淺析數控銑床液壓平衡系統的優化

鄭玉龍

摘 要：論文中介紹了液壓平衡系統的技術特點，并以數控機床為例，介紹了在數控機床液壓平衡系統的分類、典型液壓平衡系統的工作原理及優化液壓平衡系統的工作過程。

關鍵詞：數控機床；液壓平衡；電磁閥

引言

隨著我國機械加工業的快速發展，機械零件加工的質量和效率越來越引起人們的重視，能源要求日益高漲，有效利用能源已成為行業最大目標。在這其中，從機床降低自身消耗的角度進行研究能對提高其性能做出重大貢獻。液壓系統是數控機床的重要組成部分，許多機床或機電設備的執行機構是沿垂直方向運動的，對于機床來說，如何使用液壓平衡垂直運動部件的重量和壓力系統的穩定工作一直是個需要認真考慮的問題。

1 機床平衡系統的分類

通常平衡的方法主要有三種：第一種是當垂直運動部件的重量較輕時，可采用直接加粗傳動絲杠，加大電機扭矩的方法，但這樣將使得傳動絲杠始終承擔著運動部件的重量，導致單面磨損加重，影響機床精度的保持性。第二種是使用平衡重錘，使用重錘配重不僅增大體積、重量和占地空間，而且在立柱啟動、停止和速度轉換時，由于重錘的慣性，對主軸的運動速度和位移精度將會有很大的影響。第三種是液壓平衡法，它可以避免前面兩種方法所出現的問題。液壓平衡回路的功能在于使液壓執行元件在回油路上始終保持一定的背壓力，用來平衡機構重力負載對液壓執行元件的作用力，使之不會因自重作用而自行下滑，實現液壓系統對機床設備動作的平穩、可靠控制。

對于標準的機床主軸平衡液壓系統有著以下的三個要求：（1）為了保證主軸驅動的伺服電機的定位精度，主軸上下運動時的平衡油缸中的平衡力的差值越小越好。（2）機床停機以后主軸在一段時間中需要保持一定的主軸平衡力，這樣要求液壓系統在停機以后油缸中依然可以保持一定時間的壓力。（3）主軸定位夾緊后，機床主軸仍然需要平衡力的保持，為了減少主軸絲杠的磨損，提高絲杠的使用壽命，平衡壓力應控制在4bar左右的范圍之內。

2 典型液壓平衡系統原理分析

機床主軸平衡液壓系統有多種配置形式，其中最常用的配置基本上由變量泵、溢流閥、減壓閥和壓力繼電器組成。

在該系統中，主軸上升時變量泵排量為最大，變量泵為平衡油缸供油。主軸下降時變量泵處于泄荷狀態，主軸下降依靠平衡閥進行壓力平衡。主軸需要在任意位置停止并保持壓力，此時的變量泵需要不斷的以小排量為系統供油，以保證主軸停止狀態依然可以保持有平衡力。如圖1所示。主軸的上升與下降所需要的動力能耗，從物體能量守恒的原理看，主軸的重量上升是積蓄勢能釋放動能的過程，而主軸的下降是釋放勢能積蓄動能的過程。所以整個過程中能量是不變的。而這一過程中真正能力需要損失的應該是液壓的泄漏量——液壓的管路損失和機械（如油缸）的摩擦損失。而所有這些損失相對于主軸的上升和下降的需要的保持主軸的平衡力不變的能量是微乎其微的。主軸處于一個相對靜止的位置，如果液壓可以鎖定，本身這一能耗是完全不必要提供的，也就不需要有任何能量的損耗。

3 液壓平衡系統和夾緊系統的優化

基于以上的分析，在這套液壓系統中不需要太多的能耗，主要的能耗也就是些壓力損耗和摩擦，基于以上幾點思考，為實現“零”能耗的機床主軸液壓平衡系統和夾緊系統的優化，機床主軸液壓平衡系統變為了圖2顯示的結果。

3.1 選用零泄漏截止閥

零泄漏是這個系統中最關鍵的問題。從原理圖中可以看到溢流閥和單向閥都很容易達到零泄漏的。但是這個減壓閥是一種常開式的壓力閥，如果需要減壓就需要將此閥處與開啟狀態。同時從原理圖中也可以看到減壓閥是有泄漏油的，不論是內泄還是外泄，總歸是存在的，這也是為什么主軸在保持狀態依然需要液壓動力油的一個主要原因。元件全部選用截止式，溢流閥、換向閥和減壓閥皆為截止式結構。特別是截止式減壓閥是基于錐面截止原理設計的，具有良好的零泄漏性能。通過該閥可以確保壓力油只在蓄能器和平衡油缸中傳遞，而無任何液壓油的損耗。

3.2 選用可以頻繁啟停的浸油式電機泵站

該泵站基于節能的考慮使用的是變量柱塞泵為油源，在主軸上升時需要大流量供油時變量泵才將擺角置于最大位置，而在下降和主軸保持狀態不需要大流量的將泵的排量變小。現在這樣的泵站也有使用變頻電機的，其目的就是在不需要大能耗的時候將能量減少到最小。從節能的角度上看已經達到了節能的作用，但是如果需要真正達到“零”能耗，最直接的想法就是關掉電機。但小排量的泵，再怎么變頻，只要電機處于啟動狀態就一定會有能量的損耗，只有徹底將這個電機關掉才可以向“零”能耗邁進。關掉電機，在需要的時候再將電機啟動，這就需要電機具有良好的啟停性能。泵站選用浸油式電機泵站。這里所說的“浸油式”是指不僅是柱塞泵浸于液壓油中，而且電機也將浸于液壓油中，這樣一方面可以減少電機的發熱，另一方面可以提高電機的啟停性能，減少電機啟停時產生的電流沖擊。

3.3 選用較大的蓄能器

前面闡述的主軸在上下運動過程中能量理論上是沒有變化的，而原液壓系統中由于沒有能量儲存的元件，所以主軸下降時的勢能通過溢流閥“泄荷”回油箱了，原系統中的蓄能器由于規格較小只起到了減震的作用，而沒有起到蓄能的作用。所以選擇一個較大的蓄能器，既滿足節能，又保持主軸的上升和下降時的平衡力差值不大。根據機床主軸的重量、運動速度、油缸的缸徑大小和油量變化的大小確定蓄能器的大小。越大的蓄能器可以減少主軸上下運動的平衡差值。但太大的蓄能器一方面增加安裝空間和麻煩，同時泵站的油箱也需要加大，以增加補充的油的體積。但是對于“零”能耗的極致液壓系統中，每一滴液壓油的使用都是在此需要考慮的，其實節能的基本方法就是細致計算，而不是粗放型計算。所以既然想節能就需要在每一個細節上周全考慮。在這個方面，此臺液壓系統的蓄能器選用16L的優質蓄能器就達到了非常良好的效果。液壓系統的供油壓力，非常接近最高壓力，能夠充分利用蓄能器的有效輸出體積，有利于提高系統的動態性能。

4 結束語

自從帕斯卡提出靜壓傳遞原理以來，液壓技術已經發展了三百多年。由于武器工業的發展，大大地促進了液壓技術的發展，到了現在，隨著制造業和材料科學的發展，以及其他行業對大功率應用場合的都切需求，更是極大地刺激和帶動了液壓行業的長足發展，在原有液壓技術基礎上將研發出更先進的液壓元器件和設計理念。