专科学生毕业论文
气动技术在数控机床中发展与应用
系部名称： 机电工程系 专业班级： 数控技术与应用07-2班 学生姓名： ？？ 指导教师： 职 称： 讲师
黑 龙 江 工 程 学 院
二○一○年六月
黑龙江工程学院专科生毕业论文
The Graduation Thesis for Specialist's Degree
Pneumati technology in the development and application of nc
machine tools
The name: electrical engineering institute Professional class: numerical control technology
application and 07-2 class
The student's name: Yu Sun Teacher: YanHong Fu
Heilongjiang Institute of Technology
2010-06·Harbin
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摘 要
以数控机床为核心的现代机械制造系统具有控制规模大，自动化程度高和柔性化强的特点。由于制造系统的结构越来越复杂、价格愈来愈昂贵，如何提高机床的利用率就成为人们所关注的问题。随着数控机床的急速的发展，技术水平及自动化生产程度的不断提高，气动技术在数控系统中的应用越来越广泛，将会把工业发展推向新的台阶。
随着工业自动化程度的迅速提高，气动控制技术已从汽车、电子、冶金、食品加工等支柱产业扩展到其他工业领域。气动控制技术是以压缩空气为工作介质进行能量和信号传递的工程技术，是实现各种生产和自动控制的重要手段之一。气动控制技术不仅具有经济、安全、可靠、便于操作等优点，而且对于改善劳动条件、提高劳动生产率和产品质量，具有非常重要的作用。
气动控制在促进自动化的发展中起到了极为重要的作用，已被全球各个工业部门所接受并得到广泛应用。随着微电子技术与气动元件相结合的应用发展及新材料的开发等，气动控制技术的应用，必将迎来崭新的时代。
关键词：数控机床 ; 数控系统 ; 气动系统 ; 气动元件 ; 基本回路
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ABSTRACT
With the core of modern CNC machinery manufacturing system with control of large scale, high automation and flexibility. Due to the structure of manufacturing system is becoming more and more complex, and the price is expensive, how to improve the machine utilization becomes people to issues of concern. With the rapid development of nc machine tools, technical level and to improve the degree of automation production, pneumatic technology in the numerical control system is widely used in the industrial development, will be to a new stage.
With the rapid increase of industrial automation control technology, pneumatic from automobiles, electronics, metallurgy, food processing and pillar industry will spread to other industries. Pneumatic control technology is compressed air as medium for energy and signal transmission engineering, manufacturing and is one of the important methods of automatic control. Pneumatic control technology has not only economic, safe and reliable, easy to operate etc, and to improve working conditions, and improve labor productivity and quality products, plays a very important role.
Pneumatic control in promoting the development of automation plays a very important role in global industry, has been widely accepted by departments and application. With microelectronics technology and pneumatic components combined application development and the development of new materials, pneumatic control technology application, will usher in new era.
Keywords: Numerical control machine; CNC machine tool CNC system; pneumatic system; pneumatic components of fundamental circuit; The basic circuit
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目 录
摘要……………………………………………………………………………
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第一章 绪论…………………………………………………………………1
1．1数控机床概述…………………………………………………………………1 1．1．1数控技术的发展…………………………………………………………2 1．1．2数控技术的发展趋势……………………………………………………3 1．1．3数控机床组成……………………………………………………………4 1．1．4数控机床的特点…………………………………………………………6 本章小结……………………………………………………………………………7
第二章 气动技术知识………………………………………………………………… 7
2．1气动技术的基本知识…………………………………………………………7 2．1．1气动技术的概念………………………………………………………7 2．1．2气动技术常用单位……………………………………………………7 2．1．3气动控制装置特点……………………………………………………7 2．1．4气动系统组成…………………………………………………………8 2．2 气动元件的介绍………………………………………………………………9 2．2．1空气处理元件的介绍…………………………………………………9 2．2．2气动控制元件的介绍…………………………………………………10 2．3 气动回路 ………………………………………………………………………13
2．3．1驱动气缸的回路………………………………………………………13 2．3．2气缸速度控制回路…………………………………………………15 2．3．3气动回路的基本回路…………………………………………………16 2．3．4气动回路应用回路……………………………………………………19 2．4气动技术的优点特点…………………………………………………………22 本章小结…………………………………………………………………………22
第三章 气动技术在数控中应用发展………………………………………22
3．1数控系统的分类………………………………………………………………22
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3．2气动系统的分类…………………………………………………………24 3．3 应用实例………………………………………………………………………25 3．3．1数控加工中心换刀系统………………………………………………25 3．3．2 CA6140车床卡盘数控气动改造………………………………………25 3．3．3气动夹具在数控车床上的应用………………………………………26 3．3．4除切屑装置……………………………………………………………27 3．4数控机床使用气动技术优点………………………………………………27 3．5气动技术在数控中发展趋势……………………………………………………27 本章小结……………………………………………………………………………31
结论…………………………………………………………………………32 参考文献……………………………………………………………………33 致谢…………………………………………………………………………34
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第一章 绪 论
1．1数控机床概述
数控技术，简称数控（Numerical Control—NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（Computerized Numerical Control—CNC）。
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（Numerical Control System），数控系统的核心是数控装置（Numerical Controller）。
采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。
数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称为NC机床。
带有自动换刀装置ATC（Automatic Tool Changer—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（Machine Center—MC）。它通过刀具的自动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。
在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（Auto Pallet Changer—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（Flexible Manufacturing Cell—FMC）。FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC既是柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。
在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统
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FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。
随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS）。CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现 1．1．1数控技术的发展
从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台由电子计算机控制的三坐标立式数控铣床，到现在已走过了58年历程。数控技术经过５０年的２个阶段和６代的发展：
第１阶段：硬件数控(NC) 第１代：1952年的电子管 第２代：1959年晶体管分离元件 第３代：1969年的小规模集成电路 第２阶段：软件数控(CNC) 第４代：1970年的小型计算机 第５代：1974年的微处理器
第６代：1990年基于个人PC机(PC-BASEO)
第６代的系统优点主要有：
（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上； （２）基于PC平台，技术进步快，升级换代容易
（３）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等)； （４）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。
近10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。 （1）高速化
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由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000～4000ｒ/ｍｉｎ提高到8000～10000/ｍｉｎ，铣床和加工中心主轴转速由40000～8000ｒ/ｍｉｎ提高到12000ｒ/ｍｉｎ、24000ｒ/ｍｉｎ、40000ｒ/ｍｉｎ以上
快速移动速
度由过去的10～20ｍ/ｍｉｎ提高到48ｍ/ｍｉｎ、60ｍ/ｍｉｎ、80ｍ/ｍｉｎ、120ｍ/ｍｉｎ在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0.5Ｇ（重力加速度）提高到1.5～2Ｇ，最高可达15Ｇ，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。 （2）高精度化
数控机床的定位精度已由一般的0.01～0.02ｍｍ提高到0.008ｍｍ左右，亚微米级机床达到0.0005ｍｍ左右，纳米级机床达到0.005～0.01μｍ，最小分辨率为１ｎｍ的数控系统和机床已有产品。
数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到１μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。
（3）复合加工、新结构机床大量出现
如５轴５面体复合加工机床，５轴５联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括６轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。
（4）使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000ｍ/ｍｉｎ，加工铝件能达5000ｍ/ｍｉｎ。
（5）数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为２１世纪制造业发展的一个主要潮流。
1．1．2数控技术的发展趋势
现代制造业的飞速拓展和信息技术的发展应用，促使数控技术不断更新，变化日新月异，其发展的新趋势基本朝着五个大的方向： 1．高速化发展新趋势
效率是先进制造技术的主体，高速加工技术可极大地提生产高效，目前高速加工中心进给速度达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。当今世界上许多汽车厂，包括在我国的一些汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分
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替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100 m／min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。 2. 精密化发展新趋势
高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，提高市场竞争能力。在加工精度方面，由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm ，精密级加工中心则从3～5μm ，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。以计算机辅助生产(CAM)系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。而为实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 3. 智能化发展新趋势
未来的数控装备将具有一定智能化的功能，智能化内容包括数控系统中的各个方面：如为追求加工效率和加工质量方面的智能化，加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。 4. 开放化发展新趋势
数控系统开放化已成为数控系统的未来之路。开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。它解决了传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
5.网络化发展新趋势
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。近年国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都相关的新概念和样机，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；德国西门子(Siemens)
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公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
数控系统的网络化促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(RMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成的柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展。
1．1．3数控机床组成 (1)机床主体
机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架即自动换刀装置等机械部件。根据零件不同的加工方式分车床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型机床。 (2)数控装置
数控装置是数控机床的核心，现代数控装置均采用CNC(ComputerNumerical Control)形式，它包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读机等)以及相应的软件。CNC装置用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 (3)输入装置
现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人工现场输入(MDI方式)、通过磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读机输入等。现代数控系统均配置有大容量存储器RAM来存储已输入数控系统的加工程序。通过数控系统的显示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。 (4)伺服系统和测量反馈系统
伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机组成。步迸电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。
测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。 (5)数控机床的辅助装置
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辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。 (6)控制介质
现代数控机床不仅可以用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以利用自动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上(如纸带、磁带、磁盘等)，然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用这种自动程序编制的方法。
数控机床的构成如图1．1所示。
图1．1数控机床构成
1．1．4数控机床的特点 1) 加工精度高:
数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。由于数控机床实现自动加工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致性。 2)生产较高：
就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高2～3倍、甚至十几倍。主要体现在以下几个方面:
a. 一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。
b. 简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工序的夹具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。
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3)减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。
4)改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩,机床不会有水、油、铁屑溅出，可有效保持工作环境的清洁。 5)有利于生产管理：
a. 程序化控制加工、更换品种方便；
b. 一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员； c. 可实现无人化生产。
本章小结
本章主要论述了数控机床中数控系统的组成及分类，数控机床的原理在了解数控技术发展的基础上，理解数控机床与现代机械制造系统之间的关系和发展数控机床的必要性。
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第二章 气动技术知识
2.1气动技术的基本知识
2.1.1 基本概念
气动技术是以压缩空气作为介质，以空气压缩机作为动力源，来实现能量传递或信号传递与控制的工程技术，是流体传动与控制的重要重要组成技术之一，也是实现工业自动化和机电一体化的重要途径。 2.1.2 气动技术中常用的单位
1个大气压=760mmHg =1.013bar =101kpa 压力单位换算
1N/㎡=105bar=1.02107kgf/m㎡=1.02105kgf/c㎡ 1kgf/c㎡=0.1Mpa 2.1.3气动控制装置的特点
⑴空气廉价且不污染环境，用过的气体可直接排入大气 ⑵速度调整容易
⑶元件结构紧凑，可靠性高 ⑷受湿度等环境影响小 ⑸使用安全便于实现过载保护 ⑹气动系统的稳定性差 ⑺工作压力低，功率重量比小 ⑻元件在行程中途停止精度低 2.1.4气动系统的组成 1.气动系统基本由下列装置组成
(1)动力装置: 动力装置是指能将原动机的机械能转换成气压能的装置，它是气压传动系统的动力源。对气压传动系统来说是气压发生装置，也称为气源装置，其作用是为气压传动系统提供压缩空气。
(2)控制调节装置:它包括各种阀类元件，其作用是用来控制工作介质的流动方向、压
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力和流量，以保证执行元件和工作机构按要求工作。
(3)执行元件: 执行元件指缸或马达，是将压力能转换为机械能的装置，其作用是在工作介质的作用下输出力和速度(或转矩和转速)，以驱动工作机构作功。
(4)辅助装置: 除以上装置外的其它元器件部称为辅助装置，如油箱、过滤器、蓄能器、冷却器、分水滤气器、油雾器、消声器、管件、管接头以及各种信号转换器等。它们是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在系统中也是必不可少的，对保证系统正常工作有着重要的作用。
(5）工作介质:工作介质指传动气体，在气压传动系统中通常指压缩空气。 2.气动系统基本由下列元件组成
(1)气源装置——气动系统的动力源提供压缩空气 (2)空气处理装置——调节压缩空气的洁净度及压力 (3)控制元件
方向控制元件——切换空气的流向 流量控制元件——调节空气的流量 (4)逻辑元件——与或非
(5)执行元件——将压力能转换为机械功
(6)辅助元件——保证气动装置正常工作的一些元件
压缩机 a）气源装置 储气罐
后冷却器 过滤器 油雾分离器 减压阀 b）空气调节 油雾器
处理装置 空气净化单元 干燥器 其它
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电磁阀 气缸
气压控制阀 带终端开关气缸 方向控制阀 机械操作阀 带制动器气缸
手动阀 气缸 带锁气缸
其它 带电气缸
其它 速度控制阀 C）控制元件 速度控制阀 d）执行元件
逻辑阀 空气马达 管子接头 消音器 e）辅助元件 压力计 其它
回转执行件
2.2 气动元件介绍
2.2.1空气处理元件
压缩空气中含有各种污染物质。由于这些污染物质降低了气动元件的使用寿命。并且会经常造成元件的误动作和故障。 1．空气滤清器
空气滤清器又称为过滤器、分水滤清器或油水分离器。它的作用在于分离压缩空气中的水分、油分等杂质，使压缩空气得到初步净化。 2.油雾分离器
油雾分离器又称除油滤清器。它与空气滤清器不同之处仅在于所用过滤元件不同。空气滤清器不能分离油泥之类的油雾，原因是当油粒直径小于2～3цm时呈干态，很难附着在物体上，分离这些微粒油雾需用凝聚式过滤元件，过滤元件的材料有：
1）活性炭
2）用与油有良好亲和能力的玻璃纤维、纤维素等制成的多孔滤芯 3.空气干燥器
为了获得干燥的空气只用空气滤清器是不够的，空气中的湿度还是几乎达100%。当湿度降时，空气中的水蒸气就会变成水滴。为了防止水滴的产生，在很多情况下还需要使用干燥器。干燥器大致可分为冷冻式和吸附式两类。
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4.空气处理装置
空气滤清器、调压阀和油雾器等组合在一起，即称为空气处理装置。 a) 空气处理三联件（FRL装置）
空气处理三联件俗称气动三大件。它是由滤清器、调压阀和油雾器三件组成的， b) 空气处理双联件
这是由组合式过滤器减压阀与油雾器组成的空气处理装置。 c) 空气处理四联件
它是由滤清器、油雾分离器、调压阀和油雾器四件组成，用于需要优质压缩空气的地方。 5.调压阀（减压阀）
调压阀是输出压力低于输入压力，并保持输出压力稳定的压力控制元件。由于大多是与滤清器和油雾器连成一体使用，所以把它分在空气处理元件一类中。 6.油雾器
气动系统中有很多装置都有滑动部分如：气缸体与活塞，阀体与阀芯等。为了保证滑动部分的正常工作需要润滑，油雾器是提供润滑油的装置 2.2.2 气动控制元件 一、
方向控制阀
方向控制阀是气动控制回路中用来控制气体流动方向和气流通断，从而使气路中的执行元件能按要求方向进行动作的元件。在各类元件中，方向控制阀的种类最多。主要有换向阀和单向阀两大类。前者包括电磁阀，气控阀等，后者主要有单向阀，梭阀等，应用都很广泛。
1. 换向阀
换向阀主要有转阀和滑阀两大类本公司主要使用滑阀结构的换向阀。
滑阀依靠其中的滑柱式阀芯处在不同位置上来接通或切断气路的。一般地讲，阀芯的切换位置主要有二个或三个，即有二位阀和三位阀之分。
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二位AAPAPRABPR三位中位封闭中位加压中位卸压二通P三通四通五通APRAPRABPRABR1PR2ABPRABR1PR2ABPRABR1PR2ABR1PR2表一 表2表一中□代表了阀的一个切换位置，故而有几个长方形表示该阀是几位的。长方形中的箭头表示在该位置上气流流动的方向，┻则表示在这一位置上气流被切断。
二位阀有自复位和自保持两种。三位阀的阀芯除了可以停在阀体的两端外，还可有一个中间位置。
气动阀通过气压信号切换阀芯，分成直接作动式和间接作动式两种，气动阀犹如去掉了电磁线圈后的电磁阀。由于采用气压信号控制，所以动作慢，不能指望像电磁阀那样高速动作，但寿命一般都较长。气动控制阀与电磁阀的区别是不用电磁铁，因而控制信号不是电信号而是气压信号，常用于防爆场合或不用电的简易生产线上。
2. 单向阀
进气口进气口图2.1出气口出气口当有气流从进气口进入压迫弹簧下移打开阀门使气流通过,反向从出气口进气则不能从另R一端口获得输出. RA1图1A2图2.2P图2P
如图2.1单向阀只允许气流沿一个方向流动而不能反向流动。单向阀用在气路中
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需要防止空气逆流的场合，还可用在气源停止供气时需要保持压力的地方。梭阀相当于两个单向阀合成，有两个进气口，一个出气口，因而无论哪个进气口进气，出口总有输出，且出口总和压力高的进气口相联。双压阀则是“与”的功能，只有两口均有气流时才会使出口有输出。
图2.2为快速排气阀的工作原理。当P腔进气后，活塞上移，阀口2开，阀口1闭，P A接通。当排气时，活塞下移，阀口2闭1开，A R接通，管路气体从R口排出。快速排气阀主要用于气缸排气，以加速气缸的动作。 二、
流量控制阀
在气动系统中，如要对气缸运动速度加以控制或需要延时元件计时时，就要控制压缩空气的流量。在流量控制时，只要设法改变管道的截面就可。
流量控制阀分为节流阀，速度控制阀和排气节流阀数种等。 1．节流阀
可调式节流阀依靠改变的流通面积来调节气流。 2．速度控制阀
速度控制阀由节流阀和单向阀组合而成。故而又叫单向节流阀，通过调节流量达到控制执行元件速度的目的。 三、
压力控制阀
压力控制阀是利用阀芯上的气压作用力和弹簧力保持平衡来进行工作的，平衡状态的任何破坏都会使阀芯位置产生变化，其结果不是改变阀口开度的大小（例如溢流阀、减压阀），就是改变阀口的通断（例如安全阀，顺序阀）。 1. 溢流阀
溢流阀由进口（P）处的气压压力控制阀芯动作，当进口处压力达到预设值时阀芯克服弹簧力动作使得进、出口导通，从而实现溢流作用。如图2.3(a)所示。
PPPPP＜P预图3P＞P预P＜P预图3P＞P预 图 2.3(a) 图 2.3(b) 2.减压阀
减压阀则是由出口处压力驱动阀芯，当出口处压力达到预设值时阀芯克服弹簧力
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动作使得进、出口截断，从而实现减压作用。如图2.3(b)所示。 四、执行元件
气动系统中将压缩空气的压力转换成机械能，从而实现所要求运动的驱动元件，称为执行元件。它分为气缸和气动马达两大类。相对于液压和机械传动，它结构简单，维修方便。但由于压缩空气的压力通常为0.3-0.6Mpa故而输出力小。
气缸是用压缩空气作动力源，产生直线运动或摆动，输出力或力矩做功的元件。 主要气缸主要类型和特点见附表2。
2.3 气动回路
（一）回路设计基础
1）路的构成（图2.4）
驱动部分气源空气压缩机气源处理装置过滤器油雾器压力控制阀方向控制阀电磁阀气控阀流量控制阀速度控制阀驱动装置气缸减压阀电源操作装置按钮按钮阀选择开关指示装置控制回路PLC继电器回路检测装置限位开关光电管限位阀接近开关传感器指示灯蜂鸣器控制部分检测部分图2.4
图42）控制方式 （二）驱动回路
2.3.1 驱动气缸的基本回路
在通常使用的气缸中有单作用气缸和双作用气缸。以下介绍驱动这些气缸的基本回路。
1）单作用气缸只在一个方向上的运动靠压缩空气驱动，靠弹簧力的作用回程。
单作用气缸速度控制阀换向阀气源三联件图5图2.5
2)图2.5为使用单作用气缸作往复运动的气路图。换向阀（电磁阀）使用二 14
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位三通阀。换向阀的P口与气源净化装置相连接，A口与气缸相连接。速度控制阀接在换向阀与气缸之间。速度控制阀有方向性，连接时不可接反。 回路的动作动原理如下：
在初始位置时，P口封闭，气缸的气缸盖一侧通过速度控制阀的单向阀和换向阀直接与大气相通。气缸活塞靠弹簧力的作用停止于完全缩回的位置.当电磁阀通电换向时,气源通过速度控制阀给气缸供气,压缩弹簧使活塞前进.调整速度控制阀节流孔的大小,可以控制活塞前进速度.当电磁阀断电恢复到初始位置时,P口再次封闭,气缸内空气排出.活塞在弹簧力作用下后退并返回原点.这时气缸的速度不能控制. 2）双作用气缸的驱动回路
图2.6为使双作用气缸作往复运动的气路图。换向阀使用二位五通阀（二位四通阀也可以），换向阀的P口与气源静化装置相连接。A口与气缸杆一侧的接口相连，B口与气缸盖一侧的接口相连。速度控制阀接在换向阀与气缸之间（注意方向与单作用气缸时相反）。
在初始位置时，P口与气缸杆一侧相通，另一方面，气缸盖一侧通过换向阀与大气相通。这时气缸活塞处于后死点的位置上。当电磁阀通电换向时，气缸盖一侧通压缩空气，气缸杆一侧空气排出，活塞前进。活塞的速度由速度控制阀①调整。当电磁阀断电回到初始位置时，气缸杆一侧充气，气缸盖一侧排气，活塞后退。后退的速度由速度控制阀②调整。
双作用气缸速度控制阀2速度控制阀1A换向阀R1P图6R2B图2.6
2.3.2 气缸的速度控制回路 基于不同的目的和条件，可使用各种回路对气缸进行速度控制。下面介绍通常使用的基本回路。
b) 入口节流式
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电磁阀侧AS1211F换向阀侧气缸侧气缸侧限入型（入口节流）图2.7 图7这种方式通过调节供给气缸的流量，对气缸的速度加以控制。图2.7示出了这种方式的路图。来自换向阀的空气流过速度控制阀时，单向阀关闭，气流只有通过节流阀流向气缸，因为节流阀是可调的，所以通过调整节流阀便可设定气缸活塞的速度。气流反向流动时，即从气缸一侧流向阀一侧时，单向阀打开，空气流量不受控制（自由流）。
在入口节流方式中，气缸出口一侧排气较快，因而容易受到所供气压变动的影响。对于所加负载为变动负载的情况，速度稳定性差，因而除了特殊回路（例如防止失控回路等），一般都采用下面将要介绍的出口节流式。
电磁阀侧AS1201F气缸侧限出型（出口节流）换向阀侧气缸侧图2.8
c) 出口节流式 图8这种方式通过调节气缸的排气流量来控制气缸速度。图2.8示出了这种方式的回路图。注意，速度控制阀的方向与入口节流式相反。来自换向阀的空气流过速度控制阀时，单向阀打开，于是成为自由流，气流在不受控制的情况下流向气缸。而来自气缸一侧的空气使单向阀关闭，由节流阀调节流量，从而控制气缸活塞的速度。
在气缸的两个口都按出口节流式连接速度控制阀时，活塞靠两侧的压差（由排气一侧的速度控制阀调整）动作。因此，在负载变动的情况下，它比入口节流方式有更好的速度稳定性。出口节流是应用得最普通的方式。
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d) 排气节流式 这种方式是将节流阀连接在换向阀的排气口上，调节排气的流量来控制气缸的速度。因为气缸的进气气流不经过节流阀，所以不需要单向阀。在调节排气流量来实现速度控制这一点上，它同出口节流式完全相同，不过，如果气缸与换向阀之间的管路较长，这一部分就成了气罐，使回路的响应变差，负载变动时，速度就会不稳定。
图2.9为排气节流式的回路图。 2.3.3 气动回路的基本回路，
应用各种机能不同的电磁换向阀，可以构成不同的驱动回路。下面介绍几种基本的驱动回路。
e) 单作用气缸的往复动作回路
图2.5所示的即为单作用气缸的往复动作回路。但由于它是采用单向的入口节流方式，所以气缸活塞的速度只有在伸出时受到控制。如果希望在缩回时（靠弹簧力作用）控制其速度，可以在换向阀与气缸之间，再反向串联一个速度调节阀，构成出口节流调速，或是在换向阀的R口上连接一个节流阀，构成排气节流方式。
f) 双作用气缸往复动作回路
图2.6所示的即为双作用气缸往复动作回路。
这个回路中，使用的电磁阀是单电磁铁弹簧复位的，线圈通电时气缸伸出并保持在前死点位置。一旦断电，电磁复位，气缸马上后退。
图9图2.9 所以，它适用于遇到紧急情况（例如电源断电）希望气缸活塞返回初始位置的场合。 g) 带自保持功能的双作用气缸往复动作回路
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双作用气缸速度控制阀2速度控制阀1A换向阀R1PR2图2.10 B若希望在遇到紧急情况时气缸活塞能保持现行位置，可采用图2.10所示的图10回路。
与图2.6相比，这个回路只是用带自保持功能的双电磁铁电磁阀代替了弹簧复位的单电磁铁电磁阀。这种电磁阀在一侧线圈通电切换后，它可以在遇到紧急情况（例如电源断电）时立即停止不动。
这种回路普遍用于卡紧物体或抓持重物的气动路中。 h) 双气源供气回路
双作用气缸速度控制阀2速度控制阀1A换向阀R1PR2线圈1双作用气缸BAR1BR2P线圈2图2.11图11图12图2.12 这是将气源分别连接到二位五通阀的R1、R2接口上使用的回路。P口为公共排气口，气缸与电磁阀之间的连接与通常的连接相反。图2.11示出了其回路图。
在诸如用气缸升降重物等场合，当气缸伸出、缩回时，负载会有较大的不平衡。这时可采用这种双气源供气回路。一般只对一个供气口（气缸上无负载作用的一侧）的压力进行减压，以取得压力（包括负载）平衡.由于一般调压阀空气不能反向流动,所以调压阀应接在电磁阀之前.此外,并不是所有种类的电磁阀都允许从R口供气,使用时要注意选择可从R口供气的电磁阀. e) 中途位置停止回路(中位封闭式)
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图2.12示出了使用中位封闭式三位五通换向阀使气缸在中途任意位置停止的回路。
如果让线圈①，②交替通电，断电，那么，同使用二位五通阀时一样，气缸活塞将作往复运动。在活塞运动过程中，如果两个线圈都断电，则电磁阀靠弹簧作用返回中位，接口全部被封闭。气缸靠推力差（包括负载的气缸盖一侧同气缸杆一侧的推力差）少许移动一段后停止。当无负载时，气缸杆一侧活塞的受压面积较小，所以气缸活塞往气缸杆一侧移动。停止后，如果气缸、配管、电磁阀没有泄漏，活塞将保持在停止位置上，当线圈①或②再次通电时，活塞重新做前进或后退。这样，虽然可以让活塞在中途停止，但由于空气有压缩性，所以不能期望有较高的停止精度。此外，有的电磁阀（滑阀）允许有一定的泄漏，所以在长时间停止于中位时，活塞会缓慢的漂移运动。在回路中添加锁紧回路（由双个气控单向阀构成）可避免这种现象。
这种回路适用于对停止位置精度没有要求，停止后不希望活塞能自由移动的场合。 i) 中途位置停止回路（中位排气式）
双作用气缸ABR2P线圈2A线圈1BR2P线圈2线圈1R1R1图2.13图14图2.14 图13 本回路同e）节所介绍的回路基本相同，但使用中位排气式的三位五通阀。图2.13是它的回路图。当两个线圈都有断电时，气缸活塞两侧分别通过A,R1口和B,R2口接通大气。气缸活塞上两侧压力消失。当外力施加于气缸杆时，活塞将移动。这种回路适用于停止后希望允许外力拖动气缸的场合。
不过，在停止的状态下，如果线圈通电，由于在通电瞬间气缸内没有压力，出口节流不起作用，会使活塞突然快速运动。这种现象称为飞缸。为避免飞缸现象，可将调速方式改为入口节流式，但最好使用下面介绍的双气源供气的回路。
j) 中途位置停止回路（双气源供气回路）
本回路与d）节所介绍的一样，是双气源供气回路，它使用中位排气式三位五通阀，图2.14是它的回路图。本回路驱动气缸活塞运动方面与e）节与f）节所介绍的回路基本相同，若在运行中途，电磁阀两个线圈全都断电，则由R1R2口分别向气缸
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两侧供气，从两侧向活塞加压。这时，靠调压阀设定压力，以取得包括负载在内的推力平衡。这样，便抵消了由于加在气缸上的负载以及受压面积的不同所引起的推力差，使活塞中途停止。
由于活塞两侧推力平衡，所以对活塞杆施加外力时，可拖动活塞运动。又由于活塞两侧始终保持一定压力，所以在线圈通电瞬间不会出现飞缸现象。需要注意的是，所使用的电磁阀应选用允许从R1R2口供气的。还要根据加在气缸上的负载作用力的方向，考虑调压阀应安装在R1还是R2口上。 2.3.4 气动回路应用回路
在气动回路中有各种应用回路，它们都是根据不同的使用目的而作了周密考虑的。下面介绍一些常用的实例。 1）快速回路（快速排气回路）
这种回路用在当系统的功能要求气缸高速动作的场合，或者希望缩短循环时间的场合。图2.15示出了用快速排气阀使气缸活塞实现快速后退的回路图。
电磁阀侧排气侧SMC快速排气阀气缸侧AR1PBR2图2.15 图15气缸前进时，由速度控制阀进行速度控制，后退时，不通过电磁阀而由快速排气阀将气缸盖一侧的空气直接排出，以提高活塞回程速度。这时，供气一侧（活塞杆一侧）也需要有足够大的气流量，所以速度控制阀接出口节流方式连接。 2）速度可变回路（两级变速回路）
在双作用气缸往复运动基本回路上添加几个元件便可构成两级变速回路。图2.16示出了前进时两级变速控制回路。
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速度控制阀A213气液变换器BR2P①R1②AR1P图16BR2电磁阀图2.16图17 图2.17 气缸活塞前进时，如果电磁阀②不通电，活塞的速度由速度控制阀①控制。当电磁阀②通电时，气流不仅通过速度控制阀①，而且通过速度控制阀②。排气阻力下降，气缸活塞前进速度增加。适当的调整两个速度控制阀，可获得合适的快、慢速进给速度。一般地，调整速度控制阀时，阀②比阀①要开得大些。
由于快慢速度是由电磁阀控制切换的，所以完全可以在行程中途实现变速，即由低速切换到高速，或由高速切换到低速。此外，也可以将电磁阀改为机械阀，靠安装在气缸活塞杆上的撞块直接实现高低速切换。 3）低速控制回路（气液回路）
由于气体有弹性，使用纯气动回路很难实现气缸活塞的低速运动，这时可以采用气液回路。图2.17是气液低速控制的回路图。
将电磁换向阀的A、B口分别连接两个气液变换器，使变换器同油缸之间充满液压油。用液压速度控制阀调整油的流量即可控制油缸活塞用很低的速度运行。该回路既利用了气动系统的简便性，又利用了液压系统良好的控制性能。
变换器的容量要大于油缸的容积，使行程变化过程中对油的增减能在变换器内得到补偿。此外，液压部分中不能有残留的空气，否则控制将变得不稳定，所以使用前要充分排气。再有如使用的油缸在两个油腔间有少许泄漏，则需要采取一些措施，如在两个变换器之间设置用来调整液面的补偿回路。
如果在液压油路上加装上电磁截止阀，就能构成精密定位回路。 3）精密定位回路
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ACB气缸制动器换向阀AR1B上升R2PAR1图2.18BR2P 图2.19 图18图19这是直接靠气动实现精密定位的回路。它不需要液压回路。图2.18示出了这种回路，其中气缸采用ACB型带制动器气缸，驱动气缸的电磁阀使用三位五通阀（中位排气式）。与中途停止的双气源供气回路一样。因回路上增加了制动控制回路，回路中的电磁换向阀一般直接安装在ACB气缸上，使用时只要在P口上接上气源即可。靠调压阀（减压阀）取得气缸的平衡。制动时通过使制动器换向阀断电使气缸的制动机构动作，将气缸活塞固定在中途任意位置上。在控制电路中，要使气缸活塞运动，应先使制动器电磁阀通电解除制动，少许延时后再接通换向电磁阀驱动活塞运动。
要想进一步提高定位精度，可以回路中添加两级变速回路，使活塞在定位停止前先切换到低速运行状态。 5）安全锁定回路
在某些带有固定重量负载的机械装置，（例如气动压力机），希望在系统失去供气压力时能使气缸活塞锁定在行程端部，可以使用安全锁定回路，其中气缸使用带锁定装置的特殊气缸，电磁阀使用二位五通阀。图2.19示出了回路图。
该回路与双作用气缸往复动作回路完全相同。反复动作的控制也完全相同。 气源压力消失时，活塞也能在行程上死点锁住（防止下落）
要注意，当气缸从无气压状态重新启动时，直接向气缸盖一侧供气不能使活塞动作，这是因为锁定机构的锥形导杆压住了锁定活塞杆，使其不能缩回的缘故。劳动好象，当重新启动气缸时，应先向活塞杆一侧供气，再向气缸盖一侧供气。
这个回路只能把活塞锁紧于行程末端。如果需要在行程中途任意位置锁紧洗塞，可采用带制动器的ACSP型气缸，回路的形式与图2.16所示回路完全一样。
2．4 气动技术的优点特点
1）.气动技术有以下优点：
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(1)结构简单轻便、方便安装维护t
(2)输出速度一般在50一500mm／s，速度快于液压和电气方式， (3)对冲击负载和负载过载的适应能力较强；
(4)可靠性高、使用寿命长、安全无污染且成本较低。 2）.气动技术有以下特点：
(1)结构装置简单、轻便，易于安装和维护，且可靠性高、使用寿命长；
(2)工作介质大多是采用空气，来源方便，而且使用后直接排出的气体，既不污染环境，又能适应“绿色生产”的需要；
(3)工作环境适应性强，特别是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、振动等恶劣的场合； (4)气动系统易于实现快速动作，输出力和运动速度的调节都很方便，且成本低，同时在过载时能自动保护；
(5)压缩空气的工作压力一般在O．4～O．8 MPa，故输出力和力矩不太大，传动效率低，且气缸的动作速度易随负载的变化而变化。
本章小结
本章主要论述了数控机床中气动技术的相关知识通过介绍了解气动技术的基本概念，熟悉了气动元件的分类选定以及简单的应用，阐述了气动技术中气动回路的相关知识。气动技术在现代工业使用中的优点及特点。
第三章 气动技术在数控中的应用发展
3.1 数控系统的分类
一、按被控机床的运动轨迹分类 1.点位控制数控系统:
控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。
2.直线控制数控系统：
不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线，且在移动中工具能以给定的进给速度进行加工，其辅助功能要求也比点位控制数控系统
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多，如它可能被要求具有主轴转数控制、进给速度控制和刀具自动交换等功能。此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。 3.轮廓控制数控系统：
这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。 二、按伺服系统分类
按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类： 1.开环控制数控系统：
这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件，CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电／断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构(齿轮箱，丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。
2.半闭环控制数控系统：
位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。
3.全闭环控制数控系统：
位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态很难达到。 三、按数控系统功能水平分类
1.经济型数控系统：又称简易数控系统，通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，如：经济型数控线切割机床，数控钻床，数控车床，数控铣床及数控磨床等。
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2.普及型数控系统：通常称之为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准。
3.高档型数控系统：指加工复杂形状工件的多轴控制数控系统，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。用于具有5轴以上的数控铣床，大、中型数控机床、五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。
3.2 气动系统的分类
气动伺服系统的根据构成有以下几种方式：
（1）以气动伺服阀为控制元件构成系统，这种方式性能最好，但由于气动伺服阀结构复杂、价格较高、使用条件苛刻，一般的应用场合难以接受；
（2）以气动比例阀为控制元件构成系统，气动比例阀随着比例电磁铁技术的日益成熟，已出现商品化产品，且价格适中；
(3)以气动开关阀为控制元件，配合以PWM、PCM、PNM等控制方式构成系统，气动开关阀成本最为低廉，因此这方面的应用研究比较多。 根据气动伺服系统按功能一般可分为： (1) 位置控制系统 (2) 速度控制系统 (3) 力控制系统
(4) 位置与力复合控制系统
其中，位置控制系统和力控制系统应用研究比较多，速度控制系统应用研究比较少。
3.3 应用举例
3.3.1数控加工中心气动换刀系统
加工中心自动换刀系統是在加工的过程中做加工刀具交换的重要角色，要是沒有它，那更换刀具的工作，將是非常辛苦又危险的差事。因此气动技术在数控中起到了关键作用。该系统在换刀过程中实现主轴定位、主轴松刀、拔刀、向主轴锥孔吹气和插刀动作。表二为其换刀过程的电磁铁动作顺序表。
数控机床发出换刀指令，主轴停止旋转，4YA通电，压缩空气经气动三联件1、换向阀4右位、单向节流阀5进入定位缸A的右腔，其活塞向左移动，主轴自动定位。 定位后压下无触点开关，6YA通电，压缩空气经换向阀6右位、快速排气阀8进入气液增压器B上腔，增压器的高压油使其活塞杆伸出，实现主轴松刀。
松刀的同时，使8YA通电，压缩空气经换向阀9右位、单向节流阀11进入缸C的上腔，其活塞杆向下移动，实现拔刀动作。
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回转刀库交换刀具，同时1YA通电，压缩空气经换向阀2左位、单向节流阀3向主轴锥孔吹气。
吹气片刻1YA断电、2YA通电，停止吹气。8YA断电、7YA通电，压缩空气经换向阀9左位、单向节流阀10进入缸C下腔，其活塞杆上移，实现插刀动作。
之后，6YA断电、5YA通电，压缩空气经阀6左位进入气液增压器B下腔，其活塞退回，使刀具夹紧。
4YA断电、3YA通电，缸A活塞在弹簧力作用下复位，回复到初始状态，至此换刀结束。
表二 电磁铁动作顺序表 主轴定位 主轴松刀 拔刀 ＋ ＋ ＋ － ＋ ＋ － ＋ ＋ － 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 向主轴锥孔吹气 ＋ 插刀 刀具夹紧 复位 － 3.3.2 CA6140车床卡盘数控气动改造
卡盘用螺钉安装于主轴前端,回转气压缸用螺钉通过连接套安装在主轴后端,随主轴一起旋转,当气压缸中的活塞作往复移动时,通过空心拉杆拉动滑体往复移动,卡爪滑座与滑体以斜楔接触,滑体的往复移动带动卡爪在卡盘上的T形槽内作径向移动,从而可夹紧、松开工件。气压卡盘可装夹轴类、盘类、套类零件。气压卡盘当加工易于变形的薄壁套类零件时,会因夹紧力过大,造成工件的夹紧变形。为解决这个问题,设计气压卡盘为双级压力控制。气压卡盘夹紧力的大小可利用减压阀进行调整。
CA6140车床数控改造中气压控制系统即主轴自动变速气压控制系统和气压卡盘自动松夹控制系统
1.实现分段无级变速的气压控制系统采用气压拨叉带动可滑移双联齿轮移动,实现高档、低档变速。即用三位四通电磁换向阀控制气压拨叉,实现高档、低档、空档3个工作位置;采用双作用单杆活塞气压缸作为主轴变速气压缸,用法兰尾部安装固定在
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主轴箱中原来的轴左边位置,在主轴箱的后端增设一个导向套,引导主轴变速气压缸活塞杆运动,在活塞杆上安装有挡铁,与感应开关作用后发出电信号,转换成电磁阀动作,结束换档。为了解决气压拨叉在换档进行啮合过程中可能发生的顶齿问题,采用了数控系统控制主电机慢速转动或抖动的办法。
通过对车床的数控改造,尤其是在卡盘自动夹紧方面的气压控制,取得了良好效果: 1.改造后,机床的主运动传动链缩短,传动元件减少,传动误差降低,传动效率提高。集机、电、气于一体,自动化程度高,调速方便。
2.主轴启停、变速平滑。变档有感应元件检测,使齿轮到位正确,故变档可靠。由于使用了变频器,使电动机的启动电流变化小;变频器具有多种保护功能和故障显示功能,如过电压与欠电压、过电流、过热、短路等保护,再加上配以PLC的控制,保证了设备运行安全可靠,故障停机率大大降低。
3. 气动夹具应用于生产中，实践证明，该夹具是一种与数控车床相匹配的和值得推广的高效夹具
3.3.3 气动夹具在数控车床上的应用
介绍一种应用在数控车床上尖待气缸套的气动夹具，它以迅速装卸和自动定心精度高的特点，代替了原来使用的手动胀套夹具。气动夹具，工件以孔和左端面定位。
一气动调压操纵阀=活塞气缸一联接体一联杆一过渡盘-夹具体一滑套一滑柱-薄壁套筒一螺钉夹紧工件时，拨动调压操纵阀的操纵杆，使低压空气进人气缸的左腔，气缸的联杆推动滑柱，压力便由液性塑料传递给套筒的薄壁部分而将工件定心和夹紧。放松工件时，回拨操纵杆，气,右腔进人低压空气，左腔气体排出并进入大气中，联杆和滑柱回到原来的位置，薄壁套筒也恢复原状，此时即可取出工件
气动夹具克服了原胀套夹具的缺点，使同轴度提高到0.03mm以内;采用气动联动方式，使松夹动作仅用2一3秒钟;利用气动调压阀调定了气压值，不仅保证了加工后的精度，而且确保了薄壁套筒不致胀裂或产生塑性变形。 3.3.4 除切屑装置
该装置用于金属切削机床上，当工件完成切削工步时，可自动吹干净切削。气动定
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时器用于控制气流喷射时间。
3.4 数控机床使用气动技术的几大优点：
在数控机床中，由于易实现高频率换向、可大范围调速、节省空间体积、简化机床结构等特点，气动技术主要应用于以下装置中：
1、机床部件的移动，主要用于进给运动传动，如主轴、工作台的移动等。 2、数控机床中的辅助装置中，如固定循环、自动换刀、工作台的夹紧松开、自动门的开合、吹气、工件夹紧、工件的自动上、下料、搬送堆放等处，可以缩短加工辅助时间，减轻工人劳动强度，充分发挥数控设备的高效性能。
3、自动吹屑，如工件、交换工作台、工具定位面等处。
4、运动部件的平衡，如主轴箱的重力平衡、机械手、刀库的平衡装置等。 5、检测功能，如工件位置的确认、刀具缺损的确认等。
3.5 气动技术在数控中的发展趋势
随着IT工业、通信技术、传感技术的不断发展，以及新技术、新产品、新工艺、新材料等在工业界的应用，气动元件、气动技术数控中作为主机配套的重要基础件也发生了革命性的变化。主要体现在标准化、微型化、模块化、集成化、系统化、智能化、状态监测/可诊断等方面。
1）标准化
国际上的气动标准经过一段时间的磨合后，已趋向理性和成熟。尤其是2004年后，国际气动标准委员会先后推出了ISO15552标准（直径32～直径320mm普通型汽缸）、ISO21287标准（直径20～直径100mm紧凑型汽缸）及ISO 15407标准（18mm、26mm阀宽的两位五通板式连接界面尺寸标准）。对于气动驱动器而言，新的ISO15552标准、ISO21287标准，结合过去ISO 6432标准，使得占整个汽动驱动用量80%以上的汽缸都归入了ISO标准的范畴。同样，对于电磁阀而言，新的ISO 15407标准，结合过去ISO
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5599/1-2标准（1～6号阀的两位五通板式连接界面尺寸标准），也使得占整个电磁阀用量55%以上的板式电磁阀归入了ISO标准的范畴。
汽缸和电磁阀作为气动技术的基础产品，它的标准化将大大影响气动产品质量和气动技术的应用发展，例如：模块化（该导向装置是否符合ISO15552标准汽缸的连接安装界面）、集成化（阀岛上电磁阀连接安装界面）、系统化（可使符合标准汽缸相互组合最大化）等。
2）微型化
微型化是指在不影响元件功能的前提下，尽可能使气动元件尺寸紧凑，小型化。比如，驱动器内置高精度的滚珠导轨、零壁厚的片状电磁阀、低功耗（耗气、耗电）等。这是当前气动技术向微型化发展的一个重要方面。与此同时，作为整体发展规划的“微气动技术”已在国际上各大公司悄悄展开，以适应高精尖电子时代的需求。
3）模块化
模块化是气动元件发展的一种趋势，无论是控制阀还是气动执行元件。过去，人们认为把控制阀设计成模块化十分必要；但对于气动执行元件考虑较少。如今，气动执行元件的模块化已经逐渐成为一种趋势，设计人员只需要查找产品样本中驱动器允许的推力、行程、许用径向力F、许用扭矩M等数据，分析其是否能满足实际工况要求，不必再设计带导轨的驱动机构。采用模块化的气动执行元件极大缩短了设计人员在自动流水线的设计制造、调试及加工的周期，既方便了生产厂商（大大降低了安装、转换生产和维修所花费的时间、费用，并确保生产质量），又保证了市场需求。这是自动化生产对市场快速应答的一种需求。商品生产厂家可在最短的时间内，针对不同批量、尺寸、型号的订货商品，模块化产品通过在自动生产线上稍加改动或添置，就可立即投入生产，非常方便。
4）集成化
之所以称气动技术为精密技术，集成化是一个重要的原因。气动技术不单单是机械上的改进、升级，目前的气动元件已牵涉到各种技术的互相融合和精确的配合。常见的是气动与电子、传感器、通信、日益壮大的机电一体化等其他技术的紧密结合。气动元件在集成化方面进步很大。气动技术在对待集成化方面的观念与对标准化、微型化、模块化、系统化、智能化一样，不断更新、不断进步。一种完全崭新的工业设计思想：紧凑、智能、集成化、模块化、可靠、方便，所有的思想来自应用的需要以及即插即用。因此，过去根本意想不到的具有综合特性的集成化气动产品不断涌现出来。预计将来新的集成化气动产品会更多地替代传统的气动元件。
5）系统化
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几十年来，气动技术一直因为其结构简单和可靠耐用而闻名于世。气动技术的领先者不仅在不断地将一些复杂功能集成到气动元件中，下一步着重推出的更是系统整体解决方案。也就是说，用户不必再考虑如何选择气动元件，如何装配、调试，而是你把需求提出来，你就可以得到它，应用到你的系统，即插即用（插上气源、电源就可使用）。许多国际上的大公司，已经提出“我们不仅仅是卖产品，我们提供的是系统化的解决方案”的理念。一些企业也正在提供一种“即插即用”的产品给客户。
6）还有一个趋势则是机、电、气混合应用方案，不管用气动控制方案、还是电气控制方案，一切以方便、成本、效果来取舍，今后的系统化更多的将是机、电、气混合方案。
智能化、状态监测/可诊断气动技术的智能化与IT、传感器、通信技术密不可分。上述提到的阀岛技术正越来越趋向于成熟，目前可实现对阀岛的供电、供气故障进行诊断（电源是否关闭或不稳定、气源是否关闭或不稳定）；电气部分的输入/输出模块中的电压不足、通道短路、断路、过载；气动部分电磁阀的电压不足、电磁线圈短路、断路、工作状态控制；传感器-执行器的故障诊断（连接电缆的断开、传感器或执行器的故障）。
未来，气动技术还将不断进步。比如，面对总线断路、通信错误、循环时间错误及程序停止等一些故障的诊断，还将会进一步在阀岛技术中得以体现。预计，随着芯片的大量生产、成本降低之后，将来以太网和微芯片在分散装置中的应用越来越普遍，以太网将成为工业自动化领域的传递载体，他的一端与计算机控制器相接（来自计算机的数据无需转换可直接使用），另一端接到智能元件（如阀岛、伺服驱动装置等）。几千里之外，完全可实现设备的遥控、诊断和调整。
7）随着国内机床的急速增长，生产自动化水平的不断提高，气动技术在机床行业的发展趋势将主要表现在以下几个方面：
一、标准化
为了便于紧急维护维修，现在的用户一般会要求产品具有可替换性，甚至连安装件也都要求标准件，因此，符合ISO、VDMA、NFE等标准的产品将持续稳定增长。
二、无油化、更环保
国外设备普遍采用由过滤器、减压阀和不供油润滑的阀、气缸等组成的无给油润滑气动系统，这种系统在元件需要润滑处预先封入润滑脂，无需油雾器，可长时间工作而不需补充润滑脂，可降低油耗、改善环境、成本低、维修方便、性能稳定。
三、紧凑化、模块化、集成化
现在的设备要求在有限的空间内实现更多的功能，因此对于气动元件的尺寸也要
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求越来越紧凑、集成，促使了大量新产品的研发与制造。
四、智能化、网络化
伴随着数控机床的智能化、网络化的发展趋势，应用于机床行业的气动技术的智能化、网络化也就成为必然。
五、高寿命、高可靠性
降低故障率的最有效方法是使用可靠性好、寿命长的产品，如上文所提到的精密密封滑柱阀，采用间隙密封，滑柱阀套经硬质阳极氧化处理，使用寿命可达两亿次以上，还有IP65的防尘防水等级，可实现长期无故障使用，就是此类产品的典范。
本章小结
本章主要介绍了气动技术在数控机床中的应用及发展，并列举了多个具有实际意义的成功例子，阐述了气动技术在这一领域的发展方向趋势。
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结 论
从1952年第一台数控机床在美国问世，至今已有40多年的历史，计算机数控（CNC）从70年代中期出现，到现在也已有20多年了，数控技术日趋成熟。特别是近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与CNC技术的紧密结合，使得开发和生产CNC系统的技术被越来越多的自动化装备生产厂所掌握。因此，就当今全世界范围来说，CNC技术已经不再被少数几个国家的几个CNC系统生产厂所垄断。到80年代末，几乎每个工业发达的国家都有了自己的数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所需要的数控系统。甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产品，并部分出售数控系统。因此，CNC系统生产厂之间的竞争为激烈，数控技术的发展进入了新的阶段。现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。制造业的竟争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竟争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竟争，将面临知识——技术——产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强。因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竟争和生存、发展的主要手段。气动技术作为自动化柔性生产重要基础的数控机床在生产机床中所占比例将越来越多。
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参考文献
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致谢
在本论文的写作过程中，我的导师付老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。
这个论文选题对于我的意义在于它引导我用学习期间所学的知识方法对一个我喜欢的行业进行摸索和研究，透过现象去挖掘和探讨现象背后的原因。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。 当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，在经历了找工作的焦灼、写论文的煎熬之后，感觉好像一切都尘埃落定，即将给自己的学生时代和校园生活划上一个分号，之所以说它是分号，是因为我对无忧无虑的学生生活还有无比的怀念，对单纯美好的校园生活还有无比的向往。这只是我生命中的一个路口，并不是终点，我始终相信青春不会散场，坚信有一天会重返校园，以学生或老师的身份去延续这种快乐和幸福。
感谢我的母校黑工程尤其是机电系所有的老师们,在这片净土读书七载，无形中塑造了我生命的气质、生活的方式，也练就了我乐观的心态和一颗感恩的心。
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