浅议数控车床换刀机构液压回路图的分析步骤.doc

浅议SL－4数控车床换刀机构液压回路图的分析步骤
［摘要］：本文通过对数控车床换刀机构液压回路图的分析，简述了可用于液压回路图分析的通用步骤。
［关键词］：液压系统 原理图 分析步骤
液压技术由于具有功率重量比大、响应速度快、易于实现标准化和自动化等特点，被广泛应用于工农业生产、航空航天及国防建设等领域，为国民经济和社会生产力的发展发挥这巨大作用。
在学习、交流及使用液压技术的过程中，都离不开液压回路图，因此能够准确而迅速地识读液压回路图，无论对于液压设备的设计、分析及研究，还是液压装置的使用、维护及调整都十分重要。采取准确的分析步骤是准确而迅速识读液压回路图的关键。下面以SL-4数控车床换刀机构液压回路图为例，介绍分析液压原理图的基本方法及步骤。
第一步：粗读换刀机构液压控制系统图确定组成元件
在详细分析换刀机构液压控制回路图（如图1.1所示）之前，应首先对整个回路图做一个初步的了解，明确换刀机构液压控制系统的组成元件及功能，为具体分析液压系统的工作过程做准备。
②
③
①
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
①：液压源 ②：液压马达
③：液压缸
④：单向节流阀 ⑤：节流阀
⑥：二位四通阀
⑦：Y型三位四通阀
⑧：O型三位四通阀
⑨：油箱
图1.1液压驱动回转刀架液压控制回路图

（一）、确定液压系统组成元件
液压系统一般是由能量元件、执行元件、控制调节元件及辅助元件组成。因此，在粗读液压回路图时，首先确定此液压回路都是由哪些液压元件组成的。然后再分析各组成元件的功能、作用。
通过粗读图1.1，可以看出此原理图主要液压源、液压马达、液压缸、溢流阀、单向节流阀、节流阀、O型三位四通阀、二位四通阀、Y型三位四通阀、油箱等元件组成 。
（二）、大致分析各组成元件的功能
通过识读图1.1可知
（1）、1号元件是液压源，由液压泵、溢流阀、压力表、油箱（9号元件）等组成，其中液压泵属于能量元件，以压力油的形式为整个液压系统提供能量。
（2）、2号元件、3号元件分别为液压马达及液压缸，属于执行元件。实现换刀机构的转动、定位及锁紧。
（3）、4号元件单向节流阀、5号元件节流阀、6号元件二位四通阀、7号元件Y型三位四通阀、8号元件O型三位四通阀属于控制调节元件；通过调整压力油的流量、流向控制换刀机构的动作。
第二步：了解液压系统的基本情况，对号入座
粗读了液压回路图，认识了图中的元件后，就应进一步了解此液压系统要完成的工作任务、要达到工作要求以及要实现的动作循环。并将各液压元件的功用与液压系统实现的动作相对应。这样，就能按照系统的工作要求和动作过程，根据液压回路图去分析液压系统在工作原理上是如何满足液压设备的工作任务和动作过程的，从而分析清楚液压系统的工作原理。
（一）、了解液压系统的工作任务
SL－4数控车床换刀机构液压回路的工作任务是控制换刀机构按照生产工艺的要求完成加工刀具的自动更换。其工作任务主要体现在两个方面：一方面是实现对刀盘的旋转方向及刀盘旋转速度的控制，另一方面是刀盘鼠牙盘分离/啮合以及刀盘的定位控制。
（二）、了解液压系统要达到的工作要求
SL－4数控车床换刀机构液压控制系统要达到的工作要求是保证换刀机构在每次换刀过程中有准确的换刀速度以及保证每次换刀后的重复定位精度。
（三）、了解液压系统的动作过程
为了便于理解换刀机构液压控制系统的工作过程，首先应了解换刀机构的机械结构及其换刀工作过程
SL－4数控车床的换刀机构，采用的就是液压驱动的回转刀架，
1、液压驱动回转刀架的机械结构：
回转刀架由刀盘、刀塔、液压马达、液压缸、机械传动机构、刀位检测装置等组成。
（1）、刀塔
用于安装刀盘、液压马达、液压缸、机械传动机构、刀位检测装置等机构形成一个完整的换刀机构，并安装在十字滑台上。
（2）、刀盘：
通过转轴安装在刀塔上，用于安装刀具。
（3）、液压马达：
安装在刀塔的顶部。带动刀盘旋转，完成换刀动作。
（4）、液压缸：安装在刀塔的内部
①换刀时将刀盘与刀塔分离，使刀盘处于可旋转的位置，换刀结束后刀盘与刀塔处于啮合位置，刀盘锁紧。
②换刀时将定位销拔出，使刀盘可以旋转；换刀结束后，且刀盘与刀塔处于啮合位置时插入定位销进行精确定位。
（5）、刀位检测装置：与刀盘同轴，由挡块和接近开关组成；用于检测刀具位置。
2、回转刀架的换刀方式：
此换刀机构的换刀方式为两种：一是固定换刀方式，即刀盘始终沿着一个方向旋转，其特点是控制程序简单，但当刀具数量较多时，换刀时间较长。二是就近换刀方式，即刀盘既可以正转也可以反转，刀盘根据换刀位置就近换刀，其特点是，控制程序相对复杂，但换刀时间短。
3、换刀机构工作过程的流程图
定位销拔出
液压马达快速旋转寻找目标刀位
鼠牙盘分离
液压马达在目标刀位的前一个刀位减速
刀具到达目标刀位，液压马达停止转动
定位销插入
鼠牙盘啮合
开始
结束

（四）、了解液压系统中的各元件的具体功用，对号入座
在了解了液压系统的基本动作过程后，就要确定系统中各元件的具体能实现何种功能，对号入座。此时，结合换刀机构的动作过程，重新审视图1－1各元件的功能，各液压元件的功能如下：
（1）、1号元件是液压源，属于能量元件，以压力油的形式为整个液压系统提供能量。
（2）、2号元件液压马达：带动刀盘旋转。
（3）、3元件液压缸：实现刀盘的定位及松开、夹紧。
（4）、4号元件单向节流阀（2个）：用于调整液压马达的转速（即刀盘旋转速度的快慢）。
（5）、5号元件单向阀：用于调整液压缸动作的快慢。（即刀盘松开、夹紧、定位的速度）
（6）、6号元件二位四通阀：与单向节流阀配合用于改变刀盘的旋转速度。
（7）、7号元件Y型三位四通阀属于控制调节元件；通过调整压力油的压力、流量、流向控制换刀机构的动作。
（8）、7号元件O型三位四通阀：改变液压马达的旋转方向（即刀盘的旋转方向）
（9）、9号元件油箱，属于辅助元件；保证液压系统正常工作。
在了解了换刀机构的结构与工作过程后，再重新对液压回路图进行进一步的分析，首先对原理图上的液压元件重新编号。
1.2
2.3
0
1.3
2.1
1.5
2.2
1.1
1.4
图3.1

第三步：给元件重新编号
大多数情况下待分析的液压回路图中并没有对元件进行编号，或者编号不完全，为了便于分析和说明，可以对液压回路图中所有的元件进行重新编号。图3.1所示为采用数字编号后的液压回路图。
第四步：将原系统分解成若干子回路
在液压系统中，最终完成系统工作任务的是执行元件，因此，可以把与该元件有关的所有元件所组成的液压回路看成一个相对独立的回路，这就是以执行元件为核心的子回路。而任何一个液压系统都是由一些液压基本回路组成，如：压力控制回路、方向控制回路、调速控制回路、快速动作回路、顺序动作回路、速度切换回路等等。那么，子回路也是由基本回路组成的，这样就可以套用基本回路的分析方法对每个子回路进行分析，从而使液压回路图的分析更容易一些。
图3.1中所示的SL－4数控车床换刀机构液压控制系统可以按照执行元件划分子回路，即把为同一个执行元件服务的所有元件划归为一个子回路。
在前面已经了解到，换刀机构液压控制系统的工作任务主要体现在对刀盘的旋转方向、转速控制和对刀盘的定位控制两个方面。因此，通过对整个回路图的分解，将其分解为“刀盘旋转”控制子回路、刀盘鼠牙盘松开/啮合及刀盘定位控制的“定位控制”子回路和液压油源子回路。
当液压油源未被划分为子回路时，可以重复出现在所有的子回路中，也可以在各个子回路中省略油源，但当液压油源单独为一个子回路时，则不应在其它子回路中出现。图3.1 中的液压油源被划分为一个子回路，如图4.1所示，它将不出现在其它子回路中。
由此，图3.1中系统可分解为刀盘旋转控制和刀盘定位控制两个子回路，且分别以“旋转控制”和“定位控制”给两个子回路重新命名，并重新绘制子回路原理图。如图4.3、图4.4 所示。
图4.3
旋转控制子回路

图4.4
定位控制子回路

第五步：分析液压控制系统的子回路
对液压回路图中各个子回路进行工作原理分析是分析液压回路图的关键环节，只有将各个子回路的工作原理分析清楚，才能分析清楚整个液压系统的工作原理。对各个子回路进行分析主要是分析子回路的组成结构，确定子回路的功能和动作过程，绘制各个动作过程的油路图，列写进、出油路路线等。
一）、刀盘旋转控制子回路分析
刀盘旋转控制子回路用于车床刀塔在换刀过程中刀盘旋转方向及转速的控制。该子回路由液压马达、O型三位四通电磁换向阀、二位四通电磁换向阀、单向节流阀等元件组成。
各组成元件的功能是液压马达驱动刀盘旋转，三位四通电磁换向阀用于改变液压马达的旋转方向，二位四通电磁换向阀和单向节流阀配合使用用于调整液压马达的转速。此子回路包括换向控制回路及回油油路节流调速回路两个基本回路。如图4.3所示。
刀盘旋转方向及转速的控制子回路的动作过程如下：
液压马达快速旋转
换刀前的刀位（当前刀位）
目标刀位的前一个刀位
换刀后的刀位（目标刀位）
液压马达慢速旋转

1、刀盘旋转方向控制回路分析
刀盘旋转方向控制回路通过对三位四通电磁换向阀的控制改变液压油在回路中流动的方向实现对刀盘顺时针旋转、逆时针旋转及刀盘停转的控制。
（1）、当三位四通电磁换向阀1.1的电磁阀DT1、DT2均不得电，使阀芯处于中位时，控制回路的油路不通，此时，液压马达停止不动，刀盘保持在当前的加工位置。液压回路如图4.6所示。
（2）、当三位四通电磁换向阀1.1的电磁阀DT1得电吸合时，阀芯处于左位，液压油从液压泵右侧油腔进油，从左侧油腔回油，液压马达顺时针旋转。液压回路如图4.7所示。
进油油路：液压油泵0.0→三位四通电磁换向阀1.1左位→液压马达右腔
回油油路：液压马达左腔→单向节流阀1.4→油箱
（3）、当三位四通电磁换向阀1.1的电磁阀DT2得电吸合时，液压回路阀芯处于右位，液压油从液压泵左侧油腔进油，从右侧油腔回油，液压马达逆时针旋转。如图4.8所示。
进油油路：液压油泵0.0→三位四通电磁换向阀1.1右位→液压马达左腔
回油油路：液压马达右腔→单向节流阀1.4→油箱
1.2
DT1
1.1
DT2
图4.7液压马达顺时针旋转油路
去单向节流阀1.4
自液压油源0
1.2
DT1
1.1
DT2
图4.6液压马达停转油路
去单向节流阀1.4
自液压油源0
DT1
1.2
1.1
DT2
图4.8液压马达逆时针旋转油路
去单向节流阀1.4
自液压油源0.
2、刀盘转速控制回路分析
（1）、快速与慢速的切换控制
液压马达快慢速的切换是通过二位四通电磁换向阀1.5的电磁阀DT3得电或失电来实现的。液压马达快速旋转控制回路如图4.9所示
1.4
1.5
来自三位四通阀1.1
图4.9液压马达快速油路
DT3

1.5
DT3
1.4
1.3
来自三位四通阀1.1
图4－10液压马达慢速油路
DT3

当二位四通电磁换向阀1.5的电磁阀DT3得电时，二位四通电磁换向阀1.5的阀芯处于右位，液压马达带动刀盘快速旋转，其油路走向为：
三位四通电磁换向阀1.1的回油口
单向节流阀1.4
单向节流阀1.3
二位四通电磁换向阀1.5的右位
油箱

当二位四通电磁换向阀1.5的电磁阀DT3失电时，二位四通电磁换向阀1.5的阀芯处于左位，液压马达带动刀盘慢速速旋转（此控制又可称为减速控制），如图4.10所示其油路走向为：
三位四通电磁换向阀1.1的回油口
单向节流阀1.4
油箱

（2）、转速的调整
当液压马达以某个方向旋转，且液压马达快速控制回路接通时，节流阀1.3和1.4 同时接通油箱，如果将两个单向节流阀开启度调整到最大，此时系统的回油油亮为最大，则液压马达的转速为最高。
当慢速控制回路接通时只有节流阀1.4起作用，接通油箱，使系统的回油流量减小，导致液压马达的转速降低，如果，减小节流阀1.4的开启度，可近一步降低液压马达带动刀盘旋转的转速。
（二）、刀盘鼠牙盘松开/卡紧及刀盘定位控制子回路分析
1、定位控制子回路的功能
刀盘鼠牙盘松开/卡紧及刀盘定位控制子回路，由电磁换向阀换向基本回路、进油节流调速基本回路组成。电磁换向阀换向基本回路用于液压缸伸出/收回的控制，进油节流调速基本回路用于液压缸运动速度的控制。如图4.4所示。该子回路用于刀盘上的鼠牙盘与刀塔上的鼠牙盘的分离与啮合以及刀盘旋转到所指定的换刀位置后，用定位销将刀盘转轴位置锁定，以保证加工精度。
2、定位子回路的组成元件及其功能
①、节流阀2.1
通过调整其开启度改变液压回路中压力油的流量，从而可以改变执行液压液压缸动作速度的快慢；
②、Y型三位四通电磁换向阀2.2
通过其阀芯三个位置的变化，从而改变液压油进入双作用液压缸中的流动方向；
③、双作用液压缸2.3
通过其活塞杆的前后运动，从而带动机械装置动作，使刀盘鼠牙盘分离或啮合及刀盘定位销拔出或插入。
3、刀盘鼠牙盘松开/卡紧及刀盘定位控制子回路动作过程
刀具加工的加工位置
换刀
开始
换刀
结束
定位销拔出
鼠牙盘分离
刀具的换刀位置
找到
刀位
寻找
刀位
鼠牙盘啮合
定位销插入
双作用缸的活塞杆收回

双作用缸的活塞杆伸出

4、液压回路分析
换刀机构在换刀结束后，Y型三位四通电磁换向阀2.2的两个电磁阀DT4、DT5均断电，换向阀的阀芯处于中位，使双作用液压缸2.3的活塞杆保持在收回的位置，此时鼠牙盘啮合、定位销插入，刀盘被固定在加工位置。如图4.10所示。
图4.10定位控制
回路处于保持状态
2.1
2.2
2.3
DT5
DT4
（1）、换刀结束后的定位保持

2.3
2.2
DT5
DT4
2.1
图4.11刀盘处于鼠牙
盘分离/定位销拔出状态
其油路走向：
双作用液压缸2.3的左右油口通过的中位与油箱连接
（2）、换刀开始时的回路分析
当换刀机构接收到换刀指令后，Y型三位四通电磁换向阀2.2的电磁阀DT5得电时，换向阀的阀芯处于右位，双作用液压缸2.3的右油口进油，左油口回油，使活塞杆向外伸出，带动定位销拔出，刀盘上的鼠牙盘与刀塔上的鼠牙盘分离。其油路走向，如图4.11所示。

进油油路：
液压油泵→节流阀2.1→Y型三位四通电磁换向阀2.2的右位→双作用液压缸2.3的左油口
回油油路：
双作用液压缸2.3右油口→Y型三位四通电磁换向阀2.2的右位→油箱
图4.12刀盘处于鼠牙
盘啮合/定位销插入状态
2.1
2.2
2.3
DT5
DT4
当刀盘上的鼠牙盘与刀塔上的鼠牙盘分离后，Y型三位四通电磁换向阀2.2的电磁阀DT5断电，Y型三位四通电磁换向阀2.2的阀芯回到中位，保持鼠牙盘的分离状态。此后，液压马达将带动刀盘旋转，开始寻找目标刀位。
（3）、刀盘寻找到刀位后的回路分析
当刀盘寻找到刀位后Y型三位四通电磁换向阀2.2的电磁阀DT4得电时，换向阀的阀芯处于左位，双作用液压缸2.3的右油口进油，左油口回油，使活塞杆向内收回，带动刀盘上的鼠牙盘与刀塔上的鼠牙盘啮合，进行粗定位，定位销插入，进行精确定位。其油路走向，如图4.11所示。

进油油路：
液压油泵→节流阀2.1→Y型三位四通电磁换向阀2.2的左位→双作用液压缸2.3的右油口
回油油路：
双作用液压缸2.3左油口→Y型三位四通电磁换向阀2.2的左位→油箱
刀盘精确定位后，换刀结束，Y型三位四通电磁换向阀2.2的电磁阀DT4断电，Y型三位四通电磁换向阀2.2的阀芯回到中位，保持刀盘的定位状态。
第六步：分析子回路之间的连接关系
A
B
B
A
1.1
2.2
图4.13子回路连接方式
换刀机构液压控制系统各子回路的动作过程分析清楚后，再把各子回路合并起来，分析各子回路之间的连接关系。从图4.13中，可以看出，两个子回路的连接方式是采用的并联方式即两个换向阀1.1、2.2的进油口同时与总的压力油路相连，回油口直接与油箱相连，进油和回油互不干扰。

第七步：归纳总结
在分析换刀机构液压回路各子回路的动作过程及子回路之间的连接关系后，再将它们整合起来对整个液压控制系统的动作过程进行归纳应符合换刀机构的动作要求，并总结整个系统的特点。
（1）、系统采用一个液压油泵为系统供油，各子回路之间采用并联方式连接，油路之间互不干扰。
（2）、系统分别由液压马达和液压缸作为执行元件，由三位四通电磁换向阀、节流阀、单向节流阀、二位四通电磁换向阀为控制元件，形成了两个控制子回路。
（3）、系统采用了三位四通电磁换向阀的换向回路，回油路节流调速回路，进油路节流调速回路等基本回路。
通过采用：粗略分析→了解系统→重新编号→划分子回路→分析子回路→分析子回路连接关系→归纳总结七个步骤，基本上可以把液压回路图分析清楚，无论是对液压设备的设计、分析及研究，还是液压装置的使用、维护及调整都能产生积极的作用。
参考文献：
1、森精机SL－4数控车床使用手册