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 530023）

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、计算机控制技术日趋成熟的今天，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。

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z方向）移动，并按照样件12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11并在弹簧10的作用下保持压在样件12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δ，就要先将阀芯9再往前推进一个δ;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。

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12的表面平行于导轨4时，在大拖板5沿导轨4运动中通入a腔的压力油被截止，在横向，杠杆触销11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12的表面向工件下凹时，弹簧10推动阀芯9、杠杆触销11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12的表面向离开工件方向往外凸时，杠杆触销11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，切入量减小，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。

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，X向进给装置主要是由步进电动机12、滚珠丝杆螺母副10、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12和滚珠丝杆螺母副10得到的。Z向也设置了同样的步进液压缸，由步进电动机19、滚珠丝杆螺母副17、控制阀15和液压缸13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19和X向电动机12分别通过联轴器18和11驱动滚珠丝杆螺母副17和10，将角位移转换为线位移，带动阀芯15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α（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δ，这个计算机发出一个脉冲使车刀移动的一个位移量δ称为脉冲当量。依靠计算机给X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L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20，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N=1 200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=Sδ或S=L/δ;设计算机每接到n个主轴脉冲就给Z轴电动机发出1个脉冲，则有Sn=N，n=N/S=Nδ/L;例如要车削L=1.5 mm的螺纹，Z轴脉冲当量为δ=0.01 mm，有n=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。

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19和光电脉冲编码器22组成的交流伺服电动机。光电脉冲编码器22通过柔性联轴器18与电动机轴连接，直接检测电动机19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1 200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17的螺距为6 mm，则0.3°的角位移就转换成0.005 mm的线位移，即脉冲当量为δ=0.005 mm。

当计算机控制装置给交流电动机19正向通电时，电动机通过联轴器18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13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15不再移动，只剩下阀体14、缸体13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0.005 mm，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。

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