关键词：平面磨床;换向冲击;电液比例阀;理想控制曲线

 平面磨床是一种机械加工常用机床，其工作台的运动是连续往复式运动，它对运动平稳性、换向精度、换向频率都有较高的要求。目前，平面磨床正向大型化、高速化发展，有些平面磨床的工作台往复速度已经达到40耐而n[，〕。大型高速平面磨床的运动惯性很大，当其换向时，就会导致背压急剧升高，从而引起换向冲击，这会对机床产生灾难性的影响，所以换向平稳性问题已成为制约磨床工作速度和加工精度提高的重要因素。

    平面磨床采用液压传动，系统中的换向方式和换向控制参数对换向冲击有决定性的作用，设计新的液压换向系统已迫在眉睫。下面从换向方法和控制策略的角度来讨论磨床的换向冲击问题。

    1 换向冲击的机理

当液压传动平面磨床换向时，由于在其液压系统中，换向阀阀口瞬时关闭，油路突然断开，使得回油腔的油液无法排泄。

    可以看出，m和v越大，动能就越大，换向冲击也就越大。对于大惯量高速运行的平面磨床来说，其换向冲击是巨大的，这不仅影响了机床的加工精度，而且也妨碍了它的正常运行与使用寿命。

    通常，人们都希望机床实现理想换向。所谓理想换向是指，在任何工况下，机床速度都可以按照某一理想曲线无突变的光滑减小，在阀门关闭瞬间，速度刚好减为零，即动能全部转化为热能被损耗。理想的换向过程是无冲击的。

    2 常用液压传动换向方法分析

    当前应用于平面磨床的液压传动换向方法很多，下面对它们作一个简单的分析对比。

    2.1 采用行程换向阀的换向方法
    为采用行程换向阀换向，在换向阀芯上联出一拔杆，利用工作台上的行程挡块推动拔杆来实现自动换向。在工作台慢速运动时，当换向阀到达中间位置，不管液压缸左右两腔或是都通压力油、或是都通回油、或是都封闭，这时，液压缸两腔没有液压力推动，都会使工作台运动停止，因而换向阀不能到达另一端，也就出现了所谓“死点”;另外当工作台高速运动时，挡块推动拔杆使换向阀变换方向非常快，液压缸的一腔压力突然由工作压力p降低到0，另一腔则由0突然上升到p，这就出现了极大的换向冲击。目前这种系统应用在小型磨床上的比较多。

    2.2 采用电磁换向阀的换向方法

    行程换向阀改为电磁换向阀的换向方法，是由行程挡块推动行程开关发出换向信号，使电磁铁动作推动滑阀换向，可以避免“死点”，但它是一种开关型液压阀，是根据指令瞬间开启或闭合，即瞬时接通或切断回油通道，这样的液压换向系统在换向时会有很大的冲击产生。

    2.3 采用电液换向阀的换向方法

    用电液换向阀替换电磁换向阀便构成了一种新的换向方法。电液换向阀由先导阀电磁滑阀和主阀液动滑阀组成。此系统是通过先导阀换向切换控制油路，再由控制油推动主阀换向。在先导阀没有换向前，控制油路的油流方向不改变，换向阀总保持在原来的一端，主油路方向不改变，工作台总是可以继续前进。一旦控制油路切换了方向，主阀阀芯就按照事先调定的速度移动到另一工作位置，主油路方向改变，工作台也就换向运动，避免了换向“死点”。

    电液换向阀主阀的控制油口大小是可调的，即换向时间△t可以延长，这样大惯量工作台的动能就可以通过节流作用转化为热能而被消耗，能够有效地减小换向冲击，因此这种换向方法在很长时间内居于主导地位。但其换向参数只能事先调定，不能根据工况的改变而改变，这对工况随时改变的系统来说，不可能实现理想的换向。

    3 电液比例换向系统

    上述换向方法都是被动控制型换向，在工况改变的情况下，无法适应新工况对换向的要求，另外都会产生一定的换向冲击。于是采用电液伺服阀并实行闭环控制的液压换向系统应运而生。这种系统是一种智能控制换向系统，它由微型计算机实现对其换向机构的自动化控制。该方案既充分利用了电液伺服阀的各种优点，又可将多种成熟的微机控制技术应用到系统上。这种液压换向系统换向精度很高，而且冲击较小，使得大型高速平面磨床的换向平稳性得到了极大的提高。

    但因电液伺服阀结构复杂、造价高且抗污染能力差，所以这种换向系统一般只适用于较高精度要求的系统中。

    因此，研究将电液比例阀引人大型高速平面磨床的液压换向系统中。电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。它除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀的相当，其动、静态性能足以满足大多数工业应用的要求，而且其抗污染性强且造价低。

    采用电液比例阀的液压换向系统，与采用电液伺服阀的液压换向系统工作原理类似，是通过微机输入控制比例阀阀芯的开度大小，来实现对平面磨床工作台的运动位移或速度的控制，而进行换向的。这种系统的阀芯位移是由微机输人的控制曲线来调节的，所以能够实现适时对比例阀阀芯开度大小进行调节，能适应各种不同的工作情况。平面磨床采用该液压换向系统进行换向时，配合以理想控制曲线便能实现理想的平稳无冲击换向过程。在此过程中，工作台的动能同样是通过节流作用转化为热能而消耗的。对于大型高速平面磨床来说，该换向系统具有很高的使用价值。

    4 控制策略的研究

    在换向过程中，换向阀主阀芯的运动规律对于换向冲击和换向性能有决定性的作用，我们称这种阀芯运动规律为控制曲线。对于电液比例换向系统的设计来说，最重要的就是控制曲线的选定。而控制策略的研究，也就是寻找一条理想控制曲线，使得电液比例换向系统实现平稳无冲击换向。通常的适用条件下，理想控制曲线是一条光滑的高次曲线，在换向初始时刻加速度由0逐渐增加，消除了传统等减速曲线在开始时加速度突变而产生的冲击。然后加速度取得最大值，实现快速减速，当速度快接近0的时候，加速度减小，平稳过渡到0。这种曲线很好地克服了传统等减速曲线的局限性，而且还解决了提高工作速度与提高换向精度之间的矛盾。无论换向时的初速度有多大，只要控制液压缸按照理想曲线运动，理论上就能在换向终点实现零冲击和零误差。