機(jī)床液壓系統(tǒng)作為輔助動力源，是機(jī)床*的一部分，如主軸松卡刀、重力平衡、功能部件卡緊松開、刀庫驅(qū)動等都離不開液壓驅(qū)動。為確保機(jī)床可靠運(yùn)行，每執(zhí)行一個動作命令，在動作完成后必須檢測到可靠的動作完成信號，才能執(zhí)行下一步動作，以防止錯誤信號引起機(jī)床誤動作，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因而機(jī)床液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件到位信號檢測非常重要。 流量計(jì)作為檢測元件廣泛應(yīng)用于煤炭、石化行業(yè)，作為流量檢測控制元件，高精度流量計(jì)在航空航天液壓伺服控制系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用，但較少在常規(guī)的機(jī)床液壓系統(tǒng)中應(yīng)用。文中基于流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)可真實(shí)反映油缸行程的原理，將齒輪流量計(jì)應(yīng)用在機(jī)床液壓系統(tǒng)中，解決了以往系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的不足，取得了不錯的效果。 1 齒輪流量計(jì)簡介 流量計(jì)種類較多，功能原理大不相同，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。齒輪流量計(jì)是根據(jù)齒輪馬達(dá)原理，兩圓柱齒輪在測量腔內(nèi)由液流驅(qū)動無接觸運(yùn)行；齒輪的運(yùn)動由位于蓋板內(nèi)的兩個無接觸的傳感器檢測，在傳感器室和計(jì)量環(huán)室之間，裝有一非磁性抗壓隔板；當(dāng)計(jì)量機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動一個齒時，傳感器發(fā)出一脈沖信號，對應(yīng)一個齒的油量ΔV通過流量計(jì)，通過前置放大器，把信號轉(zhuǎn)換為一方波信號；兩通道檢測，可有更高的分辨率，并確認(rèn)流量方向。 齒輪流量計(jì)，精度較高，黏溫特性好，工作壓力高，價格相對較低，適合在機(jī)床液壓系統(tǒng)中應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
2 齒輪流量計(jì)在機(jī)床液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用 2.1 卡緊松開到位檢測應(yīng)用 機(jī)床上液壓卡緊松開輔助動作很多，如：主軸松卡刀，伺服軸抱閘松卡，交換托盤時拖盤的松卡，交換雙擺頭時雙擺頭的松卡等。而執(zhí)行卡緊松開動作的油缸多植入在各功能部件內(nèi)部，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，很難在內(nèi)部直接安裝接近開關(guān)或位移傳感器以獲取位置進(jìn)行到位信號。有些功能部件在結(jié)構(gòu)允許的情況下，將活塞位移動作傳遞到功能部件外部再進(jìn)行檢測，如主軸松卡刀、轉(zhuǎn)臺松卡等。但旋轉(zhuǎn)軸環(huán)形抱閘、托盤卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘?shù)龋褂脮r需將卡緊機(jī)構(gòu)插裝在機(jī)械體內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)所限就無法直接測得位移信號。通常做法是采用壓力信號來代替位移信號，即松卡壓力達(dá)到設(shè)定值不變標(biāo)志著活塞運(yùn)動停止，從而間接判斷松卡動作已完成，原理圖如圖2所示。但如果由于某些原因?qū)е掠透自谥虚g位置卡死時，就會發(fā)出錯誤信號，造成機(jī)床誤動作，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。
圖2 壓力開關(guān)檢測松卡到位信號原理圖
某公司在承擔(dān)國家重大專項(xiàng)高速龍門五軸加工中心的研制中，雙擺頭交換是由4個自鎖拉釘實(shí)現(xiàn)雙擺頭松卡。為了解決上述問題，在液壓松卡回路中設(shè)置了流量計(jì)，作為卡緊松開到位檢測元件。流量計(jì)可以通過檢測通過的油量，真實(shí)地檢測到油缸卡緊松開是否到位。由于流量計(jì)設(shè)置在回路上，不受機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸所限制，成功地解決了雙擺頭松卡到位檢測的問題。其原理圖如圖3所示。 [page]
圖3 流量計(jì)檢測松卡到位信號原理圖
設(shè)每個拉釘卡緊所需油量V0=10mL，卡緊動作所需總油量為4V0=40mL，作者選取德國KRACHT公司VC0.2型號齒輪流量計(jì)，齒輪幾何容積ΔV=0.245mL，即每發(fā)出一個脈沖信號齒輪流量計(jì)通過0.245mL油量，則完成卡緊動作所需脈沖數(shù)為：
拉釘松開時，流量計(jì)測量同一油腔的油量，脈沖數(shù)與卡緊動作相同，但方向相反。因而，執(zhí)行拉釘松卡動作后，通過檢測流量計(jì)接收的脈沖數(shù)是否達(dá)到相應(yīng)數(shù)值（檢測脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系見表1），來判斷該動作是否正確完成，雙通道脈沖信號可以檢測出流量計(jì)轉(zhuǎn)動方向，從而判斷是松開還是卡緊動作。
表1 檢測脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系
2.2 位置檢測應(yīng)用 具有托盤交換功能的機(jī)床，托盤交換器升降多采用液壓驅(qū)動，為了避免托盤交換器、托盤及轉(zhuǎn)臺之間的沖擊，需要在其相互接觸之前切換為低速，接觸之后高速運(yùn)行。通常做法是在油缸行程過程中設(shè)置行程開關(guān)或接近開關(guān)，發(fā)出速度切換信號，原理圖如圖4所示。此方案的缺點(diǎn)是：（1）設(shè)置行程開關(guān)或接近開關(guān)需要一定的空間；（2）設(shè)定點(diǎn)調(diào)整不便，且設(shè)定點(diǎn)個數(shù)受空間所限；（3）易受環(huán)境干擾，發(fā)出錯誤信號。 為解決上述問題，該公司采用在高速立式加工中心托盤交換器液壓回路上配置齒輪流量計(jì)的方法，提升油缸位移測量，在油缸行程中間位置設(shè)定相應(yīng)的速度切換點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)托盤交換器速度控制，原理圖如圖5所示。
設(shè)定點(diǎn)脈沖數(shù)計(jì)算公式：
式中：nset為設(shè)定發(fā)訊點(diǎn)脈沖數(shù)； lset為設(shè)定發(fā)訊點(diǎn)位置； l0為油缸總行程； D為油缸直徑； ΔV為流量計(jì)幾何容積。 3 結(jié)語 基于發(fā)出的脈沖數(shù)可真實(shí)反映油缸行程的原理，齒輪流量計(jì)可應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中進(jìn)行位置監(jiān)控與檢測。齒輪流量計(jì)具有不占用機(jī)械設(shè)計(jì)空間、位置檢測設(shè)定點(diǎn)靈活、不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床液壓系統(tǒng)中有著比較廣闊的應(yīng)用前景。
龍偉
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