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．
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