機床液壓系統作為輔助動(dòng)力源，是機床*的一部分，如主軸松卡刀、重力平衡、功能部件卡緊松開(kāi)、刀庫驅動(dòng)等都離不開(kāi)液壓驅動(dòng)。為確保機床可靠運行，每執行一個(gè)動(dòng)作命令，在動(dòng)作完成后必須檢測到可靠的動(dòng)作完成信號，才能執行下一步動(dòng)作，以防止錯誤信號引起機床誤動(dòng)作，導致安全事故的發(fā)生。因而機床液壓系統執行元件到位信號檢測非常重要。 流量計作為檢測元件廣泛應用于煤炭、石化行業(yè)，作為流量檢測控制元件，高精度流量計在航空航天液壓伺服控制系統中有一定的應用，但較少在常規的機床液壓系統中應用。文中基于流量計發(fā)出的脈沖數可真實(shí)反映油缸行程的原理，將齒輪流量計應用在機床液壓系統中，解決了以往系統設計上的不足，取得了不錯的效果。 1 齒輪流量計簡(jiǎn)介 流量計種類(lèi)較多，功能原理大不相同，應用領(lǐng)域也有所不同。齒輪流量計是根據齒輪馬達原理，兩圓柱齒輪在測量腔內由液流驅動(dòng)無(wú)接觸運行；齒輪的運動(dòng)由位于蓋板內的兩個(gè)無(wú)接觸的傳感器檢測，在傳感器室和計量環(huán)室之間，裝有一非磁性抗壓隔板；當計量機構轉動(dòng)一個(gè)齒時(shí)，傳感器發(fā)出一脈沖信號，對應一個(gè)齒的油量ΔV通過(guò)流量計，通過(guò)前置放大器，把信號轉換為一方波信號；兩通道檢測，可有更高的分辨率，并確認流量方向。 齒輪流量計，精度較高，黏溫特性好，工作壓力高，價(jià)格相對較低，適合在機床液壓系統中應用。其結構如圖1所示。
圖1 齒輪流量計結構示意圖
2 齒輪流量計在機床液壓系統中的應用 2.1 卡緊松開(kāi)到位檢測應用 機床上液壓卡緊松開(kāi)輔助動(dòng)作很多，如：主軸松卡刀，伺服軸抱閘松卡，交換托盤(pán)時(shí)拖盤(pán)的松卡，交換雙擺頭時(shí)雙擺頭的松卡等。而執行卡緊松開(kāi)動(dòng)作的油缸多植入在各功能部件內部，由于機械結構緊湊，很難在內部直接安裝接近開(kāi)關(guān)或位移傳感器以獲取位置進(jìn)行到位信號。有些功能部件在結構允許的情況下，將活塞位移動(dòng)作傳遞到功能部件外部再進(jìn)行檢測，如主軸松卡刀、轉臺松卡等。但旋轉軸環(huán)形抱閘、托盤(pán)卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘等，使用時(shí)需將卡緊機構插裝在機械體內部，由于結構所限就無(wú)法直接測得位移信號。通常做法是采用壓力信號來(lái)代替位移信號，即松卡壓力達到設定值不變標志著(zhù)活塞運動(dòng)停止，從而間接判斷松卡動(dòng)作已完成，原理圖如圖2所示。但如果由于某些原因導致油缸在中間位置卡死時(shí)，就會(huì )發(fā)出錯誤信號，造成機床誤動(dòng)作，導致安全事故的發(fā)生。
圖2 壓力開(kāi)關(guān)檢測松卡到位信號原理圖
某公司在承擔國家重大專(zhuān)項高速龍門(mén)五軸加工中心的研制中，雙擺頭交換是由4個(gè)自鎖拉釘實(shí)現雙擺頭松卡。為了解決上述問(wèn)題，在液壓松卡回路中設置了流量計，作為卡緊松開(kāi)到位檢測元件。流量計可以通過(guò)檢測通過(guò)的油量，真實(shí)地檢測到油缸卡緊松開(kāi)是否到位。由于流量計設置在回路上，不受機械結構尺寸所限制，成功地解決了雙擺頭松卡到位檢測的問(wèn)題。其原理圖如圖3所示。 [page]
圖3 流量計檢測松卡到位信號原理圖
設每個(gè)拉釘卡緊所需油量V0=10mL，卡緊動(dòng)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，齒輪幾何容積ΔV=0.245mL，即每發(fā)出一個(gè)脈沖信號齒輪流量計通過(guò)0.245mL油量，則完成卡緊動(dòng)作所需脈沖數為：
拉釘松開(kāi)時(shí)，流量計測量同一油腔的油量，脈沖數與卡緊動(dòng)作相同，但方向相反。因而，執行拉釘松卡動(dòng)作后，通過(guò)檢測流量計接收的脈沖數是否達到相應數值（檢測脈沖數與拉釘狀態(tài)對應關(guān)系見(jiàn)表1），來(lái)判斷該動(dòng)作是否正確完成，雙通道脈沖信號可以檢測出流量計轉動(dòng)方向，從而判斷是松開(kāi)還是卡緊動(dòng)作。
表1 檢測脈沖數與拉釘狀態(tài)對應關(guān)系
2.2 位置檢測應用 具有托盤(pán)交換功能的機床，托盤(pán)交換器升降多采用液壓驅動(dòng)，為了避免托盤(pán)交換器、托盤(pán)及轉臺之間的沖擊，需要在其相互接觸之前切換為低速，接觸之后高速運行。通常做法是在油缸行程過(guò)程中設置行程開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)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）設置行程開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)需要一定的空間；（2）設定點(diǎn)調整不便，且設定點(diǎn)個(gè)數受空間所限；（3）易受環(huán)境干擾，發(fā)出錯誤信號。 為解決上述問(wèn)題，該公司采用在高速立式加工中心托盤(pán)交換器液壓回路上配置齒輪流量計的方法，提升油缸位移測量，在油缸行程中間位置設定相應的速度切換點(diǎn)，從而實(shí)現托盤(pán)交換器速度控制，原理圖如圖5所示。
設定點(diǎn)脈沖數計算公式：
式中：nset為設定發(fā)訊點(diǎn)脈沖數； lset為設定發(fā)訊點(diǎn)位置； l0為油缸總行程； D為油缸直徑； ΔV為流量計幾何容積。 3 結語(yǔ) 基于發(fā)出的脈沖數可真實(shí)反映油缸行程的原理，齒輪流量計可應用于液壓系統中進(jìn)行位置監控與檢測。齒輪流量計具有不占用機械設計空間、位置檢測設定點(diǎn)靈活、不易受環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)，在機床液壓系統中有著(zhù)比較廣闊的應用前景。
龍偉
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