以数控车床为本体的液压实验台设计与实现.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 3 8 以数控车床为本体的液压实验台设计与实现 杨建 国 徐州生物工程职业技术学院机械工程 系，江苏徐州 2 2 1 0 0 6 摘要 设计一台液压实验台，以带有液压卡盘夹紧系统的数控车床为本体，利用液压站的动力驱动尾座，并统一用 P L C控制液压卡盘及液压尾座的运动。为了方便学生开展液压实验 ，特别是机电液的联调实验，将 P L C、节流阀、压力表 等部件整合到单独的操作台上。此设计在保证液压卡盘夹紧系统正常工作的前提下，挖掘了设备的潜力，拓展了其功能， 并且将液压实验与数控设备相结合的思路亦可供同行参考。 关键词数控车床；P L C；液压实验台 中图分类号T H 6 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 J 1 6 1 1 9 4 De s i g n a n d I mpl e me nt a t i o n o f Hy dr a u l i c Ex pe r i me n t Pl a t f o r m Ba s e d o n CNC La t he YANG J i a n g u o D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X u z h o u B i o e n g i n e e r i n g T e c h n i c a l C o l l e g e ， X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e C NC l a t h e wi t h h y d r a u l i c c h u c k c l a mp i n g s y s t e m a s b o d y ， a h y d r a u l i c e x p e rime n t a l p l a t f o r m wa s d e s i g n e d， u s i n g h y d r a u l i c s t a t i o n p o w e r t o d ri v e t h e t a i l s t o e k， a n d u s i n g PL C t o c o n t r o l t h e mo v e me n t o f h y d r a u l i c c l a mp i n g a n d h y d r a u l i c t a i l s t o c k ． I n o r d e r t o f a c i l i t a t e t h e s t u d e n t s t o c a r r y o u t h y d r a u l i c e x p e ri me n t ，e s p e c i all y t h e a l i g n me n t e x p e ri me n t o f me c h a n i c a l e l e c t ric a l an d h y d r a u l i c ，P L C，t h r o t t l e v a l v e ，p r e s s u r e g a u g e e t c we r e i n t e g r a t e d i n t o a s i n g l e w o r k s t mi o n ．U n d e r t h e p r e mi s e o f e n s u rin g h y d r a u l i c c h u c k c l a mp i n g s y s t e m n o rm a l w o r k，t h i s d e s i g n d i g s u p the p o t e n t i al o f t h e e q u i p me n t ，e x p a n d s i t s f u n c t i o n，a n d t h e i d e a t h a t h y d r a u l i c e x p e rime n t c o mb i n i n g wi t h C NC l a t h e p r o v i d e s r e f e r e n c e i n t h e p e e r ． Ke ywo r ds CNC l a t he s ；PLC；Hy d r a u l i c e x p erime n t a l pl a tfo r m 由于液压技术广泛应用于机 电液一体化 的 自动化 设备中．故液压元器件工作是否可靠、液压回路的设 计是否合理等因素 ．都会关系到液压设备的性能 ，这 些 问题 ．大部分可通过在液压实验 台上做实验予 以解 决。另外， 液压传动与控制技术也是机械类专业 的学生必学 的一 门重要 的专业基础课程 ，由于液压技 术本身的特点 ，如仅仅探讨其理论知识是较难掌握该 课程的。而通过在液压实验台上做实验 ．就可以将抽 象 的液压技术转化 为实 实在在 的实验 现象 ，有 助于学 生掌握 液压元器 件工作原 理及液 压传 动系统 的设计 、 安装 、调试 与维 护知识 ，具有很强 的实践性 。 1 国内外液压实验台发展现状 为了满足现代工业 技术及 教学实验的需求 ．国内 外 开发研 制了多种液压实验台。主要有 1 ． 1 基 于虚拟仪 器技 术研 制 的液 压 实验 平 台 集液压技术、通信技术、传感检测技术、计算机 控制技术等众多技术于一体的虚拟仪器技术，应用于 液 压实验测试与控制系统 ，具有显著 的机 、电、液一 体化特征 。在组建和改变仪器的功能和技术性能方面 更 为灵 活 、更 为经济。但该 系统 由于其元器 件及 工作 原理均为虚拟状态。直观性较差．不能完全代替真实 液压元器件的实验功能。 1 ． 2 透明型液压实验装置 在该实验装置 中 ，换 向阀、顺序 阀等液压元件采 用透明 的丙烯 酸 类 树脂 制作 而成 ，因而 学生 可 以很直观地观察液压元件的内部构造和阀芯的位置变 换等情况，进而了解各液压元件和液压回路的工作情 况 。但该实验装置仅能演示液压元件结构及原理 ，而 不能完全代替工厂实用之产品，故主要应用于教学。 1 ． 3基 于 P L C控 制 的液压 实验 台 由于可 编程 序 控制 器 P L C具 有 工作 可 靠性 高 、抗干扰 能力强 、灵活性好 、编程方便 的特点 ，使 其特别适用 于对液压实验 台控制系统有较高柔性要求 的场合 。 目前 国内厂 家生 产 的基于 P L C控 制 的液 压 实验台 主要 有两种 类型 1 仿 真型 多功 能液 压实 验台，该类液压实验台用于教学较多，仅具备普通的 演示功能和基本的实验功能； 2 生产型液压实验 台 ，该类液 压 实验 台可 有针 对 性地 检测 液 压件 如 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 1 基金项 目徐州生物工程职业技术学院科研课题资助项目 2 0 1 2 B 0 1 作者简介杨建国 1 9 6 3 一 ，男，硕士，主要从事数控技术教学及应用工作。E - ma i l y j g y c s 1 6 3 ． c o m。 1 2 0 机床与液压 第 4 3卷 液压 缸 、液 压控制 阀 等 性 能及 液压 回路 的设计 合 理性 ，虽能用 于教 学 ，但 实 习 范 围较 窄 ，且 价格 昂 贵。上述两种实验台多做成独立产品提供给用户。 针对现有技术的不足之处，作者设计了一种基于 数控车床的、P L C控制的液压实验台．既可用于测试 实际的液压控制元件 ，又能满足学生对机 、电 、液设 备的联调实验要求。 2 液压实验台总体布局 如图 1 所示，液压实验台总体布局是基于数控车 床 的 ，主要 由 3个部分组成 独立液压站 1 其上安 装有阀组 2 、液压实验操作 台 3以及数控车床 1 O 。 机床主要运动部件有尾座 6 、滑台 8 、液压卡盘 9及 回转 油缸 1 1 等 。推动尾 座 6的进 给液压缸 4通过浮 动接头连接在尾座上，并由固定在床身上的支架 5支 撑。为方便实验时的操作。在数控车床上还安装了一 手持控制器 7 ，手持控制器 7上设有与 P L C连接．且 用 于控制液压卡盘夹紧与松开 ，尾座的快进 、工进与 快退的操作按钮。数控车床和操作台之间的电器连接 线主要走高架 ，具有布局美观、节省空间且安全性好 等特点。 高架 电缆 图 1 液压实验台总体布局 3液压传动系统设计 此液压 实验 台液压传动系统包含 3个回路 。即液 压 卡盘夹 紧回路 、液压尾座驱动 回路及速度调节 回路 图 2所示 。 当给数控 车床送 电时 。为保证操作者的安全 ，液 压卡盘默认为夹紧状态，否则，机床不动作，故机床 开机液压站就处于工作状态 ，这从图2中液压卡盘夹 紧回路的工作原理可看出 工作原理的分析见后 。 液压卡盘夹紧回路上的压力继电器 2起到欠压保护作 用，即当系统压力小于设定值时，压力继电器 2 保护 开关 K P断开 原机床 电路实 现 ，机床 动作 被强 行 停止 ，主轴停转 。保护设备及人 身 的安全 。单 向阀 3 主要是为液压卡盘夹紧系统保压 ，即当机床断电时， 单向阀 3 封 闭 ，保持 回转油缸的工作压力 ，此时 ，若 断电前液压卡盘处于夹紧状态 ，则断电后依然维持此 状态 。减压 阀 4的作用是将液压 泵的输 出压力 P 即 系统压力 ，约为 3 ． 5 MP a 减为液压缸 的工作压力p p 在 2 ～ 3 M P a 之间 ，此工作压力 由压力表 5显示 。 两位 四通 电磁换 向阀 6是供 回转液 压缸 进 出油换 向 用 ，以控制液压卡盘夹紧与松 开的动作 。 液压卡盘夹紧回路 液压尾座运动回路 L ． ． - 一． ． _ ⋯一． ．_一一． ⋯⋯．． ． ． ． ⋯⋯一 l 一独立液压站 2 一压力继电器 3 一单向阀 4 、8 - - - 减压阀 5 、9 - - 压力表 两位四通电磁换向阀7 _回转液压缸 1 0 、l 1 、l 卜 抉向阀 l 2 一节流阀 1 4 一进给液压缸 图2 液压传动系统图 当数控车床开机时，由于液压站就已经处于工作 状态 ，为了使 液压尾座运动 回路能独立运行 ．选用了 中位机能具有截止阀作用的 Y型三位四通换向阀 1 O 。 该阀保证了液压站开机时尾座不动作，确保操作者的 安全 。此液压尾座 的运动 功能设计为 快进一工进一 快退 ，故 三位 四通换 向阀 1 1 的 中位机 能选 为 P型 ， 此 中位机能可实现液压缸差 动运 动。同时进给液压缸 的换向动作亦由换向阀 1 1 实现。 液压尾座 工进 时 的速 度调 节 由节 流 阀 l 2实现 。 考虑到尾座工进时阻力小 、速度慢 ，故速度调节采用 进 口节流调速 回路 。 由于叠加式液压阀具有结构紧凑 、在生产设备上 得到广泛应用 的特点 ，此液压尾座 回路 中的液 压阀选 用叠加式液压 阀 0 1 系列 。 4液压实验台电路设计 4 ． 1 液压 实验 台 电源输 入 液压实验 台所用 的 A C 1 1 0 V交 流 电源 电磁 换 第 l 6期 杨建国以数控车床为本体的液压实验台设计与实现 1 2 1 向阀线 圈用 、D C 2 4 V直流 电源 P L C、中间继 电 器 、指 示 灯 等 用 以及 油 泵 电 机 的 三 相 交 流 电 源 A C 2 2 0 V 均 由数控 车床主 电路供 电 ，这种一 体化 的设计 ，节省 了设备的投资 ，也有利于机 电液联调实 验 的开展 。 4 ． 2 P L C控 制 电路 设计 P L C是液压 实验 台的控制 核心 ，此实验 台选用 三 菱公 司 的 P L C，型号 为 F X 2 N 一 4 8 M R - 0 0 1 。该 P L C为 继 电器输 出 ，输 入输 出点数 均为 2 4点 ，最大 可扩 展 到 2 5 6个 I ／ O点 ，不仅能满足现在实验的需要 ，亦为 今后实验 台功能 的扩展打下基础 。 如图 3所示 ，P L C的外部输入 电源为交流 2 2 0 V 端 I I 3和 4 ，由数控车床提供。操作 按钮包括停 止 按钮 S B 2 、卡 盘夹 紧 按钮 S B 4 、卡 盘松 开 按 钮 S B 6 、 尾座快进 按钮 S B 8 、尾座 工 进按 钮 S B I O 、尾 座快 退 按 钮 S B 1 2 。 图 中 ，S B 3 、 S B 5 、S B 7 、 S B 9 、S B 1 1 、 S B 1 3 是 为手持 控制器 对应操 作 台而设 置 的具有 相 同 功 能的操作按钮 。 卡 盘 卡盘 卡盘 卡盘 堡 Q ， -一X 0 Y 0 - 哐巫卜 - _ 一 Xl Yl一 -一 X2 Y2一 量旦 X3 Y3 一 SB4 X4 COM 1 一 X5 Y4一 SB6r P 哐 X 6 Y S 一 S 娶 2 X 7 Y 6 卜 _ _ 点 里 X l 0 Y 7 一 哐 鲁 月 s n g ． Xl l C0M2 一 X l 2 Y l 0 一 卜 _ 蔷 月 一 X 1 3 Y 1 1 _ _ { 亘 卜 蔷 X 1 4 Y 1 2 一 - _ { 亘 卜 备 一 X l 5 Y l 3 一 - _ { 亘亘卜 _ _ 备 S B14 ． 口 一 X1 6 C0M 7 “ 曼 一 ， 一X 1 7 Y 1 4 一 _ _ { 亘卫卜 善 塑 一X 2 O Y l 5 一 _ _ { 亘亘卜 _ ． 备 塑 2 - X2 1 Y1 6 一 ， 一 X22 Yl 7一 1 1 1 9 “ X2 3 COM4 一 X24 Y20一 F U 3 1 l 一 X25 Y2l COM FU4 L 6 { N 241 图3 P L C控制图 P L C的输 出端 对应 连接 有 中间继 电器 K A 1 K A 7 。继电器的常开触点分别对应连接电磁阀的线圈 1 Y V一 7 Y V，如图4所示。另外，K A 1 K A 7的常开触 点还分别对应连接有指示灯。以反映线圈的工作状态 指示灯电路图略 。 图 4 继电器控制图 为了保证 尾座 在安 全范 围内运动 ，在 尾 座 的一 z 以及 z方 向设有 与 P L C连接 的行程 开关。行程开 关 有 4个 ，即 S B 1 4 ～ S B 1 7 ，两个 设置 在尾 座运 动 的一 Z 方向 ，另外两个设置在 尾座 运动 的 z方 向。行程 开 关 S B 0起安全保护作用 ，即只有在 机床滑 台沿 一 z方 向运动到 尾座 行程 之 外 ，压 下行 程 开关 S B 0时 ，液 压尾座才能运动，确保尾座与滑台不会碰撞。 为了方便实验台拓展新的功能 ．P L C上还预留了 备用按钮以及备用中间继电器。 5 液压实验台工作过程 表 1 为液压传动系统的电磁铁动作顺序。 表 1 电磁铁 动作 顺序 液压实验 台工作过程 如下 5 ． 1 液压卡盘夹紧回路 工作过程 1 卡盘夹紧 在开机状态下 ，按下操作按钮 S B 4或 S B 5 ．中间 继电器 K A 2得 电 ，叠 加式 两位 四通 电磁 阀 6上 的线 圈 2 Y V得 电 ，压力 油流 进 回转液 压缸 的有杆 腔 ．无 杆腔回油 ，活塞杆 向左运动 ，拉 紧液压卡盘 ，液压卡 盘为夹紧状态。 2 卡盘松 开 当需要卡盘松开时，按下操作按钮 S B 6或 S B 7 ， 中间继 电器 K A 1 得电。叠加式两位四通电磁阀 6上 的线圈 1 Y V得电，压力油流进回转液压缸的无杆腔 。 活塞杆向右运动，有杆腔回油，松开液压卡盘，液压 1 2 2 机床与液压 第 4 3卷 卡盘为松开状态。 5 ． 2 液 压尾座 运动 回路 工作过 程 液压泵输出的压力 油中的另一路流 向液压尾座运 动回路．压力油经过减压阀 8 减压后，压力减为液压 尾座进给油缸所需 的工作压力 P 。 ，此工作 压 力 由 压力表 9显示 。 1 尾座快进 动作 按下操 作按 钮 S B 8或 S B 9 ．中间继 电器线 圈 K A 3 、K A 6 得 电 ，K A 3 、K A 6常开触点 闭合 ，三 位四 通 电磁 阀 1 O上 的线 圈 3 Y V 以及 三 位 四通 电磁 阀 1 3 上 的线 圈 6 Y V得 电，电磁 阀 l 0和 电磁 阀 l 3换 向， 压力油经过 电磁 阀 1 0 左位 、电磁阀 1 1 中位 、电磁阀 1 3 左位流进进给液压缸 1 4的无杆 腔 。活塞杆 向左运 动 ．压力油经 有杆 腔 回油 到 三位 四通 电磁 阀 1 1后 ， 基 于电磁 阀 1 1的中位机 制 ，回油与进 油叠加 ，进入 到进 给液压缸 1 4 无 杆腔的流量增加 ，形成差动进给 ， 实 现了尾座 的快进 。 2 尾座工进动作 按下操作按钮 S B 1 0或 S B 1 1 ．中间继 电器线圈 K A 3 、K A 4 得 电 ，K A 3 、K A 4常开触点 闭合 ，电磁 阀 1 0 上 的线 圈 3 Y V以及 电磁 阀 1 1 上 的线 圈 4 Y V得 电， 电磁阀 1 1 换向，压力油经过电磁阀 1 0左位、电磁阀 1 1 左 位 、节 流 阀 1 2流 进 进 给 液压 缸 1 4的无 杆 腔 ， 由于节流阀 1 2的节流作用 ，活塞杆向左运动速度变 慢 ．故实 现了尾座 的工作进给 ，工作 进给速度的快慢 可通过调节节流 阀 1 2上的旋钮来实现 。 3 尾座快退动作 按下操 作 按 钮 S B 1 2或 S B 1 3 ．中 间继 电器 线 圈 K A 3 、K A 5 、K A 7得 电 ，K A 3 、K A 5 、K A 7常 开触 点 闭合 ，三位四通 电磁 阀 1 0上的线 圈 3 Y V、三位 四通 电磁阀 1 1的线圈 5 Y V以及三 位 四通 电磁 阀 1 3上 的 线圈 7 Y V得电。电磁 阀 l l 及电磁阀 1 3换向，压力 油经过电磁阀 1 0左位 、电磁 阀 1 1 的右位流进进给 液 压缸 1 4的有杆腔 ，推动活 塞杆 向右运动 ，无 杆腔 回 油。由于三位 四通 电磁 阀 1 3换 向至右位 ，压 力油 回 油时直接 经过电磁 阀 1 3无 阻碍地 回到油 箱 ，从而 实 现了尾座的快退 。 5 ． 3 液压 实验 台实验 内容 该液压实验台主要实验内容有 1 压力调整 实验 液压站输出的系统压力是由溢流阀控制的，一般 调整为 3 ． 5 MP a ，是液压泵最高工作压力 的一半 。学 生可通过调节溢流 阀上的旋钮 改变系统压力 ，进而观 察减压 阀 4输 出压力 的变化规 律 ，领 会减 压 阀之 作 用 。学生也可在保持系统压力不变的情况下 ，结合数 控车床的加工状态 ，调节减压阀的压力，观察其压力 输 出的变化情 况 ，满足加工要求 。正常情 况下 ，回转 液压缸的工作压力 为 2 ～3 MP a 粗加 工取 大值 ，精 加 工 取 小 值 ，液 压 尾 座 进 给 油 缸 工 作 压 力 约 为 2 MP a。 2 节流调速实验 尾座 的工进速度 可 以通 过节 流阀 1 2调节 ．即当 尾座距离工件较近时 ，调节节流 阀上 的旋钮 ，使 其工 进速度变慢 ，反之亦然。 该液压实验台配 合独立 安装 的液压加载装置 ，可 用于测试节流调速回路的速度一 负载特 性 即液压缸 的工作速度 和负载 F的关 系 ，此特性可选择 进油 节流和 出油节流进行 测试 。图 2所示为进 油节流调速 回路，实验时，也可灵活调整为出油节流调速回路。 仅需将速 度调 节 回路一 端接 至无 杆腔 ．另一 端接 至 B l 油 口即可 即 A 1 油 口和 B l 油 口互换 。 3 机电液 联调实验 由于该 液 压 实 验 台是 P L C控 制 的，柔 性 较 强 ． 故可以通过更改 P L C程序改变尾座的运动规律。如 在程序 中不指定三位 四通 电磁 阀 l 1的中位机 能 ．即 可屏蔽掉尾座的快进功能 ，使尾座仅有工进与快退两 种运动 。 另外 ，为了方便学生观察，油缸 口A 2 、油缸 口 P 2 以及 油缸 口 B 1 通 过透 明管 道与进 给液压 缸连接 。 学生可通过透明管路观察液体在液压系统中的流动规 律。另外 ，液压站上还安装 有标准叠加 阀底板 ，学生 可根据需要 ，利用预留的压力表 、按钮开关 、中间继 电器等元器件 ， 自行组建液压 回路 或对液压元件性能 进 行测试 。 6 结束语 该液压实验台以数控车床为本体．使学生通过借 助高技术的数控 j n - v 装备，体验到机、电、液一体化 技术在实际机 电设备上 的具体应用 。另外 ，该 实验台 在保证数控车床液压卡盘夹紧系统正常工作的前提 下．充分挖掘了现有设备的潜力 ，节省了采购成本， 做到以较少的投入获得较大 的实 习实验效果 。 参考文献 [ 1 ]闻邦椿． 机械设计手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 01 0． [ 2 ]黎启柏． 液压元件手册 [ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 00 8． [ 3 ]杨林， 李笑， 李传军． 基于P L C的液压多路阅试验台设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 4 ， 4 2 4 7 5 - 7 8 ． [ 4 ]朱汗青 ， 马振书， 孙华刚， 等． 多功能液压实验台设计与 应用[ J _ ． 机床与液压， 2 0 1 3 ， 4 1 1 6 9 9 - 1 0 1 ． [ 5 ]李东民， 张建中， 宋庆军， 等． 基于机电一体化系统设计 理论的机电液综合实验台开发[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 2 2 6 8 7 0 ．