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数控车床液压卡盘夹紧控制系统的研究

2021-05-04 13:26 阅读次数:

  收稿日期:2013-11 -05 基金项目:陕西工业职业技术学院院内科研项目“数控车床液 压卡盘夹紧控制系统的研究”(ZK13 -04) 作者简介:张文亭(1980),男,陕西延长人,讲师,硕士,主要从 事机电设备及控制技术方面的研究。 数控车床液压卡盘夹紧控制系统的研究 张文亭 (陕西工业职业技术学院 机械工程学院,陕西 咸阳 712000) 摘要:主要研究数控车床液压卡盘夹紧控制系统,建立了动力卡盘的夹紧力和转速之间的关系模型,分析了基于供油压力随速度变化的夹紧力补偿,设计了动力卡盘的夹紧控制系统的油路,通 过试验验证了采用液压压力补偿的卡盘控制系统具有较好的高速性能。 关键词:动力卡盘;液压系统;多级调压;可编程控制器 中图分类号:TH137. 文章编号:1000-0682(2014)02 -0074 -03 Research CNClathe chuck clamping hydraulic control system ZHANG Wenting (School MechanicalEngineering,Shaanxi Polytechnic Institute,Shaanxi Xianyang 712000,China) Abstract:Thispaper studies CNClathe chuck clamping hydraulic control system, established relationshipbetween powerchuck clamping force speedchange based oilpressure clampingforce compensation, designed chuck clamping force control system hydraulic circuit,verified experimentusing pressurecompensated hydraulic chuck control system has good high speed performance. Keywords:power chuck;hydraulic system;multi stagepressure regulator;PLC 引言现代加工技术朝着高效率、高精密等方面发展, 对数控机床及其夹具提出了高转速、高精度的要求。 动力卡盘是数控车床中最常用的工件夹具,它是车 床主轴与工件连接的桥梁,车床主轴的运动及精度 通过卡盘传递给工件。 将液压传动技术和自定心卡 盘技术完美结合的液压动力卡盘已成为目前数控车 床必不可少的基础性功能部件。 目前,国内数控车床的电主轴最高转速可以达 到每分钟上万转,而液压卡盘能适应的最高转速还 没有达到这个要求,液压动力卡盘的低转速制约着 数控机床向高转速的发展。 为了改善液压卡盘落后 的现状,应该借鉴外国先进的技术经验,进行高速液 压卡盘国产化的研究及创新,缩小与发达国家(德 国、日本等)的技术差距,满足国内市场的需求。 该文在分析了动力卡盘夹紧力的基础上,深入 研究了数控车床液压卡盘夹紧控制电液系统,采用 先导式减压阀 直动式溢流阀组实现多级调压控制,来满足速度变化时夹紧力变化的要求。 动力卡盘夹紧力的分析动力卡盘的卡爪在卡盘体圆周上对称分布,求 取夹紧力时,只需分析其中一个卡爪的楔心套的受 力情况即可。 如图1 所示,基爪的楔形齿对楔心套 的正压力为: cosβsin(α 卡盘轴线的角度;β为楔心套摩擦角,β 楔心套与基爪的相互作用力分解为轴向分量就是回转液压缸的驱动力F ,径向分量就是基爪获得的静态夹紧力F tanαtanα 当三爪卡盘处在工作状态时,由于车床主轴转速的升高,必然引起卡盘静态夹紧力的下降。 其下 降程度,取决于以下两个主要因素:一方面,卡盘旋 转时,作用于卡盘的离心力迫使静态夹紧力下降;另 一方面卡爪的弯曲变形力产生弹性恢复力与上述离 心力相抗衡,使静态夹紧力下降程度减弱。 为卡盘重量,g为重力加速度,D 为工件直 为卡爪质心到工件表面的距离,n为车床主轴 转速,ξ 为卡盘刚度系数(小于1)。 基于供油压力随转速变化的夹紧力补偿常见液压动力卡盘的供油压力初始设定后,在 主轴运动过程中保持恒定不变,随着转速的升高,卡 爪的离心力增加,卡盘夹持工件外圆时的动态夹紧 力减小,夹紧力损失限制了卡盘转速的进一步提高。 当然也有采用分级控制的,例如 MJ 50型数控车 床卡盘夹紧系统采用两个减压阀来调节系统压力, 一个用于高速,一个用于低速,但是由于压力的分级 不够细,在精加工中,速度不是太高时过大的初始夹 紧力会破坏容易变形材料的表面,而高速时有可能 出现松动等问题;在夹持工件内孔时的情况跟夹持 工件外圆正好相反,低速时需要高的夹紧力,高速时 需要降低夹紧力。 该文提出一种基于供油压力随转速变化的 夹紧力补偿方法,设定 000、3000、4 000 min三个速度变化的压力转折点, 在夹持工件外圆 时,当转速在0 min时采用静态夹紧力 MPa;当转速在 min时对应系统压力为 MPa,动态夹紧力基本维持在 ;当转速超过4000 压力为2MPa,然后随速度升高按照上面的 液压卡盘夹紧控制系统夹紧系统的压力调节由1 个先导式减压阀和3 个直动式溢流阀及3 个两位四通电磁换向阀完成, 其中直动式溢流阀5 调节压力为0. MPa,直动式溢流阀6 调节压力为1 MPa,直动式溢流阀7 调节 压力为 MPa,电磁换向阀8、9、10 均选用电压为 24 V的直流电磁铁,这样 PLC 就可以直接驱动电磁 阀工作。 液压卡盘夹紧控制系统如图2 所示。 当动力卡盘 19 夹持棒料时,按下夹紧按钮, PLC 接受到命令启动油泵,此时,由于两位两通电磁 换向阀8、9、10 的电磁铁均未通电,仍处于左位工 作,先导式减压阀4 的远程控制口相当于与油箱接 通,其输出压力接近零。 PLC输出控制信号使得 两位两通电磁换向阀10 的电磁铁3YA 带电,换到 右位工作,先导式减压阀 MPa,同时PLC 发出信号使两位四通电磁换向阀14 右侧电磁 铁4YA 带电,压力油从变量泵出来依次经过减压阀 4、换向阀14 的右位、液压锁15 右侧液控单向阀进 入旋转液压缸18 的右腔,推动活塞向左移动驱动卡 盘夹紧工件。 此时,动力卡盘的夹紧力为静态夹紧 车床主轴开始旋转后,速度传感器将测得的主轴转速反馈给可编程控制器20,随着车床主轴转速 的升高,动力卡盘19 所受的离心力增加,夹紧力减 小,车床主轴4 的转速升高到2 000 min时,夹紧 力下降至F ,可编程控制器20输出控制信号使得 两位两通电磁换向阀8 的电磁铁1YA 带电,换到右 位工作,先导式减压阀4 输出压力为2 MPa,动力卡盘19的夹紧力恢复到静态夹紧力 当车床主轴的转速升高到3000 min时,夹紧力降 ,可编程控制器20输出控制信号使得两位两 通电磁换向阀 的电磁铁2YA 带电,换到右位工 作,同时使得两位两通电磁换向阀8 的电磁铁1YA 断电,换到左位工作,此时先导式减压阀4 输出压力 MPa,动力卡盘19的夹紧力又恢复到静 态夹紧力F ;当车床主轴的转速升高到4000 min时,夹紧力降至F ,可编程控制器20输出控制信号 使得两位两通电磁换向阀8 的电磁铁1YA 带电,换 到右位工作,此时先导式减压阀4 输出压力为2 MPa,动力卡盘19的夹紧力再次恢复到 静态夹紧力 在整个升速过程中,动力卡盘19 的夹紧力只在较小的范围内变化。 不可调节流阀 11 和蓄能器12 在压力切换时起稳压作用。 不可调节流阀,12 在完成棒料加工后,车床主轴转速开始降低,动力卡盘19 所受的离心力减小,夹紧力增加。 当车床 主轴的转速降至4 000 min时,动力卡盘的夹紧力 上升超过F ,可编程控制器20输出控制信号使得 两位两通电磁换向阀8 的电磁铁1YA 断电,换到左 位工作,此时先导式减压阀4 输出压力为2 MPa,动力卡盘19的夹紧力下降恢复到静态夹紧力 ;当车床主轴的转速降至3000 min时,动力卡 盘的夹紧力上升又超过 ,可编程控制器20输出 控制信号使得两位两通电磁换向阀8 的电磁铁1YA 带电,换到右位工作,同时使得两位两通电磁换向阀 的电磁铁2YA断电,换到左位工作,此时先导式减 MPa,动力卡盘19的夹紧力下降又恢复到静态夹紧力F ;当车床主轴的转速降至2 000 min时,动力卡盘的夹紧力上升 再次超过F ,可编程控制器20输出控制信号使得 两位两通电磁换向阀9 的电磁铁2YA 断电,换到左 位工作,此时先导式减压阀4 输出压力为2 MPa,动 力卡盘19 的夹紧力下降再次恢复到静态夹紧力 ;在整个降速过程中,动力卡盘19的夹紧力的变 化被限制在一个较小的范围内;车床主轴停止转动 后,可编程控制器20 输出控制信号使得两位四通电 磁换向阀14 的电磁铁5YA 带电,换到左位工作,压 力油从变量泵依次经过减压阀 4、换向阀 14 位、液压锁15左侧液控单向阀进入旋转液压缸18 的左腔,推动活塞向右移动驱动卡盘松开工件。 安全阀16、17 用于防止系统油压超过回转缸18 最大允许压力,在维修时,可以通过调松安全阀调压手柄,使得液压缸左右两腔连通,方便动力卡盘进行调整。 试验结果理想的动力卡盘在整个加工过程中,夹紧力基 本维持在静态夹紧力不变,但是由于卡爪受离心力 作用,在夹持工件外圆时,实际的动态夹紧力会随转 速的升高而降低。 中曲线是未进行液压压力 补偿时的夹紧力与转速之间的关系,曲线 是进行 了液压压力补偿的夹紧力与转速之间的关系,曲线 s;位置稳态误差约为0. mm。鉴于在实际中,位移传感器必然会 受到环境干扰,可以认为这一位置稳态误差主要是 由传感器干扰造成的。 由以上曲线图可见,将无阀液压控制器引入变频 电机控制系统中,完全可以替代传统的电液伺服阀,较 好地实现了对液压执行机构的控制,由此实现的注塑 机无阀液压控制系统具有较好的快速性和稳定性。 结语针对注塑机液压传动系统中存在电能损耗较大 的现象,将无阀液压控制器引入变频电机控制系统 中,用以调节定量泵的输出流量,取代了传统意义上 的电液伺服阀或者容积控制系统中的变量泵,通过 仿真实验,达到了延长设备和模具的使用寿命,降低 生产成本和节约用电的目的。 参考文献: 周渊深.交直流调速系统与MATLAB 仿真[M]. 北京: 中国电力出版社,2004. 体传动与控制,2007(2):42-43. 刘海滨,朱小化.节能技术在注塑机中的应用[J]. 压与传动,2007(6):57-59. 注塑机节能液压系统的应用分析与研究[J].流体传动与控制,2008(1):44 -47. 变频调速技术在注塑机上的应用[J].变频器 世界,2005(6):96 -98. 注塑机的变频节能改造[J].电气传动自动 2006,28(5):37-41. (上接第76 中可以看出,在未进行压力补偿时,主轴转速超过2 000 min后,由于离心力的作用,卡盘的 实际夹紧力开始有明显的下降;而进行了液压压力补 偿后,随着转速的升高,液压缸的压力也升高,使得动 态夹紧力略小于静态夹紧力,工件夹持稳定可靠。 总结该文设计了一个多级的液压调压回路,在可编 程控制器的配合下实现了夹紧力随速度的变化而变 试验结果说明,采用了液压压力补偿的卡盘控制系统能跟随速度的变化使得动态夹紧力基本维持 不变,相对于未采用压力补偿的系统具有更好的高 速性能。 当然该系统也有缺点,压力随速度的变化 依然是阶跃的没有能实现平滑的过渡,相信随着科 技的发展,压力随速度平滑过渡及主轴转速的进一 步升高肯定会得到实现的。 参考文献: 液压传动[M].北京:机械工业出版社,2001. 王成福.电器及PLC 控制技术[M]. 杭州:浙江大学出 版社,2008. 卢学玉,常德功.动力卡盘设计与计算[J]. 组合机床 与自动化加工技术,2004(12):89 -90. 自定心液压动力卡盘的研究综述[J].中国机械工程,2007(18):244 -251. 黄树涛,周丽,杨森林.高速动力卡盘极限转速的有限 元分析[J]. 沈阳理工大学学报,2008,27(5):5 -7. 离心力补偿卡盘高速回转夹紧特性研究[ 中国机械工程,2007,18(14):1648 -1652.

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