符林芳

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710032)

組合機(jī)床液壓控制回路優(yōu)化改造

符林芳

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710032)

通過理論分析，對組合機(jī)床液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了從工件定位、夾緊、加工的整套液壓自動(dòng)控制回路.針對優(yōu)化后的回路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，結(jié)果顯示，不僅工件加工的自動(dòng)化程度得到了大大提高，而且工作臺的平穩(wěn)性、設(shè)備節(jié)能等方面也得到了改善.

組合機(jī)床；液壓控制回路；平穩(wěn)性；可靠性

組合機(jī)床的液壓控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)工作滑臺的直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中比較典型的工作循環(huán)為:工作臺帶動(dòng)刀具的快速進(jìn)給—慢速工進(jìn)—死擋鐵停留—快退—原位停止.組合機(jī)床的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖和液壓系統(tǒng)圖[1]分別如圖1和2所示.

圖1　優(yōu)化前的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.1　Cycle diagram before optimization

優(yōu)化前的組合機(jī)床液壓系統(tǒng)存在以下一些弊端：(1)只能實(shí)現(xiàn)工件的加工部分控制，自動(dòng)化程度不高；(2)單泵供油導(dǎo)致系統(tǒng)在工進(jìn)時(shí)溢流損失大；(3)機(jī)床停止工作時(shí)，空氣進(jìn)入油箱，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)噪聲和振動(dòng)增大.

1—油箱；2—濾油器；3—背壓閥；4—液壓泵；5—外控順序閥；6,7,10,12,15—單向閥；8—液控?fù)Q向閥；9—電磁換向閥；11,13—節(jié)流閥；14—工進(jìn)調(diào)速閥； 16—壓力繼電器；17—行程換向閥；18—液壓缸圖2　優(yōu)化前的組合機(jī)床液壓系統(tǒng)圖Fig.2　Hydraulic system of modular machine tool before optimization

本文在原有組合機(jī)床液壓系統(tǒng)圖的基礎(chǔ)上增加了工件定位、夾緊部分的順序動(dòng)作回路，同時(shí)從工作臺平穩(wěn)性及節(jié)能方面進(jìn)行了改進(jìn).

1　優(yōu)化后的組合機(jī)床液壓控制系統(tǒng)

為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率，在組合機(jī)床的液壓控制系統(tǒng)中，對工作滑臺的運(yùn)動(dòng)、工件的定位和裝夾均采用液壓控制，其運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖如圖3所示.

圖3　優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.3　Cycle diagram after optimization

針對優(yōu)化后的機(jī)床工作循環(huán)圖，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的液壓系統(tǒng)圖如圖4所示.

1—油箱；2—濾油器；3,4—液壓泵；5, 6, 7, 10, 12, 16, 18, 23, 26, 28—單向閥；8—液動(dòng)換向閥；9，24—電磁換向閥；11,13—節(jié)流閥；17—調(diào)速閥；14,25,27—順序閥；15,32—溢流閥；19—行程閥；20,29—壓力繼電器；22—減壓閥；21,30,31-液壓缸圖4　優(yōu)化后的機(jī)床液壓系統(tǒng)圖Fig.4　Hydraulic system of modular machine tool after optimization

2　回路優(yōu)化原則及解決方案

組合機(jī)床在工進(jìn)時(shí)需要克服液壓缸密封裝置產(chǎn)生的摩擦力Ff、切削力Ft、導(dǎo)軌的摩擦力Ff，因此，回路設(shè)計(jì)必須滿足液壓系統(tǒng)工進(jìn)時(shí)具有足夠壓力.為此在電液換向回路中串聯(lián)了單向閥16，使工進(jìn)時(shí)進(jìn)油路中液壓油經(jīng)過高壓泵4→液動(dòng)換向閥8(左)→調(diào)速閥17，進(jìn)入液壓缸21(左)；液壓缸21右腔的油液經(jīng)過閥8左端，由溢流閥15及順序閥14流回油箱.單向閥16的反向截止作用，使進(jìn)、回油路隔斷，保證設(shè)備正常工作[1].其優(yōu)化后的工進(jìn)回路圖中液壓油流動(dòng)過程如圖5所示.

圖5　優(yōu)化后的工進(jìn)回路圖Fig.5　Feed circuit diagram after optimization

液壓缸21快進(jìn)時(shí)，為了使其實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接，避免工作臺在快進(jìn)過程中回油路接通油箱，將液控順序閥14串接在回油路上.通過調(diào)整液控順序閥的彈簧調(diào)定壓力，使其大于液壓缸21的回油腔壓力，這樣液壓缸21的回油腔液壓油就不會流回油箱，而是經(jīng)過液動(dòng)換向閥8(左)→單向閥16→調(diào)速閥17進(jìn)入液壓缸21(左).此時(shí)，進(jìn)入工作液壓缸21的流量增大，移動(dòng)速度就會加快.其優(yōu)化后的液壓油流動(dòng)快進(jìn)回路如圖6所示.

圖6　優(yōu)化后的快進(jìn)回路圖Fig.6　Fast forward loop diagram after optimization

為了實(shí)現(xiàn)快慢速運(yùn)動(dòng)并達(dá)到節(jié)能目的，系統(tǒng)采用雙泵供油.但在快速運(yùn)動(dòng)(即雙泵合流時(shí))，若油液合流位置距離泵出口太近(<100 mm)，會使油液流動(dòng)方向急劇變化，液流呈紊流狀態(tài)，產(chǎn)生大量漩渦，此時(shí)會產(chǎn)生沖擊與振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生局部真空，油液中析出氣泡.機(jī)床停止工作時(shí)，系統(tǒng)中的液壓油流回油箱，也會導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)，氣體運(yùn)動(dòng)到高壓處被壓縮破裂，出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象發(fā)出噪聲.另外，流體的沖擊與振動(dòng)會導(dǎo)致機(jī)械零件的振動(dòng)，引起機(jī)械噪聲.解決噪聲的辦法：一是將雙泵排油管合流處離泵口距離>200 mm； 二是在電液換向閥的出口增設(shè)單向閥7.

為了便于系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出進(jìn)給、停留、快退信號，在回路中增設(shè)壓力繼電器.將順序閥14接在溢流閥15的下方，不僅實(shí)現(xiàn)快進(jìn)轉(zhuǎn)變工進(jìn)時(shí)取消差動(dòng)連接，而且可以實(shí)現(xiàn)液壓泵3的卸荷.

3　優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1換向回路

換向回路如圖7所示.工作回路采用反應(yīng)靈敏的小規(guī)格電磁換向閥作為先導(dǎo)閥控制，通過大流量的液動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)主油路換向，發(fā)揮電液聯(lián)合控制的優(yōu)點(diǎn).由于液動(dòng)換向閥芯的移動(dòng)速度可由節(jié)流閥11和13調(diào)節(jié)，因此能使流量較大、速度較快的主油路換向平穩(wěn)、無沖擊.應(yīng)用五通換向閥8是為了便于組成差動(dòng)連接.考慮機(jī)器位置的調(diào)整方便性和采用液壓定位夾緊的具體情況，采用Y型機(jī)能的三位五通液動(dòng)換向閥.

圖7　換向回路Fig.7　Changing loop

3.2調(diào)速回路

一般鉆、鏜類專用機(jī)床工作時(shí)，要求在負(fù)載變化及低速運(yùn)行過程中速度保持穩(wěn)定，組合機(jī)床液壓系統(tǒng)的進(jìn)給速度采用調(diào)速閥調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)速度的高穩(wěn)定性要求.為便于實(shí)現(xiàn)壓力控制，采用進(jìn)油節(jié)流調(diào)

速.同時(shí)為了避免鉆孔終了時(shí)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，保證低速進(jìn)給時(shí)工作臺的平穩(wěn)性，在回流路上設(shè)有溢流閥15.為了使速度轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、可靠且位置準(zhǔn)確，系統(tǒng)采用行程閥19和液控順序閥14配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)快進(jìn)與工作進(jìn)給速度的轉(zhuǎn)換.

3.3實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的供油回路

因?yàn)榭爝M(jìn)、快退和工進(jìn)時(shí)速度相差大，為了減少功率損耗、提高效率，采用雙泵供油的運(yùn)動(dòng)回路來實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)[2]，如圖8所示. 其中液壓泵4為高壓小流量泵，工作壓力的大小由溢流閥32調(diào)定，其輸出流量應(yīng)略大于滑臺工進(jìn)時(shí)所需要的值.而液壓泵3為輸出低壓大流量泵，其輸出流量應(yīng)大于或等于泵4的輸出流量，液壓系統(tǒng)快速運(yùn)動(dòng)所需要的流量為泵3與泵4流量之和[3].液控順序閥14的調(diào)定壓力應(yīng)該高于液壓泵3的輸出壓力.工進(jìn)時(shí)由高壓小流量泵4供油，并控制液控順序閥14，使低壓大流量泵3卸荷，快進(jìn)時(shí)兩泵同時(shí)供油.

圖8　供油回路Fig.8　Fuel feeding loop

3.4工件的裝夾回路

由于進(jìn)給系統(tǒng)壓力高，而工件裝夾回路所需的壓力低，所以在裝夾供油系統(tǒng)前端串聯(lián)了一個(gè)減壓閥22.此外，為了防止主系統(tǒng)壓力的下降(如快進(jìn)和快退)，引起夾緊系統(tǒng)壓力的下降，所以在減壓閥后串聯(lián)一個(gè)單向閥23[4].為了實(shí)現(xiàn)工件的先定位后夾緊動(dòng)作，順序閥27的調(diào)整壓力高于定位缸工作壓力8×105～10×105Pa，以免系統(tǒng)壓力波動(dòng)時(shí)，發(fā)生誤動(dòng)作[5].

為保證進(jìn)給系統(tǒng)工作時(shí)，夾緊系統(tǒng)的壓力始終不低于夾具夾緊工件所需的最小夾緊力，同時(shí)滿足工件先夾緊、滑臺后快進(jìn)的順序動(dòng)作，在夾緊回路上安裝一個(gè)壓力繼電器29.工件夾緊后，壓力繼電器29的入口壓力升高發(fā)出電信號，使電磁換向閥9的左端電磁鐵3DT通電，此時(shí)滑臺實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng).

4　組合機(jī)床液壓系統(tǒng)回路工作原理

4.1裝夾回路(1DT+)

電磁鐵1DT通電，壓力油進(jìn)入液壓缸30左腔，右腔經(jīng)過單向閥26回油.此時(shí)由于壓力較低，順序閥27關(guān)閉，液壓缸30先向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件定位.當(dāng)液壓缸30的活塞移動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，其油壓升高，達(dá)到順序閥27的調(diào)整壓力時(shí)，順序閥27開啟，壓力油進(jìn)入液壓缸31左腔，液壓缸31活塞向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件夾緊.當(dāng)液壓缸31活塞右移到達(dá)終點(diǎn)后，其左端壓力升高，當(dāng)壓力升高到壓力繼電器29的調(diào)定壓力時(shí)，壓力繼電器29發(fā)出信號，使電磁鐵1DT斷電，同時(shí)電磁鐵3DT通電，電磁換向閥24回到中位，夾緊缸處于保壓狀態(tài)，同時(shí)，控制滑臺進(jìn)給.

4.2進(jìn)給回路

4.2.1快進(jìn)(3DT+)

滑臺液壓缸21快進(jìn)時(shí)，由于負(fù)載小、壓力低，所以液控順序閥14關(guān)閉，液壓缸21左右腔實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接，泵實(shí)現(xiàn)最大流量供油，滑臺快進(jìn).

當(dāng)壓力繼電器29發(fā)出電信號后，電磁換向閥9的左位3DT接通電源，進(jìn)入工作狀態(tài)，這時(shí)在控制壓力油的作用下，液動(dòng)換向閥8左位接入系統(tǒng)工作，此時(shí)的油路為：

控制油路：進(jìn)油路泵3，4→電磁換向閥9(左)→單向閥10→液動(dòng)換向閥8(左)；

回油路液動(dòng)換向閥8(右)→節(jié)流閥13→電磁換向閥9(左)→油箱；

主油路：進(jìn)油路泵3，4→單向閥5,6→液動(dòng)換向閥8(左)→行程閥19(下)→液壓缸21左；

回油路液壓缸21(右)→液動(dòng)換向閥8(左)→單向閥16→行程閥19(下)→液壓缸21(左).

4.2.2工進(jìn)(3DT+、行程閥壓下)

當(dāng)行程閥19的滾輪被機(jī)床滑臺上的擋塊壓下時(shí)，閥口關(guān)閉，滑臺快進(jìn)運(yùn)動(dòng)結(jié)束.此時(shí)系統(tǒng)壓力升高，液控順序閥14的閥芯打開，單向閥16處于關(guān)閉狀態(tài)，壓力油通過調(diào)速閥17進(jìn)入液壓缸21的左腔，而液壓缸21右腔壓力油只能經(jīng)過溢流閥15、順序閥14流回油箱，滑臺的工作狀態(tài)就由快進(jìn)轉(zhuǎn)化為工進(jìn)，這時(shí)由高壓小流量泵4供油，低壓大流量泵3卸荷.系統(tǒng)中油路流動(dòng)路線為：

進(jìn)油路泵4→單向閥6→液動(dòng)換向閥8(左)→調(diào)速閥17→液壓缸21(左)；

回油路液壓缸21(右)→液動(dòng)換向閥8(左)→溢流閥15→順序閥14→油箱.

4.3止位釘停留

滑臺完成工進(jìn)后，液壓缸碰到滑臺座前端的止位釘，滑臺停止運(yùn)動(dòng).這時(shí)壓力就會升高，當(dāng)壓力繼電器20的入口壓力升高至開啟值時(shí)，壓力繼電器發(fā)出信號，控制電磁鐵3DT斷電，同時(shí)時(shí)間繼電器開啟，由時(shí)間繼電器控制滑臺停留時(shí)間，油路不變，系統(tǒng)工作狀態(tài)不變.

4.4快退(4DT+)

滑臺停留時(shí)間達(dá)到時(shí)間繼電器設(shè)定時(shí)間時(shí)，由時(shí)間繼電器發(fā)出信號，電磁換向閥9的左位4DT通電，1DT、 2DT、 3DT均斷電.這時(shí)控制回路中的電磁換向閥9右位接入系統(tǒng)，使液動(dòng)換向閥8的右位也進(jìn)入工作，主油路也隨之換向.滑臺返回時(shí)負(fù)載小，系統(tǒng)壓力下降，流量增大，滑臺快速退回.其油路為：

進(jìn)油路泵3、4→單向閥5、6→液動(dòng)換向閥8(右)→液壓缸21(右)；

回油路液壓缸21(左)→單向閥18→液動(dòng)換向閥8(右)→油箱.

4.5退回原位停止

當(dāng)滑臺快速退回到原來位置時(shí)，原位行程開關(guān)被擋塊壓下，此時(shí)，發(fā)出電信號，電磁鐵4DT斷電，電磁換向閥9的閥芯處于中間位置，液壓泵的輸出油液被封住，液壓缸兩腔的油路均被切斷，滑臺在初始位置停止.

4.6取出工件

電磁鐵2DT通電，壓力油進(jìn)入液壓缸31右腔，左腔壓力油經(jīng)過單向閥28流回油箱，夾緊缸活塞左移，工件松開.當(dāng)液壓缸31左移至終點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)中壓力升高，順序閥25打開，壓力油進(jìn)入液壓缸30右腔，左腔油液流回油箱，液壓缸30左移.當(dāng)液壓缸30壓下行程開關(guān)時(shí)，2DT斷電，電磁換向閥24恢復(fù)到中位，此時(shí)取出定位銷，卸下工件.

5　結(jié)　語

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的組合機(jī)床液壓系統(tǒng)，可根據(jù)不同加工件的工藝要求，設(shè)計(jì)不同的電氣控制程序，既可避免工件的手工裝夾，又能降低勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短輔助加工時(shí)間，而且能夠很好地保證工件加工精度，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.

[1] 張福臣.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:117.

[2] 李現(xiàn)友. 組合機(jī)床液壓系統(tǒng)性能分析及改造[J]. 機(jī)床與液壓,2014，42(4)：163-164

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[5] 孫成通.液壓傳動(dòng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:160.

Optimization of Hydraulic Control Circuit for Modular Machine Tool

FULin-fang

(Xi’an Vocational and Technical College, Xi’an 710032, China)

The hydraulic system of modular machine tool was optimized through theoretical analysis, and a complete set of automatic hydraulic control circuit was designed, including the workpiece positioning, clamping and processing. In view of the optimized circuit through the experimental simulation, the results showed that not only the degree of automation in workpiece processing was greatly impoved, but also the workbench’s stability and energy saving of the equipment showed a better performance.

modular machine tool; hydraulic control circuit; stability; reliability

1671-0444(2015)04-0532-04

2015-01-13

符林芳(1967—)，女，陜西西安人，副教授，學(xué)士，研究方向?yàn)橐簤簜鲃?dòng).E-mail:1085066587@qq.com

TH 137

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