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基於ＰＬＣ控製的全流量補償係統在（zài）大型立式車床中的應用

2016-8-25 來源：井岡山大（dà）學機電（diàn）學院作（zuò）者：周燕輝肖根福夏翔

摘要：結合機床的具體參數，闡述了（le）全流量補償數學模型的簡化過程。通過位移傳感器測量（liàng）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（zhěng）變頻器頻率，修正伺（sì）服電機的（de）轉速，對大型立式車床（chuáng）靜壓導軌的油（yóu）膜厚度進行精確補償，提高其定（dìng）位精度。

關鍵詞：全流（liú）量補償係統（tǒng）；變頻；油膜厚度；分段

大型（xíng）立式車床是現（xiàn）代工業生產中不可或缺的一種重要生產設備，主要適用於盤類零件的加工，具有承載（zǎi）能力大、裝夾工件方便及切削扭矩大等特點［１］。但是加工（gōng）的工件質量太大，導致導軌變形，使（shǐ）得工作（zuò）台運轉（zhuǎn）不平穩甚至出現卡住等現象。出現（xiàn）這些現象的重要（yào）原因是油膜厚度發生了變化，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）膜厚度，對提高大型立式車床的加工精度、運行平穩與安（ān）全生產具有重要意義。

１、理（lǐ）論基（jī）礎

靜壓導軌油（yóu）膜（mó）容易受到載荷、溫（wēn）度（dù）與壓力的綜合影響。一般來說，靜壓導軌中壓力遠遠小於２０ＭＰａ，故壓力的影響忽略（luè）不計。公式（１）為油膜厚度與流量、溫（wēn）度的複（fù）合數學模型［３］：

式中：ｑｗ為單位寬度（dù）的流量（liàng），ｃｍ３／ｓ； δ 為（wéi）縫隙高度（dù）（即油膜厚度），ｃｍ；ｌ為縫隙長度，ｃｍ； Δｐ為兩端的壓差，Ｐａ；Ｂ為縫（féng）隙單位寬（kuān）度，ｃｍ；ｕ０為壓力，為１個大氣（qì）壓、溫度為ｔ０時的黏（nián）度，Ｐａ·ｓ；ｔ為工作後的溫度，℃；ｔ０為（wéi）初始溫（wēn）度，℃； λ 為油壓的黏溫係數。

２、供油方法

對於大型立式車床（chuáng）來說，靜壓導（dǎo）軌的油膜厚度δ一般控製在０.０３～０.０６ｍｍ［４］。現預設油膜（mó）厚度為δ，在（zài）溫度、壓力與（yǔ）載荷的變化下油膜厚度發生變化，通過光柵位移傳感器檢測出油膜厚（hòu）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（yīng）流量。

３、案例應用

３.１　供油原理設計

某公司生產（chǎn）的ＣＫＸ５３１２５數控單柱（zhù）立式（shì）車銑複合加工中心，最大加工直徑（jìng）１２５００ｍｍ，最大承載工件質量１６０ｔ，工作台直徑６３００ｍｍ，采用靜壓導軌，共有２４個靜壓腔。２４個靜（jìng）壓腔（qiāng）需要同（tóng）量供油，油液溫升（shēng）不超過５０ ℃，不能（néng）出（chū）現低速“爬行”、卡盤［６］等現象。根據工作要求，擬定原理圖（圖１）。

圖１　供（gòng）油原理圖

從原理（lǐ）圖不難看出，電機２４驅動葉片泵２７，經過過濾器２９、３０，再由（yóu）３個（gè）變頻電機帶動３個（gè）８頭的小（xiǎo）流量多頭泵向２４個靜壓腔供油（yóu），整個係統供油配備專門的油冷機，使得溫度升高控製在５０ ℃ 以內。在突然停電（diàn）時，工作台由於慣性作用繼續（xù）轉動１～２圈，此時氣動泵的供油量不夠，蓄能器就（jiù）補充供（gòng）油，確保工作台有油，避免刮傷（shāng），係（xì）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（chuán）感器→ＰＬＣ程（chéng）序控製，輸出信號→變頻（pín）調速→修正小流量多頭泵轉速（sù），調整供（gòng）油量。

現預設油膜厚度為０.０５ｍｍ（油膜厚度的上下限在０.０３５～０.０５５ｍｍ內，超過即報（bào）警），設加工質量１６０ｔ的（de）工件，油膜（mó）厚度經過測量變為０.０３０ｍｍ，機床的靜壓腔尺寸如圖２所（suǒ）示（shì），選用４６號抗磨（mó）液壓油，係統（tǒng）初始油溫為（wéi）２０ ℃，油溫升高（gāo）控（kòng）製在５０ ℃ 之內，由於ｌ、ｕ０、λ、ｔ、ｔ０、Ｂ、Δｐ為已知量，故公（gōng）式

（１）改寫為：

圖２　靜壓腔尺寸

３.３　ＰＬＣ程序控製（zhì）

在工作台底座上安裝２個光柵位（wèi）移傳感（gǎn）器（qì），采（cǎi）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（qí）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（wèi）置為原點，將光（guāng）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的小流量多（duō）頭（tóu）泵，依據公式（３），不難計算出不同頻率下靜壓（yā）導軌不同的油膜厚度，編入程序。ＰＬＣ功能如表１所示。

表１　ＰＬＣ功（gōng）能表（biǎo）

ＰＬＣ控製程序如下：

ＬＤ　Ｍ１０

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

ＤＺＣＰ　　Ｋ－３　Ｋ３　Ｃ２５５Ｍ４／／Ｃ２５５和－３、３比（bǐ）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／／輸出Ｙ１２至變頻器ＲＭ端（duān）

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（yóu）膜厚度不大於３５ μｍ報警

ＬＤＭ９

ＯＵＴ　Ｙ２２／／油（yóu）膜厚度不小於（yú）５５ μｍ報警

ＥＮＤ

４、結論

采用（yòng）ＰＬＣ自動控製的分段油膜厚度法，其基礎在於全流量數（shù）學模型（xíng）的簡化，去（qù）除溫（wēn）度與壓力對流量的（de）影（yǐng）響，得出流量與（yǔ）油膜厚度的簡單關係。通過在線檢（jiǎn）測現場油膜的厚度，選擇適當的調頻電機，不同的油膜（mó）厚度對應不（bú）同的頻率，自動控製小流量多頭泵的輸出流量，調整靜壓導軌間的油膜厚度（即導軌間隙）。該方法簡便且成本低（dī），特別適合（hé）大型機（jī）床的低速重載［８］的場合。

參考文獻：

［１］劉克林．立式車床工作台靜（jìng）壓的控製［Ｊ］．機械研究與應用，２０１２（１）：１０９－１１０．

［２］ＳＴＡＮＳＦＩＥＬＤＦＭ．ＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＢｅａｒｉｎｇｆｏｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ［Ｍ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，１９９７．

［３］周燕輝，李東峰，康春蘭．一類新型反饋式小流量多頭（tóu）泵係統的設計［Ｊ］．機械設計，２０１２（１１）：８７－８９．

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

［５］ＣＨＯＷＤＨＵＲＹＳＫＲ．ＡＦｅｅｄＢａｃｋＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｌａｉｎＢｅａｒｉｎｇｓＵｓｉｎｇＦｉｌｍＴｈｉｃｋｎｅｓｓＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０００，３３（１）：２９－３７．

［６］王東鋒．液體靜壓導軌及其在機（jī）床導軌設計中的應用研究［Ｊ］．液壓氣動與（yǔ）密（mì）封，２００３（５）：２６－２８．

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

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

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