一种用于液体静压导轨的高精密液压站设计.pdf

2 0 1 4年 1月 第 4 2卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAUL I C S J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 1 6 一 种用于液体静压导轨的高精密液压站设计 赵午云 ，郭勇 1 ．中国工程物理研 究院机械制造工艺研 究所 ，四川绵阳 6 2 1 9 0 0 ； 2 ．四川大学化 学工程 学院过程装备与安全工程 系，四川成都 6 1 0 0 6 5 摘要液体静压导轨是精密超精密加工机床的重要功能单元，液压站是液体静压导轨正常工作的必要辅助单元。液体 静压导轨要保持高的精度 ，液压站必须能够为静压导轨提供压力非常稳定的润滑油输入。设计一种用于液体静压导轨的高 精密液压站，该液压站利用变频电机驱动精密齿轮泵供给润滑油 ，利用全闭环反馈调节装置控制润滑油的稳压输出。实际 测量证明该液压站的输出压力稳定精度可达 4 - 0 ． 0 5 ％，应用于超精密机床上的液体静压导轨取得了良好的效果。 关键词液压站 ；液体静压导轨；精密机床 中图分类号T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 4 53 De s i g n o f t he Ul t r a- p r e c i s i o n Hyd r a ul i c St a t i o n f o r Hy d r a u l i c S t a t i c Pr e s s ur e d Gui de ZHAO W u y u n ， GUO Yo ng 1 ． I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ，C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s ， Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 9 0 0，C h i n a ；2 ． De p a r t me n t o f P r o c e s s E q u i p me n t a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g， C o l l e g e o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g ，S i c h u a n U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 6 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s t a t i c p r e s s u r e d g u i d e i s t h e i mp o r t a n t f u n c t i o n u n i t o f p r e c i s i o n ma c h i n e t o o 1 ．Hy d r a u l i c s t a t i o n i s i n d i s p e n s a b l e a n d s u p p l e me n t a r y u n i t f o r h y d r a u l i c s t a t i c p r e s s u r e d g u i d e i n n o r ma l o p e r a t i o n， a n d mu s t p r o v i d e h y d r a u l i c s t a t i c p r e s s u r e d g u i d e wi t h l u b ric a t i n g o i l o f i n v a r i a b l e p r e s s u r e ．An u l t r a p r e c i s i o n h y d r a u l i c s t a t i o n for h y d r a u l i c s t a t i c p r e s s u r e d gu i d e w a s d e s i g n e d ． I n t h i s h y d r a u l i c s t a t i o n ，l u b r i c a t i n g o i l wa s p r o v i d e d b y p r e c i s i o n g e a r p u mp d ri v e n b y v a r i a b l e f r e q u e n c y mo t o r ，a n d p r e s s u r e e x p o r t w a s e n s u r e d t o b e s t e a d y b y f u l l - c l o s e d l o o p f e e d b a c k c o n t r o 1 ．T h e e x p o rt p r e s s u r e p r e c i s i o n o f t h e h y d r a u l i c s t a t i o n c a n r e a c h 4 - 0 ． 0 5 ％ ． Go o d e f f e c t i s g a i n e d i n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e h y d r a u l i c s t a t i o n o n t h e h y d r a u l i c s t a t i c p r e s s u r e d gu i d e o f u h r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s t a t i o n ；Hy d r a u l i c s t a t i c p r e s s u r e d g u i d e；Ul t r a p r e c i s i o n ma c h i n e t o o l 液体静压导轨是将具有一定压力的润滑液经节流 器输送到导轨工作面，形成负载能力的一种导轨工作 形式。液体静压导轨具有许多优点，如摩擦因数小 一般为0 ． 0 0 0 5～ 0 ． 0 0 1 、机械效率高，阻尼特性 好 、工作平稳，润滑特性好、寿命长 ，能够消除爬行 等等 。液体静压导轨有开式和闭式结构之分 。无 论哪一种结构 ，现在 国内多种应用场合都采用的是 “ 恒流”供油方式 。 “ 恒流”供油方式受限于多 路供油泵的流量稳定性 ，在超精密导轨中并不适合优 先采用。可以参考 国外相关超精密切削机床采用液 体静压导轨 的 ，多 采 用 的是 “ 恒 压 ” 供油 方 式 。而 且多路供油管路布局复杂，不利于液体静压导轨的小 型化。某单位研制了一台专用的超精密加工机床，其 主运动导轨采用了液体静压导轨，导轨工作方式为 “ 恒压”供油。为了更好地提升该液体静压导轨的性 能，保证该液体静压导轨的运动精度 ，专门研制了与 之匹配的 “ 恒压”供油高精度液压站。 1 液压站设计要求 根据机床导轨需求 ，对液压站提出主要技术要求 如下 1 液压站的工作方式为连续工作方式，通常 需要保证连续工作一周左右的时间 2 4 h连续运行 不停机 。 2 液压站工作 用润滑油黏度为 1 5 m m ／ s左 右 。 3 液压 站工作 压力 范 围 0 ． 3～ 2 MP a ，要 求连 续可调；工作流量不大于3 L ／ m i n 。 4 液压站过滤精度优于 5 Ix m。 收稿 日期2 0 1 30 1 0 8 基金项 目国家重大科学仪器设备开发专项资助项目 2 0 1 1 Y Q 1 3 0 0 4 3 0 7 作者简介赵午云 1 9 7 9 一 ，男，工学硕士，工程师，主要研究超精密加工技术及其相关装备制造。Em a i l z w y p k x 1 6 3． c o mo 4 6 机床与液压 第 4 2卷 5 液 压 站 设 定压 力 输 出波动 范 围不超 过 0． 0 5％ 。 2 液压站方案设计 根据液压站的设计要求 ，设计液压站方案如图 1 所示。从精密机床返回的润滑油 自流进入回油箱的左 侧箱体内，回油箱由隔板分成左右两部分，隔板下部 设置粗滤网，避免粗大杂质误入油箱，导致齿轮泵损 坏。回油箱的润滑油由精密齿轮泵加压 ，精密齿轮泵 的转速则 由变频器控制 ，进而控制液压站 的输 出压 力 和流量 。加压后 的润滑油进入一级过 滤器 ，过滤精 度 设计为 1 O m，然后再进入二级过滤器 ，过滤精度优 于 5 m。两级过滤器进出口均设置球 阀，便于检修 更换过滤器或者滤芯，并分别在一级过滤器 出人 口、 二级过滤器出人 口设置差压过滤器，当差压达到设计 的报警上限值时，需要手动停机进行滤芯的更换。经 过二级过滤器后，导轨润滑油进入精密减压阀，通过 E R 3 0 0 0电子压力控制器反馈控制系统，最终达到液 压站的稳压输 出精度 。压力 稳定 的润滑油进入精密机 床的液体静压导轨，完成循环。另外 ，为了控制温 升，液压站的油箱内也布置了冷却水管，通过专门的 冷却机来对液压油进行冷却 ，维持其恒温状态。图2 是该设计方案 的系统装 配示 意图。 出油 圭 传 感 器 L Y 4 ” ”删⋯ I 变送器 l 精密机床 变 频 器 ， - 、 压 差 日 变送 器 署 回油箱 齿轮泵 I l 输 Y3 Y5 图例 咱 球 阀 一 级过 滤器二 级过 滤器_ 精密 减 压 阀 图 1 液压站设计方案 3 压力传感器 精密减压阀 压力 变 送器 齿轮 泵 图 2 液压站 系统装 配示意图 3 关键元器件选型 1 齿轮泵选型 齿轮泵结构紧凑 ，是 比较常用的流体介质传递工 具 。该 液 压 站 系 统 动 力 部 分 选 用 德 国 斯 可 金 格 S C H E R Z I N G E R 齿轮泵 ，如 图 3 所示 。该 产品属于 微小型齿轮泵 ，制造精密 ，可靠性 高 ，而且 还可以提 供 非标设计 。 图3 斯可金格齿轮泵 2 电子压力控制系统 T E S C O M 的电子压力控制器使调压 阀的 出 口压 力 平稳 、精 确 ，调节 速 度快 ，响应 速 度 快 ，而 且 可 用 P L C或电脑 软 件控 制 。该液 压 站采 用 T E S C O M公 司的电子压力调节系统结合相关高精度压力传感器来 对 液压 站的压力 输出进 行稳压闭环控制 。该 电子压力 调节系统的控制方式如 图4所示 。 调定 点信 号 反 馈信 号 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 、r⋯⋯⋯- 、 压 力 差 分 跟踪 a 模 拟控 制 b 数 字控 制 图 4 电子压力调节系统控制方式 该液压站的压力传感器选用德鲁克压力传感器，