液壓仿形車床的數控化改造*

劉棣中 梁建和 陳偉珍

（廣西水利電力職業技術學院，廣西南寧 530023）

液壓仿形車床故障率比較高，尤其是外漏點多，系統效率低且易發熱，速度調整不靈活，少量生產時做樣件成本高，對復雜的工件更是如此，甚至無能為力。在液壓新型控制閥不斷問世、計算機控制技術日趨成熟的今天，用新技術對機床進行改造，以提高效率、減少故障和外漏，便于故障分析處理，并能編程實現自動控制等，既是大家感興趣的事情，也是老企業技術改造的一個方向。

采用液壓控制元件和液壓執行機構、根據液壓傳動原理建立起來的伺服系統，都稱為液壓伺服系統。普通仿形車床采用的液壓伺服系統是一種自動控制系統，又叫隨動系統或跟蹤系統。在伺服系統中，執行機構以一定精度自動地按輸入信號的變化動作。例如，驅動機床工作臺或仿形刀架、實現機床部件的精確調整、實現變量泵的流量調節等。液壓伺服系統除了具有液壓傳動的各種優點外，還有反應快、系統剛性大、伺服精度高等特點，廣泛應用于國防、航空、船舶和機械制造業中。液壓仿形車床的數控化改造主要是進給裝置的改造，有的還加上控制閥的改造。本文只介紹進給裝置的改造。

1 液壓仿形車床伺服系統工作原理

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，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3（相當于小拖板）固定連在一起，可在刀臺底座的導軌上沿液壓缸軸向移動。伺服閥閥芯9與杠桿8的中部鉸接，杠桿8的后端設有觸銷11并在彈簧10的作用下保持壓在樣件12上。

1.1 液壓伺服系統的基本工作原理

設想在圖1所示的車床液壓仿形刀架系統中拿走杠桿8，則剩余部分就成為一般的液壓伺服系統。這時，如果施外力將閥芯9往前推進，就會把中部a腔與液壓缸前腔的通道c打開、后腔與閥后腔的回油通道b開通，壓力油進入液壓缸的前腔、后腔回油，缸體6前移、車刀2也前移，在缸體6連著閥體7前移的同時減小了閥口的開度，當缸體連著閥體的移動量與閥芯移動量剛好相等時閥口完全關閉、油路截斷，缸體停止運動，要想缸體繼續前移一個δ，就要先將閥芯9再往前推進一個δ;連續往前推進閥芯，閥口就一直不關閉，缸體帶著車刀就會連續前移，閥芯停止前移閥口就會很快關閉使缸體帶著車刀停止前移。同理，將閥芯9往后拉出也會使缸體帶著車刀后移。這里，我們實現了車刀隨閥芯的動而動、停而停，故稱之隨動。又把閥芯看成“主”，車刀看成“從”，“從”嚴格伺候、服務于“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中，當樣件12的表面平行于導軌4時，在大拖板5沿導軌4運動中通入a腔的壓力油被截止，在橫向，杠桿觸銷11不動、閥芯9不動、液壓缸缸體6不動、車刀2也不動，車削出圓柱段;當樣件12的表面向工件下凹時，彈簧10推動閥芯9、杠桿觸銷11隨之前移時，壓力油進入液壓缸的前腔，缸體6前移、車刀2也前移、切入量加大，當缸體移動量與閥芯移動量剛好相等時壓力油被截止，缸體、車刀不動;當樣件12的表面向離開工件方向往外凸時，杠桿觸銷11被推離工件，杠桿8帶著閥芯9移離工件，壓力油進入液壓缸的后腔，缸體6后移、車刀2也后移，切入量減小，當缸體移動量與閥芯移動量剛好相等時壓力油被截止，缸體、車刀不再動。

上述分析表明，在液壓伺服系統的作用下，車刀走過的軌跡與樣件的表面曲線一致，故稱之為仿形。

2 液壓仿形車床的數控化改造方案

2.1 用步進液壓缸進行液壓進給系統數控化改造

車床液壓仿形伺服系統雖然能夠使車床自動地按照樣件曲線加工工件，但是，樣件的制作難度卻比較大，這對少批量生產很不利，也說明液壓仿形伺服系統雖然工作可靠卻存在靈活性較差的缺陷。為此，我們設想去掉杠桿和樣件，參考數字閥的原理，用數字電動機通過位移轉換裝置與閥芯連接，再用計算機通過編程控制車刀的運動，實現小功率計算機數控、液壓輸出大功率機械運動的數控液壓伺服系統。

圖2所示為用步進電動機驅動計算機控制的車床經濟型數控液壓伺服系統。其中，X向進給裝置主要是由步進電動機12、滾珠絲桿螺母副10、控制閥8和液壓缸6構成的步進液壓缸，是在原車床液壓仿形伺服系統去掉杠桿和樣件后加上步進電動機12和滾珠絲桿螺母副10得到的。Z向也設置了同樣的步進液壓缸，由步進電動機19、滾珠絲桿螺母副17、控制閥15和液壓缸13構成，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向電動機19和X向電動機12分別通過聯軸器18和11驅動滾珠絲桿螺母副17和10，將角位移轉換為線位移，帶動閥芯15和8移動，實現計算機對車刀的二維控制。計算機給電動機發出一個脈沖，步進電動機就轉過一個角度α（稱為步距角），經滾珠絲桿螺母副轉換為閥芯移動，改變液壓油通道，使液壓缸體帶著車刀移動一個δ，這個計算機發出一個脈沖使車刀移動的一個位移量δ稱為脈沖當量。依靠計算機給X和Z兩個方向發出脈沖數量的不同組合，可以獲得刀具的不同運動軌跡，加上工件1的旋轉運動就得到預期的旋轉體。

在車削螺紋時，需要根據螺距L和主軸轉角來確定是否給Z軸方向發出脈沖。因此，設置了主軸脈沖編碼器20，使脈沖編碼器輸入軸的轉速與車床主軸同速。普通車床采用的脈沖編碼器一般是每轉1圈發出N=1 200個脈沖，設車床主軸每轉1圈計算機給Z向電動機發出脈沖的數量為S，則有L=Sδ或S=L/δ;設計算機每接到n個主軸脈沖就給Z軸電動機發出1個脈沖，則有Sn=N，n=N/S=Nδ/L;例如要車削L=1.5 mm的螺紋，Z軸脈沖當量為δ=0.01 mm，有n=8，即計算機應該每接到8個主軸脈沖就給Z軸電動機發出1個驅動脈沖。

2.2 用交流數字液壓缸做液壓進給系統數控化改造

前述車床經濟型數控液壓伺服系統的進給裝置，采用能夠為計算機進行數字控制的步進電動機作為數字電動機給液壓伺服系統輸入位移信號，并由液壓缸對外輸出動力的裝置稱為步進液壓缸，屬于數字液壓缸。步進液壓缸有結構簡單、價格低廉、可實現開環控制等優點，但是，也存在低速易丟步、噪聲大等缺點。

采用交流伺服電動機作為數字電動機，與檢測元件配合構成閉環或半閉環控制，可獲得較高的位置精度。由于檢測元件與電動機軸直接連接的半閉環控制方式，容易實現電氣控制部分一體化，使生產專業化、批量化、標準化，從而降低成本、提高質量，因此，在數控伺服系統中日益得到廣泛應用。

目前應用較廣的是采用脈沖編碼器作為位置檢測元件的半閉環脈沖比較伺服系統，其原理就是將圖2的步進電動機改為由交流電動機19和光電脈沖編碼器22組成的交流伺服電動機。光電脈沖編碼器22通過柔性聯軸器18與電動機軸連接，直接檢測電動機19的角位移，換一句話來說，就是用編碼器發出的脈沖數量來反映電動機的角位移量，達到位置控制的目的。假設采用每轉發出1 200個脈沖的編碼器，則控制計算機每接到編碼器發來的1個脈沖，就說明電動機轉過的角位移為0.3°;如果絲桿螺母副17的螺距為6 mm，則0.3°的角位移就轉換成0.005 mm的線位移，即脈沖當量為δ=0.005 mm。

當計算機控制裝置給交流電動機19正向通電時，電動機通過聯軸器18驅動絲桿正轉，螺母向后移動、閥芯后移，壓力油經a、b進入液壓缸后腔，缸體13帶著大拖板5后移;當計算機控制裝置發出停轉指令時，電動機就會馬上停轉，絲桿停轉、閥芯15不再移動，只剩下閥體14、缸體13帶大拖板5稍為后移就會關閉液壓閥，整個裝置歸于靜止。

3 結語

液壓仿形車床經過數控化改造后，脈沖當量達到0.005 mm，大大提高了加工工效，增強了其適用性，穩定了工件的加工質量。在機械加工行業，類似這樣的老設備非常多，如能利用先進的控制手段，經過數控化改造，不僅可以提高它們的使用壽命，更重要的是提高了機床的加工能力，改變了生產控制方式，其經濟效益和社會效益是非常明顯的。

［1］明興祖.CY6140型車床的數控化改造設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2003（9）:45－47.

［2］龔智敏.T68型普通鏜床的數控化改造［J］.機械制造與自動化，2008（6）:159－160.

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

［4］閆向彤.普通機床的經濟型數控化改造設計［J］.機械設計與制造，2009（10）:205－206.