数控机床主轴齿轮箱智能润滑控制方法
2021-7-8 来源：沈阳飞机工业 （集团） 中国科学院大学 作者：刘本刚 张云鹏 赵丹
摘要：针对数控机床主轴齿轮箱润滑存在的持续无效运行时间长、运行可靠性差等问题，提出了一种基于润滑系统工作状态和润滑油品质在线感知的机床主轴齿轮箱智能润滑控制方法，不但能够有效保障主轴齿轮箱润滑系统的润滑油品质和最佳润滑效果，而且对于机床主轴系统维护具有指导意义。
关键词：数控机床；主轴；齿轮箱润滑；智能控制；润滑系统
０ 引言
对于数控机床，特别是重型强力切削机床而言，主轴齿轮箱润滑系统的主要功能是维持齿轮副表面之间形成相对稳定的油膜以减小齿轮传动摩擦和吸收部分振动，同时对主轴齿轮箱进行冷却减小齿轮传动系统热变形，避免低速重载下齿轮咬合和点蚀破坏，是机床润滑系统中的重要组成部分，因此主轴齿轮箱润滑系统能否高效、可靠地运行直接影响机床的主轴运动特性和零件的加工精度。
本文针对数控机床主轴齿轮箱润滑存在的持续无效运行时间长、运行可靠性差等问题，提出了一种 基于润滑系统工作状态和润滑油品质在线感知的机床主轴齿轮箱智能润滑控制方法。
１、机床主轴齿轮箱润滑系统
传统主轴齿轮箱润滑系统一般由控制（通常是ＰＬＣ）、电机、循环泵、输油管、油冷空调、温度传感器、空气开关和接触器等组成。控制器监测到机床驱动系统上电后，控制接触器闭合使电机通电带动循环泵工作；循环泵将油冷空调冷却后的润滑油经油管送至主轴齿轮箱起到齿轮传动润滑和冷却的作用，同时将齿轮箱底部的润滑油回送到油冷空调，使润滑油在主轴齿轮箱和油冷空调之间循环流动；油冷空调为齿轮箱流回的润滑油快速冷却。
主轴齿轮箱润滑系统如此循环工作，直到控制器监测到机床驱动系统下电或异常信号后立即控制主轴齿轮箱润滑系统停止工作，若监测到异常信号，同时发送报警信号并通知机床控制系统停机，直至机床驱动系统重新上电或异常恢复。其中，异常信号包括电机过载（空气开关跳闸）、油冷空调工作异常和主轴齿轮箱油温过高（温度传感器触发）信号。现有润滑方式满足了主轴齿轮箱润滑基本需求，但存在以下问题：
①实际生产应用中大多数机床主轴平均利用率不足５５％，但机床驱动系统上电后不论主轴是否工作，主轴齿轮箱润滑系统一直持续运行，无效运行期间润滑油循环产生额外热负荷，增加油冷空调等工作负载；
②控制器监测到主轴侧润滑油温度高时主动报警并使机床停机，但油温升高至温度传感器触发油温高信号这段时间内齿轮传动一直处于欠润滑甚至无润滑运行状态，易损坏齿轮副和导致主轴产生振动，影响加工精度；
③无法及时自 诊断润滑油泄漏问题；
④难于合理安排润滑油更换周期，无法有效保障主轴齿轮箱润滑系统的润滑油品质和最佳润滑效果。
2、机床主轴齿轮箱智能润滑控制方法
为解决上述问题，本文提出了一种机床主轴齿轮箱智能润滑控制的控制方法，以提高主轴齿轮箱润滑系统运行效率和可靠性。机床主轴齿轮箱能润滑系统包括控制器（ＰＬＣ）、电机、循环泵、油管、油冷空调、连续油位传感器、润滑油品质传感器、流量传感器、温度传感器、空气开关、接触器和电抗器。
其中，电机过载信号（空气开关辅助触点）、油冷空调工作状态（是否故障）和连续油位检测传感器信号、润滑油品质传感器信号、流量传感器信号以及温度传感器信号接入控制器（ＰＬＣ）输入模块；接触器线圈连接控制器（ＰＬＣ）输出模块；电机带动循环泵使润滑油经油管在油冷空调和机床主轴齿轮之间循环流动。当控制器（ＰＬＣ）监测到机床驱动系统上电信号后立即启动主轴齿轮箱润滑系统工作，并等待机床主轴转动指令，若在规定时间未监测到主轴转动指令则关闭主轴齿轮箱润滑系统，直到再次监测到机床驱动系统上电信号或主轴转动指令时重新启动润滑系统工作；若润滑系统工作期间，控制器监测到主轴停指令或机床驱动系统下电信号，则延时一定时间后关闭主轴齿轮箱润滑系统，如此反复循环。
其中，上述任何环节中若控制器一旦监测到异常信号则立即关闭润滑系统，同时请求机床控制系统立即停机以最快速度使主轴齿轮箱齿轮停止转动，并发出报警信号和诊断信息，直至控制器（ＰＬＣ）监测到报警已清除才再次启动上述
工作循环。
３、润滑系统智能防护与异常报警处理
机床主轴齿轮箱智能润滑控制系统能够实时自主诊断以下异常信号：润滑油油位异常、润滑油流量异常、主轴侧润滑油油温高、润滑油品质异常和电机过载。具体而言，润滑油油位异常报警是指控制器（ＰＬＣ）连续监测油冷空调油箱内润滑油油位变化，若发现在一定时间内下降值超过正常预设值，系统立即触发润滑油泄漏报警以及时检修防止事态进一步恶化；润滑油流量异常报警是指控制器（ＰＬＣ）实时监测润滑油循环流量，任何时间流量变小或大于正常阈值，系统立即触发润滑报警，防止机床主轴齿轮箱齿轮传动系统欠润滑或过润滑运行；主轴侧润滑油油温高报警是指控制器（ＰＬＣ）实时监测主轴齿轮箱侧油温，一旦油温升高并超过预定值，系统立即触发润滑系统温度异常报警，防止进一步损坏机床主轴齿轮传动系统；润滑油品质异常报警是指控制器（ＰＬＣ）实时监测润滑油中混入金属粉末、水等杂质，一旦超过设定的临界值，将立即报警并提示更换润滑系统中的润滑油，以保障润滑油品质；电机过载报警是指控制器（ＰＬＣ）监测到电机工况异常润滑系统停止后，系统立即报警并请求机床控制系统及时停止主轴转动。
４、结语
本文提出了一种机床主轴齿轮箱智能润滑控制的控制方法，具有润滑油品质、润滑油流量和润滑油液位实时在线监测和异常自诊断功能，能够实现机床主轴齿轮箱高效可靠地按需润滑功能，有利于保障机床主轴齿轮传动系统稳定运行和使用寿命，同时对保障机床主轴的运动特性和零件的加工精度具有重要意义。
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