數(shù)控滾齒機(jī)工作臺油膜厚度控制研究
2018-9-21 來源： 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：孫國棟 靖馬超 丁國龍 張 斌
摘 要: 針對大型數(shù)控滾齒機(jī)靜壓工作臺，為保證工作臺具有高加工精度和良好的平穩(wěn)性，工作時需對工作臺與機(jī)床底座間油膜厚度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制，保持油膜厚度始終處于最優(yōu)范圍。在介紹了工作臺液壓控制方案后，提出一種基于變步長搜索法的大型工作臺油膜厚度調(diào)節(jié)控制技術(shù)。該研究方法為工作臺油膜主動控制系統(tǒng)的研制提供了可靠的理論支持。
關(guān)鍵詞: 靜壓工作臺; 油膜厚度; 搜索法; 頻率
目前我國機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺在精密、高承載工作臺技術(shù)水平低，工作臺的性能受負(fù)載的變化影響較大，不能自適應(yīng)調(diào)節(jié)。因此提高回轉(zhuǎn)工作臺的承載能力、旋轉(zhuǎn)精度，提高回轉(zhuǎn)工作臺的智能控制水平是重型回轉(zhuǎn)加工領(lǐng)域非常迫切的需求。寇宗鋒結(jié)合傳統(tǒng)的定量供油和定壓供油兩種不同的供油方式，采用定量定壓復(fù)合供油方式，有效地彌補(bǔ)單獨(dú)使用一種供油方式的缺陷，提高了靜壓油膜的剛度，油膜厚度的可控性和工作臺高速運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了提高，但是不能根據(jù)負(fù)載實(shí)時調(diào)節(jié)油膜厚度。張曉彤等提出了基于矢量變頻調(diào)速技術(shù)的油膜厚度控制方法，具有能耗低、維護(hù)方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，且能夠滿足調(diào)速要求，但是無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時變速調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同載荷，缺乏通用型和實(shí)用性。智能控制系統(tǒng)的開發(fā)可以減輕工人的工作難度、提高油膜厚度調(diào)節(jié)精度，為后續(xù)油膜厚度的控制調(diào)節(jié)提供一個形象的、智能的可視化操作界面及控制方法。在一定頻率下的電動機(jī)轉(zhuǎn)速存在一個最優(yōu)油膜厚度值，如何在最優(yōu)油膜厚度下快速尋找最佳的電動機(jī)頻率，是油膜厚度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵問題。基本模式搜索法雖然不需考慮初始搜素點(diǎn)和梯度計算的問題，但是同時也有搜索精度不高的缺陷，采用此種算法的系統(tǒng)時有對結(jié)果進(jìn)行誤報警的情況發(fā)生，變步長搜索頻率法是一種 程 序 簡 單 而 又 比 較 有 效 的 直 接 搜 索 最 優(yōu) 化方法。因此，本文以大型精密重載靜壓工作臺的供油控制方式為主要研究對象，在確定通過電渦流位移傳感器檢測油膜厚度變化信號并反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過改變電動機(jī)頻率來控制油膜厚度的方案的前提下，提出一種基于變步長搜索法的工作臺靜壓支承油膜厚度隨負(fù)載變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)。
1、 工作臺油膜厚度控制方案
本文研究對象為大型精密重載數(shù)控滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺，采用開式靜壓導(dǎo)軌，承載面由 12 個扇形油墊作為導(dǎo)軌，靜壓工作臺工作原理是往工作臺與扇形導(dǎo)軌間相對運(yùn)動的面間注入液壓油，使工作臺和外部工件一起浮起，工作過程中油膜厚度隨工作臺上的工件載荷變化而變化，同時在不同速度( 包括靜止) 下都能保證導(dǎo)軌面和工作臺底面間有一定厚度的液壓潤滑油膜存在。本文采用西門子 840DSL 通用數(shù)控系統(tǒng)和“變頻器 + 異步電動機(jī) + 多頭泵 + 靜壓導(dǎo)軌( 工作臺) + 位移傳感器”模式的完整閉環(huán)油膜控制方案，控制流程如圖 1 所示。整個基于變頻調(diào)速技術(shù)的油膜厚度控制方法，具有能耗低、維護(hù)方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，且能夠滿足調(diào)速要求。其工作原理是首先由數(shù)控裝置面板輸入目標(biāo)油膜厚度，油膜厚度測量采用高精度的電渦流位移傳感器，數(shù)控系統(tǒng)通過系統(tǒng)中設(shè)定的控制算法輸出異步電動機(jī)的控制信號，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，液壓油的壓力與載荷相匹配，同時數(shù)控系統(tǒng)將對傳感器實(shí)時采集檢測的油膜數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理與分析，根據(jù)分析結(jié)果自動判斷是否需要再次調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)油膜厚度。同理，當(dāng)工作臺的外載荷 W 改變時，靜壓油墊的油腔壓力和油膜厚度將發(fā)生變化，安裝在工作臺旁的電渦流位移傳感器將檢測到的工作臺面位移的變化量快速反饋到控制系統(tǒng)，為保持油膜厚度h 不變，重復(fù)上述控制調(diào)節(jié)步驟，通過不斷地反饋調(diào)節(jié)將油膜厚度保持在比較理想的狀態(tài)。這里最主要的問題是保證控制器給出的變頻電動機(jī)的頻率滿足工作臺油膜厚度調(diào)節(jié)的需求。
2、傳感器的安裝
為了使得成品機(jī)床能更加穩(wěn)定，所以在投入生產(chǎn)之前進(jìn)行試驗平臺搭建，以驗證控制方案和控制算法的準(zhǔn)確性和可行性，本試驗擬采用宜昌長機(jī)科技的 YK31300 數(shù) 控 滾 齒 機(jī) ( 工 作 臺 直 徑 為 3 000mm) 。理論上是需要測量扇形油墊上表面與工作臺下表面之間的油膜厚度，但由于油墊與工作臺之間的油膜厚度非常小，傳感器安裝拆卸不方便。為了試驗方便，因此在實(shí)際實(shí)驗過程中改變測量方式，將電渦流位移傳感器直接固定在工作臺面之外，通過制作的焊接架，將電渦流位移傳感器的探頭固定在開有螺紋孔的焊接架上方，作為實(shí)驗方案中油膜厚度的測量器件，且要求傳感器探頭與工作臺上表面間距離很小。實(shí)驗調(diào)節(jié)是通過電渦流位移傳感器檢測工作臺面與傳感器探頭間的距離變化來間接反映工作臺油膜厚度的變化，當(dāng)工作臺的負(fù)載大小或負(fù)載分布發(fā)生變化時，系統(tǒng)能實(shí)時感知、分析并作出處理，并將其數(shù)據(jù)通過控制器采集、處理，并輸出相應(yīng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)工作臺的智能控制，確保工作臺在不同載荷或各種復(fù)雜情況下始終維持高性能的傳動。電渦流位移傳感器的安裝位置及固定方式如圖 2 所示。
3 、油膜厚度調(diào)節(jié)方法
本文提出了基于變步長搜索法的油膜厚度調(diào)節(jié)控制方法，該方法的特點(diǎn)是無需計算者預(yù)先確定迭代初值和迭 代區(qū) 間，并 具有很 高的 計算精 度 和 計 算 效率。其特征是按照與目標(biāo)函數(shù)相聯(lián)系的某種規(guī)則，從當(dāng)前點(diǎn)出發(fā)，依次平行于各個軸向作搜索移動，得到下一個迭代點(diǎn); 平行于各個軸向的搜索移動，其步長按某種規(guī)則在搜索移動過程中獨(dú)立地隨時改變著; 迭代點(diǎn)列對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)列是非增數(shù)列。解決無約束優(yōu)化問題的步長搜索法需要確定一個可供選擇的搜索方向的模式和一個探測性移動的準(zhǔn)則，本文對采用變步長搜索法通過搜索目標(biāo)頻率得到最優(yōu)油膜厚度的合理性進(jìn)行了理論分析。
電渦流位移傳感器探頭連接米依 DT300 測量系統(tǒng)，通過測量系統(tǒng)的顯示面板可以讀出電渦流位移傳感器的探頭至工作臺面的距離，當(dāng)液壓泵沒啟動時，電動機(jī)頻率 f0= 0，工作臺底面與油墊導(dǎo)軌為干接觸，測得位移傳感器探頭與臺面間的距離為 h0; 啟動控制系統(tǒng)，從控制系統(tǒng)交互界面中輸入異步電動機(jī)初始控制頻率 f1，液壓泵啟動一段時間后，此時檢測系統(tǒng)測得傳感器探頭與工作臺臺面間距離為 h1，可知當(dāng)前頻率下油膜厚度 h2= h0－ h1，并對 h2的范圍進(jìn)行區(qū)間搜索求解。本研究 設(shè) 定 的 目 標(biāo) 油 膜 厚 度 范 圍 在 0． 023 ～0． 027 mm 之間，當(dāng) h2的數(shù)值在［0． 023，0． 027］之間時，控制系統(tǒng)將停止油膜厚度的調(diào)節(jié)，直接在數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面相應(yīng)設(shè)計模塊輸出當(dāng)前頻率和當(dāng)前油膜厚度; 當(dāng) h2的數(shù)值在［0，0． 023］之間時，控制系統(tǒng)輸出給變頻器的頻率為 f1+ 5 ，在 設(shè)定時間后，檢測系統(tǒng)再次測得當(dāng)前情況下探頭與工作臺臺面間距離h1，并 對 h2的 值 進(jìn) 行 區(qū) 間 求 解; 當(dāng) h2的 數(shù) 值 在［0． 027，h0］之間時，控制系統(tǒng)輸出給變頻器的頻率為(f1+ f0) /2，在設(shè)定時間后，檢測系統(tǒng)再次測得當(dāng)前情況下探頭與工作臺臺面間距離 h1，并對 h2的值進(jìn)行區(qū)間求解; 以此通過改變頻率循環(huán)搜索最優(yōu)解來達(dá)到對油膜厚度控制的目的。具體的頻率搜索控制流程如圖 3 所示。
4、 結(jié)語
本文利用變步長搜索法的原理，通過理論分析可以得出，改變頻率來搜索最優(yōu)解是可以達(dá)到要求的，為自適應(yīng)油膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供參考。該算法不針對特定控制模型，不要求精確頻率大小，解決了以往算法只能針對特定的油膜厚度控制模型，計算量大，效率低等缺點(diǎn)。分析結(jié)果表明，通過初始頻率和變步長相結(jié)合的方法來搜索最優(yōu)頻率，無論載荷如何變化，都能很好地滿足要求，達(dá)到預(yù)期目的。
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