楊建國(guó)

(徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇徐州 221006)

由于液壓技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)電液一體化的自動(dòng)化設(shè)備中，故液壓元器件工作是否可靠、液壓回路的設(shè)計(jì)是否合理等因素，都會(huì)關(guān)系到液壓設(shè)備的性能，這些問題，大部分可通過在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)予以解決。另外，《液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)》也是機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生必學(xué)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于液壓技術(shù)本身的特點(diǎn)，如僅僅探討其理論知識(shí)是較難掌握該課程的。而通過在液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)，就可以將抽象的液壓技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有助于學(xué)生掌握液壓元器件工作原理及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與維護(hù)知識(shí)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。

1 國(guó)內(nèi)外液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制了多種液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)。主要有:

1.1 基于虛擬儀器技術(shù)研制的液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

集液壓技術(shù)、通信技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等眾多技術(shù)于一體的虛擬儀器技術(shù)，應(yīng)用于液壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試與控制系統(tǒng)，具有顯著的機(jī)、電、液一體化特征，在組建和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面更為靈活、更為經(jīng)濟(jì)。但該系統(tǒng)由于其元器件及工作原理均為虛擬狀態(tài)，直觀性較差，不能完全代替真實(shí)液壓元器件的實(shí)驗(yàn)功能。

1.2 透明型液壓實(shí)驗(yàn)裝置

在該實(shí)驗(yàn)裝置中，換向閥、順序閥等液壓元件采用透明的丙烯酸 (類)樹脂制作而成，因而學(xué)生可以很直觀地觀察液壓元件的內(nèi)部構(gòu)造和閥芯的位置變換等情況，進(jìn)而了解各液壓元件和液壓回路的工作情況。但該實(shí)驗(yàn)裝置僅能演示液壓元件結(jié)構(gòu)及原理，而不能完全代替工廠實(shí)用之產(chǎn)品，故主要應(yīng)用于教學(xué)。

1.3 基于PLC控制的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

由于可編程序控制器 (PLC)具有工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、靈活性好、編程方便的特點(diǎn)，使其特別適用于對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)有較高柔性要求的場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的基于PLC控制的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要有兩種類型:(1)仿真型多功能液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該類液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于教學(xué)較多，僅具備普通的演示功能和基本的實(shí)驗(yàn)功能; (2)生產(chǎn)型液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該類液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)可有針對(duì)性地檢測(cè)液壓件 (如液壓缸、液壓控制閥等)性能及液壓回路的設(shè)計(jì)合理性，雖能用于教學(xué)，但實(shí)習(xí)范圍較窄，且價(jià)格昂貴。上述兩種實(shí)驗(yàn)臺(tái)多做成獨(dú)立產(chǎn)品提供給用戶。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，作者設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)控車床的、PLC控制的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，既可用于測(cè)試實(shí)際的液壓控制元件，又能滿足學(xué)生對(duì)機(jī)、電、液設(shè)備的聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)要求。

2 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體布局

如圖1所示，液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體布局是基于數(shù)控車床的，主要由3個(gè)部分組成:獨(dú)立液壓站1(其上安裝有閥組2)、液壓實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)3以及數(shù)控車床10。機(jī)床主要運(yùn)動(dòng)部件有尾座6、滑臺(tái)8、液壓卡盤9及回轉(zhuǎn)油缸11等。推動(dòng)尾座6的進(jìn)給液壓缸4通過浮動(dòng)接頭連接在尾座上，并由固定在床身上的支架5支撐。為方便實(shí)驗(yàn)時(shí)的操作，在數(shù)控車床上還安裝了一手持控制器7，手持控制器7上設(shè)有與PLC連接，且用于控制液壓卡盤夾緊與松開，尾座的快進(jìn)、工進(jìn)與快退的操作按鈕。數(shù)控車床和操作臺(tái)之間的電器連接線主要走高架，具有布局美觀、節(jié)省空間且安全性好等特點(diǎn)。

圖1 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體布局

3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)包含3個(gè)回路，即液壓卡盤夾緊回路、液壓尾座驅(qū)動(dòng)回路及速度調(diào)節(jié)回路(圖2所示)。

當(dāng)給數(shù)控車床送電時(shí)，為保證操作者的安全，液壓卡盤默認(rèn)為夾緊狀態(tài)，否則，機(jī)床不動(dòng)作，故機(jī)床開機(jī)液壓站就處于工作狀態(tài)，這從圖2中液壓卡盤夾緊回路的工作原理可看出 (工作原理的分析見后)。液壓卡盤夾緊回路上的壓力繼電器2起到欠壓保護(hù)作用，即當(dāng)系統(tǒng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器2保護(hù)開關(guān)KP斷開 (原機(jī)床電路實(shí)現(xiàn))，機(jī)床動(dòng)作被強(qiáng)行停止，主軸停轉(zhuǎn)，保護(hù)設(shè)備及人身的安全。單向閥3主要是為液壓卡盤夾緊系統(tǒng)保壓，即當(dāng)機(jī)床斷電時(shí)，單向閥3封閉，保持回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力，此時(shí)，若斷電前液壓卡盤處于夾緊狀態(tài)，則斷電后依然維持此狀態(tài)。減壓閥4的作用是將液壓泵的輸出壓力p(即系統(tǒng)壓力，約為3.5 MPa)減為液壓缸的工作壓力p'3(p'3在2～3 MPa之間)，此工作壓力由壓力表5顯示。兩位四通電磁換向閥6是供回轉(zhuǎn)液壓缸進(jìn)出油換向用，以控制液壓卡盤夾緊與松開的動(dòng)作。

圖2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖

當(dāng)數(shù)控車床開機(jī)時(shí)，由于液壓站就已經(jīng)處于工作狀態(tài)，為了使液壓尾座運(yùn)動(dòng)回路能獨(dú)立運(yùn)行，選用了中位機(jī)能具有截止閥作用的Y型三位四通換向閥10。該閥保證了液壓站開機(jī)時(shí)尾座不動(dòng)作，確保操作者的安全。此液壓尾座的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)為: → →快進(jìn) 工進(jìn)快退，故三位四通換向閥11的中位機(jī)能選為P型，此中位機(jī)能可實(shí)現(xiàn)液壓缸差動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)進(jìn)給液壓缸的換向動(dòng)作亦由換向閥11實(shí)現(xiàn)。

液壓尾座工進(jìn)時(shí)的速度調(diào)節(jié)由節(jié)流閥12實(shí)現(xiàn)?？紤]到尾座工進(jìn)時(shí)阻力小、速度慢，故速度調(diào)節(jié)采用進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路。

由于疊加式液壓閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、在生產(chǎn)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用的特點(diǎn)，此液壓尾座回路中的液壓閥選用疊加式液壓閥 (01系列)。

4 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)電路設(shè)計(jì)

4.1 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源輸入

液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用的AC 110 V交流電源 (電磁換向閥線圈用)、DC 24 V直流電源 (PLC、中間繼電器、指示燈等用)以及油泵電機(jī)的三相交流電源(AC 220 V)均由數(shù)控車床主電路供電，這種一體化的設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)備的投資，也有利于機(jī)電液聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)的開展。

4.2 PLC控制電路設(shè)計(jì)

PLC是液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制核心，此實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用三菱公司的PLC，型號(hào)為FX2N-48MR-001。該 PLC為繼電器輸出，輸入輸出點(diǎn)數(shù)均為24點(diǎn)，最大可擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)，不僅能滿足現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的需要，亦為今后實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能的擴(kuò)展打下基礎(chǔ)。

如圖3所示，PLC的外部輸入電源為交流220 V(端口3和4)，由數(shù)控車床提供。操作按鈕包括停止按鈕SB2、卡盤夾緊按鈕SB4、卡盤松開按鈕SB6、尾座快進(jìn)按鈕SB8、尾座工進(jìn)按鈕SB10、尾座快退按鈕 SB12。圖 中，SB3、SB5、SB7、SB9、SB11、SB13是為手持控制器對(duì)應(yīng)操作臺(tái)而設(shè)置的具有相同功能的操作按鈕。

圖3 PLC控制圖

PLC的輸出端對(duì)應(yīng)連接有中間繼電器KA1～KA7。繼電器的常開觸點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)連接電磁閥的線圈1YV～7YV，如圖4所示。另外，KA1～KA7的常開觸點(diǎn)還分別對(duì)應(yīng)連接有指示燈，以反映線圈的工作狀態(tài) (指示燈電路圖略)。

圖4 繼電器控制圖

為了保證尾座在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在尾座的－Z以及+Z方向設(shè)有與PLC連接的行程開關(guān)。行程開關(guān)有4個(gè)，即SB14～SB17，兩個(gè)設(shè)置在尾座運(yùn)動(dòng)的－Z方向，另外兩個(gè)設(shè)置在尾座運(yùn)動(dòng)的+Z方向。行程開關(guān)SB0起安全保護(hù)作用，即只有在機(jī)床滑臺(tái)沿－Z方向運(yùn)動(dòng)到尾座行程之外，壓下行程開關(guān)SB0時(shí)，液壓尾座才能運(yùn)動(dòng)，確保尾座與滑臺(tái)不會(huì)碰撞。

為了方便實(shí)驗(yàn)臺(tái)拓展新的功能，PLC上還預(yù)留了備用按鈕以及備用中間繼電器。

5 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作過程

表1為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁鐵動(dòng)作順序。

表1 電磁鐵動(dòng)作順序

液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作過程如下:

5.1 液壓卡盤夾緊回路工作過程

(1)卡盤夾緊

在開機(jī)狀態(tài)下，按下操作按鈕SB4或SB5，中間繼電器KA2得電，疊加式兩位四通電磁閥6上的線圈2YV得電，壓力油流進(jìn)回轉(zhuǎn)液壓缸的有桿腔，無桿腔回油，活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，拉緊液壓卡盤，液壓卡盤為夾緊狀態(tài)。

(2)卡盤松開

當(dāng)需要卡盤松開時(shí)，按下操作按鈕SB6或SB7，中間繼電器KA1得電，疊加式兩位四通電磁閥6上的線圈1YV得電，壓力油流進(jìn)回轉(zhuǎn)液壓缸的無桿腔，活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，有桿腔回油，松開液壓卡盤，液壓卡盤為松開狀態(tài)。

5.2 液壓尾座運(yùn)動(dòng)回路工作過程

液壓泵輸出的壓力油中的另一路流向液壓尾座運(yùn)動(dòng)回路，壓力油經(jīng)過減壓閥8減壓后，壓力減為液壓尾座進(jìn)給油缸所需的工作壓力 (p2)，此工作壓力由壓力表9顯示。

(1)尾座快進(jìn)動(dòng)作

按下操作按鈕 SB8或SB9，中間繼電器線圈KA3、KA6得電，KA3、KA6常開觸點(diǎn)閉合，三位四通電磁閥10上的線圈3YV以及三位四通電磁閥13上的線圈6YV得電，電磁閥10和電磁閥13換向，壓力油經(jīng)過電磁閥10左位、電磁閥11中位、電磁閥13左位流進(jìn)進(jìn)給液壓缸14的無桿腔，活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，壓力油經(jīng)有桿腔回油到三位四通電磁閥11后，基于電磁閥11的中位機(jī)制，回油與進(jìn)油疊加，進(jìn)入到進(jìn)給液壓缸14無桿腔的流量增加，形成差動(dòng)進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)了尾座的快進(jìn)。

(2)尾座工進(jìn)動(dòng)作

按下操作按鈕SB10或SB11，中間繼電器線圈KA3、KA4得電，KA3、KA4常開觸點(diǎn)閉合，電磁閥10上的線圈3YV以及電磁閥11上的線圈4YV得電，電磁閥11換向，壓力油經(jīng)過電磁閥10左位、電磁閥11左位、節(jié)流閥12流進(jìn)進(jìn)給液壓缸14的無桿腔，由于節(jié)流閥12的節(jié)流作用，活塞桿向左運(yùn)動(dòng)速度變慢，故實(shí)現(xiàn)了尾座的工作進(jìn)給，工作進(jìn)給速度的快慢可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥12上的旋鈕來實(shí)現(xiàn)。

(3)尾座快退動(dòng)作

按下操作按鈕SB12或SB13，中間繼電器線圈KA3、KA5、KA7得電，KA3、KA5、KA7常開觸點(diǎn)閉合，三位四通電磁閥10上的線圈3YV、三位四通電磁閥11的線圈5YV以及三位四通電磁閥13上的線圈7YV得電，電磁閥11及電磁閥13換向，壓力油經(jīng)過電磁閥10左位、電磁閥11的右位流進(jìn)進(jìn)給液壓缸14的有桿腔，推動(dòng)活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，無桿腔回油。由于三位四通電磁閥13換向至右位，壓力油回油時(shí)直接經(jīng)過電磁閥13無阻礙地回到油箱，從而實(shí)現(xiàn)了尾座的快退。

5.3 液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

該液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有:

(1)壓力調(diào)整實(shí)驗(yàn)

液壓站輸出的系統(tǒng)壓力是由溢流閥控制的，一般調(diào)整為3.5 MPa，是液壓泵最高工作壓力的一半。學(xué)生可通過調(diào)節(jié)溢流閥上的旋鈕改變系統(tǒng)壓力，進(jìn)而觀察減壓閥4輸出壓力的變化規(guī)律，領(lǐng)會(huì)減壓閥之作用。學(xué)生也可在保持系統(tǒng)壓力不變的情況下，結(jié)合數(shù)控車床的加工狀態(tài)，調(diào)節(jié)減壓閥的壓力，觀察其壓力輸出的變化情況，滿足加工要求。正常情況下，回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力為2～3 MPa(粗加工取大值，精加工取小值)，液壓尾座進(jìn)給油缸工作壓力約為2 MPa。

(2)節(jié)流調(diào)速實(shí)驗(yàn)

尾座的工進(jìn)速度可以通過節(jié)流閥12調(diào)節(jié)，即當(dāng)尾座距離工件較近時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥上的旋鈕，使其工進(jìn)速度變慢，反之亦然。

該液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)配合獨(dú)立安裝的液壓加載裝置，可用于測(cè)試節(jié)流調(diào)速回路的速度－負(fù)載特性 (即液壓缸的工作速度v和負(fù)載F的關(guān)系)，此特性可選擇進(jìn)油節(jié)流和出油節(jié)流進(jìn)行測(cè)試。圖2所示為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路，實(shí)驗(yàn)時(shí)，也可靈活調(diào)整為出油節(jié)流調(diào)速回路，僅需將速度調(diào)節(jié)回路一端接至無桿腔，另一端接至B1油口即可 (即A1油口和B1油口互換)。

(3)機(jī)電液聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)

由于該液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)是PLC控制的，柔性較強(qiáng)，故可以通過更改PLC程序改變尾座的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如在程序中不指定三位四通電磁閥11的中位機(jī)能，即可屏蔽掉尾座的快進(jìn)功能，使尾座僅有工進(jìn)與快退兩種運(yùn)動(dòng)。

另外，為了方便學(xué)生觀察，油缸口A2、油缸口P2'以及油缸口B1通過透明管道與進(jìn)給液壓缸連接，學(xué)生可通過透明管路觀察液體在液壓系統(tǒng)中的流動(dòng)規(guī)律。另外，液壓站上還安裝有標(biāo)準(zhǔn)疊加閥底板，學(xué)生可根據(jù)需要，利用預(yù)留的壓力表、按鈕開關(guān)、中間繼電器等元器件，自行組建液壓回路或?qū)σ簤涸阅苓M(jìn)行測(cè)試。

6 結(jié)束語

該液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)以數(shù)控車床為本體，使學(xué)生通過借助高技術(shù)的數(shù)控加工裝備，體驗(yàn)到機(jī)、電、液一體化技術(shù)在實(shí)際機(jī)電設(shè)備上的具體應(yīng)用。另外，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)在保證數(shù)控車床液壓卡盤夾緊系統(tǒng)正常工作的前提下，充分挖掘了現(xiàn)有設(shè)備的潛力，節(jié)省了采購成本，做到以較少的投入獲得較大的實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)效果。

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