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】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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 h
【主权项】
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)、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⑴和用于转换 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（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)与导轨（2)间设有由控制单元 控制的比例溢流阀（1)。
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，所述控制模型为
其中，q为导轨（2)流量； kp为压力系数；0 6为有效体积弹性模量;A为导轨（2)与油液接触面积；vi为油液流速；Fg为重力及切削力；m为导轨（2)质量；c为油液阻尼系数；kq为流量系数。
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。
4. 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) 、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。
5. 根据权利要求3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，所述电动机转速控制单元用于控制电动机转速，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。
6. -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hd，然后与设定油膜厚度信号h。#经过减法器计算后得到差值信号Ah，差值信号Ah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Qp和输出 信号AisT，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Qp为导轨（2)供油，载荷W生成油腔压力P，当流量为^，油 腔压力为P时，位移传感器采集实际油膜厚度信号hd，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。
7. 根据权利要求6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。
8.根据权利要求6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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】B23Q17-00, B23Q1-01
【公开号】CN104772653
【申请号】CN201510209802
【发明人】王幼民, 徐彬雪, 李龙, 蔡志成
【申请人】安徽工程大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月28日