项目八加工中心气动控制系统的安装与调试.docx
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项目八加工中心气动控制系统的安装与调试
项目八加工中心气动控制系统的安装与调试
学习任务一：
气动系统的基本认识
【学习目标】
§8.1.1气动系统概述
【知识链接】
一、气动技术
气动（PNEUMATIC）是“气动技术”或“气压传动与控制”的简称。
气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或控制的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。
二、气动系统的构成
现以客车门开关机构来说明气动技术的工作原理。
如图8-1-1a）所示为客车门工作机构图，它是利用压缩空气来驱动气缸从而带动门的开关，当气缸活塞杆伸出，门就关上；气缸活塞杆收缩，门就打开。
如图8-1-1b）和c）所示分别是以各个气动元器件的功能符号来表示的气动系统的组成及控制方法。
a）客车门工作机构图b）纯气动控制c）气动与电动控制
图8-1-1客车门控制示意图
从这两种控制方式可以把气动系统的基本组成归纳如下。
（1）气源装置：
主要是把空气压缩到原来体积的1/7左右形成压缩空气，并对压缩空气进行净化处理，最终向系统提供洁净、干燥的压缩空气。
（2）执行元件：
是以压缩空气为动力源，将气体的压力能再转化为机械能的装置，用来实现既定的动作。
气动系统常用的执行元件为气缸和气动马达或摆动马达等。
（3）控制元件。
用来调节和控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行机构完成预定的工作循环。
它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。
（4）辅助元件。
连接元件之间所需的一些元件，以及系统进行消声、冷却、测量等方面的一些元件。
三、气压传动的优缺点
1．优点
气压传动具有以下独特的优点：
1）空气作为气压传动的工作介质，取之不尽，来源方便，用过以后直接排入大气，不会污染环境。
2）工作环境适应性好。
在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统工作都是安全可靠的。
3）空气粘度小，流动阻力小，便于介质集中供应和远距离输送。
4）气动控制动作迅速，反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。
5）气动元件结构简单，易于加工，使用寿命长，可靠性高，易于实现标准化、系列化、通用化。
2．缺点
当然，由于气动技术是以压缩空气作为工作介质，必然存在一些缺点：
1）由于空气压缩性大，气缸的动作速度易随外加负载的变化而变化，稳定性差，给位置和速度控制带来较大影响。
2）目前气动系统的压力级（一般小于0.8MPa）不高，总的输出力不大。
3）工作介质（空气）没有润滑性，系统中必须采取措施进行给油润滑。
4）气动元件在工作时噪声较大，因此高速排气时需要加装消声器。
当前的自动化系统中，气动技术虽然发展历史不长，但由于其优越的特性，其应用范围已越来越广泛。
在自动化生产线，尤其是在汽车制造业、电子半导体制造业等工业生产领域有着广泛的应用。
§8.1.2压缩空气站
【知识链接】
气动系统工作时，工作介质（空气）中水份和固体颗粒杂质等的含量决定着系统能否正常工作。
自然界的空气是一种混合物，主要由氧、氮、水蒸气、其他微量气体和一些杂质等组成，不同的环境和气候条件下，空气的组成成分还不同。
因此，在气动系统中必须对空气进行压缩、干燥、净化等处理。
对空气进行压缩、净化，向各个设备提供洁净、干燥的空气的装置称为压缩空气站，如图3所示，它主要由空气压缩机、后冷却器、油水分离器、储气罐、过滤器、干燥器等组成。
1-空气压缩机；2-后冷却器；3-油水分离器；4、7-贮气罐；5-干燥器；6-过滤器
图8-1-2压缩空气站净化流程示意图
在图8-1-2中，l为空气压缩机，用以产生压缩空气，一般由电动机带动。
其吸气口装有空气过滤器以减少进入空气压缩机的杂质量。
2为后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。
3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。
4、7为贮气罐，用以贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。
5为干燥器，用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。
6为过滤器，用以进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。
贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统（如气动仪表及射流元件组成的控制回路等）。
一、空气压缩机
空气压缩机简称空压机，是将空气压缩成压缩空气的装置，它将电动机的机械能转化成压缩空气的压力能。
（1）空气压缩机的工作原理
图8-1-3所示为立式单级活塞式空气压缩机，图8-1-4所示为常见空压机的实物图。
立式单级活塞式空压机的工作原理与液压泵类似。
1-活塞；2-气缸；3-排气阀；4-排气管；5-空气过滤器；6-进气管；7-吸气管
图8-1-3立式单级活塞式空气压缩机
图8-1-4常用空压机实物图
（2）空气压缩机的选用
空气压缩机的分类见表1，通过缩小气体的体积来提高气体压力的压缩机称为容积型压缩机。
提高气体的速度，让动能转化成压力能，来提高气体压力的压缩机称为速度型压缩机。
现常用的以容积型居多。
表8-1-1空气压缩机的分类
按压力高低分
按工作原理分
低压型
0.2～1.0MPa
容积型
往复型
活塞式、膜片式
中压型
1.0～10MPa
旋转型
滑片式、螺杆式
高压型
＞10MPa
速度型
离心式、轴流式
选用空气压缩机的根据是气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数。
一般空气压缩机为中压空气压缩机，额定排气压力为lMPa。
另外还有低压空气压缩机，排气压力0.2MPa；高压空气压缩机，排气压力为1OMPa；超高压空气压缩机，排气压力为1OOMPa。
输出流量的选择，要根据整个气动系统对压缩空气的需要再加一定的备用余量，作为选择空气压缩机的流量依据。
空气压缩机铭牌上的流量是自由空气流量。
空气压缩机使用注意事项
（1）往复式空气压缩机所用的润滑油一定要定期更换，必须使用不易变质和不易氧化的压缩机油，防止出现“油泥”。
（2）空气必须清洁、粉尘少、湿度低、通风好，以保证吸入空气的质量。
（3）空气压缩机在启动前后应将小气罐中的冷凝水排放掉，并定期检查过滤器的阻塞情况。
二、后冷却器
后冷却器安装在空气压缩机出口管道上，将压缩机排出的压缩气体温度由140～170℃降至40～50℃，使其中水气、油雾汽凝结成水滴和油滴，便于经油水分离器排出。
后冷却器一般采用水冷换热装置，其结构形式有列管式、散热片式，套管式、蛇管式和板式等。
图8-1-5为常用的蛇管式后冷却器。
热压缩空气在浸没于冷水中的蛇形管内流动，冷却水在水套中流动，经管壁进行热交换，使压缩空气得到冷却。
蛇管式冷却器结构镓单，使用、维护方便，适用于流量较小的任何压力范围，应用最为广泛。
1-活塞；2-气缸；3-排气阀；4-排气管
图8-1-5后冷却器
三、油水分离器
油水分离器又名除油器，用于分离压缩空气中凝聚的水分和油分等杂质，使压缩空气得到初步净化。
其工作原理是：
当压缩空气进入油水分离器后产生流向和速度的急剧变化，再依靠惯性作用，将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来。
图8-1-6为常见的撞击式和环形回转式油水分离器。
图8-1-6油水分离器
四、储气罐
贮气罐一般采用焊接结构，以立式居多，其结构如图8-1-7所示。
贮气罐的主要作用是：
（1）贮存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用；
（2）消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性；
（3）进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。
图8-1-7储气罐
1-活塞；2-气缸；3-排气阀；4-排气管
图8-1-8分水过滤器
五、过滤器
过滤器进一步清除压缩空气中的油污、水和粉尘，以提高下游干燥器的工作效率，延长精密过滤器的使用寿命，图9为分水过滤器的结构图和实物图。
选择与使用过器的原则如下：
（1）空气过滤器主要由系统所需的过滤度和额定流量而定。
（2）分水过滤器必须垂直安装，并将放水阀朝下。
（3）分水过滤器可单独使用。
（4）组合使用时安装次序为：
分水过滤器→减压阀→油雾器。
六、干燥器
压缩空气经后冷却器、油水分离器、气罐、主管路过滤器得到初步净化后，仍含有一定量的水蒸气。
气动回路在充排气过程中，元件内部存在高速流动处（如节流阀及换向阀内部的孔口处）或气流发生决热膨胀处，温度要下降，空气中的水蒸气就会冷凝成水滴，故有些场合，必须进一步清除水蒸气。
干燥机就是进一步清除水蒸气的，但不能依靠它清除油分。
吸附法是干燥处理方法中应用最为普遍的一种方法，结构和实物如图8-1-9所示。
图8-1-9吸附式干燥器
§8.1.3气源辅助元件
【知识链接】
一、油雾器
油雾器是一种特殊的注油装置，普通型油雾器如图8-1-10所示。
它以空气为动力，使润湿油雾化后，注入空气流中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的。
1－吸油管；2、10－钢球；3－视油器；4－螺母螺钉；5－密封圈；6－油塞
7－密封垫；8－喷嘴组件；9－节流阀；11－弹簧；12－阀座；13－存油杯
图8-1-10普通型油雾器
油雾器的使用注意事项：
油雾器在使用中一定要垂直安装，它可以单独使用，也可以与空气过滤器、减压阀一起构成气动三大件联合使用，组成气源调节装置，使之具有过滤、减压和油雾的功能。
气动三大件联合使用时，其顺序应为：
空气过滤器→减压阀→油雾器，不能颠倒。
安装中，气源调节装置尽量靠近气动设备，距离不应大于5m。
二、消声器
在气压传动系统之中，气缸、气阀等元件工作时，排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的噪声。
噪声的强弱随排气的速度、排量和空气通道的形状而变化。
排气的速度和功率越大，噪声也越大，一般可达l00～120dB，为了降低噪声可以在排气口装消声器。
消声器就是通过阻尼或增加排气面积来降低排气速度和功率，从而降低噪声的。
气动元件使用的消声器一般有3种类型：
吸收型消声器、膨胀干涉型消声器和膨胀干涉吸收型消声器，常用的是吸收型消声器。
图8-1-11所示是吸收型消声器的结构简图。
这种消声器主要依靠吸音材料消声。
当消声器的通径小于20mm时，多用聚苯乙烯作消音材料制成消声罩，当消声器的通径大于20mm时，消声罩多用铜珠烧结，以增加强度。
其消声原理是：
当有压气体通过消声罩时，气流受到阻力，声能量被部分吸收而转化为热能，从而降低了噪声强度。
图8-1-11吸收型消声器
三、管子、接头
管道连接件包括管子和各种管接头。
有了管子和各种管接头，才能把气动控制元件、气动执行元件以及辅助元件等连接成一个完整的气动控制系统。
图8-1-12所示的是常用的各种气动接头。
管子可分为硬管和软管两种。
如总气管和支气管等一些固定不动的、不需要经常装拆的地方，使用硬管。
连接运动部件和临时使用、希望装拆方便的管路应使用软管。
硬管有铁管、铜管、黄铜管、紫铜管和硬塑料管等；软管有塑料管、尼龙管、橡胶管、金属编织塑料管以及挠性金属导管等。
常用的是紫铜管和尼龙管。
图8-1-12常见气动接头
四、气源调节装置
在实际应用中，从空气压缩站输出的压缩空气并不能满足气动元件对气源质量的要求。
为使气源质量满足气动元件的要求，常在气动系统面前安装气源调节装置。
（1）气源调节装置的组成
气源调节装置是由过滤器、减压阀和油雾器3部分组成的，称之为三联件。
过滤器用于从压缩空气中进一步除去水分和固体杂质粒子等；减压阀将进气压力调节至系统所需的压力；有些应用场合要求在压缩空气中含有一定量的油雾，以便对气动元件进行润滑，用于完成这个功能的控制元件即为油雾器，它可以把油滴喷射到压缩空气中去。
有些品牌的电磁阀和气缸能够实现无油润滑（靠润滑脂实现润滑功能），便不需要使用油雾器。
空气过滤器和减压阀组合在一起可以称为气动二联件。
还可以将空气过滤器和减压阀集装在一起，便成为过滤减压阀（功能与空气过滤器和减压阀结合起来使用一样）。
有些场合不允许压缩空气中存在油雾，则需要使用油雾分离器将压缩空气中的油雾过滤掉。
总之，这几个元件可以根据需要进行选择，并可以将他们组合起来使用。
（2）气源调节装置的符号
图8-1-13和图8-1-14所示为三联件和二联件的实物图及符号，一般在系统图中都以简化符号出现。
a）实物图b）组合符号c）简化符号
图8-1-13三联件实物图及符号
a）实物图b）组合符号c）简化符号
图8-1-14二联件实物图及符号
学习任务二：
加工中心气动控制系统的安装与调试
【学习目标】
【任务分析】
数控加工中心为了实现全自动加工，都需要配自动换刀装置，它的换刀机构常用液压或气动装置来完成。
自动换刀的时间和可靠性直接影响到整个加工中心的质量。
气压传动系统在换刀过程中完成主铀的定位、松刀、拔刀、向主轴锥孔吹气、插刀、刀具夹紧和主轴复位7个动作。
如图8-2-1所示为加工中心气动换刀系统的动作过程：
图8-2-1
要完成加工中心的气动控制系统的安装与调试，实现必须认识气动系统的组成及各部件的功能、原理，对空气压缩机、空气调节装置的使用和保养方法有一定的了解。
【任务实施】
一、识读气源装置
参观学校气动实训室，根据压缩空气站工作流程图，识读气源装置和辅助元件，查阅相关资料，将常见元件的功能和图形符号填写于表8-2-1中。
表8-2-1气源装置各气动元件功能及符号
序号
名称
主要功能
图形符号
1
气源
2
气泵
3
冷却器
4
过滤器
5
空气干燥器
6
压力计
7
空气过滤器
8
油雾器
9
三联件
10
二联件
二、调节输出压力
1．调节空压机的输出压力，使其输出压力为0.8MPa。
2．调节三联件的输出压力，使其进入系统的压力为0.6MPa。
三、气源装置的日常维护及保养
根据学校现有的空压机及三联件，通过查阅相关资料，了解空压机和三联件的主要技术指标及使用注意事项，将日常维护及保养的步骤填写于表8-2-2和表8-2-3中。
表8-2-2空压机日常维护及保养步骤
序号
操作步骤
注意事项
1
2
3
表8-2-3三联件日常维护及保养步骤
序号
操作步骤
注意事项
1
2
3
空气压缩机的日常维护及保养事项如下：
（1）保持机器的清洁。
（2）储气罐的放水阀每日打开一次排除油水。
在湿气较重的地方，每4h打开一次。
（3）润滑油液位每天检查一次，确保空压机正常润滑。
（4）空气滤清器应l5天清理或更换一次滤芯。
（5）不定期地检查各部位螺钉的松紧程度。
（6）润滑油最初运转50h或一周后更换新油。
以后每300h更换新油一次（使用环境较差者应I50h换一次油），每运转36h加油一次。
（7）空气压缩机使用500h（或半年）后请将气阀拆出清洗。
（8）每年请将机器各部件清洁一次。
（9）应定期检查所有的防护罩、警告标志等安全防护装置。
（10）应定期检查空压机的压力释放装置、停车保护装置，检查压力表（半年一次）、安全阀的灵敏性，确保空压机处于正常工作状态。
（11）应定期检查受高温的零部件，如阀、气缸盖、排气管道，清除附着在内壁上的油垢和积碳物。
运转时，严禁触摸高温部件。
四、气动元件的选择：
要正确选择各气动元件，首先要分析气动设备的功能要求，然后再根据前面所叙述的各气动元件的选择方法，来正确选择系统中所需要的所有元件。
在数控加工中心换刀部分气压传动系统中要正确选用气源、气动三联件、二位二通双电磁铁换向阀、单向节流阀、二位三通双电磁铁换向阀、二位五通双电磁铁换向闽、快速排气阀、消声器、气缸等。
1-气功三联件2-二位二通电磁换向阀3、5、10、11-单向节流阀4-二位三通电磁换向阀6、9-二位五通电磁挟向阀7-消声器8-快速排气阀
图8-2-2气动控制系统图
气动元件在系统中的作用：
1）气动三联件1的作用:
压缩空气首先进入分水滤气器，经除水滤灰净化后进入减压阀，经减压后控制气体的压力以满足气压传动系统的要求，输出的稳压气体最后进入油雾器，将润滑油雾化后混入压缩空气一起输往气动控制元件和执行元件。
2）二位二通电磁换向阀2的作用:
通过两边电磁铁的得失电，可以控制是否向主轴锥孔吹气。
3）单向节流阀3、5、10、11的作用:
使进入气缸中的压缩空气进行单方向的流量调节，从而控制气缸的运动速度。
4）二位三通电磁换向间4的作用:
通过两边电磁铁的得失电，可以控制主轴的自动定位或恢复到开始状态。
5）二位五通电磁换向阀6、9的作用:
通过两边电磁铁的得失电，可以控制气缸B的夹紧、松刀动作或气缸C的拔刀、插刀动作。
6）消声器7的作用:
降低排出气体时的噪声。
噪声使环境恶化，危害人身健康。
7）气缸A、B、C的作用:
是气压传动系统的执行元件，完成换刀过程中的定位、夹紧或松刀、拔刀或插刀动作。
五、气压传动系统的安装：
气压传动系统作为一种生产设备，它首先应保证运行可靠、布局合理、安装工艺正确、维修检测方便等。
气压传动系统的安装包括气动元件的安装和各元件之间的连接安装。
由于各气动元件之间管道连接的多变性和实际现有管接件品种数量等因素，有许多气动控制柜的装配图是在安装人员根据气压传动系统原理图安装好以后，再由技术人员补画的。
目前，气动元件之间的连接一般采用紫铜管卡套式连接和尼龙软管快插式连接两种，快插式接头拆卸方便，一般用于产品实验阶段或一些简易气压传动系统中;卡套式接头安装牢固，一般用于定型产品。
1.审查气压传动系统设计
安装前首先要充分了解气动执行元件的工艺要求，根据其要求对系统原理图进行逐路分析，然后确定管接头的连接形式，既要考虑现在安装时的经济快捷，也要考虑将来整体安装好后中间单个元件拆卸、维修更换方便。
另外，在达到同样工艺要求的前提下应尽量减少管接头的用量。
2.模拟安装
首先必须按图样核对元件的型号和规格，然后卸掉每个元件进出口的堵头.在各元件上拧上端直通或端直角管接头，认清各气动元件的进出口方向。
接着把各气动元件按气压传动系统原理图中的线路要求平铺在工作台上，再量出各元件间所得管子的长度，长度选取要合理，要考虑电磁阀接线插座的拆卸、接线和各元件更换的方便以及管子再安装过程中的弯曲长度等。
3.正式安装
根据模拟安装的工艺，拧下各气动元件上的端直通，在端直通接头上包上聚四氟乙烯密封带，再重新拧人气动元件内并用扳手拧紧。
按照模拟安装时选好的管子长度，把各元件连接起来。
安装时要注意:
铜管插入管接头时必须插到底再稍退，并且检查每一个管接头中是否有铜卡鼓，卡紧螺帽必须用扳手扳紧，以防漏气。
待这部分组件安装好后将它整体固定到控制柜内，再用铜管把相关回路连接起来，最后装上相关仪表，并注意压力表要垂直安装，表面朝向要便于观察。
六、气动系统的调试
1.调试前的准备
首先，要熟悉气动设备说明书等有关技术资料，力求全面了解系统的原理、结构、性能及操作方法;其次，要了解需要调整的元件在设备上的实际位置、操作方法及调节旋钮的旋向等;然后，把所有气动元件的输出口用事先准备好的堵头堵住，在需要测试的部位安装好临时压力表以便观察压力，准备好驱动电磁阀的临时电源，并将电磁阔的临时电源接好（对220V电压的系统要特别注意安全，核查每一个电磁阔的额定许用电压是否与实验电压一致）;最后，连接好气源。
在空载情况下，观察执行元件是否有动作的产生。
空载试运行不得少于2h，主要观察压力、流量、温度的变化。
2.调试
打开气源开关，缓缓调节进气调压阀使压力逐渐升高至0.6MPa，然后检查每一个管接头处是否有漏气现象，如有，必须加以排除。
调节每一个支路上的调压间使其压力升高，观察其压力变化是否正常。
对每一路的电磁阀进行手动换向和通电换向，如遇电磁阀不换向，可用升高压力或阀体稍加振动的方法进行实验。
换向阀因久放不用发生不换向现象时，须拆开阀体把涂在阀芯上的干硬硅脂用煤油洗掉，重新涂上硅脂并安装好。
注意在用手动方法换向后，一定要把手动手柄恢复到原位，否则可能会出现通电后不换向的情况。
执行元件的速度调试应逐个回路进行，在调试一个回路时，其余回路应处于关闭状态，对速度平稳性要求较高的气压传动系统，应在有负载的状态下，观察其速度的变化情况。
速度调试完毕，调节各执行元件的行程位置、程序动作和安全联锁装置，各项指标均达到设计要求后，方能进行设备的试运行。
七、加工中心换刀调试：
1.根据加工中心气压传动系统图选择相应气动元件并在相应位置进行固定。
2.根据系统图连接各元件组成系统并对系统进行检验。
3.调节减压阀，观察执行元件运行时系统压力的变化，并根据系统负载的大小调节减压阀的压力。
4.调节节流阀，观察执行元件运行速度的变化，并根据系统设计需要调节节流阀的正确位置。
5.完成任务经老师检查评价后，关闭电源，拆下气动元件和连接管钱并放回原地。
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