数控机床的液压系统设计与研究

张锦

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030000）

数控机床的液压系统设计与研究

张锦

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030000）

液压系统是一项很重要的现代传动控制技术，广泛应用于包括数控机床在内的各种机械设备上，其体积小，重量轻，布局灵活方便，并且操作也非常简便，在执行运动控制系统中非常实用，能够在很大的方位内实现无级变速，也能满足过载保护的需求。可根据工作环境选择适当的液压油，适用范围很广，同时因为其以液压油作为传动介质，所以可自行润滑，很大程度延长了维护日期，减少的维护工作量，增加了设备的使用寿命。

数控机床；液压；液压缸；工作腔

对于机床来说，常见的有车床、铣床、刨床、磨床、钻床、镗床、锻压机床等，最早出现的是纯手动机床，是电机通过多级齿轮传动来实现切削工作的，所有加工量和加工速度都是操作人员参照刻度盘和经验来手动调节的。随着不断的改进，带有自动走刀功能的机床逐渐面世，最初的自动走刀是以齿轮传动方式实现的。每个速度级别都需要配备一套齿轮组，齿轮的重量和体积限制使得这样的机床只有几个速度级别，齿轮需要加润滑油，增加了维护的人工成本，众多齿轮的磨损和更换增加了材料成本，这三个缺点使古老的机床逐渐被其他科技淘汰。

1 机床液压系统作用和优势

机床最常见运动方式有轴向运动和旋转运动两类，相当几部分机床的工作都需要两种运动方式结合来完成，旋转运动一直都是通过电机搭配皮带和齿轮来实现的，而轴向运动即可以通过电机搭配齿轮和齿条实现也可以通过液压系统来实现，齿轮传动必须要额外附加过载保护部件，最常见的就是利用压力传感器检测载荷，再通过电磁继电器断电来实现过载保护。这种过载保护的滞后性会对零件造成很大的损伤，而液压系统则可以根据需要事先设定液压缸的压力，从根源上实现过载保护，几乎不会对零部件产生任何损伤。

所有机械设备都不可能达到百分之百的的精准，除了数据传输的延迟外和计量系统的误差外，惯性也是其中一项很重要的原因，齿轮传动的制动方式主要是以制动轮或者直接以主动轮的强行停止或瞬间反转来完成的，所有的齿轮都难以避免的存在一定的间隙，这样的话强行停止就会产生撞击同时引起震动，这样不仅损伤设备也会很大程度的引起误差。液压传动的制动则是依靠液压阀的关闭通过平衡压力进行制动，这种软制动方式能起到一定的缓冲效果，在很大程度上保护了设备，同时减小震动，对提高机床精度有非常大的作用。

2 数控机床液压系统设计的基本工作原理

液压系统在数控机床的上的应用主要有自动加紧、刀盘转换和卡盘移动这几个方面，自动加紧功能的设计思路很简单，打开加紧方向的进液阀使液压缸的高压液压油推动卡盘，同时打开松开方向的泄压阀卸掉反作用力将工件夹紧。需要取下工件时则相反，需要打开加紧方向的泄压阀，同时打开松开方向的进液阀使得液压油推动卡盘反方向运动松开工件，需要注意的是在完成夹紧和松开后，之前打开的液压阀需要自动关闭，同时液压缸暂停工作，这样可以使液压腔内的保持一个平衡未定的压力，减小振动幅度，也能使液压缸暂时泄压，延长液压缸的使用寿命。

刀盘转换功能大多数机床是通过齿轮实现的，但也可以用液压系统来完成，这项功能是利用环形液压腔利用液压完成旋转作业，其利用两个完全反向的环形液压腔使刀盘完成正反两个方向的旋转运动，同时用另一个普通液压腔完成卡盘的固定，数控机床的控制系统利用简单的计算和位置记忆功能精准的判断换刀需要的转向和转动工位数完成换刀，换刀前夹紧液压腔的泄压阀打开松开刀架，对应旋转液压腔的进液阀打开刀架开始旋转，当刀架旋转到预定工位时，该旋转液压腔的泄压阀打开，同时夹紧液压腔的进液阀打开将刀架固定。

不同的机床运动轴数量和运动距离不同，比如车床有两个运动轴，其中一个距离很长，另一个则相对较短，铣床有三个运动轴，而多功能加工机床有三个轴向运动和三个旋转运动。运动轴长的机床需要容积比较大的液压缸和较长的液压腔，运动轴短的则相反，轴向运动的液压原理比较简单，通过分别打开液压腔两端的进液阀来改变移动方向，当液压腔一段个液压阀开启时，同一液压腔另一端的泄压阀必须打开，这是其中一种设计思路，这样的运动方式的另一种设计是将该液压腔两端直接接在同一液压缸的两端，通过液压缸的运动方向和运动量直接控制该运动部件。

3 现阶段机床液压系统的不足之处

液压系统在工业领域已经得到非常普遍的应用，数控机床的液压系统也经过了一代又一代的更新，最初的液压系统在完成多个运动时只能轮流作业，而如今多轴联动的机器早已普遍应用，刚开始每个轴向运动的每个方向都需要一个独立的液压缸，使得多轴运动的机床液压系统太过繁琐，现在多个会不影响的液压腔共用一个液压缸早已非常普遍。虽然经过不断更新和改进，机床的液压系统已经相当完善，但有些功能还是存在以下几个问题，需要进一步的改进。

最常见的问题就是液压油污染严重，不易清理。液压缸长期运动过程中磨损所产生的固体混在液压油中很容易堵塞和损坏液压系统的部件，这个问题一直是一个难点，为了低能耗的利用液压系统，液压系统的工作管路、工作腔和液压缸容积都很小，不易加装过滤组件。同时即便加装了过滤组件，如果过滤精度太低也没有明显效果，精度高又会影响液压油的流速，降低了工作效率。增大工作腔和工作管路虽然能适当减小对流量的影响，但这不仅增加了能耗还降低了系统精度。

液压系统相比纯机械结构有很多优势，但也会产生一些缺点，相比于纯机械结构，液压系统启动相对迟缓，因为它比机械结构多了一个增压的过程。可以通过减小工作管路和工作腔来减小其影响，但受各方面限制减小的程度有限，目前液压系统的启动速度还是明显不及机械结构。

绝大多数液体的热胀冷缩相比于固体都更加明显，液压油也如此，摩擦和压缩产生的大量热能会让液压油的温度快速提高，温度引起的体积变化会严重影响系统精度。温度的升高会使得油液粘稠度下降，这样很容易产生泄漏，如果泄漏严重不但影响精度，甚至可能导致系统失效。

4 机床液压系统未来可能的改进方向

液压缸的摩擦是不可避免的，摩擦就必然伴随着磨损，解决磨损最好的方法是通过增加材料表面光滑度，同时选用不易磨损的新型材料。这样就能很大程度减少磨损产生的铁屑污染液压油，而且还能降低因摩擦产生的热量。而对于系统启动迟缓的问题则可以将进液阀尽量靠近工作腔进行安装，同时利用数控机床自身自控系统在进液阀开启之前预加压，从而把动作延迟降到最低。液压油的发热是不可避免的，但减小摩擦力的新型材料能减小其发热量，同时可以尽量选用导热快的材料制作液压系统的部件，必要时可额外加装水冷乃至液氮等冷却系统，同时增加系统密封性，避免泄漏引起的问题。

除了以上新型材料和附加部件，新的结构才是更新换代的重点，多个液压缸的液压系统完全可以修改成单个液压缸，在液压缸的出液口增加一个高压缓冲腔，用于储存高压液压油，高压缓冲腔连接所有进液阀的入口管，在工作过程中该区域一直处于设定好的高压状态，内部压力稳定于一个恒定的范围。当其压力降低时液压缸开始工作，给高压缓冲腔增压，直到增加到设定值。在液压缸的进液口设一个与外界空气联通的常压储液腔，用于储存液压油供给液压缸，同时各工作腔的泄压阀出口连通低压储液腔，用于泄压时排放液压油。泄压阀出口和液压缸进液管分别接在储液腔的两个方向，中间加装过滤网，储液腔内可增设沉淀系统。

当机床任一部位需要液压时，只需打开该工位的进液阀即可，液压油会立即从高压缓冲腔进入对应的工作腔，无需液压缸先动作，泄压时在泄压阀打开的瞬间液压油便会瞬间流入储液腔，加快了系统的启停速度。

常压储液腔的过滤和沉淀装置能有效的净化液压油，而且这个新增加的出油区域体积较大，完全可以有很大的过滤面积，不会对工作效率有任何负面的影响。这种结构液压缸事先给高压缓冲腔充压，能一定程度减小液压缸的工作频率，减小发热量，与此同时与空气连通的常压储液腔也能有效的快速散热，此外，还可以在高压缓冲腔的外壁上加装散热翅片，综合散热效率将会有很大的提升，极大程度的减小了液压油温度升高带来的副作用。

[1]邵俊鹏等.液压系统设计禁忌[M].机械工业出版社，2007.

[2]孙桓,陈作模,葛文杰主编.机械原理[M].高等教育出版社, 2006.

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[4]毕承恩等编著.现代数控机床[M].机械工业出版社，1991.

[5]机床设计手册.编写组编.机床设计手册[M].机械工业出版社，1978.

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1671-0711（2017）05（上）-0105-02