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 221006)

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PLC控制的液压实验台

由于可编程序控制器 (PLC)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PLC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、PLC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10。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11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PLC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。

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KP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 MPa)减为液压缸的工作压力p'3(p'3在2～3 MPa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。

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10。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 工进快退，故三位四通换向阀11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11实现。

液压尾座工进时的速度调节由节流阀12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 (01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AC 110 V交流电源 (电磁换向阀线圈用)、DC 24 V直流电源 (PLC、中间继电器、指示灯等用)以及油泵电机的三相交流电源(AC 220 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 PLC控制电路设计

PLC是液压实验台的控制核心，此实验台选用三菱公司的PLC，型号为FX2N-48MR-001。该 PLC为继电器输出，输入输出点数均为24点，最大可扩展到256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，PLC的外部输入电源为交流220 V(端口3和4)，由数控车床提供。操作按钮包括停止按钮SB2、卡盘夹紧按钮SB4、卡盘松开按钮SB6、尾座快进按钮SB8、尾座工进按钮SB10、尾座快退按钮 SB12。图 中，SB3、SB5、SB7、SB9、SB11、SB13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。

图3 PLC控制图

PLC的输出端对应连接有中间继电器KA1～KA7。继电器的常开触点分别对应连接电磁阀的线圈1YV～7YV，如图4所示。另外，KA1～KA7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－Z以及+Z方向设有与PLC连接的行程开关。行程开关有4个，即SB14～SB17，两个设置在尾座运动的－Z方向，另外两个设置在尾座运动的+Z方向。行程开关SB0起安全保护作用，即只有在机床滑台沿－Z方向运动到尾座行程之外，压下行程开关SB0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，PLC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SB4或SB5，中间继电器KA2得电，叠加式两位四通电磁阀6上的线圈2YV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SB6或SB7，中间继电器KA1得电，叠加式两位四通电磁阀6上的线圈1YV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 (p2)，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 SB8或SB9，中间继电器线圈KA3、KA6得电，KA3、KA6常开触点闭合，三位四通电磁阀10上的线圈3YV以及三位四通电磁阀13上的线圈6YV得电，电磁阀10和电磁阀13换向，压力油经过电磁阀10左位、电磁阀11中位、电磁阀13左位流进进给液压缸14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11后，基于电磁阀11的中位机制，回油与进油叠加，进入到进给液压缸14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SB10或SB11，中间继电器线圈KA3、KA4得电，KA3、KA4常开触点闭合，电磁阀10上的线圈3YV以及电磁阀11上的线圈4YV得电，电磁阀11换向，压力油经过电磁阀10左位、电磁阀11左位、节流阀12流进进给液压缸14的无杆腔，由于节流阀12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12上的旋钮来实现。

(3)尾座快退动作

按下操作按钮SB12或SB13，中间继电器线圈KA3、KA5、KA7得电，KA3、KA5、KA7常开触点闭合，三位四通电磁阀10上的线圈3YV、三位四通电磁阀11的线圈5YV以及三位四通电磁阀13上的线圈7YV得电，电磁阀11及电磁阀13换向，压力油经过电磁阀10左位、电磁阀11的右位流进进给液压缸14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13换向至右位，压力油回油时直接经过电磁阀13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 MPa，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 MPa(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 MPa。

(2)节流调速实验

尾座的工进速度可以通过节流阀12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－负载特性 (即液压缸的工作速度v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B1油口即可 (即A1油口和B1油口互换)。

(3)机电液联调实验

由于该液压实验台是PLC控制的，柔性较强，故可以通过更改PLC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11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A2、油缸口P2'以及油缸口B1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加工装备，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。

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