数控机床结构及应用第7章

MMTCNC本章要点数控机床的压力控制系统数控机床可编程序控制器第7章数控机床的控制技术与辅助系统数控机床的辅助系统MMTCNC数控机床结构及应用7.1数控机床的压力控制系统Pressurecontrolsystemofncmachinetools第7章数控机床的控制技术与辅助系统NcmachinetoolcontroltechnologyandauxiliarysystemMMTCNC7.1.1压力控制系统的功能与组成1.压力传动的特点气压、液压传动属于流体传动的两个分支，它们分别是以压缩空气和液压油为工作介质，来进行能量的传递和控制的传动技术。相对于机械传动、电力传动等传动技术，气、液压传动是新兴的工程技术。由于它们具有许多机械传动所不具有的优点，故其发展速度较快，应用范围也越来越广，目前已广泛应用于工程技术中的各个领域。MMTCNC7.1.1压力控制系统的功能与组成（1）气压传动的优点：1）工作介质为空气，来源丰富、制取方便、成本低廉。2）较好的工作环境适应性。由于气压传动以空气作为工作介质，故能用在恶劣环境中，一些要求高净化、无污染等的场合也适宜于气动系统的工作，且工作可靠性较好，易于实现过载保护。3）空气粘度很小，故其在传输过程中的能量损失较小，节能、高效，适宜于远距离的供气和气源的集中布置。4）气压传动反应灵敏、动作迅速、易维护和调节，故比较适宜于直接应用到自动控制的场合。5）气动元件结构简单，制造工艺性较好，制造成本低，使用寿命长，易于实现标准化、系列化、通用化。MMTCNC7.1.1压力控制系统的功能与组成（2）液压传动的优点：1）易于实现无级调速和大范围调速（100:1～2000:1）。2）单位功率的传动装置重量轻、体积小、结构紧凑，可产生和传递较大的力和力矩。3）惯性小、反应快、冲击小、工作平稳，易于实现高速起动、制动和换向。4）易控制、易调节、操纵方便，易于与电气控制相结合，用以实现远程控制和复杂顺序控制的自动化，易于实现过载保护。5）液压传动具有自润滑、自冷却作用，可以减少因摩擦和高温产生的液压元件损坏，故工作寿命较长。6）液压元器件易实现系列化、标准化、通用化，故可以降低制造使用成本。MMTCNC7.1.1压力控制系统的功能与组成2.气、液压传动发展概况及应用机床上采用气、液压技术的方面很多，但主要是利用气、液传动在工作中可以实现无级变速、易于实现自动化、可频繁换向等优点。使用方面：1）进给运动传动2）往复直线运动3）回转运动和仿形运动4）辅助装置5）静压支承MMTCNC7.1.2压力控制系统工作原理气、液压系统工作原理相似，但依其各自的特点，在加工中心上的应用方面，它们具有相应的适用范围。液压传动装置以工作压力高的油为工作介质，机械结构紧凑、与其他传动装置相比在同等体积条件下可以产生较大的力或力矩、动作平稳可靠、易于调节和控制、噪声较小，但需配置液压泵和油箱，易产生渗漏和污染，故广泛用于工业型、大中型加工中心中。气动装置结构简单、无污染、工作速度快、动作频率高，适宜于完成频繁起动的辅助动作，且过载时比较安全，不易发生过载损坏机件等事故。故常用于功率要求不大、精度不太高的中小型加工中心。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统1.气、液压系统在数控机床中常用来完成如下的辅助功能：1)数控机床运动部件的制动、离合器的控制、齿轮拨叉挂挡的实现等。2)数控机床中运动部件的平衡。如主轴箱的重力平衡、换刀机械手的平衡等。3)定位面的自动吹屑清理等。4)数控机床防护罩、板、门的自动打开与关闭。5)工作台的松开与夹紧，交换台的自动交换动作。6)夹具的自动松开与夹紧。7)自动换刀所需动作。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统2.数控机床气动系统工作原理、结构布置及特点数控机床气动系统的设计及布置与加工中心的类型、结构、要求完成的功能等有关，结合气压传动的特点，一般在要求力或力矩不太大的情况下采用气压传动。H400型卧式加工中心工作功率较小、精度中等。为降低制造成本、提高安全性、减少污染，结合气、液压传动的特点，该加工中心的辅助动作采用以气压驱动装置为主。H400型卧式加工中心气动系统主要包括松刀缸、双工作台交换、工作台与鞍座之间的拉紧、工作台回转分度、分度插销定位、刀库前后移动、主轴锥孔吹气清理等几个动作完成的气动支路。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统（1）松刀缸支路松刀缸是完成刀具的拉紧和松开的执行机构。为保证机床切削加工过程的稳定、安全、可靠，刀具拉紧拉力应大于12000N，抓刀、松刀动作时间在2s以内。换刀时通过气动系统对刀柄与主轴间的7:24定位锥孔进行清理，使用高速气流清除结合面上的杂物。为达到这些要求，并且尽可能地使其结构紧凑，减轻重量，并且结构上要求工作缸直径不能大于150mm，所以采用复合双作用气缸可达到设计要求。如图7-2。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统（2）工作台交换支路交换台是实现双工作台交换的关键部件，由于H400加工中心交换台提升载荷较大（达12000N），工作过程中冲击较大，设计上升、下降动作时间为3s，且交换台位置空间较大，故采用大直径气缸（D=350mm），6mm内径的气管，可满足设计载荷和交换时间的要求。机床无工作台交换时，在两位双电控电磁阀HF3的控制下交换台托升缸处于下位，感应开关LS17有信号，工作台与托叉分离，工作台可以进行自由的运动。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统（3）工作台夹紧支路H400加工中心可交换的工作台固定于鞍座上，由四个带定位锥的气缸夹紧，并且为了达到拉力大于12000N的可靠工作要求，以及受位置结构的限制，该气缸采用了弹簧增力结构，在气缸内径仅为φ63mm的情况下就达到了设计拉力要求。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统（4）鞍座定位与锁紧支路H400加工中心工作台具有回转分度功能。鞍座与工作台连结为一体，采用蜗轮蜗杆机构使之回转，采用插销和可以变形的薄壁气缸实现床鞍和鞍座之间的定位与锁紧。当数控系统发出鞍座回转指令并做好相应的准备后，两位单电控电磁阀HF7得电，定位插销缸活塞向下带动定位销从定位孔中拔出，到达下运动极限位置后，由感应开关检测到位信号，通知数控系统可以进行鞍座与床鞍的放松，此时两位单电控电磁阀HF8得电动作，锁紧薄壁缸中高压气体放出，锁紧活塞弹性变形回复，使鞍座与床鞍分离。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统（5）刀库移动支路H400加工中心采用盘式刀库，具有10个刀位。自动换刀时由气缸驱动刀盘前后移动，与主轴的上下左右方向的运动进行配合来实现刀具的装卸，并要求在运行过程中稳定、无冲击。在换刀时，当主轴到达相应位置后，通过对电磁阀HF6得电和失电使刀盘前后移动，到达两端的极限位置，并由位置开关感应到位信号，与主轴运动、刀盘回转运动协调配合完成换刀动作。其中FH6断电时，刀库部件处于远离主轴的原位。DJ7、DJ8为避免冲击而设置的单向节流阀。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统3.加工中心液压系统工作原理、结构布置及特点结合液压传动的特点，一般在要求力或力矩较大的情况下采用液压传动。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统3.加工中心液压系统工作原理、结构布置及特点（1）刀链驱动支路VPl050加工中心配备24刀位的链式刀库，为节省换刀时间，选刀采用就近原则。换刀由双向液压马达4拖动刀链使所选刀位移动到机械手抓刀位置。液压马达的转向控制由双电控三位电磁阀HF1完成，转向由CNC进行运算后，发信给PLC控制HF1，用FH1不同的得电方式对液压马达4的不同转向进行控制。（2）主轴箱配重支路VPl050加工中心Z轴进给由主轴箱上下移动实现，并采用两个液压缸进行配重。主轴箱向上移动时，高压油通过止回阀9和直动型减压阀7向配重缸下腔供油，向上配重；当主轴箱向下移动时，液压缸下腔高压油通过减压阀7进行适当减压。压力开关YK2用于检测配重支路工作状态。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统3.加工中心液压系统工作原理、结构布置及特点（3）松刀缸支路VPl050加工中心采用BT40型刀柄。为了能够可靠的夹紧与快速的更换刀具，采用碟簧拉紧机构使刀柄与主轴连结为一体，采用液压缸使刀柄与主轴脱开。（4）高低速转换支路VPl050主轴传动链中，通过一级双联滑移齿轮进行高低速转换。在由高速向低速转换时，主轴电动机接收到数控系统的调速信号后，降低电动机的转速到额定值，然后进行齿轮滑移，完成进行高低速的转换。MMTCNC7.1.3数控机床的压力系统在数控车床上，卡盘的夹紧与松开，尾架的顶紧与退出，防护罩拉门的开关等均由液压系统来驱动、控制，其油路见图7-5。MMTCNC数控机床结构及应用7.2数控机床可编程序控制器Numericalcontrolmachinetoolprogrammablecontroller第7章数控机床的控制技术与辅助系统NcmachinetoolcontroltechnologyandauxiliarysystemMMTCNC7.2.1可编程序控制器的基本概念与分类1.可编程控制器的定义可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。MMTCNC7.2.1可编程序控制器的基本概念与分类2.可编程控制器的特点(1)控制程序可变(2)采用面向过程语言，编程方便(3)功能完善(4)扩展灵活(5)系统构成简单，安装调试工作量少(6)可靠性高另外，其输入输出采用了屏蔽、隔离、滤波、电源调整与保护措施，提高了抗工业环境干扰的能力，是PLC适用于工业环境使用，可靠性大大提高。MMTCNC7.2.1可编程序控制器的基本概念与分类3.可编程控制器的分类按容量大致可分为“小”、“中”、“大”三种类型。小型PLC的I/O点数在256点以下(其中把小于64点的PLC称为超小型机)；中型PLC的I/O点数在256点以上，2048点以下，内存在8K以下；大型PLC的I/O点数在2048点以上。大型PLC可以和计算机系统结成一体，并增加刀具精确定位，机床速度和阀门控制等功能，可实现管理和控制一体化，与办公自动化系统联网，成为工厂自动化的重要设备。按硬件结构的不同，将PLC分为整体式结构、模块式PLC和叠装式PLC三类。MMTCNC7.2.2可编程序控制器的基本结构及编程方法1.可编程控制器的基本组成基本结构如图所示。主要包括中央处理器CPU、存储系统输入/输出接口、存储器系统ROM和RAM等，系统电源在CPU模块内，也可单独视为一个单元。编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。MMTCNC7.2.2可编程序控制器的基本结构及编程方法2.中央处理器CPUCPU的主要作用是控制整个系统协调一致地运行。它解释并执行用户及系统程序，并通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能。PLC中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片机。3.存储器ROM（EPROM）和RAM常用存储器有CMOSRAM和EEPROM。RAM存储器是一种随机存取存储器，CPU可随时对它进行读写。EPROM是一种可用紫外线擦除的可编程只读存储器，只能从中读出但不能写入。4.输入、输出模块可编程控制器的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过输入输出（I/O）模块实现的。MMTCNC7.2.2可编程序控制器的基本结构及编程方法5.编程器（1）编程器的功能编程器是PLC的重要外部设备，是PLC必不可少的。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的媒体。编程器有两种编程方式：1）在线编程方式编程器与