機(jī)床液壓系統(tǒng)作為輔助動(dòng)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(kāi)、刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)等都離不開(kāi)液壓驅(qū)動(dòng)。為確保機(jī)床可靠運(yùn)行，每執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作命令，在動(dòng)作完成后必須檢測(cè)到可靠的動(dòng)作完成信號(hào)，才能執(zhí)行下一步動(dòng)作，以防止錯(cuò)誤信號(hào)引起機(jī)床誤動(dòng)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(hào)檢測(cè)非常重要。 

流量計(jì)作為檢測(cè)元件廣泛應(yīng)用于煤炭、石化行業(yè)，作為流量檢測(cè)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(cuò)的效果。 

1 齒輪流量計(jì)簡(jiǎn)介 

流量計(jì)種類(lèi)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(cè)量腔內(nèi)由液流驅(qū)動(dòng)無(wú)接觸運(yùn)行；齒輪的運(yùn)動(dòng)由位于蓋板內(nèi)的兩個(gè)無(wú)接觸的傳感器檢測(cè)，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(dòng)一個(gè)齒時(shí)，傳感器發(fā)出一脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)一個(gè)齒的油量ΔV通過(guò)流量計(jì)，通過(guò)前置放大器，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為一方波信號(hào)；兩通道檢測(cè)，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(jià)格相對(duì)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(kāi)到位檢測(cè)應(yīng)用 

機(jī)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(zhí)行卡緊松開(kāi)動(dòng)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(kāi)關(guān)或位移傳感器以獲取位置進(jìn)行到位信號(hào)。有些功能部件在結(jié)構(gòu)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(cè)，如主軸松卡刀、轉(zhuǎn)臺(tái)松卡等。但旋轉(zhuǎn)軸環(huán)形抱閘、托盤(pán)卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘?shù)龋褂脮r(shí)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(wú)法直接測(cè)得位移信號(hào)。通常做法是采用壓力信號(hào)來(lái)代替位移信號(hào)，即松卡壓力達(dá)到設(shè)定值不變標(biāo)志著活塞運(yùn)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?qū)е掠透自谥虚g位置卡死時(shí)，就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，造成機(jī)床誤動(dòng)作，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

圖2 壓力開(kāi)關(guān)檢測(cè)松卡到位信號(hào)原理圖

某公司在承擔(dān)國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)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(xiàn)雙擺頭松卡。為了解決上述問(wèn)題，在液壓松卡回路中設(shè)置了流量計(jì)，作為卡緊松開(kāi)到位檢測(cè)元件。流量計(jì)可以通過(guò)檢測(cè)通過(guò)的油量，真實(shí)地檢測(cè)到油缸卡緊松開(kāi)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(cè)的問(wèn)題。其原理圖如圖3所示。 [page]

圖3 流量計(jì)檢測(cè)松卡到位信號(hào)原理圖

設(shè)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(guó)KRACHT公司VC0.2型號(hào)齒輪流量計(jì)，齒輪幾何容積ΔV=0.245mL，即每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)齒輪流量計(jì)通過(guò)0.245mL油量，則完成卡緊動(dòng)作所需脈沖數(shù)為：

拉釘松開(kāi)時(shí)，流量計(jì)測(cè)量同一油腔的油量，脈沖數(shù)與卡緊動(dòng)作相同，但方向相反。因而，執(zhí)行拉釘松卡動(dòng)作后，通過(guò)檢測(cè)流量計(jì)接收的脈沖數(shù)是否達(dá)到相應(yīng)數(shù)值（檢測(cè)脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對(duì)應(yīng)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(hào)可以檢測(cè)出流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而判斷是松開(kāi)還是卡緊動(dòng)作。

表1 檢測(cè)脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系 

2.2 位置檢測(cè)應(yīng)用 

具有托盤(pán)交換功能的機(jī)床，托盤(pán)交換器升降多采用液壓驅(qū)動(dòng)，為了避免托盤(pán)交換器、托盤(pán)及轉(zhuǎn)臺(tái)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(guò)程中設(shè)置行程開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)，發(fā)出速度切換信號(hào)，原理圖如圖4所示。此方案的缺點(diǎn)是：（1）設(shè)置行程開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)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(gè)數(shù)受空間所限；（3）易受環(huán)境干擾，發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)。 

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(jì)的方法，提升油缸位移測(cè)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(pán)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(yǔ) 

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(cè)。齒輪流量計(jì)具有不占用機(jī)械設(shè)計(jì)空間、位置檢測(cè)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。