一种基于工况系数法的静压工作台油膜厚度控制方法与流程

本发明涉及一种时变工况下静压工作台油膜厚度调节与控制方法，属于机械工程领域。

背景技术：

静压回转工作台具有摩擦力小、低磨损、低速无爬行和工作状态稳定等特点被广泛应用于大型、重型精密机床。但在实际应用中，静压回转工作台的油膜厚度随工况，如外载荷、切削力、油温等工况因素的变化而改变，偏离设计目标值，同时油膜厚度测量要精确到微米，精度要求很高，因此难以建立精确的控制模型将油膜厚度调节至目标值。将油膜厚度控制在目标值是保证机床加工精度，提高加工质量的重要手段。

通常静压工作台油膜厚度的控制方法是从静压工作台的供油系统结构出发，分析系统各个环节的传递函数，建立以传递函数为基础的油膜厚度控制模型，对油膜厚度进行调节与控制，然而大多忽略了工况条件的变化，如工作台载荷、切削力、油温、液压油的粘度等变化，即使采用补偿措施也难以实现油膜厚度的精确控制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明另辟新泾，无需考虑工况条件，即便不知道工作台的结构尺寸、工作台载荷、切削力、油温、液压油的粘度等参数，只需要在当前工况条件下设置一组电机频率，测量现实工况下对应的油膜厚度，得到一组电机频率和油膜厚度值，根据这些数据计算工况系数，即可建立实时油膜厚度控制模型，实现油膜厚度的调节控制。

本发明的技术方案是：一种基于工况系数法的静压工作台油膜厚度控制方法,其特征在于：包括以下步骤，计算平均工况系数的步骤；计算目标油膜厚度对应的电机频率步骤；控制器输出目标油膜厚度对应的电机频率控制电机的步骤；

其中，平均工况系数的计算过程为：设定一组电机频率f1，f2，…，fn，并运行静压工作台，分别测量对应的油膜厚度h1，h2，…，hn，获得每个电机频率对应的工况系数k1，k2，…，kn，通过求平均值，得到平均工况系数

目标油膜厚度对应的电机频率hm为目标油膜厚度。

根据如上所述的基于工况系数法的静压工作台油膜厚度控制方法,其特征在于：工作台的供油系统为变频调速供油系统。

本发明的有益效果是：适用于变频调速供油系统的静压工作台；且控制过程简便，调节结果准确，采用本发明的方法油膜厚度的调节误差小于3％。

附图说明

图1为工作台静压油腔结构图。

图2为油膜厚度检测与调节试验平台框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于工况系数法的静压工作台油膜厚度控制方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种基于工况系数法的静压工作台油膜厚度控制方法，包括以下步骤：

1)推导电机频率与油膜厚度的三次方线性关系

工作台静压油膜形成的结构如图1所示，

设导轨油腔流量为q，则

式中，q为油腔流量；β为回转工作台结构系数；w为外载荷，h油膜厚度。

泵的理论流量与泵的转速和排量有关，即：

式中，vp为泵的排量；ω为泵的角速度。又有

式中，f为控制电机频率；p为电机极对数。

联立式(1)(2)(3)，可得回转工作台滑动面间油膜厚度与液压泵控制电机频率间存在以下关系为：

设则有：

f＝kh³(5)

定义式(5)中的系数k为工况系数。式(5)表明在某一工况下，电机频率f与油膜厚度h之间存在一定的关系。即：电机频率f与油膜厚度h间存在一个以h为自变量的三次函数关系，相当于截取三次多项式的最高次项，忽略其二次、一次及常数项。如果工况不变，即k为常数时电机频率f与油膜厚度h的三次方存在线性关系。当工况变化时，其值才随之发生改变。公式(5)能适应任何工况条件。

2)基于工况系数法建立油膜厚度控制模型

工况系数k由工作台油路结构、当前载荷和油的粘度、油泵每转排量、电机极对数等工况因素决定。如果试图通过确定所有的工况参数来求得工况系数k几乎是不可能的。

根据式(5)可知：

k＝f/h³(6)

为得到当前工况下的工况系数，通过在电机频率内，设定某一电机频率，实测该频率下的油膜厚度，并利用式(6)计算出该工况下的工况系数k。

设，根据式(5)计算出对应的电机频率为：

理论上根据式(5)、(6)、(7)即可得到目标油膜厚度对应的电机频率，将油膜厚度调节至目标值。但是由于该工况系数k仅仅是在当前工况下某一点的测量及计算值，并没有覆盖整个频率范围。实际上同一工况下随着电机频率的变化，工况系数会发生一定的波动。其后的实例也表明电机频率在0～50hz范围变化时，工况系数会有一定的波动，但波动范围<1％。

为提高油膜厚度调节和控制的精度，需在0～50hz电机频率范围内综合考虑油膜厚度特性。因此，在实验过程中，通过设定一组电机频率f1，f2，…，fn，分别测量对应的油膜厚度h1，h2，…，hn。然后利用式(6)计算得到工况系数k1，k2，…，kn。最后通过求平均值，得到平均工况系数即：

最后将该平均工况系数代入式(7)，得到目标油膜厚度对应的电机频率，从而实现油膜厚度的调节。我们将这种油膜厚度调节方法称为工况系数法。

3)油膜厚度的调节与控制精度

电机以频率fm运行，测量此时油膜厚度hs，计算调节控制精度或调节误差δh＝|(hm-hs。)|/hm*100％。

4)综合试验平台搭建

油膜厚度测量仪器采用德国米铱单通道高精度系列eddyncdt3300电涡流位移传感器，测量范围为0～0.4mm，精度为0.001mm。

为保障测量实验的精确度，将电涡流位移传感器安装于静压工作台油槽中。通过保护套将传感器安装于油槽中，可直接测量油膜厚度的微小变化量。

基于西门子840dsl数控系统，利用qt及vs2008等工具对sinumerikoperate开发包进行油膜厚度控制系统开发。

静压回转工作台油膜厚度检测与调节试验平台主要由840dsl控制系统，米依电涡流传感器以及液体静压工作台组成，如图2所示。

某具体实施例：

在某厂φ2500mm静压回转工作台上进行试验验证，该工作台液压系统具备恒温条件，设定为27度，工作台最大承载能力为40t，工作台台面自重5t。采用3个10t左右的载荷块进行试验，目的是验证不同载荷的工况条件下油膜厚度控制模型的正确性。

测试与验证结果如下。

表1为空载条件下工况系数k的计算结果。

表1空载下工况系数测量结果

分析数据可知，空载条件下当设定频率在[0，50]hz内变化时，工况系数k存在微小波动，但相邻两次测量值、最大值与最小值间的相对误差均<1％，由此可知系数k重复性较好、准确性较高。

表2为在四种变载荷工况条件下利用工况系数法对油膜厚度进行调节控制的结果。

表2工况系数法调节结果(目标厚度h＝0.02mm)

由表2数据可知，利用工况系数法构建油膜厚度控制模型，对变载荷工况下油膜厚度进行调节控制，过程简便，调节结果准确，调节误差小于3％。本发明的方法适用于变频调速供油系统的静压工作台。