基于ＰＬＣ 控制的全流量補償系統在大型立式車床中的應用
2016-8-25 來源：井岡山大學機電學院 作者：周燕輝 肖根福 夏翔
摘要： 結合機床的具體參數， 闡述了全流量補償數學模型的簡化過程。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 控制技術調整變頻器頻率， 修正伺服電機的轉速， 對大型立式車床靜壓導軌的油膜厚度進行精確補償， 提高其定位精度。
關鍵詞： 全流量補償系統； 變頻； 油膜厚度； 分段
大型立式車床是現代工業生產中不可或缺的一種重要生產設備， 主要適用于盤類零件的加工， 具有承載能力大、裝夾工件方便及切削扭矩大等特點［１］ 。但是加工的工件質量太大， 導致導軌變形， 使得工作臺運轉不平穩甚至出現卡住等現象。出現這些現象的重要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。可見靜壓導軌［２］ 保持一定的油膜厚度， 對提高大型立式車床的加工精度、運行平穩與安全生產具有重要意義。
１、理論基礎
靜壓導軌油膜容易受到載荷、溫度與壓力的綜合影響。一般來說， 靜壓導軌中壓力遠遠小于２０ ＭＰａ，故壓力的影響忽略不計。公式（１） 為油膜厚度與流量、溫度的復合數學模型［３］ ：
式中： ｑｗ 為單位寬度的流量， ｃｍ３ ／ ｓ； δ 為縫隙高度（即油膜厚度）， ｃｍ； ｌ 為縫隙長度， 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 為工作后的溫度，℃； ｔ０ 為初始溫度，℃； λ 為油壓的黏溫系數。
２、供油方法
對于大型立式車床來說， 靜壓導軌的油膜厚度δ一般控制在０.０３～０.０６ ｍｍ［４］ 。現預設油膜厚度為δ，在溫度、壓力與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度為δ±Δδ。為了安全生產， 預留緩沖報警時間， 由ＰＬＣ 控制油膜的厚度在０.０３５～０.０５５ ｍｍ 之間， 采用分段在線控制法［５］控制變頻器頻率， 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 數控單柱立式車銑復合加工中心， 最大加工直徑１２ ５００ ｍｍ， 最大承載工件質量１６０ ｔ， 工作臺直徑６ ３００ ｍｍ， 采用靜壓導軌，共有２４ 個靜壓腔。２４ 個靜壓腔需要同量供油， 油液溫升不超過５０ ℃， 不能出現低速“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， 再由３ 個變頻電機帶動３ 個８ 頭的小流量多頭泵向２４ 個靜壓腔供油， 整個系統供油配備專門的油冷機， 使得溫度升高控制在５０ ℃ 以內。在突然停電時， 工作臺由于慣性作用繼續轉動１ ～ ２圈， 此時氣動泵的供油量不夠， 蓄能器就補充供油，確保工作臺有油， 避免刮傷， 系統壓力為２ ＭＰａ。
３.２ 數學模型的簡化
控制過程的思路是： 位移傳感器→ＰＬＣ 程序控制， 輸出信號→變頻調速→修正小流量多頭泵轉速，調整供油量。
現預設油膜厚度為０.０５ ｍｍ （油膜厚度的上下限在０.０３５～０.０５５ ｍｍ 內， 超過即報警）， 設加工質量１６０ ｔ 的工件， 油膜厚度經過測量變為０.０３０ ｍｍ， 機床的靜壓腔尺寸如圖２ 所示， 選用４６ 號抗磨液壓油，系統初始油溫為２０ ℃， 油溫升高控制在５０ ℃ 之內，由于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
３.３ ＰＬＣ 程序控制
在工作臺底座上安裝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， 并設定此位置為光柵尺的“０” 點。變頻器［７］ 采用多段控制， 選用排量為０.２ ｍＬ／ ｒ 的小流量多頭泵， 依據公式（３）， 不難計算出不同頻率下靜壓導軌不同的油膜厚度， 編入程序。ＰＬＣ 功能如表１ 所示。
表１ ＰＬＣ 功能表
ＰＬＣ 控制程序如下：
ＬＤ Ｍ１０
ＤＺＣＰ Ｋ－１０ Ｋ－７ Ｃ２５５ Ｍ１ ／ ／ Ｃ２５５ 和－７、－１０ 比較， 判定光柵尺位置
ＤＺＣＰ Ｋ－３ Ｋ３ Ｃ２５５ Ｍ４ ／ ／ Ｃ２５５ 和－３、３比較， 判定光柵尺位置
ＤＺＣＰ Ｋ７ Ｋ１０ Ｃ２５５ Ｍ７ ／ ／ 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
ＬＤ Ｍ１
ＯＲ Ｍ２
ＬＤ Ｍ３
ＡＮＤ Ｍ４
ＯＲＢ
ＯＲ Ｍ５
ＯＵＴ Ｙ１３ ／ ／ 輸出Ｙ１３ 至變頻器ＲＨ 端
ＬＤ Ｍ１
ＯＵＴ Ｙ２１ ／ ／ 油膜厚度不大于３５ μｍ 報警
ＬＤ Ｍ９
ＯＵＴ Ｙ２２／ ／ 油膜厚度不小于５５ μｍ 報警
ＥＮＤ
４、結論
采用ＰＬＣ 自動控制的分段油膜厚度法， 其基礎在于全流量數學模型的簡化， 去除溫度與壓力對流量的影響， 得出流量與油膜厚度的簡單關系。通過在線檢測現場油膜的厚度， 選擇適當的調頻電機， 不同的油膜厚度對應不同的頻率， 自動控制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， 特別適合大型機床的低速重載［８］ 的場合。
參考文獻：
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