■ 南京工藝裝備制造有限公司 （江蘇 211178） 劉 冬

M7150系列矩臺平面磨床工作臺運(yùn)動液壓系統(tǒng)改造

■ 南京工藝裝備制造有限公司 （江蘇 211178） 劉 冬

本文根據(jù)平面磨床的使用特點(diǎn)，以及現(xiàn)有老舊設(shè)備的液壓系統(tǒng)所存在的難維護(hù)、備件難買、性能不穩(wěn)定、漏油及自動化程度低等缺陷，通過重新設(shè)計(jì)改成外置電液換向，電液比例調(diào)節(jié)具有換向可靠性好、易維護(hù)和自動化程度較高的特點(diǎn)，提高了設(shè)備工作性能。

臥軸矩臺平面磨床，國家標(biāo)為M71系列平面磨床，即帶有臥式磨頭主軸，矩形工作臺的平面磨床。主要功能是用砂輪的周邊磨削工件的平面磨削精度和表面質(zhì)量都較高，適宜于磨削各種精密零件和工模具，我們對公司一臺使用多年M7150AX2000型平面磨床進(jìn)行數(shù)控化改造，磨頭的垂直進(jìn)給與前后進(jìn)給已經(jīng)被改成伺服電動機(jī)驅(qū)動。工作臺左右運(yùn)動仍由液壓驅(qū)動，以前采用的是陳舊的內(nèi)置操縱箱結(jié)構(gòu)（將幾個(gè)不同功能的單個(gè)閥組合成操縱箱），用的液壓元件全部是專用元件。需要更換時(shí)，市場上買不到，仿制也不容易，給維修帶來困難。加上液壓元件老化磨損，造成系統(tǒng)內(nèi)泄漏嚴(yán)重、換向不穩(wěn)定和冷卻不好導(dǎo)致油溫過高，使之工作極不穩(wěn)定，效率低下。

1. 平面磨床主要改造簡介

機(jī)床原有垂直進(jìn)給、前后進(jìn)給是由手搖進(jìn)給和快速電動進(jìn)給兩部分組成，通過T牙絲桿副、滾珠框?qū)к?、蝸輪蝸桿副、交換齒輪、交流電動機(jī)和手輪實(shí)現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)非常繁瑣，數(shù)控化改造后，手搖機(jī)構(gòu)去除，將T牙絲桿副改換成我公司生產(chǎn)的滾珠絲桿副，將原有的快速進(jìn)給交流電動機(jī)更換成交流伺服電動機(jī)，并重新制作了與電動機(jī)匹配的蝸輪蝸桿箱，實(shí)現(xiàn)垂直進(jìn)給、定位和自鎖，手動進(jìn)給可以通過數(shù)控系統(tǒng)手脈進(jìn)行，通過打表測量，目前兩軸的定位精度和重復(fù)定位精度都分別不大于0.006mm和0.005mm。

2. 原有液壓系統(tǒng)工作臺運(yùn)動描述及參數(shù)

原有液壓系統(tǒng)是老式平面磨床標(biāo)配的液壓系統(tǒng)，多年前PLC技術(shù)或者是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的不是很成熟，這樣的系統(tǒng)采用的是液動模式，特別是工作臺往復(fù)運(yùn)動，換向很不穩(wěn)定，沖擊力大。配置了一臺功率為4kW、轉(zhuǎn)速為2 900r/min、流量為90L/min的螺桿泵，螺桿泵將油從油箱里抽出，經(jīng)過網(wǎng)式濾油器2，通過溢流閥18調(diào)整其壓力（1.2～1.5MPa）后進(jìn)入開停調(diào)速閥17、換向閥7再進(jìn)入到液壓缸的左右腔，帶著工作臺左右運(yùn)動，如圖1所示。油管內(nèi)徑為42mm，液壓缸直徑為63mm，活塞桿直徑為35mm，液壓缸的有效面積為：（31.5×31.5-17.5×17.5）×3.14=2 154mm2，整個(gè)液壓缸長度為2 200mm， 理論最大速度V=Q/S=90 000/（31.5×31.5-17.5×17.5）×3.14=4 180cm/min＝41.8m/min。設(shè)備的正常工作速度在20m/min，應(yīng)該說原有配置是比較富裕的。

圖1 液壓系統(tǒng)圖

3. 改造后的液壓系統(tǒng)功能及參數(shù)

電液技術(shù)的加速融合。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為液壓技術(shù)的進(jìn)步注入了新活力，液壓器件是機(jī)電一體化的重要接口器件，我們將其液壓系統(tǒng)改為目前廣泛使用的外置電液換向結(jié)構(gòu)及電液比例調(diào)速方式。液壓系統(tǒng)除液壓缸與活塞桿之外，其余全部更換，滿足了平面磨床精磨時(shí)工作臺運(yùn)動換向輕松、平穩(wěn)性好、精度高和可靠性好的要求。

電液換向電液閥（見圖2）由一只二通常開電磁閥、一只二通常閉電磁閥等組合而成，在管道輸送介質(zhì)過程中，當(dāng)需要開啟閥門時(shí)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出閥門開啟信號，常開電磁閥通電（關(guān)閉），同時(shí)常閉電磁閥通電（開啟）。這時(shí)，由上游通向主閥膜片上的腔室通道被截止，主閥膜片上腔室通向下游的通道被導(dǎo)通。此時(shí)，膜片下部的壓力高于上部壓力，主閥膜片上的腔室的介質(zhì)通過常閉電磁閥通道排向下游管道，主閥被打開。壓力油通過主閥進(jìn)入液壓缸，反之亦然。

圖2 電液閥結(jié)構(gòu)圖

電液比例閥調(diào)速閥（見圖3）：當(dāng)液壓油從P1口調(diào)速閥后，經(jīng)過定差減壓閥1（壓力預(yù)先設(shè)定后）進(jìn)入節(jié)流調(diào)節(jié)閥腔2，如果比例電磁鐵流量控制電磁線圈沒有輸入電流，則節(jié)流閥芯軸因彈力而關(guān)閉，所以出口P2并沒有液壓油流出，液壓無法動作，若流量控制電磁線圈有輸入電流（電流的大小由PLC輸出信號，經(jīng)過放大板放大后作用到線圈上）時(shí)就會產(chǎn)生向左的推力而將節(jié)流調(diào)節(jié)閥軸打開一個(gè)開度，出口L即會出油，此節(jié)流閥軸的開度會依據(jù)輸入電流的大小而產(chǎn)生變化，輸入電流越大則產(chǎn)生的推力越大，此開度會變大，這表示可通過的流量越多，所以可依據(jù)輸入電流的大小來調(diào)整通過流量的多少進(jìn)而控制作動器的速度快慢。有的電液比例閥調(diào)速閥對壓力也有一定的控制，設(shè)計(jì)時(shí)也可以電控，調(diào)速線性好，精確度高。比例閥的發(fā)展主要在頻寬的增大及控制精度的提高上，以期性能接近伺服閥。同時(shí)，比例閥又沿著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及廉價(jià)的方向發(fā)展，以促進(jìn)其應(yīng)用。

圖3 電液比例閥調(diào)速閥結(jié)構(gòu)圖

工作臺的快進(jìn)運(yùn)動速度擬定為22m/min（完全能夠達(dá)到工藝要求），設(shè)備的工作壓力仍在壓力（1.2～1.5MPa），根據(jù)這要求選定液壓泵的流量。

快進(jìn)階段的液壓缸流量：q=A·vk=2 154×25/1 000=47.38 L/min，進(jìn)行估算。由于系統(tǒng)流量較小，故取泄露系數(shù)K=1.3，則液壓泵供油流量約62L/min。

確定液壓泵：液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，靠電動機(jī)驅(qū)動，從液壓油箱中吸入油液，形成壓力油排出，送到執(zhí)行元件的一種元件，液壓泵的大小、選擇合理與否直接影響到整個(gè)液壓系統(tǒng)的壓力、流量和速度。液壓泵目前在機(jī)床上用得多的為齒輪泵、柱塞泵和葉片泵。齒輪泵體積較小，結(jié)構(gòu)較簡單，對油的清潔度要求不嚴(yán)，價(jià)格較便宜；但泵軸受不平衡力，磨損嚴(yán)重，泄漏較大；柱塞泵容積效率高、泄漏小、可在高壓下工作、大多用于大功率液壓系統(tǒng)但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料和加工精度要求高、價(jià)格貴、對油的清潔度要求高；葉片泵分為雙作用葉片泵和單作用葉片泵，這種泵流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、工作壓力和容積效率比齒輪泵高、結(jié)構(gòu)比齒輪泵復(fù)雜。這次我們根據(jù)壓力、速度綜合考慮，選著了葉片泵。

擬初選液壓泵的轉(zhuǎn)速為n1=1 000r/min，泵的容積效率ηv=0.8，則可算得泵的流量參考值為

Vg=1 000qv/（n1·ηv）=77.5 L/min

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的葉片泵YB1-1980，泵的額定壓力為6.3MPa，流量為80L/min，液壓泵電動機(jī)的選擇——最大功率出現(xiàn)在快退階段，已知泵的總效率為ηp=0.8，則泵的快退所需的驅(qū)動功率為：Pp= Vg×30（最高壓力）/600×0.8=5kW，所以電動機(jī)選5kW，三相異步6級電動機(jī)。

3. 改造后液壓系統(tǒng)原理圖（見圖4）及描述

機(jī)床PLC發(fā)出指令，液壓泵電動機(jī)啟動，壓力油經(jīng)過濾油器、葉片泵進(jìn)入主管道，雙位電磁溢流閥用來控制油路的主壓力和卸荷。機(jī)床不工作時(shí)，處于中位，液壓泵零負(fù)荷啟動，電磁溢流閥的兩個(gè)電磁鐵分別和電液換向閥的電磁鐵同步得電，電壓為DC24V，當(dāng)系統(tǒng)PLC指令DT0得電時(shí)，電磁換向閥DT4同時(shí)得電，壓力油經(jīng)過單向閥CIT-10、精密濾油器、進(jìn)入電液比例調(diào)速閥后，由機(jī)床PLC發(fā)出的0～10V的控制電壓作用于電液比例調(diào)速閥的線圈，以此控制經(jīng)過電液比例閥的壓力油流量，壓力油從比例閥出來后分兩路進(jìn)入換向閥和以控制油路形式控制油路中的電磁換向閥，由于此時(shí)電磁換向閥DT4得電，控制液壓油經(jīng)過A口進(jìn)入換向閥的左端，使得主壓力油從P口流入到換向閥的A口，進(jìn)入液壓缸的左端，使得工作臺左移，液壓缸右端的回油從換向閥的B口流入到T口，經(jīng)過背壓閥HCG-06回到油箱，反之原理一樣。當(dāng)設(shè)備磨削完工件后，工作臺需要停止時(shí)，此時(shí)雙位電磁溢流閥7的兩線圈全部失電，壓力油直接回到油箱，整個(gè)液壓系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，比例閥回到初始位置。

圖4 改造后液壓系統(tǒng)原理圖

4.調(diào)試及使用過程中注意事項(xiàng)

比例調(diào)速閥使用了進(jìn)油節(jié)流形式，需依靠背壓閥消除液壓缸寸動，背壓閥在調(diào)試時(shí)找到壓力調(diào)定點(diǎn)，根據(jù)附表進(jìn)行調(diào)節(jié)，原則上越低越好。

背壓壓力選擇參照表

起步調(diào)試時(shí)，將電液比例閥的線圈脫離，手動調(diào)節(jié)電液比例閥頂端的調(diào)速旋鈕，將工作臺運(yùn)動調(diào)至最低位時(shí)（臨界點(diǎn)），將線圈插上，此工作點(diǎn)則設(shè)為比例調(diào)速的最低速；經(jīng)常清洗兩過濾器，防止影響油液壓系統(tǒng)中的流量和壓力油的清潔度。

5. 結(jié)語

改造后效果設(shè)備自動化程度較高故障率低，由電液換向和電液比例調(diào)節(jié)組合而成。不漏油，調(diào)速更加平穩(wěn)，換向可靠性好、易維護(hù)，提高了設(shè)備工作性能。液壓系統(tǒng)的改造費(fèi)用約1.5萬元，整個(gè)設(shè)備的數(shù)控化改造費(fèi)用不足5萬元（含數(shù)控系統(tǒng)費(fèi)用），改造性價(jià)比還是不錯(cuò)的（注：本文來源于2012ZX04011021《國產(chǎn)滾動功能部件在中高檔數(shù)控機(jī)床上的示范應(yīng)用》課題研究）。

[1] 張勤，徐鋼濤. 液壓與氣壓傳動技術(shù)［M］. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] 南京工藝裝備制造有限公司. M7150型臥軸矩臺平面磨床使用說明書［E］. 江蘇：南京工藝裝備制造有限公司，2002.

[3] 葉偉昌. 機(jī)械工程及自動化簡明設(shè)計(jì)手冊［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

20150823）