数控车床液压卡盘夹紧控制系统的研究.pdf

7 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 4年第2期 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 7 1 2 0 0 0 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 T H1 3 7 ． 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 4 0 2 0 0 7 4 0 3 Re s e a r c h o f CNC l a t he c huc k c l a mp i n g hy d r a ul i c c o nt r o l s y s t e m Z HANG W e n t i n g S c h o o l o fMe c h a n ic a l E n g i n e e r i n g， S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ， S h a a n x i X ia n y a n g 7 1 2 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e s t h e C NC l a t h e c h u c k c l a mp i n g h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m ，e s t a b l i s h e d t he mo d e l o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n a po we r c h u c k c l a mpi ng f o r c e a n d s pe e d， a n a l y s i s o f t h e s p e e d c ha n g e ba s e d o n t h e o i l p r e s s u r e wi t h a c l a mp i n g f o r c e c o mp e n s a t i o n，de s i g n e d c h uc k c l a mp i n g f o r c e c o n t r o l s y s t e m h yd r a ul i c c i r c u i t ， v e rifie d b y e x p e r i me n t u s i n g a p r e s s ur e c o mpe n s a t e d h y d r a u l i c c h uc k c o n t r o l s y s t e m ha s g o o d h i g h s p e e d p e rfo r ma n c e ． Ke y wo r ds po we r c h u c k； h y d r a u l i c s y s t e m ； mu l t is t a g e p r e s s u r e r e g u l a t o r ； PLC 0 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 收稿 日期 2 0 1 3一l 1一 O 5 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” Z K1 30 4 作者简介 张 文亭 1 9 8 0 ， 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。 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。 1 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 No 1 “ “i n 一 F sl no／COSO ／s i n 1 肚n 仅 ‘ 式 中 为单个楔 孔受到的 回转液压缸 的驱 动力 ； 。为楔心套与基爪接触 面的摩擦系数 ； O t 为楔孔与 卡盘轴线的角度； 届为楔心套摩擦角 ， 卢a r c t a n ／ z 。 。 图 1 楔心套的受力示意图 2 0 1 4年第 2期 工业仪表与自动化装置 7 5 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 ， 它们之间的关系为 一 二 一 垫 ， ， 、 。一 t a n s ／ z 0 一 t a n ， 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。卡爪处 于运动时的夹紧力定义为动态夹紧力 F 。 F F 。 一 考 詈 [ h e ] [ 】 ‘n 3 式 中 G为卡盘重量 ， g为重力加速度， D为工件直 径 ， h 为卡爪质心到工件表面的距离， n为车床主轴 转速 ， 为卡盘刚度系数 小于 1 。 2 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 M J一5 0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 2 0 0 0 、 3 0 0 0 、 4 0 0 0 r ／ m i n 三个速 度 变 化 的 压力 转 折 点 ， 在 夹 持 工 件 外 圆 时 ， 当转速在 02 0 0 0 r ／ mi n时采用静 态夹 紧力 ，对 应 系统 压 力 为 2 MP a ； 当转 速 在 2 0 0 0～ 3 0 0 0 r ／ mi n时对应 系统压力 为 2 ． 5 MP a ， 动态 夹 紧 力 基 本 维 持 在 F ；当 转 速 在 3 0 0 0 ～ 4 0 0 0 r ／ mi n 时对应 系统 压力 为 3 MP a ， 动 态夹 紧 力基本维持在 F 。 ； 当转速超过 4 0 0 0 r ／ m in时， 对 应系统压力为 3 ． 5 MP a ， 动 态夹 紧力基 本维 持在 F 。 ； 在夹持工件 内孔 时初 始夹 紧力依 然采 用 ， 压力 为 2 MP a ， 然后 随速度 升高按 照上 面 的 3个 速度转折 点每次 降低 0 ． 5 MP a 。 3 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 ． 5 M P a ， 直动式 溢流阀 6调节压力为 1 MP a ， 直动式溢流阀 7调节 压力为 2 MP a ， 电磁换 向阀 8 、 9 、 1 0均选用 电压为 2 4 V的直流电磁铁 ， 这样 P L C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 1 9夹 持棒料 时 ， 按下 夹 紧按 钮 ， P L C接受到命令启动油泵， 此时， 由于两位两通电磁 换向阀 8 、 9 、 1 0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。当 P L C输 出控制信 号使得 两位两通 电磁换 向阀 l 0的电磁铁 3 Y A带 电 ， 换到 右位工作 ， 先导式减压 阀 4输 出压 力 2 MP a ， 同时 P L C发出信号使两位 四通电磁换 向阀 1 4右侧 电磁 铁 4 Y A带电， 压力油从变量泵出来依次经过减压 阀 4 、 换 向阀 1 4的右位、 液压锁 l 5右侧液控单 向阀进 入旋转液压缸 l 8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 力 F o 。 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 2 0 ， 随着车床主轴转速 的升高 ， 动力卡盘 1 9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 0 0 0 r ／ m i n时 ， 夹紧 力下降至 F ， 可编程控制器 2 0输 出控制 信号使得 两位两通 电磁换 向阀 8的电磁铁 1 Y A带电， 换到右 位工作 ， 先导式减压 阀 4输出压力 为 20 ． 52 ． 5 MP a ， 动力卡盘 1 9的夹紧力恢 复到静态夹 紧力 F o ； 当车床主轴的转速升高到 3 0 0 0 r ／ mi n时， 夹紧力降 至 ， 可编程 控制器 2 0输 出控制信号使 得两位两 通电磁换 向阀 9的电磁 铁 2 Y A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 1 Y A 断电， 换到左位工作 ， 此时先导式减压阀 4输出压力 为 21 3 MP a ， 动力卡盘 1 9的夹 紧力又恢 复到静 态夹紧力 F o ； 当车床主轴的转速升高到 4 0 0 0 r ／ m i n 时， 夹紧力降至 F ， 可编程控制器 2 O输出控制信号 使得两位两通电磁换 向阀 8的电磁铁 1 Y A带 电， 换 到右位工作 ， 此时先导式减压 阀 4输 出压力为 21 0 ． 5 3 ． 5 MP a ， 动力卡盘 1 9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 1 9 的夹紧力 只在较小 的范 围内变化。不 可调节流 阀 1 1 和蓄能器 1 2在压力切换时起稳压作用 。 7 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第 2期 1 一油箱 ， 2一过滤器 ， 3一变量象 ， 4一先 导式减压 阀， 5 、 6 、 7一直动式溢流阀 ， 8 、 9 、 1 0一两位两通 电磁换 向阀 ， 1 1一 不 可调节 流阀 ， 1 2一蓄能器 ， 1 3一压力表 ， 1 4一两位 四通电磁换 向阀， 1 5一液压锁 ， 1 6 、 1 7一安全 阀， 1 8一回转液压缸 ， 1 9一动力卡 盘， 2 O一可编程控制器 。 图2 液压卡盘夹紧控制系统图 在完成棒料加工后 ， 车床主轴转速开始降低 ， 动 F o ； 在整个降速过程中， 动力卡盘 1 9的夹紧力的变 力卡盘 1 9所受的离心力减小 ， 夹紧力增加 。当车床 化被限制在一个较小 的范 围内； 车床主轴停止转 动 主轴的转速降至4 0 0 0 r ／ m i n 时， 动力卡盘的夹紧力 后， 可编程控制器 2 O 输出控制信号使得两位四通电 上升超过 ， 可编程控制器 2 O输 出控制信号使得 磁换 向阀 1 4的电磁铁 5 Y A带电， 换到左位工作 ， 压 两位两通电磁换 向阀 8的电磁铁 1 Y A断电， 换到左 力油从变量泵依次 经过减压 阀 4 、 换 向阀 1 4的左 位工作 ， 此时先导式减压阀 4输出压力为 21 3 位、 液压锁 l 5左侧液控单 向阀进入旋转 液压缸 1 8 MP a ， 动力卡盘 l 9的夹紧力下降恢复到静态夹紧力 的左腔 ， 推动活塞 向右移动驱动卡盘松开工件 。 F o ； 当车床主轴 的转速 降至 3 0 0 0 r ／ m i n时 ， 动力卡 安全阀 1 6 、 1 7用于防止系统油压超过回转缸 1 8的 盘的夹紧力上升又超过 F 。 ， 可编程控制器 2 0输 出最大允许压力， 在维修时， 可以通过调松安全阀调压手 控制信号使得两位两通电磁换 向阀 8的电磁铁 1 Y A 柄， 使得液压缸左右两腔连通 ， 方便动力卡盘进f 亍 调整。 带电， 换到右位工作， 同时使得两位两通电磁换向阀 9的电磁铁 2 Y A断电， 换到左位工作 ， 此时先导式减 压 阀4输出压力为 2 0 ． 5 2 ． 5 MP a ， 动力卡盘 l 9 的夹紧力下降又恢复到静态夹紧力 F o ； 当车床主轴 的转速降至 2 0 0 0 r ／ mi n时， 动力卡盘的夹紧力上升 再次超过 ， 可编程控制器 2 O输 出控制信号使得 两位两通电磁换向阀 9的电磁铁 2 Y A断电， 换到左 位工作 ， 此时先导式减压阀 4输 出压力为 2 MP a ， 动 力卡盘 1 9的夹紧力下降再次恢复到静态夹紧力 4 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 。图 3中曲线 1 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 2是进行 了液压压力补偿的夹紧力与转速之间的关系 ， 曲线 下转第 8 6页 8 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第 2期 曼 图 3 系统 阶跃信号 响应 曲线 从图 3可以看 出， 系统 的上升时间约为 0 ． 6 s ， 系统达到稳态所需调整时间约为 2 ． 3 s ； 位置稳态误 差约为0 ． 5 m m。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 l生 和稳定陛。 3 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人变频 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 [ 1 ] 张甲敏 ， 赵文庆， 连照勋． 注射成型实用技术[ M] ． 北 京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 周渊深． 交直流调速系统与 MA T L A B仿真[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 王昌焱． 全液压式注塑机液压系统的功率损耗 [ J ] ． 流 体传动与控制， 2 0 0 7 2 4 2 4 3 ． [ 4 ] 刘海滨 ， 朱小化． 节能技术在注塑机中的应用 [ J ] ． 液 压与传动， 2 0 0 7 6 5 7 5 9 ． [ 5 ] 张有根． 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 ， 2 0 0 8 1 4 4 4 7 ． [ 6 ] 张友根． 变频调速技术在注塑机上的应用[ J ] ． 变频器 世界 ， 2 0 0 5 6 9 6 9 8 ． [ 7 ] 周孚宏． 注塑机 的变频节能改造 [ J ] ． 电气传动 自动 化 ， 2 0 0 6 ， 2 8 5 3 7 4 1 ． 3 供油压力的变化曲线o 5 总结 是进行补偿时供油压力的变化曲线 。 ‘ ～一 转速 n ／ r ／ min 图3 外圆夹紧力与转速、 压力之间关系图 从图 3中可以看出， 在未进行压力补偿时， 主轴 转速超过 2 0 0 0 r ／ m i n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。 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 化。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 [ 1 ] 李芝． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 王成福． 电器及 P L C控制技术[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 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， 2 0 0 4 1 2 8 9 9 O ． [ 4 ] 杨华勇， 周城．自定心液压动力卡盘的研究综述 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 1 8 2 4 4 2 5 1 ． [ 5 ] 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， 2 0 0 8 ， 2 7 5 5 7 ． [ 6 ] 冯平法 ， 郁鼎文， 吴志军 ， 等． 离心力补偿卡盘高速回 转夹紧特性研究 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 1 4 1 64 81 6 52