为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   申请VIP  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  
特种加工机床

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工机床
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

特种加工机床

电工电力 工程机械 航空航天 汽车 模具
仪器仪表 通用机械 轨道交通 船舶

搜索
热门关键字:

数控机床

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
您现在的位置:特种加工机床网> 技术前沿>基于PLC 控制的全流量补偿系统在大型立式车床中的应用
基于PLC 控制的全流量补偿系统在大型立式车床中的应用
2016-8-25  来源:井冈山大学机电学院  作者:周燕辉 肖根福 夏翔

  
      摘要: 结合机床的具体参数, 阐述了全流量补偿数学模型的简化过程。通过位移传感器测量因负载、温度变化导致的油膜厚度差异, 应用PLC 控制技术调整变频器频率, 修正伺服电机的转速, 对大型立式车床静压导轨的油膜厚度进行精确补偿, 提高其定位精度。
  
      关键词: 全流量补偿系统; 变频; 油膜厚度; 分段
  
      大型立式车床是现代工业生产中不可或缺的一种重要生产设备, 主要适用于盘类零件的加工, 具有承载能力大、装夹工件方便及切削扭矩大等特点[1] 。但是加工的工件质量太大, 导致导轨变形, 使得工作台运转不平稳甚至出现卡住等现象。出现这些现象的重要原因是油膜厚度发生了变化, 极大地影响了车床的加工精度。可见静压导轨[2] 保持一定的油膜厚度, 对提高大型立式车床的加工精度、运行平稳与安全生产具有重要意义。
  
      1、理论基础
  
      静压导轨油膜容易受到载荷、温度与压力的综合影响。一般来说, 静压导轨中压力远远小于20 MPa,故压力的影响忽略不计。公式(1) 为油膜厚度与流量、温度的复合数学模型[3] :
  
     
  
      式中: qw 为单位宽度的流量, cm3 / s; δ 为缝隙高度(即油膜厚度), cm; l 为缝隙长度, cm; Δp 为两端的压差, Pa; B 为缝隙单位宽度, cm; u0 为压力,为1 个大气压、温度为t0 时的黏度, Pa·s; t 为工作后的温度,℃; t0 为初始温度,℃; λ 为油压的黏温系数。
  
      2、供油方法
  
      对于大型立式车床来说, 静压导轨的油膜厚度δ一般控制在0.03~0.06 mm[4] 。现预设油膜厚度为δ,在温度、压力与载荷的变化下油膜厚度发生变化, 通过光栅位移传感器检测出油膜厚度为δ±Δδ。为了安全生产, 预留缓冲报警时间, 由PLC 控制油膜的厚度在0.035~0.055 mm 之间, 采用分段在线控制法[5]控制变频器频率, 调整电机转速, 输出相应流量。
  
      3、案例应用
  
      3.1 供油原理设计
  
      某公司生产的CKX53125 数控单柱立式车铣复合加工中心, 最大加工直径12 500 mm, 最大承载工件质量160 t, 工作台直径6 300 mm, 采用静压导轨,共有24 个静压腔。24 个静压腔需要同量供油, 油液温升不超过50 ℃, 不能出现低速“爬行”、卡盘[6]等现象。根据工作要求, 拟定原理图(图1)。
  
  
  
      图1 供油原理图
  
      从原理图不难看出, 电机24 驱动叶片泵27, 经过过滤器29、30, 再由3 个变频电机带动3 个8 头的小流量多头泵向24 个静压腔供油, 整个系统供油配备专门的油冷机, 使得温度升高控制在50 ℃ 以内。在突然停电时, 工作台由于惯性作用继续转动1 ~ 2圈, 此时气动泵的供油量不够, 蓄能器就补充供油,确保工作台有油, 避免刮伤, 系统压力为2 MPa。
  
      3.2 数学模型的简化
  
      控制过程的思路是: 位移传感器→PLC 程序控制, 输出信号→变频调速→修正小流量多头泵转速,调整供油量。
  
      现预设油膜厚度为0.05 mm (油膜厚度的上下限在0.035~0.055 mm 内, 超过即报警), 设加工质量160 t 的工件, 油膜厚度经过测量变为0.030 mm, 机床的静压腔尺寸如图2 所示, 选用46 号抗磨液压油,系统初始油温为20 ℃, 油温升高控制在50 ℃ 之内,由于l、u0、λ、t、t0、B、Δp 为已知量, 故公式
  
      (1) 改写为:
  
     
  
     
 
      
  

   
  
      图2 静压腔尺寸
  
      3.3 PLC 程序控制
  
      在工作台底座上安装2 个光栅位移传感器, 采用TTL 信号接入, 1 μm 分辨率, 用PLC 中的两相高速计数器计算其距离, 高速计数器为C255, 45 μm 为油膜的最佳厚度, 以45 μm 油膜厚度对应位置为原点, 将光栅尺中心对准原点, 并设定此位置为光栅尺的“0” 点。变频器[7] 采用多段控制, 选用排量为0.2 mL/ r 的小流量多头泵, 依据公式(3), 不难计算出不同频率下静压导轨不同的油膜厚度, 编入程序。PLC 功能如表1 所示。
  
      表1 PLC 功能表
    
  
  
      PLC 控制程序如下:
  
      LD M10
  
      DZCP  K-10 K-7 C255 M1 / / C255 和-7、-10 比较, 判定光栅尺位置
  
      DZCP  K-3 K3  C255 M4 / / C255 和-3、3比较, 判定光栅尺位置
   
      DZCP  K7  K10 C255 M7 / / C255 和-7、-10 比较, 判定光栅尺位置
  
      LD M1
  
      LD M3
  
      AND M4 
  
      ORB
  
      LD M6
  
      AND M7 
  
      ORB
  
      OR M9
  
      OUT Y11/ / 输出Y11 至变频器RL 端
  
      LD M1
  
      OR M2
  
      LD M6
  
      AND M7  
  
      ORB
 
      OR M8
  
      OUT Y12 / / 输出Y12 至变频器RM 端
  
      LD M1
  
      OR M2
  
      LD M3
  
      AND M4 
    
      ORB
  
      OR  M5
  
      OUT Y13 / / 输出Y13 至变频器RH 端
  
      LD M1
  
      OUT Y21 / / 油膜厚度不大于35 μm 报警
  
      LD M9
  
      OUT Y22/ / 油膜厚度不小于55 μm 报警
  
      END
  
      4、结论
  
      采用PLC 自动控制的分段油膜厚度法, 其基础在于全流量数学模型的简化, 去除温度与压力对流量的影响, 得出流量与油膜厚度的简单关系。通过在线检测现场油膜的厚度, 选择适当的调频电机, 不同的油膜厚度对应不同的频率, 自动控制小流量多头泵的输出流量, 调整静压导轨间的油膜厚度(即导轨间隙)。该方法简便且成本低, 特别适合大型机床的低速重载[8] 的场合。
  
      参考文献:
  
      [1] 刘克林.立式车床工作台静压的控制[J].机械研究与应用,2012(1):109-110.
  
      [2] STANSFIELD F M.Hydrostatic Bearing for Machine Tool[M].Machinery Publishing Co.,Ltd.,1997.
  
      [3] 周燕辉,李东峰,康春兰.一类新型反馈式小流量多头泵系统的设计[J].机械设计,2012(11):87-89.
  
      [4] 王华,陈学东.恒流量静压导轨设计分析[J].装备制造技术,2011(7):66-68.
  
      [5] CHOWDHURY S K R. A Feed Back Control System forPlain Bearings Using Film Thickness Measurement[J].Tribology International,2000,33(1):29-37.
  
      [6] 王东锋.液体静压导轨及其在机床导轨设计中的应用研究[J].液压气动与密封,2003(5):26-28.
  
      [7] 杜金城.电气变频调速设计技术[M].北京:中国电力出版社,2001.
  
      [8] 李列.XK2125 床身工作台导轨副采用恒流供油式静压导轨的探讨[J].机床与液压,2006(10):64-66.
    投稿箱:
        如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表,或进行资讯合作,欢迎联系本网编辑部, 邮箱:skjcsc@vip.sina.com