CN105117598A - 精密液体静压导轨的预见控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密液体静压导轨的预见控制方法、装置及系统，该方法包括：通过计算机辅助制造控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力；根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号；根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。通过采用预见控制方法提前计算了加工载荷的大小和变化情况，预先调整油腔压力，完全消除了响应滞后的问题，且能够有效减小动态加工载荷作用下的溜板波动，使得导轨传动精度更高。

Description

精密液体静压导轨的预见控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及机床机电液一体化领域，具体涉及一种精密液体静压导轨的预见控制方法、装置及系统。

背景技术

精密加工技术是制造强国的重要支撑，超精密机床作为精密加工的依托，一直是国家中长期科研规划研究的热点。液体静压导轨凭借高刚度、低磨损、运行精准等优势迅速成为超精密数控机床共用的基础组件。但由于加工过程中切削载荷不断变化，破坏静压导轨溜板受力平衡，造成溜板与导轨滑道间的相对位置波动不定，改变装夹在溜板上的工件与刀具间的理想位置关系，降低机床加工精度。

随着现代大规模集成制造技术，纳米技术，超高倍天文观测技术，军用尖端雷达，超精密三维(3Dimensions，简称3D)打印技术等不断发展，对导轨技术的精密性、可靠性、高效性都提出了更高的要求。国内外专家学者从静压导轨系统静动态特性、导轨结构或流场分布、热固耦合等方面都有不少研究成果，为超精密静压导轨技术进步起到重要作用。尽管如此，目前对超精密液体静压导轨如何避免由于动态加工负载带来的溜板波动问题，一直还未找到切实有效的解决方案，一方面是因为加工载荷复杂多变难以掌控，另一方面也是受制于导轨液压系统固有的阻尼特性而带来的控制滞后，造成调节被动或响应迟缓等问题。

发明内容

针对现有技术中加工载荷复杂多变难以掌控以及导轨液压系统固有的阻尼特性而带来的控制滞后的缺陷，本发明提供了一种精密液体静压导轨的预见控制方法、装置及系统。

第一方面，本发明提出一种精密液体静压导轨的预见控制方法，包括以下步骤：

S1：通过计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，简称CAM)控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力；

S2：根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号；

S3：根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。

优选地，步骤S1包括：

S11：利用瞬时刚性切削力学模型，计算得到溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点；

S12：根据所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点，利用空间力学原理，计算得到每个油腔的切削力和切削力变化。

优选地，还包括以下步骤：

S4：通过位移传感器测量所述溜板波动量的变化，根据所述溜板波动量的变化更新当前的溜板波动量，并执行步骤S2；

S5：通过压力变送器测量所述油腔的油压的变化，并根据所述油压的变化，输出新的所述控制信号，并执行步骤S3。

优选地，步骤S11包括：利用所述瞬时刚性切削力学模型，计算得到竖直方向的所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点。

第二方面，本发明提出一种精密液体静压导轨的预见控制装置，包括：

切削力计算模块：用于通过CAM控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力；

控制信号输出模块：用于根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号；

油压控制模块：用于根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。

优选地，切削力计算模块进一步包括：

溜板切削力计算单元：用于利用瞬时刚性切削力学模型，计算得到溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点；

油腔切削力计算单元：用于根据所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点，利用空间力学原理，计算得到每个油腔的切削力和切削力变化。

优选地，还包括：

溜板波动量检测反馈模块：用于通过位移传感器测量所述溜板波动量的变化，根据所述溜板波动量的变化更新当前的溜板波动量；

油压检测反馈模块：用于通过压力变送器测量所述油腔的油压的变化，并根据所述油压的变化，输出新的所述控制信号。

优选地，所述溜板切削力计算单元进一步用于利用所述瞬时刚性切削力学模型，计算得到竖直方向的所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点。

第三方面，本发明提出一种精密液体静压导轨的预见控制系统，其特征在于，包括：若干个油腔、若干个电液比例调压阀、位移传感器、压力变送器、CAM控制系统以及预见控制装置；

其中，所述电液比例调压阀、所述位移传感器、所述压力变送器以及所述CAM控制系统均与所述预见控制装置连接，所述电液比例调压阀通过液压管路与所述油腔连接，所述位移传感器位于所述溜板一侧，用于测量溜板竖直方向的波动量，所述压力变送器连接所述液压管路且位于所述电液比例调压阀和所述油腔之间。

优选地，每个所述油腔配置一个所述电液比例调压阀。

由上述技术方案可知，本发明通过采用预见控制方法提前计算了加工载荷的大小和变化情况，预先调整油腔压力，完全消除了响应滞后的问题，且能够有效减小动态加工载荷作用下的溜板波动，使得导轨传动精度更高。同时能够合理应对骤变的加工载荷变化，不必输出很高的油压就能起到抵抗溜板波动的效果，控制能耗更低，发热更小。而且通过提前计算切削过程中的加工载荷变化，便于实现加工过程智能化控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的预见控制方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的预见控制装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的预见控制系统的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的三维结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的预见控制方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1：通过CAM控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力。

在精密数控加工技术背景下，依据被加工件的始末参数和数字控制(NumericalControl,简称NC)程序预先规划刀路轨径的CAM控制系统已经问世，刀具进给路径与瞬时切削力之间的关系已经明朗，可以预知导轨系统的加工载荷变化。因而可以通过CAM控制系统模拟溜板的加工载荷信息，并根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力，通过不断跟随加工载荷变化来主动干预液体静压导轨油腔压力，以实时补偿油膜厚度波动。

S2：根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号。

根据预见控制理论，并以导轨溜板波动量为目标值、以加工载荷为未来信息，研究分析溜板竖直方向位移波动情况，目的是消除加工过程中动态加工载荷对液体静压导轨传动精度的影响。利用未来信息提高系统的加工精度，实现对油膜厚度的预见控制，根据即将到来的载荷信息提前调节油腔的流量和压力，实时消除由于载荷而带来的导轨溜板被动偏斜的现象，进一步提高机床加工精度。

S3：根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。

本实施例提供的精密液体静压导轨的预见控制方法，通过采用预见控制方法提前计算了加工载荷的大小和变化情况，预先调整油腔压力，完全消除了响应滞后的问题，且能够有效减小动态加工载荷作用下的溜板波动，使得导轨传动精度更高。同时能够合理应对骤变的加工载荷变化，不必输出很高的油压就能起到抵抗溜板波动的效果，控制能耗更低，发热更小。而且通过提前计算切削过程中的加工载荷变化，便于实现加工过程智能化控制。

作为本实施例的优选方案，在上述实施例的基础上，可用的预见控制方法优化包括溜板左右摆动、溜板运行驱动力等机床其他随加工载荷变化而受影响的指标。且本实施例所选用的电液比例调压阀也可用其他调压阀代替。

具体地，上述实施例中的步骤S1进一步包括：

S11：利用瞬时刚性切削力学模型，计算得到溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点；

S12：根据所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点，利用空间力学原理，计算得到每个油腔的切削力和切削力变化。

在控制逻辑方面，先用已有的瞬时刚性切削力学模型，提前计算出溜板各个方向加工负载的大小、方向变化情况和作用点，再以此为基础，根据空间力学原理计算出各个油腔所承受的分载荷。在油腔所承受的分载荷及其变化趋势都明确的前提下，就可以根据这些信息和控制目标要求输出控制信号对电液比例流量阀的流量进行控制，而油腔通过被控制的输入流量与油膜间隙泄漏的流量平衡，改变油腔内的油压力，使油腔压力对溜板产生的支撑力变化抵消预见到的加工载荷对溜板作用力的变化。

进一步地，以上实施例还包括以下步骤：

S4：通过位移传感器测量所述溜板波动量的变化，根据所述溜板波动量的变化更新当前的溜板波动量，并执行步骤S2；

S5：通过压力变送器测量所述油腔的油压的变化，并根据所述油压的变化，输出新的所述控制信号，并执行步骤S3。

图2示出了本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的预见控制装置的结构示意图，包括：切削力计算模块61、控制信号输出模块62和油压控制模块63；其中，切削力计算模块61用于通过CAM控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力；控制信号输出模块62用于根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号；油压控制模块63用于根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。

溜板的加工负载变化情况将作为预见控制的未来信号输入到预见控制装置中，以波动为零的理想目标信号为指标，计算出作用于电液比例调压阀的电信号，电液比例调压阀在输入电信号的控制下会自动调整输出的液压油液流量和压力，从而调整导轨油腔的油液压力。

本实施例提供的精密液体静压导轨的预见控制装置通过提前计算了加工载荷的大小和变化情况，预先调整油腔压力，完全消除了响应滞后的问题，且能够有效减小动态加工载荷作用下的溜板波动，使得导轨传动精度更高。同时能够合理应对骤变的加工载荷变化，不必输出很高的油压就能起到抵抗溜板波动的效果，控制能耗更低，发热更小。而且通过提前计算切削过程中的加工载荷变化，便于实现加工过程智能化控制。

作为本实施例的优选方案，在上述实施例的基础上，切削力计算模块进一步包括溜板切削力计算单元611和油腔切削力计算单元612；其中，溜板切削力计算单元611用于利用瞬时刚性切削力学模型，计算得到溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点；油腔切削力计算单元612用于根据所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点，利用空间力学原理，计算得到每个油腔的切削力和切削力变化。

具体地，以上实施例还包括以下模块：溜板波动量检测反馈模块64和油压检测反馈模块65；其中，溜板波动量检测反馈模块64用于通过位移传感器测量所述溜板波动量的变化，根据所述溜板波动量的变化更新当前的溜板波动量；油压检测反馈模块65用于通过压力变送器测量所述油腔的油压的变化，并根据所述油压的变化，输出新的所述控制信号。

溜板波动量检测反馈模块64和油压检测反馈模块65可统称为检测反馈模块，检测反馈模块主要负责采集压力变送器测得的油腔压力变化信息和位移传感器测得的溜板竖直方向波动量，并反馈回预见控制装置。

图3示出了本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的预见控制系统的结构示意图，包括：若干个油腔1、若干个电液比例调压阀2、位移传感器3、压力变送器4、CAM控制系统5以及预见控制装置6；其中，所述电液比例调压阀2、所述位移传感器3、所述压力变送器4以及所述CAM控制系统5均与所述预见控制装置6连接，所述电液比例调压阀2通过液压管路与所述油腔1连接，所述位移传感器3位于所述溜板8一侧，用于测量所述溜板8竖直方向的波动量，所述压力变送器4连接所述液压管路且位于所述电液比例调压阀2和所述油腔1之间。

在结构方面，液体静压导轨的各个油腔1对称地分布在工作台溜板8下方，如图4所示。每个油腔1的进油路都配备电液比例流量阀2。加工过程中加工载荷的作用点不断变化，各油腔1承受的分载荷也会随之改变。故将每对油腔1的压力以预见控制方式作用于其上，通过电液比例流量阀2改变油腔1的压力来维持溜板8上下受力平衡，减少溜板8波动，提高导轨传动精度。

本实施例提供的预见控制系统以溜板波动量为目标信号R(k)，以溜板偏移量y(k)为被控制量。系统通过数控铣床计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)/CAM控制系统，将计算所得的加工载荷Fz输入预见控制装置中作为未来信息，对不同油腔输入相应的载荷分量预见信息，以便提前调节控制信号u(k)，从而主动控制油腔压力。加入了利用未来信息导轨负载d(k)的前馈补偿环节，能尽可能地减小系统中目标值R(k)与被控制量油膜波动量y(k)之间的相位延迟，使油腔压力能无延迟地跟随导轨负载变化。

具体地，CAM系统先根据加工要求预先规划好加工轨迹，并模拟出加工过程中导轨溜板8的加工负载变化情况，该输出量将作为预见控制的未来信号输入到预见控制装置6中，以目标信号为指标，计算出作用于电液比例调压阀2的电信号，电液比例调压阀2在输入电信号的控制下会自动调整输出的液压油液流量和压力，从而调整导轨油腔1的油液压力，保证在加工载荷变化时溜板8的稳定状态。同时，有检测和反馈装置来实时检测溜板8的波动量并反馈会预见控制装置6，以不断修正电液比例调压阀2的控制电信号。

图4示出了本发明一实施例提供的一种精密液体静压导轨的三维结构图。主要包括:底座9、导轨溜板8、工件台10、轨道11、液压管路12、阀块14、管路接头13，以及未画出的油腔1、油膜9、电液比例流量阀2、CAM模块5、预见控制装置6、压力变送器4、位移传感器3、安全阀、泵组及油箱。采用预见控制方式时，并不需要在静压导轨系统中增设其他机构，而只需将原有的油腔进油路的节流阀改为电液比例流量阀2，再对电液比例流量阀2实施控制。静压导轨在工作过程中，溜板8在轨道和油腔1的支撑下浮起于油膜9上，由直线电机驱动溜板8沿轨道方向的运行。由于溜板8上方的工件台10不断受到动态加工载荷作用，产生竖直方向的加速度，引起溜板8的上下波动，这就需要电液比例流量阀2提前干预油腔1的油液压力，通过调整施加在溜板8上的力来抵抗溜板波动。与一般的控制方式不同的是，预见控制装置6是通过引入了CAM模块5的未来加工载荷信息而提前计算出油腔1需要提供的压力，在加工载荷到来时能实现无滞后地抵抗溜板8波动。检测反馈模块采集压力变送器4测得的油腔压力变化信息和位移传感器3测得的溜板竖直方向波动量，并反馈回预见控制装置6，以不断做出修正。

预见控制装置6包括多个预见控制子装置，每个电液比例流量阀2由一个预见控制子装置控制，预见控制子装置接受预先计算好了的各油腔1将承受的分载荷及其变化趋势信息，并根据这些信息和控制目标要求输出控制信号对电液比例流量阀2的流量进行控制，而油腔1通过被控制的输入流量与油膜间隙泄漏的流量平衡，改变油腔1内的油压力，使油腔压力对溜板8产生的支撑力变化抵消预见到的加工载荷对溜板作用力的变化，这样即可减少油膜厚度随载荷变化的波动，提高机床导轨传动精度。

作为本实施例的优选方案，在上述实施例的基础上，每个所述油腔配置一个所述电液比例调压阀。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (10)

1.一种精密液体静压导轨的预见控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过计算机辅助制造CAM控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力；

S2：根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号；

S3：根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。

2.根据权利要求1所述的一种精密液体静压导轨的预见控制方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11：利用瞬时刚性切削力学模型，计算得到溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点；

S12：根据所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点，利用空间力学原理，计算得到每个油腔的切削力和切削力变化。

3.根据权利要求1所述的一种精密液体静压导轨的预见控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4：通过位移传感器测量所述溜板波动量的变化，根据所述溜板波动量的变化更新当前的溜板波动量，并执行步骤S2；

S5：通过压力变送器测量所述油腔的油压的变化，并根据所述油压的变化，输出新的所述控制信号，并执行步骤S3。

4.根据权利要求2所述的一种精密液体静压导轨的预见控制方法，其特征在于，步骤S11包括：利用所述瞬时刚性切削力学模型，计算得到竖直方向的所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点。

5.一种精密液体静压导轨的预见控制装置，其特征在于，包括：

切削力计算模块：用于通过计算机辅助制造CAM控制系统模拟溜板的加工载荷信息，根据所述加工载荷信息获得每个油腔的切削力；

控制信号输出模块：用于根据所述每个油腔的切削力，以及预设的溜板波动量，输出控制信号；

油压控制模块：用于根据所述控制信号，通过电液比例调压阀控制油液流量，进而控制所述油腔的油压，以抵消预见的加工载荷对所述溜板的作用力，补偿油膜厚度的波动。

6.根据权利要求5所述的一种精密液体静压导轨的预见控制装置，其特征在于，切削力计算模块进一步包括：

溜板切削力计算单元：用于利用瞬时刚性切削力学模型，计算得到溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点；

油腔切削力计算单元：用于根据所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点，利用空间力学原理，计算得到每个油腔的切削力和切削力变化。

7.根据权利要求5所述的一种精密液体静压导轨的预见控制装置，其特征在于，还包括：

溜板波动量检测反馈模块：用于通过位移传感器测量所述溜板波动量的变化，根据所述溜板波动量的变化更新当前的溜板波动量；

油压检测反馈模块：用于通过压力变送器测量所述油腔的油压的变化，并根据所述油压的变化，输出新的所述控制信号。

8.根据权利要求6所述的一种精密液体静压导轨的预见控制装置，其特征在于，所述溜板切削力计算单元进一步用于利用所述瞬时刚性切削力学模型，计算得到竖直方向的所述溜板的切削力、切削力变化以及切削力作用点。

9.一种精密液体静压导轨的预见控制系统，其特征在于，包括：若干个油腔、若干个电液比例调压阀、位移传感器、压力变送器、计算机辅助制造CAM控制系统、权利要求5-8任一项所述的精密液体静压导轨的预见控制装置；

其中，所述电液比例调压阀、所述位移传感器、所述压力变送器以及所述CAM控制系统均与所述预见控制装置连接，所述电液比例调压阀通过液压管路与所述油腔连接，所述位移传感器位于所述溜板一侧，用于测量溜板竖直方向的波动量，所述压力变送器连接所述液压管路且位于所述电液比例调压阀和所述油腔之间。

10.根据权利要求9所述的一种精密液体静压导轨的预见控制系统，其特征在于，每个所述油腔配置一个所述电液比例调压阀。