CN104772653B - 基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统及方法，通过建立导轨间流量方程；对流量方程线性化；建立导轨受力方程；再对线性化后的流量方程、导轨受力方程进行拉氏变换，从而得到油膜厚度响应负载机理。油膜厚度控制是通过设定油膜厚度与传感器检测的实际油膜厚度相比较，对差值信号进行控制算法计算，然后经信号转换、功率放大，得到模拟信号，用该信号去控制交流伺服电机和比例溢流阀，交流伺服电机驱动变量泵，从而使变量泵输出油液流量与动、定导轨间所需要的流量相适应；同时当油温发生变化时，计算机控制比例溢流阀压力，补偿由温度变化而引起的静压导轨油液压力的变化。

Description

基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种机床液体静压导轨领域，特别涉及一种建立油温补偿的液体静压导轨油膜厚度响应负载机理的方法，具体涉及一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统及方法。

背景技术

由于具有工作寿命长、摩擦系数低、速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小、工作稳定等诸多优点，液体静压导轨被广泛应用于精密加工机床、雷达天线等民用与军用设备中。随着对数控机床的加工精度和效率要求的不断提高，为了提高工作台承载能力和性能，减少工作台和底座间磨损，延长工作台使用寿命，液体静压导轨在各种数控机床中(特别是重载高精度数控机床)也得到了广泛的应用。油膜刚度和承载能力是液体静压导轨两个最主要的性能指标,它们主要与导轨的油膜厚度有关。在恒定流量供油系统中,由于静压导轨运动摩擦产生热量使油膜温度上升，粘性降低,导轨间的压力降低，导轨油膜厚度将随之减小,使得油膜厚度不能始终处于最优状态，这将降低液体静压导轨油膜刚度和承载能力等方面的性能。因此，采用合理的控制方式使液体静压导轨具有调节油膜厚度的能力，并使油膜厚度保持最优值将会极大地提升液体静压导轨的工作性能。液体静压导轨油膜厚度控制主要通过调整电机的转速和油路中阀口大小来改变导轨间的油量来实现的。中国专利申请号为201410196676.2的一种机床开式液体静压导轨油膜厚度控制装置及系统和专利申请号为201010570464.8的变频控制导轨油膜厚度的装置及方法中，提出了主控系统使用变频器加异步电机构成的闭环控制导轨油膜厚度，但是存在着控制精度不高和没有考虑油温变化的不足。导轨在工作过程中快速移动，由于摩擦，油膜温度会随之升高，油膜粘性下降，导轨间油膜压力减小，油膜厚度将减小，导轨之间的液阻增大，使得油膜厚度不能始终处于最优状态，这将降低液体静压导轨油膜刚度和承载能力等方面的性能。因此考虑导轨工作过程中油温变化是很有必要的。在中国专利申请号为201410196676.2的一种机床开式液体静压导轨油膜厚度控制装置及系统的回油路中采用的是节流阀控制回油速度和保护油路，控制精度不高。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统及方法，通过采用伺服电机伺服、油温补偿和比例溢流阀有效的提高了控制精度。

本发明的技术方案为：一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统，该装置包括控制单元、节流阀、导轨、用于检测油膜厚度的位移传感器、为导轨供油的变量泵、驱动变量泵的交流伺服电机、用于控制回油速度的比例溢流阀，用于转换信号的信号转换器；所述导轨上设有进油口，所述控制单元、转换器、交流伺服电机、变量泵、节流阀和进油口依次连接，所述变量泵分别连接溢流阀和过滤器，所述过滤器下方设置油箱，油箱与导轨22间设置由控制单元控制的比例溢流阀。所述控制模型为其中，q为导轨流量；k_p为压力系数；β_e为有效体积弹性模量；A为导轨与油液接触面积；v₁为油液流速；F_g为重力及切削力；m为导轨质量；c为油液阻尼系数；k_q为流量系数。该系统还包括用于检测交流伺服电机转速的速度传感器、固定在导轨上的压力传感器和温度传感器。该系统包括油膜厚度控制回路、发动机转速控制回路；所述油膜厚度控制回路包括油膜厚度减法器、计算器、D/A变换器、速度控制减法器、功率放大器、交流伺服电机、变量泵、导轨、位移传感器和A/D变换器依次连接组成的闭环控制回路。所述发动机转速控制单元用于控制发动机转速，包括速度控制减法器、功率放大器、交流伺服电机和速度传感器组成的闭环回路。

一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一、位移传感器采集导轨油膜厚度，并经过A/D变换器得到实际油膜厚度信号h_cl，然后与理想油膜厚度信号h_opt经过减法器计算后得到差值信号Δh，差值信号Δh作为输入信号输入到控制单元，控制单元根据控制算法计算变量泵输出油液流量Q_p和输出信号Δ_isT，经功率放大器传递给交流交流伺服电机和比例溢流阀；步骤二、变量泵6以流量Q_p为导轨供油，载荷W生成油腔压力P，当流量为Q_p，油腔压力为P时，位移传感器采集实际油膜厚度信号h_cl，执行步骤一，直至达到系统平衡。差值信号可以通过，从而实现电机和电液比例溢流阀的调速来达到控制系统供油量和回油量改变的目的，以此来改变油腔压力，使机床工作台稳定在新的平衡状态。所述压力传感器和温度传感器采集导轨油膜压力和油膜温度，控制单元进行控制算法计算，然后经信号转换、功率放大，得到模拟信号，用该信号去控制电液比例溢流阀，调整电液比例溢流阀控制压力，进而控制导轨间压力。所述控制系统当油温变化时，控制单元根据油温变化与液体静压导轨压力之间的规律控制电液比例溢流阀压力，使液体静压导轨油液压力保持稳定。

本发明有如下积极效果：本发明提出了油膜厚度响应负载规律，利用这一规律建立了机床导轨油膜厚度控制模型，它可使油膜厚度控制系统响应速度快，控制精度高。本发明的基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度液压控制装置可以实时监测机床工作过程中液体静压导轨实际油液温度的高低和油膜厚度的大小，并通过改变液体静压导轨油液流量和电液比例阀输出压力做出调整，从而使油膜厚度恒定在最优值范围内，克服油温升高而引起的液体静压导轨油液压力下降，保证了机床的加工精度。

附图说明

图1是本发明专利机床静压导轨油膜厚度控制系统原理图；

图2是本发明专利机床静压导轨油膜厚度控制系统控制框图；

图3是本发明专利机床静压导轨压力控制框图；

图中，1为比例溢流阀，2为导轨，3为进油口，4为节流阀，5为交流伺服电机，6为变量泵，7为溢流阀，8为过滤器，9为油箱。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统，该装置包括控制单元、节流阀34、导轨2、用于检测油膜厚度的位移传感器、为导轨2供油的变量泵6、驱动变量泵6的交流伺服电机5、用于控制回油速度的比例溢流阀1，用于转换信号的信号转换器；所述导轨2上设有进油口3，所述控制单元、转换器、交流伺服电机5、变量泵5、节流阀4和进油口3依次连接，所述变量泵6分别连接溢流阀7和过滤器8，所述过滤器8下方设置油箱9，油箱9与导轨2间设置由控制单元控制的比例溢流阀1。所述控制模型为其中，q为导轨2流量；k_p为压力系数；β_e为有效体积弹性模量；A为导轨2与油液接触面积；v₁为油液流速；F_g为重力及切削力；m为导轨2质量；c为油液阻尼系数；k_q为流量系数。该系统还包括用于检测交流伺服电机5转速的速度传感器、固定在导轨2上的压力传感器和温度传感器。该系统包括油膜厚度控制回路、发动机转速控制回路；所述油膜厚度控制回路包括油膜厚度减法器、计算器、D/A变换器、速度控制减法器、功率放大器、交流伺服电机5、变量泵6、导轨2、位移传感器和A/D变换器依次连接组成的闭环控制回路。所述发动机转速控制单元用于控制发动机转速，包括速度控制减法器、功率放大器、交流伺服电机5和速度传感器组成的闭环回路。

一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一、位移传感器采集导轨2油膜厚度，并经过A/D变换器得到实际油膜厚度信号h_cl，然后与理想油膜厚度信号h_opt经过减法器计算后得到差值信号Δh，差值信号Δh作为输入信号输入到控制单元，控制单元根据控制算法计算变量泵6输出油液流量Q_p和输出信号Δ_isT，经功率放大器传递给交流交流伺服电机(5)和比例溢流阀1；步骤二、变量泵6以流量Q_p为导轨2供油，载荷W生成油腔压力P，当流量为Q_p，油腔压力为P时，位移传感器采集实际油膜厚度信号h_cl，执行步骤一，直至达到系统平衡。差值信号可以通过，从而实现电机和电液比例溢流阀1的调速来达到控制系统供油量和回油量改变的目的，以此来改变油腔压力，使机床工作台稳定在新的平衡状态。所述压力传感器和温度传感器采集导轨2油膜压力和油膜温度，控制单元进行控制算法计算，然后经信号转换、功率放大，得到模拟信号，用该信号去控制电液比例溢流阀1，调整电液比例溢流阀1控制压力，进而控制导轨2间压力。所述控制系统当油温变化时，控制单元根据油温变化与液体静压导轨2压力之间的规律控制电液比例溢流阀1压力，使液体静压导轨2油液压力保持稳定。

液体静压导轨油膜厚度控制系统建模方法如下：

1.导轨2流量方程及其线性化

导轨2流量方程遵循缝隙流动原理，导轨2流量有两部分组成，一部分由于油液的可压缩性导致的填充流量，另一部分经过导轨2、支撑导轨2间隙流入油箱9。

式(1)中

方程右边第一项表示流体体积压缩而引起的填充流量；

方程右边第二项表示流体经过动、支撑导轨2间隙流量，是根据缝隙流动理论得到的。

进入导轨2流量是油膜厚度的三次方，根据现代控制理论，控制模型越复杂，控制算法亦复杂，控制性能越差。因此需将导轨2流量方程线性化，根据理想油膜厚度，拟将流量方程在理想油膜厚度处进行泰勒级数展开。

2.流量方程拉氏变换

决定静压导轨2油膜厚度参数非常多，但复杂的模型应用起来不实用也行不通。对式(2)

进行拉氏变换。

令k_p,k_q分别定义为压力系数、流量系数

得到：

3.导轨2受力方程及其拉氏变换

导轨2共受四个力作用：导轨2本身重量及切削力、油液对导轨2摩擦阻力，该力简化为弹性力、阻尼力、油液对导轨2的作用总力。计算作用总力时，假设动、支撑导轨2间缝隙流动为层流，液体对导轨2的压力呈线性分布

式(5)中

c—阻尼系数；

F_g—重力及切削力；

p(t)A—液体对导轨2的作用总力。

对式(5)进行拉氏变换可得:

(ms²+cs)h(s)＝p(s)A-F_g(s) (6)

将式(6)代入(4)式，约去p(s)化简得：

易得

式(7)为液体静压导轨2油膜厚度响应负载规律。

式(7)中各代号表达的物理量含义如下所示：

q：导轨2流量；k_p：压力系数；β_e：有效体积弹性模量；A：导轨2与油液接触面积；v₁:油液流速；F_g:重力及切削力；m：导轨2质量；c:油液阻尼系数；k_q：流量系数

一种基于油温补偿液体静压导轨油膜厚度液压控制系统，由控制器环节和各功能环节构成，在进油路中，所述的控制器环节由减法器、计算器、A/D变换器和D/A变换器组成，所述A/D变换器连接闭环控制系统的位移传感器和减法器，所述D/A变换器连接闭环控制系统的计算器和功率放大器；所述的各功能环节包括依次连接的功率放大器、交流交流伺服电机5、变量泵6、导轨2，交流交流伺服电机5后设有转速反馈环，依次连接有速度传感器、变换器和减法器，导轨2上设有压力传感器，连接到计算器，导轨2后设有油膜厚度反馈环，依次连接有位移传感器、A/D变换器和减法器。在回油路中所述的控制器环节由减法器、计算器、A/D变换器和D/A变换器组成，所述A/D变换器连接闭环控制系统的位移传感器和计算机，所述D/A变换器连接闭环控制系统的计算器和功率放大器；所述的各功能环节包括依次连接的功率放大器、比例溢流阀1、油箱9，导轨2上设有温度传感器，连接到计算器。

作为优选，所述闭环控制系统融合了定量供油式静压导轨2和定压供油式静压导轨2的特点，实现了压力和流量的补偿。

请参阅图1图2和图3所示，一种基于油温补偿的液体静压导轨2油膜厚度液压控制装置，包括比例溢流阀1、导轨2、进油口3、节流阀4、交流伺服电机5、变量泵6、溢流阀7、过滤器8、油箱9和计算机，所述计算机一端连接转换器，该转换器依次连接交流伺服电机5、变量泵6、节流阀4和进油口3，进油口3设置在导轨2上，所述变量泵6分别连接溢流阀7及过滤器8，所述过滤器8下方设置油箱9，油箱9与导轨2间设置比例溢流阀1。

一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度液压控制系统，闭环控制装置的控制系统由控制器环节和各功能环节构成，在油膜厚度控制系统中，所述的控制器环节由减法器、计算器、A/D变换器和D/A变换器组成，所述A/D变换器连接闭环控制系统的位移传感器和减法器，所述D/A变换器连接闭环控制系统的计算器和功率放大器；所述的各功能环节包括依次连接的功率放大器、交流伺服电机5、变量泵6、导轨2，交流伺服电机5后设有转速反馈环，依次连接有速度传感器、变换器和减法器，导轨2上设有压力传感器，连接到计算器，系统设有油膜厚度反馈环，依次连接有位移传感器、A/D变换器和减法器。油温补偿控制系统中所述的控制器环节由减法器、计算器、A/D变换器和D/A变换器组成，所述A/D变换器连接闭环控制系统的温度传感器和计算机，所述D/A变换器连接工控机和功率放大器；所述的各功能环节包括依次连接的功率放大器、比例溢流阀1、油箱9，导轨2上设有温度传感器，连接到工控机。

本发明的基于油温补偿的液体静压导轨2油膜厚度液压控制装置工作过程如下：先使用位移传感器测得工作中导轨2油膜厚度，并经过A/D变换器得到实际油膜厚度信号h_cl，然后与设定油膜厚度信号h_opt经过减法器计算后得到差值信号Δh，Δh作为闭环控制系统的输入信号，然后经过计算器计算出相应的控制器环节的输出信号Δ_isT，用该信号去控制变量泵6输出油液流量，与动、定导轨2间所需要的流量相适应。

变量泵6以流量Q_p为导轨2供油，载荷W生成油腔压力P，当流量为Q_p，油腔压力为P时，导轨2对应油膜厚度为h_cl，该值通过位移传感器反馈到控制器环节的输入端，借以实现闭环控制。

通过传感器检测导轨2油膜压力和油膜温度，由工控机进行控制算法计算，然后经信号转换、功率放大，得到模拟信号，用该信号去控制电液比例溢流阀1，调整电液比例溢流阀1控制压力，进而控制导轨2间压力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统，其特征在于，该系统包括控制单元、节流阀(4)、液体静压导轨(2)、用于检测油膜厚度的位移传感器、为液体静压导轨(2)供油的变量泵(6)、驱动变量泵(6)的交流伺服电机(5)、用于控制回油速度的比例溢流阀(1)和用于转换信号的信号转换器；所述液体静压导轨(2)上设有进油口(3)，所述控制单元、转换器、交流伺服电机(5)、变量泵(6)、节流阀(4)和进油口(3)依次连接，所述变量泵(6)分别连接溢流阀(7)和过滤器(8)，所述过滤器(8)下方设置油箱(9)，油箱(9)与液体静压导轨(2)间设有由控制单元控制的比例溢流阀(1)；所述控制单元为其中，q为液体静压导轨(2)流量；k_p为压力系数；β_e为有效体积弹性模量；A为液体静压导轨(2)与油液接触面积；v₁为油液流速；F_g为重力及切削力；m为液体静压导轨(2)质量；c为油液阻尼系数；k_q为流量系数。

2.根据权利要求1所述的基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统，其特征在于，该系统还包括用于检测交流伺服电机(5)转速的速度传感器、固定在液体静压导轨(2)上的压力传感器和温度传感器。

3.根据权利要求1所述的基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制系统，其特征在于，该系统包括油膜厚度控制回路、电动机转速控制回路；所述油膜厚度控制回路包括油膜厚度减法器、计算器、D/A变换器、速度控制减法器、功率放大器、交流伺服电机(5)、变量泵(6)、液体静压导轨(2)、位移传感器和A/D变换器依次连接组成的闭环控制回路。

4.一种基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、位移传感器采集液体静压导轨(2)油膜厚度，并经过A/D变换器得到实际油膜厚度信号h_cl，然后与设定油膜厚度信号h_opt经过减法器计算后得到差值信号Δh，差值信号Δh作为输入信号输入到控制单元，控制单元根据控制算法计算变量泵(6)输出油液流量Q_p和输出信号Δ_isT，经功率放大器传递给交流伺服电机(5)；

步骤二、变量泵(6)以流量Q_p为液体静压导轨(2)供油，载荷W生成油腔压力P，当流量为Q_p，油腔压力为P时，位移传感器采集实际油膜厚度信号h_cl，执行步骤一，直至达到系统平衡，差值信号可以通过，从而实现电机和比例溢流阀(1)的压力来达到控制系统供油量和回油量改变的目的，以此来改变油腔压力，使机床工作台稳定在新的平衡状态。

5.根据权利要求4所述的基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制方法，其特征在于，系统还包括用于检测交流伺服电机(5)转速的速度传感器、固定在液体静压导轨(2)上的压力传感器和温度传感器；压力传感器和温度传感器采集液体静压导轨(2)油膜压力和油膜温度，控制单元进行控制算法计算，然后经信号转换、功率放大，得到模拟信号，用该信号去控制比例溢流阀(1)，调整比例溢流阀(1)控制压力，进而控制液体静压导轨(2)间压力。

6.根据权利要求4所述的基于油温补偿的液体静压导轨油膜厚度控制方法，其特征在于，所述控制系统当油温变化时，控制单元根据油温变化与液体静压导轨(2)压力之间的规律控制比例溢流阀(1)压力，使液体静压导轨(2)油液压力保持稳定。