數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究

張錦

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究

張錦

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

液壓系統(tǒng)是一項很重要的現(xiàn)代傳動控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于包括數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的各種機(jī)械設(shè)備上，其體積小，重量輕，布局靈活方便，并且操作也非常簡便，在執(zhí)行運動控制系統(tǒng)中非常實用，能夠在很大的方位內(nèi)實現(xiàn)無級變速，也能滿足過載保護(hù)的需求。可根據(jù)工作環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)囊簤河?，適用范圍很廣，同時因為其以液壓油作為傳動介質(zhì)，所以可自行潤滑，很大程度延長了維護(hù)日期，減少的維護(hù)工作量，增加了設(shè)備的使用壽命。

數(shù)控機(jī)床；液壓；液壓缸；工作腔

對于機(jī)床來說，常見的有車床、銑床、刨床、磨床、鉆床、鏜床、鍛壓機(jī)床等，最早出現(xiàn)的是純手動機(jī)床，是電機(jī)通過多級齒輪傳動來實現(xiàn)切削工作的，所有加工量和加工速度都是操作人員參照刻度盤和經(jīng)驗來手動調(diào)節(jié)的。隨著不斷的改進(jìn)，帶有自動走刀功能的機(jī)床逐漸面世，最初的自動走刀是以齒輪傳動方式實現(xiàn)的。每個速度級別都需要配備一套齒輪組，齒輪的重量和體積限制使得這樣的機(jī)床只有幾個速度級別，齒輪需要加潤滑油，增加了維護(hù)的人工成本，眾多齒輪的磨損和更換增加了材料成本，這三個缺點使古老的機(jī)床逐漸被其他科技淘汰。

1 機(jī)床液壓系統(tǒng)作用和優(yōu)勢

機(jī)床最常見運動方式有軸向運動和旋轉(zhuǎn)運動兩類，相當(dāng)幾部分機(jī)床的工作都需要兩種運動方式結(jié)合來完成，旋轉(zhuǎn)運動一直都是通過電機(jī)搭配皮帶和齒輪來實現(xiàn)的，而軸向運動即可以通過電機(jī)搭配齒輪和齒條實現(xiàn)也可以通過液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)，齒輪傳動必須要額外附加過載保護(hù)部件，最常見的就是利用壓力傳感器檢測載荷，再通過電磁繼電器斷電來實現(xiàn)過載保護(hù)。這種過載保護(hù)的滯后性會對零件造成很大的損傷，而液壓系統(tǒng)則可以根據(jù)需要事先設(shè)定液壓缸的壓力，從根源上實現(xiàn)過載保護(hù)，幾乎不會對零部件產(chǎn)生任何損傷。

所有機(jī)械設(shè)備都不可能達(dá)到百分之百的的精準(zhǔn)，除了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t外和計量系統(tǒng)的誤差外，慣性也是其中一項很重要的原因，齒輪傳動的制動方式主要是以制動輪或者直接以主動輪的強(qiáng)行停止或瞬間反轉(zhuǎn)來完成的，所有的齒輪都難以避免的存在一定的間隙，這樣的話強(qiáng)行停止就會產(chǎn)生撞擊同時引起震動，這樣不僅損傷設(shè)備也會很大程度的引起誤差。液壓傳動的制動則是依靠液壓閥的關(guān)閉通過平衡壓力進(jìn)行制動，這種軟制動方式能起到一定的緩沖效果，在很大程度上保護(hù)了設(shè)備，同時減小震動，對提高機(jī)床精度有非常大的作用。

2 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計的基本工作原理

液壓系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的上的應(yīng)用主要有自動加緊、刀盤轉(zhuǎn)換和卡盤移動這幾個方面，自動加緊功能的設(shè)計思路很簡單，打開加緊方向的進(jìn)液閥使液壓缸的高壓液壓油推動卡盤，同時打開松開方向的泄壓閥卸掉反作用力將工件夾緊。需要取下工件時則相反，需要打開加緊方向的泄壓閥，同時打開松開方向的進(jìn)液閥使得液壓油推動卡盤反方向運動松開工件，需要注意的是在完成夾緊和松開后，之前打開的液壓閥需要自動關(guān)閉，同時液壓缸暫停工作，這樣可以使液壓腔內(nèi)的保持一個平衡未定的壓力，減小振動幅度，也能使液壓缸暫時泄壓，延長液壓缸的使用壽命。

刀盤轉(zhuǎn)換功能大多數(shù)機(jī)床是通過齒輪實現(xiàn)的，但也可以用液壓系統(tǒng)來完成，這項功能是利用環(huán)形液壓腔利用液壓完成旋轉(zhuǎn)作業(yè)，其利用兩個完全反向的環(huán)形液壓腔使刀盤完成正反兩個方向的旋轉(zhuǎn)運動，同時用另一個普通液壓腔完成卡盤的固定，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)利用簡單的計算和位置記憶功能精準(zhǔn)的判斷換刀需要的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動工位數(shù)完成換刀，換刀前夾緊液壓腔的泄壓閥打開松開刀架，對應(yīng)旋轉(zhuǎn)液壓腔的進(jìn)液閥打開刀架開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)都苄D(zhuǎn)到預(yù)定工位時，該旋轉(zhuǎn)液壓腔的泄壓閥打開，同時夾緊液壓腔的進(jìn)液閥打開將刀架固定。

不同的機(jī)床運動軸數(shù)量和運動距離不同，比如車床有兩個運動軸，其中一個距離很長，另一個則相對較短，銑床有三個運動軸，而多功能加工機(jī)床有三個軸向運動和三個旋轉(zhuǎn)運動。運動軸長的機(jī)床需要容積比較大的液壓缸和較長的液壓腔，運動軸短的則相反，軸向運動的液壓原理比較簡單，通過分別打開液壓腔兩端的進(jìn)液閥來改變移動方向，當(dāng)液壓腔一段個液壓閥開啟時，同一液壓腔另一端的泄壓閥必須打開，這是其中一種設(shè)計思路，這樣的運動方式的另一種設(shè)計是將該液壓腔兩端直接接在同一液壓缸的兩端，通過液壓缸的運動方向和運動量直接控制該運動部件。

3 現(xiàn)階段機(jī)床液壓系統(tǒng)的不足之處

液壓系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到非常普遍的應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)也經(jīng)過了一代又一代的更新，最初的液壓系統(tǒng)在完成多個運動時只能輪流作業(yè)，而如今多軸聯(lián)動的機(jī)器早已普遍應(yīng)用，剛開始每個軸向運動的每個方向都需要一個獨立的液壓缸，使得多軸運動的機(jī)床液壓系統(tǒng)太過繁瑣，現(xiàn)在多個會不影響的液壓腔共用一個液壓缸早已非常普遍。雖然經(jīng)過不斷更新和改進(jìn)，機(jī)床的液壓系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)完善，但有些功能還是存在以下幾個問題，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

最常見的問題就是液壓油污染嚴(yán)重，不易清理。液壓缸長期運動過程中磨損所產(chǎn)生的固體混在液壓油中很容易堵塞和損壞液壓系統(tǒng)的部件，這個問題一直是一個難點，為了低能耗的利用液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的工作管路、工作腔和液壓缸容積都很小，不易加裝過濾組件。同時即便加裝了過濾組件，如果過濾精度太低也沒有明顯效果，精度高又會影響液壓油的流速，降低了工作效率。增大工作腔和工作管路雖然能適當(dāng)減小對流量的影響，但這不僅增加了能耗還降低了系統(tǒng)精度。

液壓系統(tǒng)相比純機(jī)械結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)勢，但也會產(chǎn)生一些缺點，相比于純機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)啟動相對遲緩，因為它比機(jī)械結(jié)構(gòu)多了一個增壓的過程?？梢酝ㄟ^減小工作管路和工作腔來減小其影響，但受各方面限制減小的程度有限，目前液壓系統(tǒng)的啟動速度還是明顯不及機(jī)械結(jié)構(gòu)。

絕大多數(shù)液體的熱脹冷縮相比于固體都更加明顯，液壓油也如此，摩擦和壓縮產(chǎn)生的大量熱能會讓液壓油的溫度快速提高，溫度引起的體積變化會嚴(yán)重影響系統(tǒng)精度。溫度的升高會使得油液粘稠度下降，這樣很容易產(chǎn)生泄漏，如果泄漏嚴(yán)重不但影響精度，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

4 機(jī)床液壓系統(tǒng)未來可能的改進(jìn)方向

液壓缸的摩擦是不可避免的，摩擦就必然伴隨著磨損，解決磨損最好的方法是通過增加材料表面光滑度，同時選用不易磨損的新型材料。這樣就能很大程度減少磨損產(chǎn)生的鐵屑污染液壓油，而且還能降低因摩擦產(chǎn)生的熱量。而對于系統(tǒng)啟動遲緩的問題則可以將進(jìn)液閥盡量靠近工作腔進(jìn)行安裝，同時利用數(shù)控機(jī)床自身自控系統(tǒng)在進(jìn)液閥開啟之前預(yù)加壓，從而把動作延遲降到最低。液壓油的發(fā)熱是不可避免的，但減小摩擦力的新型材料能減小其發(fā)熱量，同時可以盡量選用導(dǎo)熱快的材料制作液壓系統(tǒng)的部件，必要時可額外加裝水冷乃至液氮等冷卻系統(tǒng)，同時增加系統(tǒng)密封性，避免泄漏引起的問題。

除了以上新型材料和附加部件，新的結(jié)構(gòu)才是更新?lián)Q代的重點，多個液壓缸的液壓系統(tǒng)完全可以修改成單個液壓缸，在液壓缸的出液口增加一個高壓緩沖腔，用于儲存高壓液壓油，高壓緩沖腔連接所有進(jìn)液閥的入口管，在工作過程中該區(qū)域一直處于設(shè)定好的高壓狀態(tài)，內(nèi)部壓力穩(wěn)定于一個恒定的范圍。當(dāng)其壓力降低時液壓缸開始工作，給高壓緩沖腔增壓，直到增加到設(shè)定值。在液壓缸的進(jìn)液口設(shè)一個與外界空氣聯(lián)通的常壓儲液腔，用于儲存液壓油供給液壓缸，同時各工作腔的泄壓閥出口連通低壓儲液腔，用于泄壓時排放液壓油。泄壓閥出口和液壓缸進(jìn)液管分別接在儲液腔的兩個方向，中間加裝過濾網(wǎng)，儲液腔內(nèi)可增設(shè)沉淀系統(tǒng)。

當(dāng)機(jī)床任一部位需要液壓時，只需打開該工位的進(jìn)液閥即可，液壓油會立即從高壓緩沖腔進(jìn)入對應(yīng)的工作腔，無需液壓缸先動作，泄壓時在泄壓閥打開的瞬間液壓油便會瞬間流入儲液腔，加快了系統(tǒng)的啟停速度。

常壓儲液腔的過濾和沉淀裝置能有效的凈化液壓油，而且這個新增加的出油區(qū)域體積較大，完全可以有很大的過濾面積，不會對工作效率有任何負(fù)面的影響。這種結(jié)構(gòu)液壓缸事先給高壓緩沖腔充壓，能一定程度減小液壓缸的工作頻率，減小發(fā)熱量，與此同時與空氣連通的常壓儲液腔也能有效的快速散熱，此外，還可以在高壓緩沖腔的外壁上加裝散熱翅片，綜合散熱效率將會有很大的提升，極大程度的減小了液壓油溫度升高帶來的副作用。

[1]邵俊鵬等.液壓系統(tǒng)設(shè)計禁忌[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]孫桓,陳作模,葛文杰主編.機(jī)械原理[M].高等教育出版社, 2006.

[3]張利平編著.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]畢承恩等編著.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[5]機(jī)床設(shè)計手冊.編寫組編.機(jī)床設(shè)計手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1978.

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1671-0711（2017）05（上）-0105-02