一種以機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為變量的冷卻液伺服供給系統(tǒng)

王冠軍，鄭凱

(西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

機(jī)床冷卻液供給系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備、機(jī)械加工中應(yīng)用廣泛。機(jī)床冷卻液供給系統(tǒng)的市場(chǎng)需求在不斷增大，但傳統(tǒng)的冷卻液供給系統(tǒng)無法根據(jù)機(jī)床加工的實(shí)際情況主動(dòng)調(diào)整供給流量，在實(shí)際使用中需要操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行冷卻液的流量控制，造成了控制不夠靈活等問題[1-2]，特別是在精密機(jī)床與精密零件的加工中極易造成冷卻液供給不必要的流量損失。本文設(shè)計(jì)了一種以機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為變量的冷卻液伺服供給系統(tǒng)，以期改良傳統(tǒng)冷卻供給系統(tǒng)的不足。

1 傳統(tǒng)冷卻液供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能分析

1.1 傳統(tǒng)冷卻液供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的機(jī)床冷卻液供給系統(tǒng)主要由冷卻液箱、冷卻液泵、出水管道、回水管道、開關(guān)、噴嘴等部分組成[3-4]。傳統(tǒng)機(jī)床冷卻液供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)機(jī)床冷卻液供給系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

1.2 傳統(tǒng)冷卻液供給系統(tǒng)的性能分析

圖2為液供給系統(tǒng)原理圖。由圖2可知，傳統(tǒng)冷卻液供給系統(tǒng)的輸出流量主要取決于泵的轉(zhuǎn)速與功率[5-9]。這樣的冷卻系統(tǒng)無法根據(jù)加工要求，如刀具、工件的加工速度進(jìn)行調(diào)整，只能依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。這不僅給冷卻液的合理供給增加了難度，同時(shí)在精密機(jī)床與精密零件的加工中，造成了不必要的流量損失，降低了系統(tǒng)的使用效率。

圖2 液供給系統(tǒng)原理圖

2 伺服供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在分析原有冷卻液供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新系統(tǒng)將機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速作為變量參數(shù)。將轉(zhuǎn)速變量經(jīng)傳感器采集并經(jīng)過速度變送器轉(zhuǎn)化后，對(duì)應(yīng)輸出為一定比例大小的電流信號(hào)。最后，將電流信號(hào)輸入到以電磁比例換向閥為控制核心的比例伺服供給系統(tǒng)，完成輸出。新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3 新系統(tǒng)的整體框圖

2.1 主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

檢測(cè)電路選用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，經(jīng)補(bǔ)償電路補(bǔ)償后，輸出穩(wěn)定的電壓信號(hào)[9]，如圖4所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

2.2 檢測(cè)信號(hào)的變送

由2.1輸出的電壓信號(hào)，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化后輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)。電壓信號(hào)的變送過程如圖5所示。

圖5 檢測(cè)信號(hào)的變送

本文選取臺(tái)灣某公司TAIK系列S4-RT型速度變送器，依據(jù)其使用說明節(jié)選了低速、中速、高速3種速度模式下被測(cè)轉(zhuǎn)速與變送電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。注意：不同類型的速度變送器，其被測(cè)轉(zhuǎn)速與變送電流的關(guān)系會(huì)有差別，技術(shù)人員可以結(jié)合具體的工程來選擇。

表2 主軸轉(zhuǎn)速與變送電流(部分)

2.3 伺服供給系統(tǒng)的基本原理

將2.2中變送后的電流信號(hào)作為控制變量，輸入到電磁比例換向閥的輸入端，最終通過比例液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量控制[10-11]。比例伺服供給系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 比例伺服供給系統(tǒng)

3 伺服供給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以PID算法中的比例環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，選用Micro-chip公司具有較高響應(yīng)速度的DSPIC30F2010數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心進(jìn)行控制。

如圖7所示，控制系統(tǒng)的主要功能是，通過速度傳感器得到速度變化，同時(shí)通過比例反饋環(huán)節(jié)向比例換向閥輸入適當(dāng)強(qiáng)度的電流，完成系統(tǒng)流量的控制，進(jìn)而達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的目的。

圖7 控制系統(tǒng)流程

4 伺服供給系統(tǒng)的仿真與分析

由上文可知以電流信號(hào)為控制變量，可通過比例液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量控制。本文運(yùn)用AMESim軟件建立了冷卻液伺服供給系統(tǒng)的仿真模型，模擬了在不同變量(電流)控制信號(hào)下的冷卻液輸出過程，并得到了相應(yīng)的流量曲線。

本文運(yùn)用AMESim軟件，通過繪制系統(tǒng)草圖、建立子模型、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行仿真4個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

1)繪制系統(tǒng)圖。分別從“Signal,Control”電子器件庫、“Mechanical”機(jī)械庫選取相應(yīng)的“元件”進(jìn)行系統(tǒng)草圖的繪制；建立子模型[12]。

2)選擇“首選子模型”賦予“元件”具體的物理特性。本系統(tǒng)所用“元件”均來自于AMESim軟件的標(biāo)準(zhǔn)庫。

3)設(shè)置參數(shù)。為各個(gè)“子模型”設(shè)置參數(shù)，就是為子模型中的系數(shù)賦予具體的“值”[13]。

4)運(yùn)行仿真。查看相應(yīng)元件仿真結(jié)果，繪制動(dòng)態(tài)曲線。所建立的仿真模型如圖8所示。

1—介質(zhì)屬性；2—液壓馬達(dá)；3—速度傳感器；4—轉(zhuǎn)軸；5—比例換向閥；6—冷卻液箱；7—冷卻液泵；8—泵電機(jī)；9—溢流閥；10—比例反饋環(huán)節(jié)。

4.2 系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)設(shè)置

該步驟的主要任務(wù)是為各個(gè)子模型設(shè)置參數(shù)，也就是為上一步設(shè)定的方程組中的系數(shù)賦予具體的值。以文中表1與表2的技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，依次設(shè)置相應(yīng)元件的參數(shù)。具體的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

4.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

依照表3對(duì)相應(yīng)元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行仿真并得到運(yùn)行結(jié)果，判斷系統(tǒng)的可行性[13]。

1)低速、中速、高速3種模式獨(dú)立運(yùn)行

將低速(4 mA)、中速(15 mA)、高速(20 mA)3種電流信號(hào)，依次獨(dú)立輸入到“伺服供給系統(tǒng)”進(jìn)行仿真，運(yùn)行時(shí)間均為10 s。3種模式獨(dú)立運(yùn)行的輸出流量曲線如圖9所示。

圖9 低速、中速、高速獨(dú)立運(yùn)行的仿真結(jié)果

由圖9可知，該系統(tǒng)在相應(yīng)控制信號(hào)(電流)的控制下，能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出與控制信號(hào)(電流)成正比例的供給流量，實(shí)現(xiàn)伺服供給。

2)低速、中速、高速3種模式連續(xù)運(yùn)行

將表2中的低速(4 mA/6 mA)、中速(10 mA/15 mA)、高速(17 mA/20 mA)，共6個(gè)電流信號(hào)，以一定周期及一定順序連續(xù)輸入到“比例伺服供給系統(tǒng)”進(jìn)行仿真。本文主要研究以下2種連續(xù)運(yùn)行的情況：遞增模式，主軸由低速工作狀態(tài)向高速工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變；遞減模式，主軸由高速工作狀態(tài)向低速工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

①遞增模式

將表2中的低速(4 mA/6 mA)、中速(10 mA/15 mA)、高速(17 mA/20 mA)這6個(gè)控制變量(電流)信號(hào)，按照遞增關(guān)系，相隔5 s依次連續(xù)輸入到比例伺服供給系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)遞增時(shí)的輸出流量曲線如圖10所示。

圖10 主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)遞增時(shí)的輸出流量曲線

②遞減模式

將表2中的高速(17 mA/20 mA)、中速(10 mA/15 mA)、低速(4 mA/6 mA)這6個(gè)控制變量(電流)信號(hào)，按照遞減關(guān)系，相隔5 s依次連續(xù)輸入到比例伺服供給系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)遞減時(shí)的輸出流量曲線如圖11所示。

圖11 主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)遞減時(shí)的輸出流量曲線

由圖10、圖11可知，該系統(tǒng)在相應(yīng)控制信號(hào)(電流)的連續(xù)控制下，依然能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出與控制信號(hào)成正比例的供給流量，實(shí)現(xiàn)伺服供給。

5 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)冷卻液供給系統(tǒng)調(diào)整不夠靈活的問題，將機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速作為變量，通過傳感器與變送器將主軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為易于控制的電信號(hào)。在完成電信號(hào)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，以電磁比例換向閥為控制核心設(shè)計(jì)了冷卻液伺服供給液壓系統(tǒng)，并利用AMESim軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。通過系統(tǒng)仿真，證實(shí)新系統(tǒng)在控制信號(hào)的單獨(dú)控制與連續(xù)控制中，都能夠輸出與主軸轉(zhuǎn)速(電流控制信號(hào))成正比例的液體流量。

本設(shè)計(jì)提高了冷卻液供給系統(tǒng)的使用效率，減少了不必要的流量損失，增強(qiáng)了冷卻液供給系統(tǒng)的適用性，同時(shí)為多個(gè)冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合使用及一體化控制提供了思路。