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基於ＰＬＣ控製的全（quán）流量補償係（xì）統在大型立式車床中的應用

2016-8-25 來源：井（jǐng）岡山（shān）大學機電學院作者：周燕輝肖根福夏翔

摘要：結合機床的具體參數，闡述（shù）了全流量補償數學模（mó）型的簡化過程（chéng）。通過位移傳感器測量因負載、溫度變化導致的油膜厚度差異，應用ＰＬＣ控製技術調整變頻器頻率，修正伺服電機（jī）的轉速，對大型立式車床靜壓導軌（guǐ）的油（yóu）膜厚度進行精確補（bǔ）償，提高其定位精度。

關鍵詞：全（quán）流量補償係統；變頻；油膜厚度；分段

大型立式車床是現代工（gōng）業生產中不可或缺的一種（zhǒng）重要生產設備，主要適（shì）用（yòng）於盤類零件的加工，具（jù）有承載能力大（dà）、裝（zhuāng）夾工件方便及切削扭矩大（dà）等特點［１］。但是加工的工件質量太大，導致導軌變形，使得工作台運轉不平穩甚至出現卡住等（děng）現象。出（chū）現這些現象的（de）重要（yào）原因是油膜厚度發生了變（biàn）化，極大地影響了車床的加工精度。可見（jiàn）靜壓導軌［２］保持一定的油（yóu）膜（mó）厚度，對提高大型立（lì）式車床的加工精（jīng）度、運行（háng）平穩與安全生產具有重要意義。

１、理論（lùn）基礎

靜壓導軌油膜容易受到載（zǎi）荷、溫度（dù）與壓力的綜合影響（xiǎng）。一般來說，靜壓導軌中壓力遠遠小於２０ＭＰａ，故壓力的影響忽略不計。公式（１）為油膜厚度與流量、溫度的複合數學模型（xíng）［３］：

式（shì）中：ｑｗ為單位寬度的流量，ｃｍ３／ｓ； δ 為縫隙高（gāo）度（即（jí）油膜厚度），ｃｍ；ｌ為縫隙長度（dù），ｃｍ； Δｐ為兩端的壓差，Ｐａ；Ｂ為縫隙單位寬度，ｃｍ；ｕ０為壓力，為１個大氣壓、溫度為ｔ０時的黏度，Ｐａ·ｓ；ｔ為工作後（hòu）的溫度，℃；ｔ０為初始溫度，℃； λ 為油壓的黏溫係數。

２、供油方法

對於大型立（lì）式車床來（lái）說，靜壓導軌的油膜厚度δ一般控製在０.０３～０.０６ｍｍ［４］。現預設油膜厚度為δ，在（zài）溫度（dù）、壓力與（yǔ）載荷的變化下油膜（mó）厚度發生（shēng）變化，通過光柵位移傳感器檢測出油膜厚度為δ±Δδ。為了安全生產，預留緩衝報警時間，由ＰＬＣ控製油膜的厚度在０.０３５～０.０５５ｍｍ之（zhī）間，采用分段在線控製法［５］控製變頻器（qì）頻率，調整電機轉速，輸出相應流量。

３、案例應用

３.１　供油原理設計

某公司生產的ＣＫＸ５３１２５數控單柱立式車銑複合加工中心，最大加工直徑１２５００ｍｍ，最大承載工件質量１６０ｔ，工作台直徑６３００ｍｍ，采用靜壓導（dǎo）軌（guǐ），共有２４個靜壓腔。２４個靜（jìng）壓腔需要同量供（gòng）油，油液溫升不超過５０ ℃，不能出現低速“爬行”、卡（kǎ）盤［６］等現象。根據（jù）工作要求，擬定原（yuán）理圖（圖１）。

圖１　供油原理圖

從原理圖不難看出，電機２４驅動葉片泵２７，經過過濾器２９、３０，再（zài）由３個變頻電（diàn）機帶動３個８頭的小流量多（duō）頭泵向２４個（gè）靜壓腔供（gòng）油，整個係統供油配備專門的油冷機（jī），使得溫度升高控製在５０ ℃ 以內。在（zài）突然停電時，工作台由於慣性作用繼續轉動１～２圈，此時（shí）氣動泵的（de）供油量不夠（gòu），蓄能器就補充供油，確保工作台有油，避免刮傷，係統壓力為２ＭＰａ。

３.２　數學模型的簡化

控製過程的思路是：位移傳感器→ＰＬＣ程序控製，輸出信號→變頻調速→修正小流（liú）量多（duō）頭泵轉速，調整供（gòng）油（yóu）量。

現預設油膜厚（hòu）度為０.０５ｍｍ（油膜厚度的上下限（xiàn）在０.０３５～０.０５５ｍｍ內，超過即報警），設加工質量１６０ｔ的工件，油膜厚度經過測量（liàng）變為０.０３０ｍｍ，機床的靜壓腔尺寸如圖（tú）２所示，選用４６號抗（kàng）磨液壓油，係統初始油溫為２０ ℃，油溫升高（gāo）控製在５０ ℃ 之（zhī）內，由於ｌ、ｕ０、λ、ｔ、ｔ０、Ｂ、Δｐ為已知量，故公式

（１）改寫為：

圖２　靜壓腔尺寸（cùn）

３.３　ＰＬＣ程序控製

在工作台底座上安裝２個光柵位移傳感器，采用ＴＴＬ信號接入，１ μｍ分辨率，用ＰＬＣ中的兩相高速計數器計算其距離，高速計數器為Ｃ２５５，４５ μｍ為油膜的最佳厚度，以４５ μｍ油膜厚度對應位置為原點，將光柵尺中心對準原點，並設定此位置為光柵尺的“０” 點。變頻器［７］采用多段控製，選用排量為０.２ｍＬ／ｒ的小流量（liàng）多頭泵，依據公式（３），不難計算（suàn）出不同頻率下靜壓導軌不同（tóng）的油膜（mó）厚度，編（biān）入（rù）程（chéng）序。ＰＬＣ功能如（rú）表１所示。

表１　ＰＬＣ功能（néng）表

ＰＬＣ控製程序如下：

ＬＤ　Ｍ１０

ＤＺＣＰ　　Ｋ－１０　Ｋ－７Ｃ２５５Ｍ１　／／Ｃ２５５和（hé）－７、－１０比較，判定光柵尺位置（zhì）

ＤＺＣＰ　　Ｋ－３　Ｋ３　Ｃ２５５Ｍ４／／Ｃ２５５和－３、３比較，判（pàn）定光柵尺位置

ＤＺＣＰ　　Ｋ７　　Ｋ１０　Ｃ２５５Ｍ７　／／Ｃ２５５和－７、－１０比較，判定光柵尺位置

ＬＤ　Ｍ１

ＬＤ　Ｍ３

ＡＮＤ　Ｍ４　

ＯＲＢ

ＬＤ　Ｍ６

ＡＮＤ　Ｍ７　

ＯＲＢ

ＯＲ　Ｍ９

ＯＵＴ　Ｙ１１／／輸出Ｙ１１至變頻器ＲＬ端

ＬＤ　Ｍ１

ＯＲ　Ｍ２

ＬＤ　Ｍ６

ＡＮＤ　Ｍ７　　

ＯＲＢ

ＯＲ　Ｍ８

ＯＵＴ　Ｙ１２／／輸（shū）出Ｙ１２至變頻（pín）器ＲＭ端

ＬＤ　Ｍ１

ＯＲ　Ｍ２

ＬＤ　Ｍ３

ＡＮＤ　Ｍ４　

ＯＲＢ

ＯＲ　　Ｍ５

ＯＵＴ　Ｙ１３／／輸出Ｙ１３至變頻器ＲＨ端

ＬＤＭ１

ＯＵＴ　Ｙ２１／／油膜厚度不大（dà）於３５ μｍ報警

ＬＤＭ９

ＯＵＴ　Ｙ２２／／油（yóu）膜厚度不小於５５ μｍ報警

ＥＮＤ

４、結論

采用ＰＬＣ自（zì）動控製的分段油膜（mó）厚度法，其（qí）基礎在於全流量數學模型的簡化，去除（chú）溫度與壓力對流量的影響，得出流量與油膜厚度的簡單關係。通過在線檢（jiǎn）測現（xiàn）場油膜的厚（hòu）度，選擇適（shì）當的調頻（pín）電（diàn）機，不同的油膜厚度對應不（bú）同的頻（pín）率，自動控製小流量多頭泵的輸出流量，調整靜壓導軌間（jiān）的油（yóu）膜厚度（即導（dǎo）軌（guǐ）間隙）。該方法簡便且（qiě）成本低，特（tè）別適合大型機床的低速重（chóng）載［８］的場合。

參考文獻：

［１］劉（liú）克林．立式車床工作台靜（jìng）壓的控製［Ｊ］．機械（xiè）研（yán）究與應用，２０１２（１）：１０９－１１０．

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［４］王華，陳學東．恒流量靜壓導軌設計分析［Ｊ］．裝備製造技術，２０１１（７）：６６－６８．

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［７］杜金城．電氣變頻（pín）調速設計（jì）技術［Ｍ］．北京：中國（guó）電力出版社，２００１．

［８］李列．ＸＫ２１２５床身工作台導軌副采用恒流供油式靜（jìng）壓導軌的探討［Ｊ］．機床與液壓，２００６（１０）：６４－６６．

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