基于PLC控制的全流量补偿系统在大型立式车床中的应用.pdf

２０１６ 年 １ 月 第 ４４ 卷 第 ２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０２􀆱 ０３７ 收稿日期 ２０１４－１１－０４ 基金项目 江西省科技支撑项目 （２０１４２ＢＢＥ５００５７） 作者简介 周燕辉 （１９７１）， 男， 硕士， 副教授， 研究方向为液压与机械设计。 Ｅ－ｍａｉｌ ｙｈｚｈｏｕ＿９９＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 通信作者 夏翔， Ｅ－ｍａｉｌ ｘｉａｘ１１１７＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＰＬＣ 控制的全流量补偿系统在大型立式车床中的应用 周燕辉， 肖根福， 夏翔 （井冈山大学机电学院， 江西吉安 ３４３００９） 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 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ２－１２１－３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｌｌ Ｆｌｏｗ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ｉｎ ｔｈｅ Ｌａｒｇｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｌａｔｈｅ ＺＨＯＵ Ｙａｎｈｕｉ， ＸＩＡＯ Ｇｅｎｆｕ， ＸＩＡ Ｘｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉｎｇｇａｎｇｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉ’ａｎ Ｊｉａｎｇｘｉ ３４３００９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ， ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｆｌｏｗ ｃｏｍｐｅｎｓａ⁃ ｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｏｉｌ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｏａｄ． ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ， ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ， ｓｏ ｔｈｅ ｏｉｌ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌａｔｈｅ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｗａｙ ｗａｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ， ｔｈｅｎ ｉｔｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｗａｓ ｉｍ⁃ ｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｆｕｌｌ ｆｌｏｗ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ； Ｏｉｌ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ； Ｓｅｃｔｉｏｎ 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］ δ ＝ ３ １２ｌｑｗｕ０ｅ －λ（ｔ－ｔ０） ΔｐＢ （１） 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， Ｐａｓ； 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 δΔδ。 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 δ ＝ ３ １２ｌｑｗｕｏｅ －λ（ｔ－ｔ０） ΔｐＢ ＝ ａ ３ ｑｗ（２） 其中 ａ ＝ ３ １２ｌｕｏｅ －λ（ｔ－ｔ０） ΔｐＢ ，ａ 为常数， 与加工质量、 温升、 静压腔尺寸等参数有关。 将已知参数 Ｂ ＝ ３００ ｍｍ， ｌ＝ ５００ ｍｍ， ｕ ＝ ０􀆱 ２７ １０ －１１ Ｐａｓ， ｔ ＝ ５０ ℃， ｔ０＝２０ ℃， λ ＝ ０􀆱 ０１６ ９， Δｐ ＝ １１􀆱 ９１０５Ｐａ 代入公式 （５）， 有 δ ＝ ３ １２ｌｑｗｕｏｅ －λ（ｔ－ｔ０） ΔｐＢ ＝ ３ １２ ０􀆱 ５ ｑｗ ０􀆱 ２７ １０ －６ ２􀆱 ７１８ －０􀆱 ０１６ ９３０ １１􀆱 ９ ０􀆱 ３ ，化 简 δ＝０􀆱 ８２１０ －２ ３ ｑｗ（３） 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。 ２２１机床与液压第 ４４ 卷 表 １ ＰＬＣ 功能表 功能ＰＬＣ 端子变频器原点 电机启动Ｙ１０ＳＴＦ 多段速控制 Ｙ１１ＲＬ１０１０１０１ Ｙ１２ＲＭ１１００１１０ Ｙ１３ＲＨ１１１１０００ 转动频率／ Ｈｚ５０４２３６３０２４１８１２ 油膜厚度 δ ／ μｍ５５．８５１．６４９．２４５４２．６３８．５３３．６ 计数区间＜－１０－１０，－８－７，－４－３，３３，７８，１０＞１０ 中间继电器Ｍ１Ｍ２Ｍ３ Ｍ４Ｍ５Ｍ６Ｍ７Ｍ８Ｍ９ 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 ｆｏｒ Ｐｌａｉｎ Ｂｅａｒｉｎｇｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｌｍ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｔｒｉ⁃ ｂｏｌｏｇｙ 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． ３２１第 ２ 期周燕辉 等 基于 ＰＬＣ 控制的全流量补偿系统在大型立式车床中的应用