液壓仿形車床的數(shù)控化改造*

劉棣中 梁建和 陳偉珍

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023）

液壓仿形車床故障率比較高，尤其是外漏點多，系統(tǒng)效率低且易發(fā)熱，速度調(diào)整不靈活，少量生產(chǎn)時做樣件成本高，對復(fù)雜的工件更是如此，甚至無能為力。在液壓新型控制閥不斷問世、計算機控制技術(shù)日趨成熟的今天，用新技術(shù)對機床進(jìn)行改造，以提高效率、減少故障和外漏，便于故障分析處理，并能編程實現(xiàn)自動控制等，既是大家感興趣的事情，也是老企業(yè)技術(shù)改造的一個方向。

采用液壓控制元件和液壓執(zhí)行機構(gòu)、根據(jù)液壓傳動原理建立起來的伺服系統(tǒng)，都稱為液壓伺服系統(tǒng)。普通仿形車床采用的液壓伺服系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，又叫隨動系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)以一定精度自動地按輸入信號的變化動作。例如，驅(qū)動機床工作臺或仿形刀架、實現(xiàn)機床部件的精確調(diào)整、實現(xiàn)變量泵的流量調(diào)節(jié)等。液壓伺服系統(tǒng)除了具有液壓傳動的各種優(yōu)點外，還有反應(yīng)快、系統(tǒng)剛性大、伺服精度高等特點，廣泛應(yīng)用于國防、航空、船舶和機械制造業(yè)中。液壓仿形車床的數(shù)控化改造主要是進(jìn)給裝置的改造，有的還加上控制閥的改造。本文只介紹進(jìn)給裝置的改造。

1 液壓仿形車床伺服系統(tǒng)工作原理

圖1是一種車床液壓仿形刀架的示意圖。仿形刀架安裝在車床大拖板5后部，隨大拖板一起作縱向（車床主軸方向或稱z方向）移動，并按照樣件12的輪廓曲線車削工件。樣件固定安裝在床身支架上，液壓泵站用軟管與仿形刀架相連。液壓缸的活塞桿與刀臺底座固定在大拖板5上，液壓缸缸體6、杠桿8、伺服閥閥體7與刀臺3（相當(dāng)于小拖板）固定連在一起，可在刀臺底座的導(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動。伺服閥閥芯9與杠桿8的中部鉸接，杠桿8的后端設(shè)有觸銷11并在彈簧10的作用下保持壓在樣件12上。

1.1 液壓伺服系統(tǒng)的基本工作原理

設(shè)想在圖1所示的車床液壓仿形刀架系統(tǒng)中拿走杠桿8，則剩余部分就成為一般的液壓伺服系統(tǒng)。這時，如果施外力將閥芯9往前推進(jìn)，就會把中部a腔與液壓缸前腔的通道c打開、后腔與閥后腔的回油通道b開通，壓力油進(jìn)入液壓缸的前腔、后腔回油，缸體6前移、車刀2也前移，在缸體6連著閥體7前移的同時減小了閥口的開度，當(dāng)缸體連著閥體的移動量與閥芯移動量剛好相等時閥口完全關(guān)閉、油路截斷，缸體停止運動，要想缸體繼續(xù)前移一個δ，就要先將閥芯9再往前推進(jìn)一個δ;連續(xù)往前推進(jìn)閥芯，閥口就一直不關(guān)閉，缸體帶著車刀就會連續(xù)前移，閥芯停止前移閥口就會很快關(guān)閉使缸體帶著車刀停止前移。同理，將閥芯9往后拉出也會使缸體帶著車刀后移。這里，我們實現(xiàn)了車刀隨閥芯的動而動、停而停，故稱之隨動。又把閥芯看成“主”，車刀看成“從”，“從”嚴(yán)格伺候、服務(wù)于“主”，故又稱之為伺服。

1.2 液壓仿形車床工作原理

在圖1所示的車床液壓仿形刀架系統(tǒng)中，當(dāng)樣件12的表面平行于導(dǎo)軌4時，在大拖板5沿導(dǎo)軌4運動中通入a腔的壓力油被截止，在橫向，杠桿觸銷11不動、閥芯9不動、液壓缸缸體6不動、車刀2也不動，車削出圓柱段;當(dāng)樣件12的表面向工件下凹時，彈簧10推動閥芯9、杠桿觸銷11隨之前移時，壓力油進(jìn)入液壓缸的前腔，缸體6前移、車刀2也前移、切入量加大，當(dāng)缸體移動量與閥芯移動量剛好相等時壓力油被截止，缸體、車刀不動;當(dāng)樣件12的表面向離開工件方向往外凸時，杠桿觸銷11被推離工件，杠桿8帶著閥芯9移離工件，壓力油進(jìn)入液壓缸的后腔，缸體6后移、車刀2也后移，切入量減小，當(dāng)缸體移動量與閥芯移動量剛好相等時壓力油被截止，缸體、車刀不再動。

上述分析表明，在液壓伺服系統(tǒng)的作用下，車刀走過的軌跡與樣件的表面曲線一致，故稱之為仿形。

2 液壓仿形車床的數(shù)控化改造方案

2.1 用步進(jìn)液壓缸進(jìn)行液壓進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造

車床液壓仿形伺服系統(tǒng)雖然能夠使車床自動地按照樣件曲線加工工件，但是，樣件的制作難度卻比較大，這對少批量生產(chǎn)很不利，也說明液壓仿形伺服系統(tǒng)雖然工作可靠卻存在靈活性較差的缺陷。為此，我們設(shè)想去掉杠桿和樣件，參考數(shù)字閥的原理，用數(shù)字電動機通過位移轉(zhuǎn)換裝置與閥芯連接，再用計算機通過編程控制車刀的運動，實現(xiàn)小功率計算機數(shù)控、液壓輸出大功率機械運動的數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)。

圖2所示為用步進(jìn)電動機驅(qū)動計算機控制的車床經(jīng)濟型數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)。其中，X向進(jìn)給裝置主要是由步進(jìn)電動機12、滾珠絲桿螺母副10、控制閥8和液壓缸6構(gòu)成的步進(jìn)液壓缸，是在原車床液壓仿形伺服系統(tǒng)去掉杠桿和樣件后加上步進(jìn)電動機12和滾珠絲桿螺母副10得到的。Z向也設(shè)置了同樣的步進(jìn)液壓缸，由步進(jìn)電動機19、滾珠絲桿螺母副17、控制閥15和液壓缸13構(gòu)成，液壓缸的活塞桿與床身固定連接、缸體與大拖板固定連接。

Z向電動機19和X向電動機12分別通過聯(lián)軸器18和11驅(qū)動滾珠絲桿螺母副17和10，將角位移轉(zhuǎn)換為線位移，帶動閥芯15和8移動，實現(xiàn)計算機對車刀的二維控制。計算機給電動機發(fā)出一個脈沖，步進(jìn)電動機就轉(zhuǎn)過一個角度α（稱為步距角），經(jīng)滾珠絲桿螺母副轉(zhuǎn)換為閥芯移動，改變液壓油通道，使液壓缸體帶著車刀移動一個δ，這個計算機發(fā)出一個脈沖使車刀移動的一個位移量δ稱為脈沖當(dāng)量。依靠計算機給X和Z兩個方向發(fā)出脈沖數(shù)量的不同組合，可以獲得刀具的不同運動軌跡，加上工件1的旋轉(zhuǎn)運動就得到預(yù)期的旋轉(zhuǎn)體。

在車削螺紋時，需要根據(jù)螺距L和主軸轉(zhuǎn)角來確定是否給Z軸方向發(fā)出脈沖。因此，設(shè)置了主軸脈沖編碼器20，使脈沖編碼器輸入軸的轉(zhuǎn)速與車床主軸同速。普通車床采用的脈沖編碼器一般是每轉(zhuǎn)1圈發(fā)出N=1 200個脈沖，設(shè)車床主軸每轉(zhuǎn)1圈計算機給Z向電動機發(fā)出脈沖的數(shù)量為S，則有L=Sδ或S=L/δ;設(shè)計算機每接到n個主軸脈沖就給Z軸電動機發(fā)出1個脈沖，則有Sn=N，n=N/S=Nδ/L;例如要車削L=1.5 mm的螺紋，Z軸脈沖當(dāng)量為δ=0.01 mm，有n=8，即計算機應(yīng)該每接到8個主軸脈沖就給Z軸電動機發(fā)出1個驅(qū)動脈沖。

2.2 用交流數(shù)字液壓缸做液壓進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造

前述車床經(jīng)濟型數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的進(jìn)給裝置，采用能夠為計算機進(jìn)行數(shù)字控制的步進(jìn)電動機作為數(shù)字電動機給液壓伺服系統(tǒng)輸入位移信號，并由液壓缸對外輸出動力的裝置稱為步進(jìn)液壓缸，屬于數(shù)字液壓缸。步進(jìn)液壓缸有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可實現(xiàn)開環(huán)控制等優(yōu)點，但是，也存在低速易丟步、噪聲大等缺點。

采用交流伺服電動機作為數(shù)字電動機，與檢測元件配合構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制，可獲得較高的位置精度。由于檢測元件與電動機軸直接連接的半閉環(huán)控制方式，容易實現(xiàn)電氣控制部分一體化，使生產(chǎn)專業(yè)化、批量化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而降低成本、提高質(zhì)量，因此，在數(shù)控伺服系統(tǒng)中日益得到廣泛應(yīng)用。

目前應(yīng)用較廣的是采用脈沖編碼器作為位置檢測元件的半閉環(huán)脈沖比較伺服系統(tǒng)，其原理就是將圖2的步進(jìn)電動機改為由交流電動機19和光電脈沖編碼器22組成的交流伺服電動機。光電脈沖編碼器22通過柔性聯(lián)軸器18與電動機軸連接，直接檢測電動機19的角位移，換一句話來說，就是用編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)量來反映電動機的角位移量，達(dá)到位置控制的目的。假設(shè)采用每轉(zhuǎn)發(fā)出1 200個脈沖的編碼器，則控制計算機每接到編碼器發(fā)來的1個脈沖，就說明電動機轉(zhuǎn)過的角位移為0.3°;如果絲桿螺母副17的螺距為6 mm，則0.3°的角位移就轉(zhuǎn)換成0.005 mm的線位移，即脈沖當(dāng)量為δ=0.005 mm。

當(dāng)計算機控制裝置給交流電動機19正向通電時，電動機通過聯(lián)軸器18驅(qū)動絲桿正轉(zhuǎn)，螺母向后移動、閥芯后移，壓力油經(jīng)a、b進(jìn)入液壓缸后腔，缸體13帶著大拖板5后移;當(dāng)計算機控制裝置發(fā)出停轉(zhuǎn)指令時，電動機就會馬上停轉(zhuǎn)，絲桿停轉(zhuǎn)、閥芯15不再移動，只剩下閥體14、缸體13帶大拖板5稍為后移就會關(guān)閉液壓閥，整個裝置歸于靜止。

3 結(jié)語

液壓仿形車床經(jīng)過數(shù)控化改造后，脈沖當(dāng)量達(dá)到0.005 mm，大大提高了加工工效，增強了其適用性，穩(wěn)定了工件的加工質(zhì)量。在機械加工行業(yè)，類似這樣的老設(shè)備非常多，如能利用先進(jìn)的控制手段，經(jīng)過數(shù)控化改造，不僅可以提高它們的使用壽命，更重要的是提高了機床的加工能力，改變了生產(chǎn)控制方式，其經(jīng)濟效益和社會效益是非常明顯的。

［1］明興祖.CY6140型車床的數(shù)控化改造設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2003（9）:45－47.

［2］龔智敏.T68型普通鏜床的數(shù)控化改造［J］.機械制造與自動化，2008（6）:159－160.

［3］張勇.Z512鉆床數(shù)控化改造［J］.機床與液壓，2007（5）:240－242.

［4］閆向彤.普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2009（10）:205－206.