液压仿形车床的数控化改造.pdf
R 删n g a n d M 咖 fe n a n c e 改装与维修 液压仿形车床的数控化改造 刘棣 中 梁建和 陈伟珍 广 西水利 电力职业技术学院, 广西 南宁 5 3 0 0 2 3 摘 要 介绍了液压仿形车床伺服系统的基本工作原理 , 给出了用步进电动机数控装置和交流伺服 电动机数 控装置。 进行液压仿形车床的数控化改造的两种方案。 关键词 液压车床数控改造 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 B NC t r a n s f o r ma t i o n o f t h e h y d r a u l i c c o p y i n g l a t h e L I U Di z h o n g,L I ANG J i a n h e ,C HEN We i z h e n G u a n g x i H y d r a u l i c a n d E l e c t ri c P o l y t e c h n i c 。N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 , C H N Abs t r a c t Th e a r t i c l e b rie fly i nt r o d u c e s t h e b a s i c p r i n c i p l e o f t he s e r v e r s y s t e m f o r t h e h y d r a u l i c c o p y i n g l a t h e,a nd g i v e s t wo s c h e me s us i ng s t e p p i n g mo t o r NC de v i c e a n d AC s e r v o mo t o r NC d e v i c e for NC t r a n s f o r ma t i o n o f t h e h y dr a u l i c c o p y i n g l a t he . Ke ywo r d sTh e Hy dr a u l i c Co p y i n g La t h e;NC T r a ns f o rm a t i o n 液压仿形车床故障率 比较高, 尤其是外漏点多, 系 统效率低且易发热 , 速度调整不灵 活, 少量生产时做样 件成本高 , 对复杂的工件更是如此 , 甚至无能为力。在 液压新型控制阀不断问世、 计算机控制技术 13趋成熟 的今天, 用新技术对机床进行改造 , 以提高效率 、 减少 故障和外漏, 便于故障分析处理 , 并能编程实现 自动控 制等 , 既是大家感兴趣的事情 , 也是老企业技术改造的 一 个方向。 采用液压控制元件 和液压执行机构 、 根据液压传 动原理建立起来的伺服 系统 , 都称 为液 压伺服 系统 。 普通仿形车床采用的液压伺服系统是一种 自动控制系 统 , 又叫随动系统或跟踪系统 。在伺服系统 中, 执行机 构以一定精度 自动地按输入信号的变化动作。例如 , 驱动机床工作台或仿形 刀架 、 实现机床部件的精确调 整 、 实现变量泵的流量调节等 。液压伺服系统 除了具 有液压传动的各种优点外 , 还有反应快 、 系统刚性大 、 伺服精度高等特点, 广泛应用于国防、 航空、 船舶和机 械制造业中。液压仿形车床的数控化改造主要是进给 装置的改造 , 有的还加上控制阀的改造 。本文只介绍 进给装置的改造 。 工中产生的直径变大 、 出现锥形等问题 。此设计方法 对其他类型的温差设备 的设计也有借鉴作用 , 具有较 好的推广应用价值 。 参考文献 [ 1 ] L i n Z,C h a n g J .T h e b u i l d i n g o f s p i n d l e t h e r ma l d i s p l a c e m e n t m o d e l o f h i g h s p e e d m a c h i n e c e n t e r[ J] .I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d Ma n u -- f a e t u fin g T e c h n o l o g y, 2 0 0 7, 3 4 5 5 6 5 6 6. 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F X系列特殊功能模块用户 手册 [ z ] . 第一作者 黄健 , 1 9 6 7年生, 男, 副教授 , 发表论文 1 0余篇 , 主要研究方向为检测技术及 自动化装置。 编辑 吕伯城 收稿日 期 2 0 1 1 1 2 2 3 文章编号 1 2 0 6 5 2 如果您想 发表 对本文的 看法, 请将文章编号填入读者意见调查表中 的相应位置。 改装与维修 R 删n g a n d M a in fe 加 n c e 1 液压仿 形车床伺服 系统工作原理 图 1是一种车床液压仿形刀架的示意图。仿形刀 架安 装 在 车床 大拖 板5 后 部 , 随大 拖板 一 起作 纵 向 车床主轴方向或称 方向 移动 , 并按照样件 1 2的轮 廓曲线车削工件。样件 固定安装在床身支架上 , 液压 泵站用软管与仿形刀架相连。液压缸的活塞杆与刀台 底座固定在大拖板 5上 , 液压缸缸体 6 、 杠杆 8 、 伺服 阀 阀体 7与刀台 3 相 当于小拖板 固定连在一起 , 可在 刀台底座的导轨上沿液压缸轴向移 动。伺服 阀阀芯 9 与杠杆 8的中部铰接 , 杠杆 8的后端设有触销 1 1 并在 弹簧 l 0的作用下保持压在样件 1 2上。 1 . 1 液压伺服系统的基本工作原理 设想在图 1 所示的车床液压仿形刀架系统 中拿走 杠杆 8 , 则剩余部分就成为一般的液压伺服系统。这 时, 如果施外力将 阀芯 9往前推进 , 就会把 中部 a腔与 液压缸前腔的通道 c打开、 后腔与 阀后腔的 回油通道 b开通 , 压力油进入 液压缸的前腔 、 后腔 回油 , 缸体 6 前移 、 车刀 2也前移 , 在缸体 6连着阀体 7前移的同时 减小 了阀 口的开度 , 当缸体连着 阀体 的移动量与 阀芯 移动量刚好相等时阀 口完全关闭、 油路截断 , 缸体停止 运动 , 要想缸体继续前移一个 6 , 就要先将 阀芯 9再往 前推 进一个 6 ; 连续往前 推进 阀芯, 阀 口就一直不 关 闭, 缸体带着车刀就会连续前移, 阀芯停止前移阀口就 会很快关闭使缸体带着车刀停止前移 。同理 , 将 阀芯 9往后拉 出也会使缸体带 着车刀后移。这里 , 我们实 现 了车刀随阀芯的动而动 、 停而停 , 故称之随动。又把 阀芯看成“ 主” , 车刀看成 “ 从 ” , “ 从 ” 严格伺 候 、 服务 于“ 主”, 故又称之为伺服 。 l 一工件 ;2 一车刀;3 一刀台;4 一床身导轨; 5 一 大拖 板 ;6 一缸体 ;7 一 阀体 ;8 一 杠杆 ; 9 一阀芯;1 O 一弹簧;1 1 一触销;1 2 一样件。 图1车床液压仿形刀架的示意图 1 . 2液压仿形车床工作原理 在图 1 所示的车床液压仿形 刀架 系统 中, 当样 件 1 2的表面平行于导轨 4时 , 在大拖板 5沿导轨 4运 动 中通人 a腔的压力油被截止 , 在横 向, 杠杆触销 1 1不 动、 阀芯 9不动、 液压缸缸体 6不动 、 车刀 2也不动, 车 削出圆柱段 ; 当样件 1 2的表面 向工件下凹时, 弹簧 1 O 推动 阀芯 9 、 杠杆触销 1 1随之前移时 , 压力 油进入 液 压缸的前腔 , 缸体 6前移 、 车刀 2也前移 、 切入量加大 , 当缸体移动量 与阀芯移动量 刚好 相等时压力油被 截 止 , 缸体 、 车刀不动 ; 当样件 1 2的表面向离开工件方向 往外 凸时, 杠杆触销 1 1被推离工件 , 杠杆 8带着 阀芯 9移离工件 , 压力油进入液压缸 的后腔 , 缸体 6后 移 、 车刀 2也后移 , 切人量减小 , 当缸体移动量与阀芯移动 量刚好相等时压力油被截止 , 缸体 、 车刀不再动。 上述分析表明, 在液压伺服系统的作用下 , 车刀走 过的轨迹与样件 的表面曲线一致 , 故称之为仿形。 2液压仿形车床 的数控化 改造方案 2 . 1 用步进液压缸进行液压进给 系统数控化改造 车床液压仿形伺服系统虽然能够使车床 自动地按 照样件 曲线加工工件 , 但是 , 样件 的制作难 度却 比较 大 , 这对少批量生产很不利 , 也说 明液压仿形伺服系统 虽然工作可靠却存在灵 活性较差 的缺陷。为此 , 我们 设想去掉杠杆和样件 , 参考数字 阀的原理 , 用数字电动 机通过位移转换装置与 阀芯连接 , 再用计算机通过编 程控制车刀的运动 , 实现小功率计算机数控 、 液压输 出 大功率机械运动的数控液压伺服系统。 1 一工件;2 一车刀;3 一刀台;4 一床身导轨;5 一大拖 板 ;6 、 1 3 一液压缸体 ;7 、1 4 一 阀体 ;8 、 1 5 一 阀芯 ; 9 、l 6 磁性传感器;1 0 、l 7 一滚珠丝杆螺母副; 1 1 、1 8 一联轴器;1 2 、1 9 ~ 电动机;2 O 一主轴脉冲 编码器 ;2 1 一 数控 系统 ;2 2 、2 3 一 光电脉 冲编码器 。 图2 车床经济型数控液压伺服系统 图2所示为用步进 电动机驱动计算机控制 的车床 经济型数控液压伺 服系统 。其 中 , 向进给装置 主要 ‘ 是 由步进 电动机 1 2 、 滚珠丝杆螺母副 l 0 、 控制阀 8和 液压缸 6构成的步进液压缸 , 是在原车床液压仿形伺 服系统去掉杠杆和样件后加上步进 电动机 1 2和滚珠 丝杆螺母副 1 0得 到的。z向也设置 了同样 的步进 液 压缸 , 由步进 电动机 1 9、 滚珠 丝杆螺母 副 l 7、 控制 阀 1 5和液压缸 1 3构成 , 液压缸的活塞杆与床身 固定 连 接 、 缸体与大拖板固定连接 。 Z向电动机 1 9和 向电动机 1 2分别通过联轴器 1 8和 1 1驱动滚珠丝杆螺母副 1 7和 1 0 , 将角位移转换 为线位移 , 带动阀芯 l 5和 8移动 , 实现计算机对 车刀 的二维控制。计算机给 电动机发出一个脉 冲, 步进 电 动机就转过一个角度 O l 称 为步距角 , 经滚珠丝杆螺 母副转换为阀芯移动, 改变液压油通道, 使液压缸体带 着车刀移动一个 6 , 这个计算机发出一个脉冲使车刀 移动的一个位移量 6称为脉冲当量。依靠计算机给 和 Z两个方 向发 出脉 冲数量的不 同组合 , 可 以获得 刀 具 的不同运动轨迹 , 加上工件 1的旋转运动就得到预 期的旋转体 。 在车削螺纹时, 需要根据螺距 和主轴转 角来确 定是否给 z轴方 向发出脉冲。因此 , 设置了主轴脉冲 编码器 2 0, 使脉冲编码器输入轴的转速 与车床主轴 同 速 。普通车床采用的脉冲编码器一般是每转 1圈发 出 , 、 , 1 2 0 0个脉冲, 设车床主轴每转 1圈计算机给 z向 电动机发出脉冲的数量为 S , 则有 L 或 S L / 8 ; 设 计算机每接到 个主轴脉冲就给 z轴电动机发出 1 个 脉冲 , 则有 S n N, N / S N S / L ; 例如要车削 L 1 . 5 mm的螺纹 , z轴脉冲当量为 8 0 . O 1 m m, 有 / 7, 8 , 即 计算机应该每接到 8个主轴脉 冲就给 z轴 电动机发 出 1 个驱动脉冲。 2 . 2 用交流数字液压缸做液压进给系统数控化改造 前述车床经济型数 控液压伺服 系统 的进给装置 , 采用能够为计算机进行数字控制的步进电动机作为数 字电动机给液压伺服系统输入位移信号 , 并 由液压缸 对外输出动力的装置称 为步进液压缸 , 属 于数字液压 缸。步进液压缸有结构简单 、 价格低廉 、 可实现开环控 制等优点 , 但是 , 也存在低速易丢步、 噪声大等缺点。 采用交流伺服电动机作为数字 电动机 , 与检测元 件配合构成闭环或半闭环控制, 可获得较高的位置精 度 。由于检测元件与电动机轴直接连接的半闭环控制 方式, 容易实现电气控制部分一体化, 使生产专业化、 批量化 、 标准化 , 从 而降低成本 、 提高质量 , 因此 , 在数 控伺服系统中 日益得到广泛应用。 等 ‘u l 牛 帚 口 朋 R 删n g a n d M a in te rlClllC e 改装与维修 目前应用较广 的是采用脉冲编码器作为位置检测 元件 的半闭环脉 冲比较伺服 系统 , 其原理就是将 图 2 的步进电动机改为由交流 电动机 1 9和光 电脉冲编码 器 2 2组成 的交流伺服电动机 。光电脉冲编码器 2 2通 过柔性联轴器 l 8与电动机轴连接 , 直接检测 电动 机 1 9的角位移 , 换一句话来说 , 就是用编码器发出的脉 冲数量来反映电动机的角位移量 , 达到位置控制的 目 的。假设采用 每转发 出 1 2 0 0个脉 冲的编码器 , 则控 制计算机每接到编码器发来的 1个脉 冲, 就说明电动 机转过的角位移 为 0 . 3 。 ; 如果丝杆螺母副 1 7的螺距 为 6 m m, 则 0 . 3 。 的角位移就转换成 0 . 0 0 5 mm的线位 移 , 即脉冲当量为 6 0 . 0 0 5 m m。 当计算机控制装置给交流电动机 1 9正向通电时, 电动机通过联轴器 1 8驱动丝杆正转 , 螺母 向后 移动 、 阀芯后移 , 压力油经 a 、 b进入液压缸后腔, 缸体 1 3带 着大拖板 5 后移; 当计算机控制装置发出停转指令时, 电动机就会马上停转 , 丝杆停转 、 阀芯 1 5不再移动, 只 剩下阀体 1 4、 缸体 l 3带大拖板 5稍为后移就会关 闭 液压阀, 整个装置归于静止。 3 结语 液压仿形车床经过数控化改造后 , 脉 冲当量达到 0 . 0 0 5 m m, 大大提高了加工工效, 增 强了其适用性 , 稳 定 了工件的加工质量 。在机械加工行业 , 类似这样 的 老设备非常多, 如能利用先进 的控制手段 , 经过数控化 改造 , 不仅可 以提高它们的使用寿命 , 更重要的是提高 了机床的加工能力 , 改变了生产控制方式 , 其经济效益 和社会效益是非常明显的。 参考文献 [ 1 ] 明兴祖. 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