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(diǎn)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(shí)做樣件成本高，對(duì)復(fù)雜的工件更是如此，甚至無(wú)能為力。在液壓新型控制閥不斷問(wèn)世、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)日趨成熟的今天，用新技術(shù)對(duì)機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)方向。

采用液壓控制元件和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、根據(jù)液壓傳動(dòng)原理建立起來(lái)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(dòng)控制系統(tǒng)，又叫隨動(dòng)系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定精度自動(dòng)地按輸入信號(hào)的變化動(dòng)作。例如，驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)或仿形刀架、實(shí)現(xiàn)機(jī)床部件的精確調(diào)整、實(shí)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(dòng)的各種優(yōu)點(diǎn)外，還有反應(yīng)快、系統(tǒng)剛性大、伺服精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空、船舶和機(jī)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(dòng)，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(tái)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(tái)3（相當(dāng)于小拖板）固定連在一起，可在刀臺(tái)底座的導(dǎo)軌上沿液壓缸軸向移動(dòng)。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(shí)，如果施外力將閥芯9往前推進(jìn)，就會(huì)把中部a腔與液壓缸前腔的通道c打開(kāi)、后腔與閥后腔的回油通道b開(kāi)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(shí)減小了閥口的開(kāi)度，當(dāng)缸體連著閥體的移動(dòng)量與閥芯移動(dòng)量剛好相等時(shí)閥口完全關(guān)閉、油路截?cái)?，缸體停止運(yùn)動(dòng)，要想缸體繼續(xù)前移一個(gè)δ，就要先將閥芯9再往前推進(jìn)一個(gè)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(huì)連續(xù)前移，閥芯停止前移閥口就會(huì)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(huì)使缸體帶著車刀后移。這里，我們實(shí)現(xiàn)了車刀隨閥芯的動(dòng)而動(dòng)、停而停，故稱之隨動(dòng)。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(shí)，在大拖板5沿導(dǎo)軌4運(yùn)動(dòng)中通入a腔的壓力油被截止，在橫向，杠桿觸銷11不動(dòng)、閥芯9不動(dòng)、液壓缸缸體6不動(dòng)、車刀2也不動(dòng)，車削出圓柱段;當(dāng)樣件12的表面向工件下凹時(shí)，彈簧10推動(dòng)閥芯9、杠桿觸銷11隨之前移時(shí)，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(dòng)量與閥芯移動(dòng)量剛好相等時(shí)壓力油被截止，缸體、車刀不動(dòng);當(dāng)樣件12的表面向離開(kāi)工件方向往外凸時(shí)，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(dòng)量與閥芯移動(dòng)量剛好相等時(shí)壓力油被截止，缸體、車刀不再動(dòng)。

上述分析表明，在液壓伺服系統(tǒng)的作用下，車刀走過(guò)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(dòng)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(duì)少批量生產(chǎn)很不利，也說(shuō)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?cè)O(shè)想去掉杠桿和樣件，參考數(shù)字閥的原理，用數(shù)字電動(dòng)機(jī)通過(guò)位移轉(zhuǎn)換裝置與閥芯連接，再用計(jì)算機(jī)通過(guò)編程控制車刀的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小功率計(jì)算機(jī)數(shù)控、液壓輸出大功率機(jī)械運(yùn)動(dòng)的數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)。

圖2所示為用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的車床經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)19和X向電動(dòng)機(jī)12分別通過(guò)聯(lián)軸器18和11驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿螺母副17和10，將角位移轉(zhuǎn)換為線位移，帶動(dòng)閥芯15和8移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)車刀的二維控制。計(jì)算機(jī)給電動(dòng)機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)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(dòng)，改變液壓油通道，使液壓缸體帶著車刀移動(dòng)一個(gè)δ，這個(gè)計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖使車刀移動(dòng)的一個(gè)位移量δ稱為脈沖當(dāng)量。依靠計(jì)算機(jī)給X和Z兩個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡，加上工件1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就得到預(yù)期的旋轉(zhuǎn)體。

在車削螺紋時(shí)，需要根據(jù)螺距L和主軸轉(zhuǎn)角來(lái)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(gè)脈沖，設(shè)車床主軸每轉(zhuǎn)1圈計(jì)算機(jī)給Z向電動(dòng)機(jī)發(fā)出脈沖的數(shù)量為S，則有L=Sδ或S=L/δ;設(shè)計(jì)算機(jī)每接到n個(gè)主軸脈沖就給Z軸電動(dòng)機(jī)發(fā)出1個(gè)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(jì)算機(jī)應(yīng)該每接到8個(gè)主軸脈沖就給Z軸電動(dòng)機(jī)發(fā)出1個(gè)驅(qū)動(dòng)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(jì)型數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)的進(jìn)給裝置，采用能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為數(shù)字電動(dòng)機(jī)給液壓伺服系統(tǒng)輸入位移信號(hào)，并由液壓缸對(duì)外輸出動(dòng)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，但是，也存在低速易丟步、噪聲大等缺點(diǎn)。

采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為數(shù)字電動(dòng)機(jī)，與檢測(cè)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(cè)元件與電動(dòng)機(jī)軸直接連接的半閉環(huán)控制方式，容易實(shí)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(cè)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(dòng)機(jī)改為由交流電動(dòng)機(jī)19和光電脈沖編碼器22組成的交流伺服電動(dòng)機(jī)。光電脈沖編碼器22通過(guò)柔性聯(lián)軸器18與電動(dòng)機(jī)軸連接，直接檢測(cè)電動(dòng)機(jī)19的角位移，換一句話來(lái)說(shuō)，就是用編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)量來(lái)反映電動(dòng)機(jī)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(gè)脈沖的編碼器，則控制計(jì)算機(jī)每接到編碼器發(fā)來(lái)的1個(gè)脈沖，就說(shuō)明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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(jì)算機(jī)控制裝置給交流電動(dòng)機(jī)19正向通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器18驅(qū)動(dòng)絲桿正轉(zhuǎn)，螺母向后移動(dòng)、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(jì)算機(jī)控制裝置發(fā)出停轉(zhuǎn)指令時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)馬上停轉(zhuǎn)，絲桿停轉(zhuǎn)、閥芯15不再移動(dòng)，只剩下閥體14、缸體13帶大拖板5稍為后移就會(huì)關(guān)閉液壓閥，整個(gè)裝置歸于靜止。

3 結(jié)語(yǔ)

液壓仿形車床經(jīng)過(guò)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(qiáng)了其適用性，穩(wěn)定了工件的加工質(zhì)量。在機(jī)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(guò)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(jī)床的加工能力，改變了生產(chǎn)控制方式，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)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(jī)械制造與自動(dòng)化，2008（6）:159－160.

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

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