泵和调速阀组成的容积节流调速。这种调速回路具有效率高、发热小和速度刚性好的特点，并且调速阀装在回油路上，具有承担负切削力的能力。（3）速度换接方式的选择本系统采用电磁阀的快慢速换接回路，它的特点是结构简单、调节行程比较方便，阀的安装比较容易，但速度换接的平稳性较差。若要提高系统的换接平稳性，则可改用行程阀切换的速度换接回路。最后把所选择的液压回路组合起来，液压系统原图如图2-4所示。图2-4液压系统原理图2.7本章小结本章主要进行了对所给题目的分析，设计出了液压系统所能完成动作的原理图，同时也介绍了液压和传动有关内容。

3计算与选择液压元件3.1液压泵的选择由上述计算得，液压泵的最高工作压力出现在工进阶段，即由于进油路元件较少，故油路压力损失取，则液压泵的最高工作压力为：液压泵的流量计算：泵的供油量Q按快退阶段取泄露系数为1.3;确定液压泵的规格：初选液压泵的转速为容积效率为ηv=0.8;则泵的排量参考值为：（3-1）由式3-1得据以上计算结果，查阅产品样本，选用规格相近的单机叶片油泵YB-25泵的额定压力为额定流量转速驱动功率;倒推算泵的额定流量则能买足要求。确定驱动电机规格：有上述计算的，动力所需最大功率出现在快退时,P=234.4W已知泵的总效率η=0.80;则液压泵快退所需的驱动功率为（3-2）由式3-2得有以上计算查表选用Y系列电机Y90L-6额定功率转速为;用此电机驱动泵泵的实际输出流量为则，仍能满足个系统各工况对流量的需要。以上得铣床液压系统各控制阀和辅助元件的型号规格见表3-1。3.2确定管道尺寸油管内径尺寸一般可参照流量选用的液压元件接口尺寸而定，也可按管路允许流速进行计算。本系统主油路最大流量为,压油管的允许流速取v=4,则内径d为：若系统主油路流量按快退时取,则可算的油管内径为:。综合诸因素，现取油管的内径d为12mm。吸油管同样可按上式计算（q=24、v=1.5）,取吸油管内径为25mm。表3-1液压系统各控制元件器件名称流量额定流量额定压力MP型号变量叶片泵19.2252.5YB--25溢流阀19.2256.3Y--25过滤器19.2322.5XU—B32X100交流异步电动机Y90L--6三位四通电磁换向阀11.53256.334D--25二位二通电磁换向阀11.24256.322D--25调速阀4.82256.3QI--25压力及电器6.3DP--633.3液压油箱容积的确定由本系统为中压液压系统，液压油箱有效容量按泵的流量的5-7倍来确定现选用容量为200L的油箱。3.4液压系统的验算液压传动系统的设计计算工作到这一步，还需要对所设计系统的技术性能进行验算，判断设计质量，以便调整设计参数及方案。一般技术性能验算包括：系统压力损失计算；系统效率计算；系统发热温升的计算等。若对系统有其他要求时，尚需作相应的估算。已知该液压系统中进、回油管的内径均为12mm，各段管道的长度分别为：AB=0.3m,AC=1.3m,AD=1.7m,DE=2m,选用L-HL32液压油，考虑到油的最低温度为15℃，查的液压油的运动粘度,油的密度3.4.1压力损失的验算1.工作进给时油路压力损失运动部件工作进给时的最大速度为0.016m/s,进给时的最大流量为4.82L/min,则液压油在管内流速为：管道流动雷诺数为：10.6小于2300,可见油液在管道内流态为层流，其沿程阻力系数为7进油管道BC的沿程压力损失Δ为：Δ查的换向阀压力损失为：Δ=0.05Pa忽略油液通过管接头、油路板等处的局部压力损失，则进油路总压力损失Δ为:Δ=0.14Pa2.工作进给时的压力损失由于选用单活塞杆液压缸，且液压缸有杆腔的工作面积为无杆腔的工作面积的二分之一，则回油管道的流量为进油管道的二分之一则,V2=6.1㎝/s回油管道的沿程压力损失Δ为：Δ=0.06Pa查换向阀3的压力损失为:Δ=0.019Pa调速阀2的压力损失为:Δ=0.42Pa回油路压力损失Δ为:Δ=0.439Pa3.变量泵出口处的压力P为：4.快进时的压力损失P为：查产品样本知，流经各阀的局部压力损失为：三位四通阀的压力损失为：Δ=0.17Pa二位二通阀的压力损失为：Δ=0.17Pa据分析在，泵的出口压力P为：快退时压力损失验算从略。上述验算表明，无需修改原设计。3.4.2系统效率的计算液压系统工作时，液压泵和执行元件都有泄漏和机械摩擦损失，必然消耗一定的功率，即反应了一定的效率。液压系统的效率是系统的输出效率与其输入效率之比，即（3-3）它也可以写成（3-4）式中，—液压泵的总效率，油产品样本查出；—执行元件的总效率，由产品样本查出，对于液压缸一般取0.95；—回路效率，它反映了泵出口到执行元件进口这段油路的功率利用程度。（3-5）式中，—同时工作的执行元件工作压力与输入流量乘积之和；—同时运转的液压泵的输出功率之和。一个工作循环中，工作进给所占的时间达95%以上，因此完全可以用工进时的系统效率来代表整个工作循环的系统效率:（3-6）取单叶片泵的总效率=0.85,液压缸的总效率=0.95。由式（3-5）的回油路效率为：由式（3-6）得液压系统的效率为：=0.08系统的效率较低，但在中功率系统中是允许的。3.4.3系统温升的验算在整个工作循环中，工进阶段所占的时间最长，为了简化计算，主要考虑工进时的发热量。一般情况下，工进速度大时发热量较大，由于限压式变量泵在流量不同时，效率相差极大，所以分别计算最大，最小时的发热量，然后加以比较，取数值大者进行分析。当V=3㎝/min时，q=0.236L/min此时泵的效率为0.1，泵的出口压力为4.0MPa,则有：此时的功率损失为:Δp=（0.157-0.013）kw=0.144kW当v=12㎝/min时，q=0.9L/min总效率η=0.78则输入,P=0.09kW输出,Δp=（0.09-0.053）kW=0.037kW可见在工进速度低时，功率损失为0.144kW,发热量最大。假定系统的散热状态一般，取k=10kW/℃油箱的散热面积A为:A=1.92系统的温升为:Δt=6验算表明系统的温升在温升许可范围内。3.5本章小结本章主要进行对液压系统中各工况分析,选出了液压元件及液压泵，并且对系统进行了验算确定系统所选元件的合理性。4液压站的设计液压站是现代液压技术中应用最为广泛的结构形态,既是各类液压系统设计过程的归宿,又是保证主机完成其工艺目的和长期可靠工作的重要装置。正确合理地设计和使用液压站，对于提高液压系统乃至整个液压设备的工作品质和技术经济性能，具有重要意义。其基本设计框图如图4-1所示。液液压站油箱油管电动机过滤器液压泵联轴器图4-1液压站设计框图4.1液压站的结构设计液压站结构设计时应该注意的是，液压装置中各部件、元件布置要均匀、便于装配、调整、维修和使用，并且要适当的注意外观的整齐和美观。液压泵与电动机可装在液压油箱的盖上，也可装在液压油箱之外，主要考虑液压油箱的大小与刚度。在阀类元件的布置中，行程阀的安放位置必须靠近运动部件。手动换向阀的位置必须靠近操作部位。换向阀之间应留有一定的轴向距离，以便进行手动调整或装拆电磁铁，压力表及其开关应布置在便于观察和调整的地方。液压泵与机床相联的管道一般都先集中接到机床的中间接头上，然后再分别通向不同部件的各执行机构中去，这样做有利于搬运、装拆和维修。硬管应贴地或沿着机床外形壁面敷设。相互平行的管道应保持一定的间隔，并用管夹固定。随工作部件运动的管道可采用软管、伸缩管或弹性管。软管安装时应避免发生扭转，以免影响使用寿命。4.1.1液压泵组的安装方式液压泵组是指液压泵及驱动泵（电动机）和联轴器及传动底座组件等。1轴间的连接方式其在确定液压泵与原动机的轴间连接和安装方式时，首先要考虑液压泵轴的径向和轴向负载的消除或防止问题。（1）直接驱动型连接直接驱动型连接可采用联轴器或花键实现。由于液压泵的传动轴在结构上一般不能承受额外的径向和轴向载荷，因此液压泵最好由原动机经联轴器直接驱动，并且使泵轴与驱动轴之间严格对中，轴线的同轴度误差不大于0.08mm。原动机与液压泵之间的联轴器宜采用带非金属弹性元件的挠性联轴器。（2）间接驱动型连接如果液压泵不能经联轴器由原动机直接驱动，而需要通过齿轮传动、链传动或带传动间接驱动时，液压泵的传动轴所受的径向载荷不得超过泵制造厂的规定值，否则带动泵轴的齿轮、链轮或带轮应架在另外设置的轴承上。此种连接方式也应满足规定的同轴度要求。基于此，在本次设计中原动机与液压泵之间的联轴器我们选用LX7弹性柱销联轴器。2.轴间的安装方式安装方式分为卧式和立式两种。（1）卧式安装常见的卧式安装有角形支架卧式安装、脚架钟形罩卧式安装以及支架钟形罩卧式，这几种安装液压泵及管道都安装在液压油箱外面，散热条件好，适合于管路连接的油路，且便于安装和拆卸。（2）立式安装立式安装为钟罩形立式安装，通过液压泵上的轴端法兰实现泵与钟形罩的连接，钟形罩再与带法兰的立式电动机连接，依靠钟形罩的止口保证液压泵与电动机的同轴度。这种结构型式紧凑、美观，同时电动机与液压泵的同轴度能保证，吸油条件好，漏油可直接回液压油箱，并节省占地面积。综上所述，为了保证电动机与液压泵的同轴度，便于安装和拆卸，节省占地面积，本设计中选用卧式支架安装。4.1.2油箱的设计液压油箱的作用是贮存液压油，分离液压油中的杂质和空气，同时还起到散热的作用。1.液压油箱有效容积的确定液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。液压油箱的有效容量v可概略的确定为：已知该系统为中压系统（p=3MPa）取：V=(5～7)=150L～取V=200L式中，V—液压油箱的有效容积—液压泵的额定流量2.液压油箱的外形尺寸液压油箱的有效容积确定后，需设计液压油箱的外形尺寸，一般尺寸为（长：宽：高）1：1：1～1：2：3，为提高冷却效率，在安装位置不受限制时，可将液压油箱的容量予以增大。3.液压油箱的结构设计液压油箱简称油箱，它往往是一个功能组件，在液压系统中的主要功能是存储液压油液、散发油液热量、溢出空气及消除泡沫和安装元件等。油箱的制造一般采用焊接和铸造两种方式之一，多数油箱采用焊接技术获得。在一般设计中，液压油箱多采用钢板焊接的分离式液压油箱，很少采用机床床身底座作为液压油箱。因此，在此设计中采用了焊接的方式获得油箱。油箱的工作图样是油箱加工和安装的依据。通常油箱应包括箱顶、箱壁、隔板、放油螺塞、吊耳、支脚等零件。4.油箱的制造工艺（1）材料通常油箱的箱顶、箱壁、箱底和隔板的常用材料为Q235A钢板，伺服系统的油箱宜采用不锈钢板，箱壁和箱顶所采用板材的平直度应符合GB/T1184—1996中的12级，且应无严重锈蚀。清洗孔法兰盖板可采用HT200经切削加工后用螺钉联接在油箱侧壁上，吊耳常用材料为25钢。箱顶和箱壁常用可拆连接。（2）焊接前后的注意事项油箱焊接前，板边要加工出坡口。焊接时，板间应留有适量的缝隙。焊接前，必须清楚板材焊接部位及周围的氧化层和铁锈。如果是分层焊接，没焊完一层，必须用钢丝刷刷净焊层，进行检查，有无夹渣、气孔、咬边等现象。如果有，可用气动工具等挖去后补焊，然后再焊另一层。箱体焊接时应尽量用夹具将板材定位、固定并检查其几何尺寸与形位公差。（3）焊接后的油箱须彻底清理以便清除所有泥土、切削、毛刺和氧化皮。轻度锈蚀可用钢丝刷或砂轮机清理，严重锈蚀和氧化的表面应喷丸处理。5.油箱各零件的作用（1）隔板①作用增长液压油流动循环时间，除去沉淀的杂质，分离、清除水和杂质，调节温度，吸收液压油压力的波动及防止液面的波动。②安装型式把隔板设置成低于液压油面，其高度为最低油面的2/3，使液压油从隔板的上方流过。（2）吸油管与回油管①回油管出口回油管出口型式，有直口、斜口、弯管直口、带扩散器的出口等几种形式，斜口应用的较多，一般为斜口。为了防止液面波动，可将回油管出口设计为斜口。回油管必须放置在液面以下，一般距离液压油箱底面的距离大于300mm，回油管出口绝对不允许放在液面以上。②吸油管吸油管前设置了滤油器，其精度为100～200目的线隙式滤油器。滤油器应有足够的容量，避免阻力太大。滤油器与箱底间的距离应不小于20mm③吸油管与回油管的方向为了使油液流动具有方向性，要综合考虑隔板、吸油管和回油管的配置，尽量把吸油管和回油管用隔板隔开。为了不使回油管的压力波动波及吸油管，吸油管及回油管的斜口方向应一致，而不是相对着。（3）防止杂质进入为了防止液压油被污染，液压油箱应做成完全密封性的。在结构上应注意以下几点：①不要将配置管简单的插入液压油箱，这样空气、杂质和水分等便会从其周围的间隙浸入。同时应尽量避免将液压泵直接装在液压油箱顶盖上。②在结合面上需衬入密封填料、密封胶和液态密封胶，以保证可靠的密封性。如在液压油箱的上盖可直接焊上。③为保证液压油箱通大气并净化抽吸空气，需配置空气滤清器。空气滤清器通常设计成既能过滤空气又能加油的结构。（4）顶盖及清洗孔①顶盖在液压油箱顶盖上装设电动机、阀组、空气滤清器时，必须十分牢固。液压油箱同它们的结合面要平整光滑。同时，不允许有阀和管道泄露在油箱盖上的液压油流回油箱内。②清洗孔液压油箱的清洗孔，应最大限度的易于清扫液压油箱内的各个角落和取出油箱内的元件。（5）液面指示为观察液压油箱内的液面情况，应在油箱的侧面安装液面指示计，液位计通常带有温度计且刻有上、下液面限位线。液位计的下刻线至少应比吸油过滤器或吸油管口上缘高出75mm，以防吸入空气。液位计的上刻线对应着油液的容量。液位计与油箱的连接处有密封措施。（6）箱底、放油塞、支脚应在油箱底部最低点设置放油塞，以便油箱清洗和油箱更换。为此，箱底应朝向清洗孔和放油塞倾斜，倾斜坡度通常为1/25～1/20这样可以促使沉积物聚集到油箱中的最低点。为了便于搬迁、放油和散热，应将油箱架起来。油箱应设有支脚。

4.1.3其它元件的选择1.滤油器的选择在液压系统中，由于工作油液中的杂质（包括从系统外部进入的脏物颗粒和系统中液压元件的磨损微粒）进入液压系统，容易引起液压元件工作表面的损坏，而使液压元件的寿命大大缩短，为了保证液压系统的正常工作，提高液压元件的正常寿命进入液压系统中的工作液体必须经滤油器过滤。本系统选用线隙式滤油器。（1）线隙式滤油器（XU—40x80J）一般安装于回油路或泵吸油口处，这种滤油器阻力小，通流能力大，但不易清洗，一般用于中、低压系统，结构简单，过滤效果好，通油能力大。

（2）滤油器安装本系统滤油器安装在油泵的吸油管上。这种安装能直接防止大颗粒杂质进入液压泵内，保证了液压系统中所有设备不受杂质的影响，但增长了油泵的吸油阻力，而且当滤油器堵塞时，使油泵工作条件恶化。为了避免油泵的损坏，通常在油泵的吸入口安装过滤精度低的线隙式过滤器。2.排油孔螺塞为了换油及清洗箱体时排出油污，在箱座底部油池低处设有排油孔，平时排油孔用螺塞及封油垫封住。排油孔螺塞材料一般用Q235，封油垫材料可用石棉橡胶纸，排油孔螺塞的直径可按箱座壁厚的3～4倍选取，M=24×1.5。4.2液压控制装置的集成方式液压控制装置集成方式分，为管式集成和块式集成。管式集成是液压系统最早使用的集成方式，它用管件（管子和管接头）将各管式连接液压控制阀集成在一起。其主要有点是连接方便简单，不需要设计制造油路块或油路板。缺点是当组成系统的控制元件较多时，要求要有较多的管子和管接头，上下交错较多，占用空间大，从而使系统布置相当不变，且系统压力损失大，此种方式仅适用与较简单的液压系统中。块式的特点是，直接做在液压辅助元件或液压阀上，省去了大量的管件，结构简单，组装方便，位置灵活，适合用于系统比较复杂的液控系统中。本设计由于液控系统比较简单，所以选用管式集成的方式控制。管式集成主要有三个三接头管和一个四接头管，和外径为27的管路，这些管接头连接管路并且平铺于油箱之上。1.管道的选用紫铜管承受的压力较低（P<6.3～10MPa）,经过加热冷却处理后，紫铜管软化，装配时可按需要进行弯曲，但价贵且抗振能力较弱。查《简明手册》表4-7，可得管子外径D=27mm壁厚S=22.管接头的选择管接头是连接液压元件与油管之间的可拆卸元件。要求连接可靠，拆装方便，密封性好。本设计中选用卡套式三通管接头和四通管接头。卡套式管接头的特点：利用卡套变形卡住管子进行密封，装拆方便，耐压高，但对管子尺寸精度要求较高，工作压力小于40Mpa，具有结构先进，性能良好，工作压力高、重量轻、体积小和使用方便等优点，因此在本次设计中我们选用的管接头为M27×2e=39.3s=34。4.3液压站装配图的绘制通过以上设计，完成了液压站总装配图的绘制，其结构装配图见附录。4.4液压缸的基本类型液压缸是液压传动系统中的又一类执行元件，是用来实现工作机构直线往复运动或小于360°摆动运动的能量转换装置。其结构形式有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三大类。液压缸结构简单、工作可靠，在液压系统中得到广泛的应用。4.5液压缸的组成液压缸的的结构基本上可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置以及排气装置等组成。分述如下：1.缸体组件液压缸的缸体和端盖是用4根长拉杆联接起来的。目前常用的缸体与端盖结构联接方式还有螺栓联接，我的本次液压缸设计就用螺栓联接；螺钉联接，它和螺栓联接的共同优点是结构简单、容易加工和拆装；缺点是外径尺寸较大，重量也较大；螺纹联接，适用于缸径较小的液压缸，对于大直径液压缸，由于螺纹尺寸较大，加工精度不易保证，装拆都较费劲；其优点是螺纹对缸筒强度削弱较小，缸壁总厚度可较小。焊接联接，一般用于缸体与后盖联接，优点是结构简单、轴向尺寸小、工艺性好；但缸体焊接后可能变形，清洗较麻烦。缸体是液压缸的主体，它要承受很大的液压力，因此应具有足够的强调和刚度。缸体材料普遍采用冷拔或热轧无缝钢管，较厚壁毛坯仍用铸件或锻件，其内孔一般采用镗削、铰孔、滚压等精密加工工艺制造，内孔表面加工公差和粗糙度要求较高，以使活塞及其密封件能顺利滑动和保证密封效果，减少磨损。端盖装在缸体两端，与缸体形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此它们及其联接部件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。2.活塞组件活塞与活塞杆之间，常见的联接方式有锁紧螺母锁紧，其优点是联接可靠，活塞与活塞杆之间无轴向公差要求；缺点是需要加工螺纹；焊接联接，这种联接结构简单、轴向尺寸紧凑，但不易拆换。半环联接和弹簧挡圈联接，这两种方式结构和装卸均简单并可承受较大的负载或振动，但活塞与活塞杆的加工有轴向加工要求。在小直径的液压缸中，也有将活塞和活塞杆做成整体式的。3.密封装置液压缸中的密封，是指活塞、活塞杆和端盖等处的密封，它是用以防止液压系统油液的内外泄露和防止外界杂质侵入的。密封设计的好坏，对液压缸的性能有着重要的影响，常见的密封形式如下：（1）间隙密封这是一种简单的密封，它依靠相对运动件配合面间的微小间隙来防止泄露。（2）活塞环密封在活塞的环形槽中放置有开口的金属活塞环。活塞环依靠其弹性变形所产生的张力紧贴在缸筒内壁，从而实现密封。这种密封可以自动补偿磨损，密封效果较好，能适应较大的压力变化和速度变化，耐高温，适用寿命长，易于维护保养，并能使活塞具有较长的支撑面。缺点是制造工艺复杂，因此它适用于高压、高速或密封性能要求较高的场合。（3）密封圈密封密封圈密封是液压元件中应用最广泛的一种密封形式。常用密封圈的截面形状有O形、Y形和V形等多种。O形密封圈密封，其外侧、内侧及端部都能起密封作用。O形密封圈简单、可靠、体积小、动摩擦阻力小，安装方便，价格低廉，应用极为广泛。V形密封圈，它油三个不同截面的支撑环、密封环和压环组成。V形密封环的最高压力会达到50MPa，其中密封环的数量由工作压力大小而定。当工作压力小于10MPa时，使用三件一套已足够保证密封。当压力更高时，可以增加中间密封环的数量。Y形密封圈的密封，它在工作时受液压力的作用使唇张开，分别贴在轴表面和孔壁上，起密封作用。为此，使用Y形圈时应使两唇密封圈面向高压区（腔）。这种密封圈摩擦力小，使用于工作压力小于等于20MPa、相对运动速度较高的密封面，其密封压力可随压力加大而提高，并能自动补偿磨损。对于工作环境较脏的液压缸，为防止赃物被活塞杆带进液压缸，需在活塞杆密封处设置防尘圈。防尘圈应防在朝向活塞杆外伸的那一端。4.缓冲装置当液压缸带动质量较大的移动部件，以较快的速度移动时，惯性力较大。在行程终端时如果活塞与缸盖直接发生撞击，将造成冲击和噪声以致引起事故或影响工作精度。为此在大型、高速或高精度的液压缸中常设有缓冲装置。其工作原理是使活塞杆接近缸盖时，增大液压缸的回油阻力，使缓冲油腔内产生足够的缓冲压力，降低活塞的移动速度，避免活塞撞击缸盖。常见的缓冲装置有节流口可调式缓冲装置和节流口变化缓冲装置。5.排气装置液压缸长时间停止使用后会渗入空气，油液中也可能混有空气，在这种状态下运行，工作部件运动的平稳性较差，因此，一般的液压系统在开始工作前应该使系统中的空气排出，为此可在液压缸的最高部位安装排气装置。该装置通常有两种方式，一种是在缸的最高部位处装一个排气塞，开机时先拧开排气塞，使活塞全行程空载往返数次，缸内空气即可通过排气塞锥部环形缝隙和小孔排出，然后拧紧排气塞。另一种方法是在缸的最高部位开排气孔，再用管道接至排气阀排气。4.6液压缸的设计液压缸的设计是整个液压系统设计的重要内容之一，对于不同的设备，液压缸具有不同的用途和要求。设计液压缸的结构时应注意一下几个问题：在保证设计要求的前提下，尽量使结构简单紧凑、尺寸小、采用标准形式和标准件，使设计、制造容易，装配、调整、维护方便。尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。4.7本章小结本章主要阐述了液压装置的结构形式，完成了液压站的设计以及装配图的绘制；通过相关计算完成了油箱的设计及绘制。5液压控制系统的设计目前，常用的机床广泛采用电器—接触器控制。尽管数控机床和可编程控制器控制的机床越来越多，但是，一方面传统机床拥有量现在任占绝大多数，另一方面机床数控化有较长的发展过程，而且一些简单系统根本不需要微机控制。因此，在卧式数控铣床的控制上选择PLC控制，其设计基本框图如图5-1所示。PLCPLC控制模块输入电路输出电路电源电路显示模块驱动电路图5-1PLC控制结构框图5.1液压系统PLC控制模块的设计5.1.1PLC的基本工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式（1）每次扫描过程：集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。（2）输入刷新过程：当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。（5）扫描周期的长短由CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间和指令条数决定。（6）由于采用集中采样、集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。5.1.2可编程序控制器的特点和应用可编程序控制器专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主，又采用了先进的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点：（1）可靠性高PLC由于选用了大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件和软件制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，所以具有很高的可靠性。（2）编程简单、使用方便PLC编程采用类似继电器控制系统电气原理梯形图，用串联、并联、定时、计数等人们所熟悉的概念，是计算机语言大众化，只要是比较熟练的电工和熟悉工艺知识的人员在几天内就能学会，这是PLC得到推广的重要原因之一。（3）通用性好、具有在线修改能力PLC的硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，给组成各种系统带来极大的方便，同一台PLC装置用于不同的受控对象时，只是输入输出组件、功能模块和应用软件不同。同时，PLC控制系统中的控制电路时由软件编程完成的，只要对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此PLC具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有广泛的工业通用性。(4)缩短设计、施工、投产试制周期，维护容易目前PLC产品已实现了系列化、标准化，正朝着通用化方向发展，设计人员只需要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计。同时，用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大地减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大地缩短了施工周期，PLC还具有故障检测及显示功能，使故障处理时间可缩短为10分钟，对维护人员技术水平要求也不太高。(5)体积小由于采用了微型计算机技术，使PLC达到了小型和超小型化，很容易装入机械设备内部，便于实现机电一体化。（6）梯形图语言特点：a)每个梯形图由多个梯级组成；b)梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过；c)继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次；d)每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用；e)输入继电器受外部信号控制，只出现触点，不出现线圈。5.1.3PLC的应用在工业自动化领域，可编程控制器(PLC)作为自动控制的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。由于上述特点，PLC作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制，也用于工艺过程控制，而且控制精度相当高，操作简单，又具有很大的灵活性和可扩展性，故此，在此次设计中我们选用PLC实现对液压系统的控制。5.1.4工艺流程的编写设计过程中运用了逐步探索法进行了工艺流程的编写。从数控铣床工作过程的分析可以看出，整个过程可分为六个工步。由启动按钮控制工作过程的开始，工部的转换由行程开关和工部结束条件决定，四个电磁阀完成工件的加工。其工作流程图如图5-2所示；专用铣床的液压系统由油箱，油路及电动机组成，专用铣床的工作流程图见附录。（1）起始状态二位二通电磁换向阀1YA得电，三位四通电磁换向阀处于中状态。图5-2工作流程图（2）快进状态由按钮接通电路，使得三位四通电磁阀的2YA，同时，二位二通电磁阀1YA失电，使此过程实现快进。（3）工进状态在快进过程中，三位四通电磁阀继续2YA得电，同时二位二通电磁阀4YA得电。（4）快退当工件加工完成后，液压缸的活塞撞到行程开关SQ2时，三位四通电磁换向阀的2YA失电、3YA得电，油液通过此阀实现快退。（5）停止液压缸的活塞撞到行程开关SQ1时，电动机停止同时完成卸荷，完成工作的全过程。5.1.5输入输出电路I/O口的分配1.输入接口光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通，向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。2.输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。3.本系统输入输出电路I/O口的分配数控铣床的整个系统有5个输入信号，5个输出信号，所以选择C60P—CDR—A型PLC就可以满足要求，电磁铁动作表见表5-1；由数控机床的动作流程，结合它们各个代号和设备一一对应，易分配它的输入输出设备分配表，见表5-2；按输入输出设备分配表的规定，将现场信号接在PLC的对应端子上。一般输入输出设备可以直接与PLC的I/O端子相连。但是，当配线距离长或接近强干扰源，活大负荷频率，通断的外部信号，最好加中间继电器进行再次隔离。输入电路一般由PLC内部提供电源，输出电路要根据负载额定电压电流外接电源。输出电路要注意每个输出继电器的触点容量及公共端（COM）的容量。输出公共端要加熔断器保护，以免负载短路损坏PLC。表5-1电磁阀动作表工况电磁铁状态1YA2YA3