數(shù)控機(jī)床局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造

曹明順，張飛飛，肇 芬

數(shù)控機(jī)床局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造

曹明順，張飛飛，肇 芬

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)采用按鍵程序（或PLC控制程序）通過設(shè)定供油時(shí)間、間隔時(shí)間定時(shí)全局潤(rùn)滑，不考慮各軸實(shí)際工作狀況、數(shù)控機(jī)床開機(jī)空閑等現(xiàn)象，從而造成潤(rùn)滑油浪費(fèi)和環(huán)境污染。該文通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套數(shù)控機(jī)床局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，主要包括自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)程序控制流程圖、PMC梯形圖、硬件設(shè)計(jì)改造圖等，根據(jù)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸實(shí)際磨損情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件局部有效合理供油，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，最大限度發(fā)揮單位潤(rùn)滑量的工作效率，大大減少了潤(rùn)滑油浪費(fèi)和污染，延長(zhǎng)數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命，提高設(shè)備穩(wěn)定性。

數(shù)控機(jī)床；局部有效供油；自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)給機(jī)床導(dǎo)軌、絲杠和軸承等機(jī)械部位持續(xù)供給潤(rùn)滑油，保證數(shù)控機(jī)床的加工精度，延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命,所以潤(rùn)滑油供給頻率、供給量直接影響潤(rùn)滑的效果和油料消耗。目前絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)是通過按鍵程序（或PLC控制程序）通過設(shè)定供油時(shí)間、間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)程控定時(shí)全局潤(rùn)滑[1]。但是很多時(shí)候數(shù)控機(jī)床存在開機(jī)空閑的現(xiàn)象，只要達(dá)到設(shè)定的時(shí)間間隔，潤(rùn)滑系統(tǒng)就給機(jī)械部位持續(xù)供油；在數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工中，每軸運(yùn)行情況各不相同，甚至某些軸沒有運(yùn)動(dòng)，只要達(dá)到設(shè)定的時(shí)間間隔，潤(rùn)滑系統(tǒng)依然供油，這就造成了潤(rùn)滑油浪費(fèi)和環(huán)境污染，沒有達(dá)到潤(rùn)滑效果。目前大多對(duì)如何改進(jìn)、提高自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)效率有較多研究，也有利用機(jī)床行程改造自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，只是用行程負(fù)載替換了間隔時(shí)間，但依然是全局潤(rùn)滑，沒有做到精確定位到每一摩擦部件，依然是“面”，沒有做到“精準(zhǔn)”潤(rùn)滑。我們以FANUC 0i-F數(shù)控系統(tǒng)三軸加工中心為例，利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)表功能，讀取各軸移動(dòng)行程，通過數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算出各軸總移動(dòng)行程，總移動(dòng)行程直接反應(yīng)出移動(dòng)部件（滾珠絲桿、導(dǎo)軌及軸承等）的磨損及需要潤(rùn)滑的情況；改造硬件線路，對(duì)現(xiàn)有潤(rùn)滑系統(tǒng)的各軸單獨(dú)增加電磁二通閥；已算出的各軸總移動(dòng)行程與初始設(shè)定值比較輸出控制信號(hào)，再利用數(shù)控機(jī)床預(yù)留的I/O地址，通過增加、修改PLC程序即可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床局部有效供油功能。數(shù)控機(jī)床使用用戶還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，修改開機(jī)潤(rùn)滑時(shí)間T1、工作潤(rùn)滑時(shí)間T2、各軸總移動(dòng)行程初始設(shè)定值，簡(jiǎn)單進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，最大限度發(fā)揮單位潤(rùn)滑量的工作效率，大大減少了潤(rùn)滑油浪費(fèi)和污染，提升數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定性、延長(zhǎng)數(shù)控機(jī)床使用壽命。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 控制流程設(shè)計(jì)

以FANUC 0i-F數(shù)控系統(tǒng)三軸加工中心（X、Y、Z軸）為例，對(duì)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改造，改造后的局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)控制流程如圖1所示。機(jī)床首次開機(jī)自動(dòng)潤(rùn)滑T1s（由PMC的T參數(shù)設(shè)置，一般設(shè)置為15秒，用戶可以修改T參數(shù)來(lái)修改潤(rùn)滑時(shí)間），開啟潤(rùn)滑泵及X、Y、Z三軸的二通閥，機(jī)床實(shí)現(xiàn)全部供油；機(jī)床進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，實(shí)時(shí)讀取各軸的移動(dòng)行程。以數(shù)控機(jī)床X軸為例，當(dāng)X軸開始移動(dòng)時(shí)（假設(shè)正向移動(dòng)），利用窗口讀指令讀取該進(jìn)給軸所處的機(jī)械坐標(biāo)值；當(dāng)X軸換向時(shí)（由正向換位負(fù)向），再讀取所處的機(jī)械坐標(biāo)值，兩者之差的絕對(duì)值即為機(jī)床X軸單次換向移動(dòng)行程，把X軸每次換向行程進(jìn)行累加就得到X軸總的移動(dòng)行程（Y、Z軸同樣方法實(shí)現(xiàn)）；當(dāng)X軸總的移動(dòng)行程大于等于初始設(shè)定值（依據(jù)滾珠絲桿、滑塊等潤(rùn)滑條件，建議設(shè)定為50m）, 開啟潤(rùn)滑泵及X軸的電磁閥,X軸供油T2s（由PMC的T參數(shù)設(shè)置，一般設(shè)置為4秒，用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況機(jī)械修改T參數(shù)，調(diào)整潤(rùn)滑時(shí)間），運(yùn)行完成后X軸行程數(shù)據(jù)表都自動(dòng)清零，重新計(jì)算（Y、Z軸同樣方法實(shí)現(xiàn)）[2]。

圖1 控制流程圖

1.2 局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)

局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上改造，每軸增加一個(gè)電磁二通閥，分別控制每軸潤(rùn)滑油的通斷，改造后的數(shù)控機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖2所示。

機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑油泵采用大龍馬YS-2232-410X電動(dòng)油泵，公稱流量為150ml/min，公稱壓力為2.0MPa，油箱容積4.0L，電機(jī)電壓為AC220V、功率為25W，具有液面和管道壓力檢測(cè)功能；電磁閥采用寶德常閉式SLG6213-02電磁二通閥，兼具單向閥作用，可以防止?jié)櫥突亓鳌?/p>

數(shù)控機(jī)床首次開機(jī)，電動(dòng)油泵、三軸（X、Y、Z）電磁二通閥得電工作，數(shù)控機(jī)床X、Y、Z三軸全部供油，一般設(shè)置為15秒。機(jī)床進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，依據(jù)上述控制流程圖開始工作。在數(shù)控機(jī)床初始開機(jī)供油時(shí)、手動(dòng)按鍵操作潤(rùn)滑系統(tǒng)供油時(shí)，所有坐標(biāo)軸行程數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)都自動(dòng)清零；液壓系統(tǒng)回路還增加了潤(rùn)滑壓力檢測(cè)和液面檢測(cè)，以防止?jié)櫥芈酚托孤都皟?chǔ)油罐內(nèi)油位過低，通過顯示的輸出信號(hào)點(diǎn)亮報(bào)警燈，提示操作者及時(shí)添加潤(rùn)滑油。

1.3 PMC梯形圖設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)床正常開機(jī)時(shí)，觸發(fā)K3.0信號(hào)為1，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)15s后，R276.3線圈得電為1，該繼電器的常開觸點(diǎn)閉合潤(rùn)滑泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)開機(jī)自動(dòng)潤(rùn)滑15s，該時(shí)間可以由操作者修訂定時(shí)器參數(shù)T05來(lái)改變潤(rùn)滑時(shí)間。

自動(dòng)潤(rùn)滑的間隔控制由定時(shí)器T05、T06共同完成，自動(dòng)潤(rùn)滑梯形圖設(shè)計(jì)如圖3所示[3]。在機(jī)床開機(jī)時(shí)，內(nèi)部信號(hào)G44.7瞬時(shí)得電致使R276.4瞬時(shí)得電，R276.4線圈得電控制了內(nèi)部信號(hào)G24.4線圈得電，由于G24.4線圈屬于一鍵啟停，形成了自鎖，此時(shí)G24.4一直得電。G24.4常開觸點(diǎn)控制了潤(rùn)滑油開輸出R954.0，開始供油。G24.4常開觸點(diǎn)閉合致使T05開始計(jì)時(shí)，時(shí)間為15s（此潤(rùn)滑時(shí)間操作者可根據(jù)實(shí)際需求就行更改）。當(dāng)定時(shí)器T05時(shí)間到時(shí)輸出信號(hào)，使R276.3得電，R276.3常開觸點(diǎn)閉合使R276.4線圈瞬時(shí)得電。R276.4常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開使G24.4線圈失電，G24.4常開觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)，潤(rùn)滑油開輸出R954.0線圈失電，停止供油。由于G24.4線圈失電，G24.4觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)，此時(shí)間隔時(shí)間定時(shí)器T06開始計(jì)時(shí)（此間隔時(shí)間操作者可根據(jù)實(shí)際需求就行更改），當(dāng)T06定時(shí)器時(shí)間到時(shí)輸出，R276.2線圈得電，R276.2常開觸點(diǎn)閉合致使R276.4線圈瞬時(shí)得電，然后R276.4觸點(diǎn)控制G24.4線圈，G24.4觸點(diǎn)控制潤(rùn)滑油開輸出R954.0從而完成機(jī)床潤(rùn)滑一次的自動(dòng)控制，機(jī)床周而復(fù)始地按照上述控制進(jìn)行潤(rùn)滑[4]。

在潤(rùn)滑系統(tǒng)工作打油期間，T46定時(shí)器程序作用是延時(shí)檢測(cè)潤(rùn)滑壓力。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（T46設(shè)置值5s）,系統(tǒng)潤(rùn)滑壓力檢測(cè)的壓力開關(guān)輸入信號(hào)X12.5不是1時(shí)，內(nèi)部繼電器R276.6為1，從而導(dǎo)通輸出信號(hào)Y12.2為1，機(jī)床潤(rùn)滑報(bào)警燈點(diǎn)亮，提示操作者檢查潤(rùn)滑回路是否油泄露。當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的油面下降到極限位置時(shí)，X12.4信號(hào)接通，機(jī)床輸出信號(hào)Y12.2為1，機(jī)床潤(rùn)滑報(bào)警燈點(diǎn)亮，提示操作者添加潤(rùn)滑油，梯形圖如圖3所示。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

以較常用帶程控裝置（或PLC控制）的潤(rùn)滑泵為例，通過設(shè)定供油持續(xù)時(shí)間和供油間隔時(shí)間來(lái)控制潤(rùn)滑量，一般每隔15 min供油6s，以每臺(tái)數(shù)控機(jī)床每天開機(jī)20h為例，需要持續(xù)供油477s，折合7.95min，依據(jù)YS-2232-410X電動(dòng)油泵公稱流量參數(shù)，即每天共消耗潤(rùn)滑油1.19L，見公式（1）所示。

=×=150ml/min×7.95min

=1192.5 ml

≈1.19L （1）

其中，為每天消耗潤(rùn)滑油容量，為電動(dòng)油泵公稱流量參數(shù)，為電動(dòng)油泵運(yùn)行時(shí)間。

一般數(shù)控機(jī)床純機(jī)動(dòng)時(shí)間大約占總時(shí)間55%，裝夾、對(duì)刀、調(diào)整等輔助時(shí)間占45%，采用局部供油避免了機(jī)床不移動(dòng)也進(jìn)行潤(rùn)滑的情況；采用局部供油時(shí)油壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)供油，所以可以縮減供油時(shí)間為3～4秒；由于移動(dòng)行程的多少直接對(duì)應(yīng)導(dǎo)軌、絲杠和軸承等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的磨損狀況及潤(rùn)滑需求；因此，局部有效供油潤(rùn)滑方式供油更加精確。綜上所述，采用局部有效供油潤(rùn)滑方式可節(jié)約40%～60%潤(rùn)滑油，對(duì)于一個(gè)中型企業(yè)（50臺(tái)左右數(shù)控機(jī)床，每年工作300天），一年可節(jié)約潤(rùn)滑油7140～11160 L，見公式（2）所示。

天*臺(tái)×天×N臺(tái)×（40%～60%）

=1.19L天*臺(tái)×300天×50臺(tái)×（40%～60%）

=7140～10710 L （2）

3 應(yīng)用與推廣

數(shù)控機(jī)床局部有效供油自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)是根據(jù)各軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)磨損情況實(shí)現(xiàn)局部有效合理供油；利用數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表功能，增加各軸電磁二通閥，運(yùn)用系統(tǒng)預(yù)留的I/O接口、簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)電路以及PMC梯形圖設(shè)計(jì)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作和控制簡(jiǎn)便，適用于各種數(shù)控系統(tǒng)，節(jié)約成本；用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況修改開機(jī)潤(rùn)滑時(shí)間T1、工作潤(rùn)滑時(shí)間T2、各軸總移動(dòng)行程初始設(shè)定值，操作簡(jiǎn)單，對(duì)目前絕大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)均可以參照此方案進(jìn)行改造。

[1]李洪波,馮明霞.數(shù)控機(jī)床依據(jù)行程的自動(dòng)潤(rùn)滑技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2013(12):24-26.

[2]張?chǎng)?FANUC 0i-D依據(jù)行程負(fù)載自動(dòng)潤(rùn)滑的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2015(10):173-176.

[3]孔云龍,張超凡.自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床改造中的應(yīng)用研究[J].漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2018,17(5) :41-43+47.

[4]BEIJING-FANUC PMC MODEL PA1/ SA1 /SA3梯形圖語(yǔ)言編程說明書BEIJING-FANUC, B-61863C[Z].2001:174-183.

Design and Improvement of Local Effective Oil Supply Automatic Lubrication System for CNC Machine Tools

Cao Mingshun，Zhang Feifei，Zhao Fen

（Huanggang Polytechnic College，Huanggang 438002 Hubei）

The traditional automatic lubrication system of CNC machine tool uses key program (or PLC control program) to set the oil supply time and interval time for global lubrication, regardless of the actual working condition of each axis and the idle startup of CNC machine tool, resulting in the waste of lubricating oil and environmental pollution. This paper designs a set of local effective oil supply automatic lubrication system for CNC machine tools through experiments, mainly including program control flow chart, PMC ladder diagram, hardware design transformation diagram, etc. according to the actual wear condition of each moving shaft, the local effective oil supply for moving parts is realized, and the automatic lubrication system of each CNC machine tool is customized to achieve the work efficiency of unit lubrication in maximum efficiency, which greatly reduce the waste and pollution of lubricating oil, extend the service life of moving parts of CNC machine tools, and improve the stability of equipment.

CNC machine tool; Local effective oil supply; Automatic lubrication system

2021-05-11

黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“數(shù)控機(jī)床自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)”（2020C2012104）；黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“數(shù)控加工在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”（2020C2011103）。

曹明順，男，山東金鄉(xiāng)人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)字化控制技術(shù)、CAD/CAM 軟件應(yīng)用、高職教學(xué)管理。

TH122

A

1672-1047（2021）03-0099-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2021.03.25

[責(zé)任編輯：劉良瑞]