以數控車床為本體的液壓實驗臺設計與實現

楊建國

(徐州生物工程職業技術學院機械工程系，江蘇徐州 221006)

由于液壓技術廣泛應用于機電液一體化的自動化設備中，故液壓元器件工作是否可靠、液壓回路的設計是否合理等因素，都會關系到液壓設備的性能，這些問題，大部分可通過在液壓實驗臺上做實驗予以解決。另外，《液壓傳動與控制技術》也是機械類專業的學生必學的一門重要的專業基礎課程，由于液壓技術本身的特點，如僅僅探討其理論知識是較難掌握該課程的。而通過在液壓實驗臺上做實驗，就可以將抽象的液壓技術轉化為實實在在的實驗現象，有助于學生掌握液壓元器件工作原理及液壓傳動系統的設計、安裝、調試與維護知識，具有很強的實踐性。

1 國內外液壓實驗臺發展現狀

為了滿足現代工業技術及教學實驗的需求，國內外開發研制了多種液壓實驗臺。主要有:

1.1 基于虛擬儀器技術研制的液壓實驗平臺

集液壓技術、通信技術、傳感檢測技術、計算機控制技術等眾多技術于一體的虛擬儀器技術，應用于液壓實驗測試與控制系統，具有顯著的機、電、液一體化特征，在組建和改變儀器的功能和技術性能方面更為靈活、更為經濟。但該系統由于其元器件及工作原理均為虛擬狀態，直觀性較差，不能完全代替真實液壓元器件的實驗功能。

1.2 透明型液壓實驗裝置

在該實驗裝置中，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，因而學生可以很直觀地觀察液壓元件的內部構造和閥芯的位置變換等情況，進而了解各液壓元件和液壓回路的工作情況。但該實驗裝置僅能演示液壓元件結構及原理，而不能完全代替工廠實用之產品，故主要應用于教學。

1.3 基于PLC控制的液壓實驗臺

由于可編程序控制器 (PLC)具有工作可靠性高、抗干擾能力強、靈活性好、編程方便的特點，使其特別適用于對液壓實驗臺控制系統有較高柔性要求的場合。目前國內廠家生產的基于PLC控制的液壓實驗臺主要有兩種類型:(1)仿真型多功能液壓實驗臺，該類液壓實驗臺用于教學較多，僅具備普通的演示功能和基本的實驗功能; (2)生產型液壓實驗臺，該類液壓實驗臺可有針對性地檢測液壓件 (如液壓缸、液壓控制閥等)性能及液壓回路的設計合理性，雖能用于教學，但實習范圍較窄，且價格昂貴。上述兩種實驗臺多做成獨立產品提供給用戶。

針對現有技術的不足之處，作者設計了一種基于數控車床的、PLC控制的液壓實驗臺，既可用于測試實際的液壓控制元件，又能滿足學生對機、電、液設備的聯調實驗要求。

2 液壓實驗臺總體布局

如圖1所示，液壓實驗臺總體布局是基于數控車床的，主要由3個部分組成:獨立液壓站1(其上安裝有閥組2)、液壓實驗操作臺3以及數控車床10。機床主要運動部件有尾座6、滑臺8、液壓卡盤9及回轉油缸11等。推動尾座6的進給液壓缸4通過浮動接頭連接在尾座上，并由固定在床身上的支架5支撐。為方便實驗時的操作，在數控車床上還安裝了一手持控制器7，手持控制器7上設有與PLC連接，且用于控制液壓卡盤夾緊與松開，尾座的快進、工進與快退的操作按鈕。數控車床和操作臺之間的電器連接線主要走高架，具有布局美觀、節省空間且安全性好等特點。

圖1 液壓實驗臺總體布局

3 液壓傳動系統設計

此液壓實驗臺液壓傳動系統包含3個回路，即液壓卡盤夾緊回路、液壓尾座驅動回路及速度調節回路(圖2所示)。

當給數控車床送電時，為保證操作者的安全，液壓卡盤默認為夾緊狀態，否則，機床不動作，故機床開機液壓站就處于工作狀態，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起到欠壓保護作用，即當系統壓力小于設定值時，壓力繼電器2保護開關KP斷開 (原機床電路實現)，機床動作被強行停止，主軸停轉，保護設備及人身的安全。單向閥3主要是為液壓卡盤夾緊系統保壓，即當機床斷電時，單向閥3封閉，保持回轉油缸的工作壓力，此時，若斷電前液壓卡盤處于夾緊狀態，則斷電后依然維持此狀態。減壓閥4的作用是將液壓泵的輸出壓力p(即系統壓力，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是供回轉液壓缸進出油換向用，以控制液壓卡盤夾緊與松開的動作。

圖2 液壓傳動系統圖

當數控車床開機時，由于液壓站就已經處于工作狀態，為了使液壓尾座運動回路能獨立運行，選用了中位機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時尾座不動作，確保操作者的安全。此液壓尾座的運動功能設計為: → →快進 工進快退，故三位四通換向閥11的中位機能選為P型，此中位機能可實現液壓缸差動運動。同時進給液壓缸的換向動作亦由換向閥11實現。

液壓尾座工進時的速度調節由節流閥12實現。考慮到尾座工進時阻力小、速度慢，故速度調節采用進口節流調速回路。

由于疊加式液壓閥具有結構緊湊、在生產設備上得到廣泛應用的特點，此液壓尾座回路中的液壓閥選用疊加式液壓閥 (01系列)。

4 液壓實驗臺電路設計

4.1 液壓實驗臺電源輸入

液壓實驗臺所用的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)以及油泵電機的三相交流電源(AC 220 V)均由數控車床主電路供電，這種一體化的設計，節省了設備的投資，也有利于機電液聯調實驗的開展。

4.2 PLC控制電路設計

PLC是液壓實驗臺的控制核心，此實驗臺選用三菱公司的PLC，型號為FX2N-48MR-001。該 PLC為繼電器輸出，輸入輸出點數均為24點，最大可擴展到256個I/O點，不僅能滿足現在實驗的需要，亦為今后實驗臺功能的擴展打下基礎。

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、尾座快進按鈕SB8、尾座工進按鈕SB10、尾座快退按鈕 SB12。圖 中，SB3、SB5、SB7、SB9、SB11、SB13是為手持控制器對應操作臺而設置的具有相同功能的操作按鈕。

圖3 PLC控制圖

PLC的輸出端對應連接有中間繼電器KA1～KA7。繼電器的常開觸點分別對應連接電磁閥的線圈1YV～7YV，如圖4所示。另外，KA1～KA7的常開觸點還分別對應連接有指示燈，以反映線圈的工作狀態 (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運動，在尾座的－Z以及+Z方向設有與PLC連接的行程開關。行程開關有4個，即SB14～SB17，兩個設置在尾座運動的－Z方向，另外兩個設置在尾座運動的+Z方向。行程開關SB0起安全保護作用，即只有在機床滑臺沿－Z方向運動到尾座行程之外，壓下行程開關SB0時，液壓尾座才能運動，確保尾座與滑臺不會碰撞。

為了方便實驗臺拓展新的功能，PLC上還預留了備用按鈕以及備用中間繼電器。

5 液壓實驗臺工作過程

表1為液壓傳動系統的電磁鐵動作順序。

表1 電磁鐵動作順序

液壓實驗臺工作過程如下:

5.1 液壓卡盤夾緊回路工作過程

(1)卡盤夾緊

在開機狀態下，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，壓力油流進回轉液壓缸的有桿腔，無桿腔回油，活塞桿向左運動，拉緊液壓卡盤，液壓卡盤為夾緊狀態。

(2)卡盤松開

當需要卡盤松開時，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，壓力油流進回轉液壓缸的無桿腔，活塞桿向右運動，有桿腔回油，松開液壓卡盤，液壓卡盤為松開狀態。

5.2 液壓尾座運動回路工作過程

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

(1)尾座快進動作

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，壓力油經過電磁閥10左位、電磁閥11中位、電磁閥13左位流進進給液壓缸14的無桿腔，活塞桿向左運動，壓力油經有桿腔回油到三位四通電磁閥11后，基于電磁閥11的中位機制，回油與進油疊加，進入到進給液壓缸14無桿腔的流量增加，形成差動進給，實現了尾座的快進。

(2)尾座工進動作

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，壓力油經過電磁閥10左位、電磁閥11左位、節流閥12流進進給液壓缸14的無桿腔，由于節流閥12的節流作用，活塞桿向左運動速度變慢，故實現了尾座的工作進給，工作進給速度的快慢可通過調節節流閥12上的旋鈕來實現。

(3)尾座快退動作

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，壓力油經過電磁閥10左位、電磁閥11的右位流進進給液壓缸14的有桿腔，推動活塞桿向右運動，無桿腔回油。由于三位四通電磁閥13換向至右位，壓力油回油時直接經過電磁閥13無阻礙地回到油箱，從而實現了尾座的快退。

5.3 液壓實驗臺實驗內容

該液壓實驗臺主要實驗內容有:

(1)壓力調整實驗

液壓站輸出的系統壓力是由溢流閥控制的，一般調整為3.5 MPa，是液壓泵最高工作壓力的一半。學生可通過調節溢流閥上的旋鈕改變系統壓力，進而觀察減壓閥4輸出壓力的變化規律，領會減壓閥之作用。學生也可在保持系統壓力不變的情況下，結合數控車床的加工狀態，調節減壓閥的壓力，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)，液壓尾座進給油缸工作壓力約為2 MPa。

(2)節流調速實驗

尾座的工進速度可以通過節流閥12調節，即當尾座距離工件較近時，調節節流閥上的旋鈕，使其工進速度變慢，反之亦然。

該液壓實驗臺配合獨立安裝的液壓加載裝置，可用于測試節流調速回路的速度－負載特性 (即液壓缸的工作速度v和負載F的關系)，此特性可選擇進油節流和出油節流進行測試。圖2所示為進油節流調速回路，實驗時，也可靈活調整為出油節流調速回路，僅需將速度調節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)機電液聯調實驗

由于該液壓實驗臺是PLC控制的，柔性較強，故可以通過更改PLC程序改變尾座的運動規律。如在程序中不指定三位四通電磁閥11的中位機能，即可屏蔽掉尾座的快進功能，使尾座僅有工進與快退兩種運動。

另外，為了方便學生觀察，油缸口A2、油缸口P2'以及油缸口B1通過透明管道與進給液壓缸連接，學生可通過透明管路觀察液體在液壓系統中的流動規律。另外，液壓站上還安裝有標準疊加閥底板，學生可根據需要，利用預留的壓力表、按鈕開關、中間繼電器等元器件，自行組建液壓回路或對液壓元件性能進行測試。

6 結束語

該液壓實驗臺以數控車床為本體，使學生通過借助高技術的數控加工裝備，體驗到機、電、液一體化技術在實際機電設備上的具體應用。另外，該實驗臺在保證數控車床液壓卡盤夾緊系統正常工作的前提下，充分挖掘了現有設備的潛力，節省了采購成本，做到以較少的投入獲得較大的實習實驗效果。

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