组合机床液压系统的优化设计研究

　　摘要：该文针对传统液压式组合机床自动化程度不足的问题, 在保留其原有基本结构和工作性能的基础上, 对其液压回路及控制系统进行了优化设计, 从而提高了液压式组合机床的自动化程度。并通过对优化设计后的各液压回路进行分析和虚拟仿真测试实验, 验证了优化设计后的液压系统不但缩短了每道工序时间, 提高了整体生产率, 而且控制更加清晰和简单。

　　关键词：液压式; 组合机床; 控制系统; 液压回路;

　　Abstract：Aiming at the lack of automation of traditional hydraulic combined machine tools of this paper, optimizes design of its hydraulic circuit and control system on the basis of retaining its original basic structure and working performance, so its could improve the degree of automation of hydraulic combined machine tools. And through the optimization design of the hydraulic circuit of the analysis and virtual simulation test, it is verified that the hydraulic system after optimized design not only shortens the time of each working procedure, but also improves the overall productivity, and the control is clearer and simpler.

　　Keyword：hydraulic type; combined machine tool; control system; hydraulic circuit;

　　随着自动控制技术的不断进步与完善, 传统组合机床自动化程度低、生产效率低、生产成本高等问题日益凸显[1], 对当前加工系统进行有效改造成为大多数制造企业的首要任务。目前, 越来越多的国内外专家进行了该方面的研究:王晓瑜[2]对DU组合机床的单机液压回转台控制系统的改造;龙卓群[3]对液压成型机床控制系统的改造;日本机床研究院[4]设计的主轴自动化控制系统, 实现了多轴控制和主轴进给速度控制, 提高了主轴转速和进给速度。

　　这些改造和研究不同程度地提高了机床的自动化程度和生产率, 降低了生产成本。

　　1、传统液压式组合机床的结构组成及特点

　　1.1、传统液压式组合机床的机械结构及应用特点

　　图1所示的液压式组合机床主要由滑台、镗削头、夹具、多轴箱、动力箱、立柱、后底座、侧底座等组成。可用于特殊件加工;大批量、半自动化生产, 具有较高的加工精度。

　　1.2、传统液压式组合机床液压控制系统分析

　　传统液压式组合机床的液压控制系统如图2所示, 通过该系统实现与其它组合机床滑台类似的纵向直线运动:快进→工进→快退→原位停止。

图1 液压式组合机床结构示意图

　　滑台、镗削头夹具多轴箱5-动力箱6-立柱7-后底座8-侧底座

图2 液压式组合机床液压控制系统图

　　该液压系统主要存在以下3个问题:

　　(1) 只在零件加工过程实现了自动化, 而在夹紧和取出两个环节还是手工操作;

　　(2) 采用单液泵供油, 在机床工作中容易造成溢流损失;

　　(3) 当机床加工完成后, 空气容易逆流至油箱, 造成下次加工时的振动和噪声。

　　2、组合机床液压控制系统的优化设计

　　2.1、组合机床液压系统的总体优化设计

　　为弥补传统液压系统自动化程度的不足, 需要增加工件自动定位和装夹液控系统回路。优化后的液控系统如图3所示。

图3 优化后的液压控制系统图

　　优化后的液压式组合机床滑台工作程序由原来的“快进→工进→快退→原位停止”改变为“定位→夹紧→快进→工进→快退→松开→原位停止”。相较之下, 在工件的“定位”、“夹紧”和“松开”三个环节实现了自动化, 不仅减少了加工辅助时间, 提高了生产效率, 而且还使零件加工精度得到了提高, 更能满足时代对制造企业提出的要求[7]。

　　2.2、优化设计后的液压回路原理分析

　　1) 工件装夹液压回路分析

　　如图4所示, 当三位四通电磁换向阀5左侧YV1通电时, 液压泵供油且油液进入工件定位缸的左侧, 使得缸向右移动, 实现工件定位;当工件定位液压缸继续向右移动且移动到顶部时, 由于液压泵继续供油, 使得油压不断增大且达到调压阀7的额定值, 此时调压阀7开启, 液压油开始进入到工件夹紧缸3左侧, 推动工件夹紧缸向右移动, 实现工件夹紧;随着工件夹紧缸向右移动至顶端, 液压缸3左侧不断供油使得压力不断增大, 当油压值达到继电器8的额定设置值时, 三位四通电磁换向阀左侧YV1断电, 电磁阀5处于中位, 从而实现工件夹紧状态保持。

图4 工件装夹液压回路图

　　2-工件定位缸3-工件夹紧缸5-换向阀6、7-调压阀8-继电器开关9、10-单向节流阀

　　2) 快进、工进液压回路分析

　　见图5, 当工件处于加紧状态后, 三位五通电磁换向阀6左侧YV5得电, 液压泵供油经过电磁阀6左侧进入, 再经过调速阀11进入滑台, 推动缸1向右移动, 同时缸1右侧油液经换向阀6左侧继续循环流动进入滑台推缸左侧, 实现差动连接。为了防止缸1右侧油液经调压阀14流回油箱, 调压阀14的额定压力值设置值一定要大于直线滑台向右移动顶端位置时缸1右侧的压力值。

　　同理, 当系统处于工进状态时, 此时将调压阀14值降低最小, 调压阀14开启, 使得油液经过滑台推动缸1向右移动且缸1右侧油液经换向阀6, 最终经调压阀14流向油箱, 从而实现工进。其中单向节流阀12起到顺向导通, 逆向截止作用。

图5 机床快进、工进液压回路图

　　1-滑台推缸4、6-换向阀11-调速阀12-单向节流阀13、14-继电器开关15-液压泵

　　3) 快退液压回路分析

　　滑台推缸工进结束后保持静止状态, 当达到设置的静止时间时, 换向电磁阀4、6右侧YV4、YV6分别得电, 整个系统回路反向进油, 且调压阀14压力值设置较高, 调压阀处于关闭状态, 工件推缸1左右两侧形成差动状态, 从而实现机床快退。系统回路如图6所示。

图6 快退液压回路图

　　1-滑台推缸4、6-换向阀11-调速阀12-单向节流阀13、14-继电器开关15-液压泵

　　4) 停止回路分析

　　如图6所示, 当组合机床滑台退回初始位置时, 由于初始位置有限位开关, 此时压下限位开关, 三位五通电磁换向阀4、6的右侧YV4、YV6同时断电, 电磁阀4、6处于中间位置, 使得液压泵供油无法通过, 最终滑台缸左右两侧无油进入, 进而使得滑台处于初始状态静止。

　　3、液压组合机床控制系统的优化设计

　　3.1、液压系统电磁阀动作顺序分析

　　图3所示优化设计后的液压控制系统, 应按流程实现“定位→夹紧→快进→工进→快退→松开→原位停止[5-6]”等功能。整个液控回路电磁阀动作顺序见表1。

表1 电磁阀动作顺序表

　　3.2、系统PLC编程

　　该液压组合机床自动化加工控制系统选用三菱PLC进行控制, 其I/O分配如表2所示。

表2 PLC的I/O分配表

　　其中, 开关SB1控制组合机床急停, SB2控制启动, SQ1、SQ2、SQ3分别表示滑台快进、工进、快退等限位开关。系统I/O接线图如图7所示。

图7 液压组合机床I/O接线图

　　3.3、系统控制功能流程

　　具体控制流程如图8所示:包括了电机启动、工件定位夹紧、快速进给、工进、滑台停留、快退、原位停止等[6]。

　　(1) 电机启动:当初始脉冲M8002作用时, 系统处于原始状态, 当给PLC发出指令时, KM1、KM2线圈得电, 定时器T1定时, 时间到, 接触器开关KM1、KM2闭合, 主轴电机和液压泵电机主控线路接通, 电机瞬间启动;

　　(2) 快进工序:当检测到工件时, 按下检测工件按钮SB3, 此时工件被加紧, 夹紧后定时器T2定时, 到达定时时间时, PLC发出命令, 滑台快进;

　　(3) 工进工序:当滑台在快进的过程中压下行程开关SQ1时, 此时PLC发出命令, 滑台处于工进状态;

　　(4) 停留工序:当主轴在工进的过程中压下行程开关SQ2时, 此时PLC发出命令, 滑台处于暂停状态;

　　(5) 快退工序:当滑台暂停状态时, 定时器T3开始计时, 到达指定时间后, 滑台开始快退, 定时器T4开始计时, 到达指定时间后, 滑台停止。

图8 系统控制功能流程图

　　4、组态实验仿真

　　液压组合机床控制系统监控建立在工业组态基础之上:首先采用MCGS的TPC1162Hi触摸屏作为本次试验的监控设备, 在MCGS中建立组合机床相关变量和PLC变量, 并且将两者变量相互建立关系;其次, 在组态软件中建立组合机床组态界面[10]。具体过程如下:

　　第一, 根据软件系统自带的绘图功能, 将机床组件、按键开关、指示灯、液压回路系统相关的元件及辅助元件等绘制在界面上;第二, 将每个有关联的元件按照一定的原则进行连接, 组成一个完整的在线模拟控制系统;第三步, 也是最关键的一步, 在线编程指令, 将指令输入到系统中, 然后进行系统测试仿真。最终, 得到系统联机界面监测, 实验测试数据如表3所示。

表3 液控系统回路优化前、后仿真数据对比

　　从表3仿真实验数据可以看出, 液压组合机床工件装夹由传统的手工装夹到自动化装夹, 节省了时间, 而且在快进、工进、快退、完整加工等工序所需要的时间降低, 提高了加工效率。因此, 实验测试数据表明, 液压组合机床液控系统回路优化设计合理, 提高了加工效率, 能够满足机床加工的基本生产要求。

　　5、结论

　　通过上述分析和实验, 可得出以下结论;

　　(1) 将传统人工手动装夹改为自动化装夹, 不仅提高了装夹效率、节约成本, 而且还提高了装夹精度, 保证了组合机床加工精度;

　　(2) 组合机床自动化改造不仅保留了组合机床原有的基本结构和工作性能, 而且对每个液控回路工序进行了优化, 实现了节能自动化加工;

　　(3) 组态王软件建立虚拟仿真测试实验, 试验表明了液压回路系统设计合理, 液压回路控制更加清晰、简单。

　　参考文献
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　　[3]龙卓群.基于PLC及HMI的液压成型机床控制系统改造[J].煤矿机械, 2017, 38 (4) :155-157.
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