數控滾齒機工作臺油膜厚度控制研究
2018-9-21 來源： 湖北工業大學機械工程學院 作者：孫國棟 靖馬超 丁國龍 張 斌
摘 要: 針對大型數控滾齒機靜壓工作臺，為保證工作臺具有高加工精度和良好的平穩性，工作時需對工作臺與機床底座間油膜厚度進行有效調節控制，保持油膜厚度始終處于最優范圍。在介紹了工作臺液壓控制方案后，提出一種基于變步長搜索法的大型工作臺油膜厚度調節控制技術。該研究方法為工作臺油膜主動控制系統的研制提供了可靠的理論支持。
關鍵詞: 靜壓工作臺; 油膜厚度; 搜索法; 頻率
目前我國機床的回轉工作臺在精密、高承載工作臺技術水平低，工作臺的性能受負載的變化影響較大，不能自適應調節。因此提高回轉工作臺的承載能力、旋轉精度，提高回轉工作臺的智能控制水平是重型回轉加工領域非常迫切的需求。寇宗鋒結合傳統的定量供油和定壓供油兩種不同的供油方式，采用定量定壓復合供油方式，有效地彌補單獨使用一種供油方式的缺陷，提高了靜壓油膜的剛度，油膜厚度的可控性和工作臺高速運行的穩定性得到了提高，但是不能根據負載實時調節油膜厚度。張曉彤等提出了基于矢量變頻調速技術的油膜厚度控制方法，具有能耗低、維護方便、占地面積小等優點，且能夠滿足調速要求，但是無法實現實時變速調節以適應不同載荷，缺乏通用型和實用性。智能控制系統的開發可以減輕工人的工作難度、提高油膜厚度調節精度，為后續油膜厚度的控制調節提供一個形象的、智能的可視化操作界面及控制方法。在一定頻率下的電動機轉速存在一個最優油膜厚度值，如何在最優油膜厚度下快速尋找最佳的電動機頻率，是油膜厚度調節的關鍵問題。基本模式搜索法雖然不需考慮初始搜素點和梯度計算的問題，但是同時也有搜索精度不高的缺陷，采用此種算法的系統時有對結果進行誤報警的情況發生，變步長搜索頻率法是一種 程 序 簡 單 而 又 比 較 有 效 的 直 接 搜 索 最 優 化方法。因此，本文以大型精密重載靜壓工作臺的供油控制方式為主要研究對象，在確定通過電渦流位移傳感器檢測油膜厚度變化信號并反饋給數控系統，通過改變電動機頻率來控制油膜厚度的方案的前提下，提出一種基于變步長搜索法的工作臺靜壓支承油膜厚度隨負載變化的自適應調節技術。
1、 工作臺油膜厚度控制方案
本文研究對象為大型精密重載數控滾齒機回轉工作臺，采用開式靜壓導軌，承載面由 12 個扇形油墊作為導軌，靜壓工作臺工作原理是往工作臺與扇形導軌間相對運動的面間注入液壓油，使工作臺和外部工件一起浮起，工作過程中油膜厚度隨工作臺上的工件載荷變化而變化，同時在不同速度( 包括靜止) 下都能保證導軌面和工作臺底面間有一定厚度的液壓潤滑油膜存在。本文采用西門子 840DSL 通用數控系統和“變頻器 + 異步電動機 + 多頭泵 + 靜壓導軌( 工作臺) + 位移傳感器”模式的完整閉環油膜控制方案，控制流程如圖 1 所示。整個基于變頻調速技術的油膜厚度控制方法，具有能耗低、維護方便、占地面積小等優點，且能夠滿足調速要求。其工作原理是首先由數控裝置面板輸入目標油膜厚度，油膜厚度測量采用高精度的電渦流位移傳感器，數控系統通過系統中設定的控制算法輸出異步電動機的控制信號，使電動機轉速穩定后，液壓油的壓力與載荷相匹配，同時數控系統將對傳感器實時采集檢測的油膜數據信號進行處理與分析，根據分析結果自動判斷是否需要再次調節異步電動機的轉速來調節油膜厚度。同理，當工作臺的外載荷 W 改變時，靜壓油墊的油腔壓力和油膜厚度將發生變化，安裝在工作臺旁的電渦流位移傳感器將檢測到的工作臺面位移的變化量快速反饋到控制系統，為保持油膜厚度h 不變，重復上述控制調節步驟，通過不斷地反饋調節將油膜厚度保持在比較理想的狀態。這里最主要的問題是保證控制器給出的變頻電動機的頻率滿足工作臺油膜厚度調節的需求。
2、傳感器的安裝
為了使得成品機床能更加穩定，所以在投入生產之前進行試驗平臺搭建，以驗證控制方案和控制算法的準確性和可行性，本試驗擬采用宜昌長機科技的 YK31300 數 控 滾 齒 機 ( 工 作 臺 直 徑 為 3 000mm) 。理論上是需要測量扇形油墊上表面與工作臺下表面之間的油膜厚度，但由于油墊與工作臺之間的油膜厚度非常小，傳感器安裝拆卸不方便。為了試驗方便，因此在實際實驗過程中改變測量方式，將電渦流位移傳感器直接固定在工作臺面之外，通過制作的焊接架，將電渦流位移傳感器的探頭固定在開有螺紋孔的焊接架上方，作為實驗方案中油膜厚度的測量器件，且要求傳感器探頭與工作臺上表面間距離很小。實驗調節是通過電渦流位移傳感器檢測工作臺面與傳感器探頭間的距離變化來間接反映工作臺油膜厚度的變化，當工作臺的負載大小或負載分布發生變化時，系統能實時感知、分析并作出處理，并將其數據通過控制器采集、處理，并輸出相應的控制信號，實現工作臺的智能控制，確保工作臺在不同載荷或各種復雜情況下始終維持高性能的傳動。電渦流位移傳感器的安裝位置及固定方式如圖 2 所示。
3 、油膜厚度調節方法
本文提出了基于變步長搜索法的油膜厚度調節控制方法，該方法的特點是無需計算者預先確定迭代初值和迭 代區 間，并 具有很 高的 計算精 度 和 計 算 效率。其特征是按照與目標函數相聯系的某種規則，從當前點出發，依次平行于各個軸向作搜索移動，得到下一個迭代點; 平行于各個軸向的搜索移動，其步長按某種規則在搜索移動過程中獨立地隨時改變著; 迭代點列對應的目標函數列是非增數列。解決無約束優化問題的步長搜索法需要確定一個可供選擇的搜索方向的模式和一個探測性移動的準則，本文對采用變步長搜索法通過搜索目標頻率得到最優油膜厚度的合理性進行了理論分析。
電渦流位移傳感器探頭連接米依 DT300 測量系統，通過測量系統的顯示面板可以讀出電渦流位移傳感器的探頭至工作臺面的距離，當液壓泵沒啟動時，電動機頻率 f0= 0，工作臺底面與油墊導軌為干接觸，測得位移傳感器探頭與臺面間的距離為 h0; 啟動控制系統，從控制系統交互界面中輸入異步電動機初始控制頻率 f1，液壓泵啟動一段時間后，此時檢測系統測得傳感器探頭與工作臺臺面間距離為 h1，可知當前頻率下油膜厚度 h2= h0－ h1，并對 h2的范圍進行區間搜索求解。本研究 設 定 的 目 標 油 膜 厚 度 范 圍 在 0． 023 ～0． 027 mm 之間，當 h2的數值在［0． 023，0． 027］之間時，控制系統將停止油膜厚度的調節，直接在數控系統人機交互界面相應設計模塊輸出當前頻率和當前油膜厚度; 當 h2的數值在［0，0． 023］之間時，控制系統輸出給變頻器的頻率為 f1+ 5 ，在 設定時間后，檢測系統再次測得當前情況下探頭與工作臺臺面間距離h1，并 對 h2的 值 進 行 區 間 求 解; 當 h2的 數 值 在［0． 027，h0］之間時，控制系統輸出給變頻器的頻率為(f1+ f0) /2，在設定時間后，檢測系統再次測得當前情況下探頭與工作臺臺面間距離 h1，并對 h2的值進行區間求解; 以此通過改變頻率循環搜索最優解來達到對油膜厚度控制的目的。具體的頻率搜索控制流程如圖 3 所示。
4、 結語
本文利用變步長搜索法的原理，通過理論分析可以得出，改變頻率來搜索最優解是可以達到要求的，為自適應油膜厚度調節系統提供參考。該算法不針對特定控制模型，不要求精確頻率大小，解決了以往算法只能針對特定的油膜厚度控制模型，計算量大，效率低等缺點。分析結果表明，通過初始頻率和變步長相結合的方法來搜索最優頻率，無論載荷如何變化，都能很好地滿足要求，達到預期目的。
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