数控滚齿机工作台油膜厚度控制研究
2018-9-21 来源： 湖北工业大学机械工程学院 作者：孙国栋 靖马超 丁国龙 张 斌
摘 要: 针对大型数控滚齿机静压工作台，为保证工作台具有高加工精度和良好的平稳性，工作时需对工作台与机床底座间油膜厚度进行有效调节控制，保持油膜厚度始终处于最优范围。在介绍了工作台液压控制方案后，提出一种基于变步长搜索法的大型工作台油膜厚度调节控制技术。该研究方法为工作台油膜主动控制系统的研制提供了可靠的理论支持。
关键词: 静压工作台; 油膜厚度; 搜索法; 频率
目前我国机床的回转工作台在精密、高承载工作台技术水平低，工作台的性能受负载的变化影响较大，不能自适应调节。因此提高回转工作台的承载能力、旋转精度，提高回转工作台的智能控制水平是重型回转加工领域非常迫切的需求。寇宗锋结合传统的定量供油和定压供油两种不同的供油方式，采用定量定压复合供油方式，有效地弥补单独使用一种供油方式的缺陷，提高了静压油膜的刚度，油膜厚度的可控性和工作台高速运行的稳定性得到了提高，但是不能根据负载实时调节油膜厚度。张晓彤等提出了基于矢量变频调速技术的油膜厚度控制方法，具有能耗低、维护方便、占地面积小等优点，且能够满足调速要求，但是无法实现实时变速调节以适应不同载荷，缺乏通用型和实用性。智能控制系统的开发可以减轻工人的工作难度、提高油膜厚度调节精度，为后续油膜厚度的控制调节提供一个形象的、智能的可视化操作界面及控制方法。在一定频率下的电动机转速存在一个最优油膜厚度值，如何在最优油膜厚度下快速寻找最佳的电动机频率，是油膜厚度调节的关键问题。基本模式搜索法虽然不需考虑初始搜素点和梯度计算的问题，但是同时也有搜索精度不高的缺陷，采用此种算法的系统时有对结果进行误报警的情况发生，变步长搜索频率法是一种 程 序 简 单 而 又 比 较 有 效 的 直 接 搜 索 最 优 化方法。因此，本文以大型精密重载静压工作台的供油控制方式为主要研究对象，在确定通过电涡流位移传感器检测油膜厚度变化信号并反馈给数控系统，通过改变电动机频率来控制油膜厚度的方案的前提下，提出一种基于变步长搜索法的工作台静压支承油膜厚度随负载变化的自适应调节技术。
1、 工作台油膜厚度控制方案
本文研究对象为大型精密重载数控滚齿机回转工作台，采用开式静压导轨，承载面由 12 个扇形油垫作为导轨，静压工作台工作原理是往工作台与扇形导轨间相对运动的面间注入液压油，使工作台和外部工件一起浮起，工作过程中油膜厚度随工作台上的工件载荷变化而变化，同时在不同速度( 包括静止) 下都能保证导轨面和工作台底面间有一定厚度的液压润滑油膜存在。本文采用西门子 840DSL 通用数控系统和“变频器 + 异步电动机 + 多头泵 + 静压导轨( 工作台) + 位移传感器”模式的完整闭环油膜控制方案，控制流程如图 1 所示。整个基于变频调速技术的油膜厚度控制方法，具有能耗低、维护方便、占地面积小等优点，且能够满足调速要求。其工作原理是首先由数控装置面板输入目标油膜厚度，油膜厚度测量采用高精度的电涡流位移传感器，数控系统通过系统中设定的控制算法输出异步电动机的控制信号，使电动机转速稳定后，液压油的压力与载荷相匹配，同时数控系统将对传感器实时采集检测的油膜数据信号进行处理与分析，根据分析结果自动判断是否需要再次调节异步电动机的转速来调节油膜厚度。同理，当工作台的外载荷 W 改变时，静压油垫的油腔压力和油膜厚度将发生变化，安装在工作台旁的电涡流位移传感器将检测到的工作台面位移的变化量快速反馈到控制系统，为保持油膜厚度h 不变，重复上述控制调节步骤，通过不断地反馈调节将油膜厚度保持在比较理想的状态。这里最主要的问题是保证控制器给出的变频电动机的频率满足工作台油膜厚度调节的需求。
2、传感器的安装
为了使得成品机床能更加稳定，所以在投入生产之前进行试验平台搭建，以验证控制方案和控制算法的准确性和可行性，本试验拟采用宜昌长机科技的 YK31300 数 控 滚 齿 机 ( 工 作 台 直 径 为 3 000mm) 。理论上是需要测量扇形油垫上表面与工作台下表面之间的油膜厚度，但由于油垫与工作台之间的油膜厚度非常小，传感器安装拆卸不方便。为了试验方便，因此在实际实验过程中改变测量方式，将电涡流位移传感器直接固定在工作台面之外，通过制作的焊接架，将电涡流位移传感器的探头固定在开有螺纹孔的焊接架上方，作为实验方案中油膜厚度的测量器件，且要求传感器探头与工作台上表面间距离很小。实验调节是通过电涡流位移传感器检测工作台面与传感器探头间的距离变化来间接反映工作台油膜厚度的变化，当工作台的负载大小或负载分布发生变化时，系统能实时感知、分析并作出处理，并将其数据通过控制器采集、处理，并输出相应的控制信号，实现工作台的智能控制，确保工作台在不同载荷或各种复杂情况下始终维持高性能的传动。电涡流位移传感器的安装位置及固定方式如图 2 所示。
3 、油膜厚度调节方法
本文提出了基于变步长搜索法的油膜厚度调节控制方法，该方法的特点是无需计算者预先确定迭代初值和迭 代区 间，并 具有很 高的 计算精 度 和 计 算 效率。其特征是按照与目标函数相联系的某种规则，从当前点出发，依次平行于各个轴向作搜索移动，得到下一个迭代点; 平行于各个轴向的搜索移动，其步长按某种规则在搜索移动过程中独立地随时改变着; 迭代点列对应的目标函数列是非增数列。解决无约束优化问题的步长搜索法需要确定一个可供选择的搜索方向的模式和一个探测性移动的准则，本文对采用变步长搜索法通过搜索目标频率得到最优油膜厚度的合理性进行了理论分析。
电涡流位移传感器探头连接米依 DT300 测量系统，通过测量系统的显示面板可以读出电涡流位移传感器的探头至工作台面的距离，当液压泵没启动时，电动机频率 f0= 0，工作台底面与油垫导轨为干接触，测得位移传感器探头与台面间的距离为 h0; 启动控制系统，从控制系统交互界面中输入异步电动机初始控制频率 f1，液压泵启动一段时间后，此时检测系统测得传感器探头与工作台台面间距离为 h1，可知当前频率下油膜厚度 h2= h0－ h1，并对 h2的范围进行区间搜索求解。本研究 设 定 的 目 标 油 膜 厚 度 范 围 在 0． 023 ～0． 027 mm 之间，当 h2的数值在［0． 023，0． 027］之间时，控制系统将停止油膜厚度的调节，直接在数控系统人机交互界面相应设计模块输出当前频率和当前油膜厚度; 当 h2的数值在［0，0． 023］之间时，控制系统输出给变频器的频率为 f1+ 5 ，在 设定时间后，检测系统再次测得当前情况下探头与工作台台面间距离h1，并 对 h2的 值 进 行 区 间 求 解; 当 h2的 数 值 在［0． 027，h0］之间时，控制系统输出给变频器的频率为(f1+ f0) /2，在设定时间后，检测系统再次测得当前情况下探头与工作台台面间距离 h1，并对 h2的值进行区间求解; 以此通过改变频率循环搜索最优解来达到对油膜厚度控制的目的。具体的频率搜索控制流程如图 3 所示。
4、 结语
本文利用变步长搜索法的原理，通过理论分析可以得出，改变频率来搜索最优解是可以达到要求的，为自适应油膜厚度调节系统提供参考。该算法不针对特定控制模型，不要求精确频率大小，解决了以往算法只能针对特定的油膜厚度控制模型，计算量大，效率低等缺点。分析结果表明，通过初始频率和变步长相结合的方法来搜索最优频率，无论载荷如何变化，都能很好地满足要求，达到预期目的。
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