CN204123112U - 静压导轨油膜厚度反馈补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种静压导轨油膜厚度反馈补偿装置，该装置包括油箱(1)、定量泵(3)、大流量多头泵(8)、静压腔(7)，定量泵(3)通过管路与多头泵(8)连通，多头泵(8)与静压腔(7)连通，还包括有光栅尺(11)、可编程控制器(12)、变频电机(13)以及油液温度控制组件，油液温度控制组件包括温度继电器(14)、电加热器(15)、冷冻机(16)、电机泵组I(17)，光栅尺(11)安装在机床工作转台(18)上，光栅尺通过电路与可编程控制器连接，可编程控制器与变频电机为电路连接，变频电机通过联轴器与定量泵连接；温度继电器通过电路分别与电加热器和电机泵组I连接，电机泵组I通过管路与冷冻机连接；其优点是，实现自动修正或恢复原始设计的油膜厚度，提高重型机床的工件定位精度，进而提高加工精度。

Description

静压导轨油膜厚度反馈补偿装置

技术领域：

本实用新型涉及一种工业机械供油补偿装置，尤其是涉及到重型机床静压导轨的供油补偿装置，具体地说是针对大型机床工作转台下的上下导轨之间的油膜厚度变化进行反馈补偿装置。该装置把负载、温度等参数的变化对油膜厚度的影响全部转换成流量的单一参数，通过检测与计算进行分段或精确补偿油液油量，修正油膜厚度误差，提高重型机床的工件定位精度，进而提高加工精度。

背景技术：

现有的大型机床的工作转台能灵活滑动和转动，是由于工作转台下面设置供油装置，该装置可使工作转台下的上、下导轨之间形成一层油液，该层油液厚度称为油膜。当加工件置入工作转台上，重负荷会使油膜产生变化，为避免上、下导轨产生刚性接触，供油装置就会对其进行供油补偿。随着机械行业的快速发展，对机械产品的加工精度也提出了越来越高的要求，而工件的准确定位对加工精度起到基础与关键性的影响。在目前的静压导轨供油技术中，广泛采用恒流量或恒压的供油方式，从而形成上、下导轨之间的刚性油膜。但油膜的刚性及厚度会随工件自重的差异及油温的变化而发生微小的改变。此类微小的改变将影响重型机床的定位精度(Z轴)，从而降低重型机床的加工精度等级。在实践中研究发现，当工作台工件负载变化时，油膜厚度δ与压差p的关系为：

${\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\δ}}_0/\sqrt[3]{\frac{p_1}{p_0}}---\left(1\right)$

式中：

p₀为某一工件在工作台形成静压时所产生的缝隙两端压差，

p₁为同一工件负载变化后工作台形成静压时所产生的缝隙两端压差。

设p₁＝2p₀，则有 ${\mathrm{\δ}}_1={\mathrm{\δ}}_0/\sqrt[3]{\frac{p_1}{p_0}}={\mathrm{\δ}}_0/\sqrt[3]{\frac{2p_0}{p_0}}={\mathrm{\δ}}_0/\sqrt[3]{2}={\mathrm{\δ}}_0/1.26=0.79{\mathrm{\δ}}_0$

从上式看出，当工件加重1倍时，则缝隙高度(即缝隙浮起量)降低21％。

重型机床一般油膜厚度δ＝0.06mm即60um。如果下降21％则误差值达12.6um。

这样的误差值对于精密加工是不可接受的。同样，温度影响μ(流体动力粘度系数)。而μ的变化亦影响δ(缝隙高度)。在负载与温度的双重作用影响下，上述例子中的变化量(即误差值)将≥12.6um，加大机床误差。

而现有技术的恒压式供油装置，如图1所示，主要是由油箱、过滤器I、定量泵、溢流阀、过滤器II、节流阀、静压腔构成，其工作原理是，由定量泵从油箱中抽取油液经过滤器II、节流阀注入静压腔，实现对上下导轨之间进行供油。这种供油装置存在缺点是由于油液到达静压油腔要经过节流器，节流产生压力损失会使***发热，而***压力是由溢流阀调整，溢流阀的大量溢流又加剧了***发热，导致油温过高，使工作台面受热变形加大，造成加工件的切削精度不易达到要求。

现有技术的恒流式供油装置，如图2所示，主要由油箱、过滤器I、定量泵、溢流阀、过滤器II、多头泵、静压腔构成。其工作原理是，由定量泵从油箱中抽取油液经过滤器II后再由多头泵注入静压腔，实现对上下导轨之间进行油液供油。恒流式供油相对于恒压式供油，虽然没有压力降，温变小，但是由于其总是以恒流量的方式供油，因而不能适应油膜厚度的不断变化来调节供油量，不能修正因负重变化及温度变化而导致的误差，进而影响到加工精度。

实用新型内容：

本实用新型要解决的技术问题是，针对上述现有供油装置存在的因工作转台上的负荷变化及油温的变化产生的导轨间的油膜厚度的变化不能进行准确修正，不能使油膜厚度快速恢复到原始设计精度的要求，进而影响到精密加工件的加工精度的不足或缺陷。提供一种能够快速修正工作转台因负荷变化及温度变化产生油膜厚度变化而导致加工件定位的误差，使导轨间油膜厚度恢复到设定的尺寸精度要求，提高重型机床的加工件定位精度，进而提高加工粘度的静压导轨油膜厚度反馈补偿装置。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的静压导轨油膜厚度反馈补偿装置。

一种静压导轨油膜厚度反馈补偿装置，该装置包括油箱、定量泵、大流量多头泵、静压腔，所述的定量泵通这管路与大流量多头泵连通，所述大流量多头泵的多头分别与多个静压腔连通，其特征在于，还包括有光栅尺位移传感器、可编程控制器(PLC)、变频电机以及油液温度控制组件，所述的油液温度控制组件包括温度继电器、电加热器、冷冻机、电机泵组I，所述的光栅尺位移传感器安装机床工作转台上，所述的光栅尺位移传感器通过电路与可编程控制器(PLC)连接，所述的可编程控制器(PLC)与变频电机为电路连接，所述的变频电机通过联轴器与定量泵连接；所述的温度继电器安装在油箱上，所述的温度继电器通过电路分别与电加热器和电机泵组I连接，所述的电机泵组I通过管路与冷冻机连接。

采用以上结构后，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

由于本实用新型静压导轨油膜厚度反馈补偿装置是在现有的供油补偿装置的基础上，新设置了油膜检测技术手段和温度控制技术手段，通过PLC数据计算和信息处理技术手段，将机床加工过程中，工件的重量与油液的温度等参数的变化，致使油膜厚度发生变化，通过检测与计算把负载、温度等参数的变化对油膜厚度的影响因子全部转换成流量的单一参数，进行精确补偿油液油量，实现自动修正或恢复原始设计的油膜厚度，提高重型机床的工件定位精度，进而提高加工精度。

作为上述技术方案的补充和完善，本实用新型还具有如下特征和优点：

所述的静压导轨油膜厚度补偿装置，还设置有防停电补偿机构，所述的防停电补偿机构包括有电机泵组II、压力传感器、蓄能器和电磁球阀，所述的电机泵组II的进管***在油箱内，出口管与蓄能器连通，所述的压力传感器安装置在电机泵组与蓄能器之间的管路上，所述的蓄能器通过管路与静压腔连通，所述的电磁球阀安装在蓄能器与静压腔之间的管路上。该防停电补偿机构的优点在于，当停电时，由于惯性力的作用，工作转台仍然继转动，而静压导轨油膜厚度补偿装置由于停电不能向静压导轨供油补偿，使油膜变化会导致上下导轨产生刚性磨擦，这时，电磁球阀因停电自动开启阀门，使蓄能器内油液向静压腔内进行供油，防止上下导轨产生刚性磨擦而导致机床被损坏。

附图说明：

图1为现有技术的恒压式供油装置工作原理示意图；

图2为现有技术的恒流式供油装置工作原理示意图；

图3为本实用新型静压导轨油膜厚度反馈补偿装置工作原理图；

图4为本实用新型静压导轨油膜厚度反馈补偿装置中的工作转台与静压腔结构示意图；

图5为本实用新型静压导轨油膜厚度反馈补偿装置中的静压腔示意图。

图中所示：1油箱，2、过滤器I，3、定量泵，4、溢流阀，5、过滤器II，6、节流阀，7、静压腔，8、多头泵，9、粗过滤器，10精过滤器，11、光栅尺位移传感器，12、可编程控制器，13、变频电机，14、温度继电器，15、电加热器，16、冷冻机，17、电机泵组I，18、工作转台，19、电机泵组II，20、压力传感器，21、蓄能器，22、电磁球阀，23、回油管，24、车身。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图1为现有技术的恒压式供油装置工作原理示意图，该装置主要是由油箱1、过滤器I2、定量泵3、溢流阀4、过滤器II5、节流阀6、静压腔7构成，其工作原理是，由定量泵3从油箱1中抽取油液经过滤器II5、节流阀6注入静压腔7，实现对上下导轨之间进行供油。

图2为现有技术的恒流式供油装置工作原理示意图；该装置主要由油箱1、过滤器I2、定量泵3、溢流阀4、过滤器II5、多头泵8、静压腔7构成。其工作原理是，由定量泵3从油箱1中抽取油液经过滤器II5后再由多头泵8注入静压腔7，实现对上下导轨之间进行供油。

图3、图4和图5示意图，较清楚地示出了本实用新型静压导轨油膜厚度反馈补偿装置的结构关系。该装置主要由二部份构成，一是油膜厚度检测及定量供油补偿***，二是保障油液温度保持在某一设定值范围的油液温度控制组件。油膜厚度检测及定量供油补偿***主要由油箱1、定量泵3、粗过滤器9、精过滤器10、大流量多头泵8、静压腔7，以及光栅尺位移传感器11、可编程控制器(PLC)12、变频电机13和油液温度控制组件组装而成。定量泵3的进口端置入在油箱1内，出口端通过管路并经粗过滤器9和精过滤器10后与大流量多头泵8连通，大流量多头泵8可选用一个进口八个出口的多头泵；大流量多头泵8的多头分别与设置在机身24上静压腔7连通，大流量多头泵8的台数设置应机床身24上的静压腔7的多少来配置。光栅尺位移传感器11包括有立尺、读数头，立尺安装在工作转台18的滑板上，读数头固定在床身24上，尽可能使读数头安装于立尺的下方。其安装方式的选择必须注意避开切屑、切削液及油液的溅落方向，以避免影响读数头发生误读。光栅尺位移传感器通过电路与可编程控制器(PLC)12连接，可编程控制器(PLC)12与变频电机13为电路连接，变频电机13通过联轴器与定量泵3连接。可编程控制器(PLC)12内安装有定量供油补偿程序软件。该软件程序的编制满足于下列公式：

$\mathrm{\δ}=\sqrt[3]{\frac{12l{q}_u{u}_0{e}^{-\mathrm{\λ}(t-t_0)}}{\mathrm{\ΔpB}}}---\left(2\right)$

我们知道，静压导轨油膜容易受到载荷、温度与压力的综合影响，一般来说，在静压导轨中其压力远远小于20MPa，故压力的影响忽略不计。公式2为油膜厚度与流量、温度的复合数学模型。

$\mathrm{\δ}=\sqrt[3]{\frac{12l{q}_w{u}_o{e}^{-\mathrm{\λ}(t-t_0)}}{\mathrm{\ΔpB}}}---\left(2\right)$

q_u-单位宽度的流量(cm³/s)；δ-缝隙高度(即油膜厚度)(cm)；

l-缝隙长度(cm)；Δp-两端的压差(p_a)；B-缝隙单位宽度(cm)。

u₀-压力为1大气压，温度为t₀时的粘度(pa.s)；t-工作后的温度(℃)；t₀-初始温度，(℃)；λ-油压的粘温系数。

对于具体的机床来说，l、u₀、λ、t、t₀、B、ΔP为已知量，故公式2改写为： $\mathrm{\δ}=\sqrt[3]{\frac{12l{q}_w{u}_0{e}^{-\mathrm{\λ}(t-t_0)}}{\mathrm{\ΔpB}}}=a.\sqrt[3]{q_w}---\left(3\right)$

由公式3可以看出，油膜厚度与流量的简单关系，把载荷、温度的影响转化成单一参数流量的影响，不同的机床只是系数不同而已，这就为PLC编程奠定了良好的基础。

油膜厚度检测及定量供油补偿***的工作过程是，由光栅尺位移传感器I1对上下导轨间的油膜厚度进行测量检测，通过光栅尺位移传感器11中的位移传感器将测量检测的数据或信息传输给可编程控制器(PLC)12，可编程控制器(PLC)12按照事先装入的程序软件对位移传感器输入的数据或信息进行计算或处理，即由PLC对比目前油膜厚度与设定原始油膜厚度的差异，通过程序计算，得出所需流量，通过中间继电器转换成信号指令输入变频电机13，变频电机13根据信号调整频率，使得定量泵3供油油量发生变化，定量泵3将油液供给大流量多头泵8，大流量多头泵8又将没液供给静压油腔7，修正因负重变化及温度变化而导致的误差，使得重型机床静压导轨油膜厚度达到设定的尺寸精度要求，提高重型机床的定位精度，进而提高加工精度。

油液温度控制组件包括温度继电器14、电加热器15、冷冻机16、电机泵组I17。温度继电器14安装在油箱1上，温度继电器14通过电路分别与电加热器15和电机泵组I17连接，电机泵组I17通过管路与冷冻机16连接。

当油温发生变化时，当温度继电器14测得油箱内的油温低于某一设定值时，温度继电器14指令电加热器15对油箱1内的油液进行加热，当油液温度升至某一设定值时，电加热器15停止加热；而当温度继电器14测得油箱内的油温高于某一设定值时，温度继电器14指令电机泵组I17工作，电机泵组I17中油泵将油箱内油液抽入冷冻机16内进行降温，降温后的油液回流至油箱，当温度继电器14测得油箱1内的油温升至某一设定值时，温度继电器14指令电机泵组I17停止工作。

油液温度控制组件的主要功能是保障油温保持在某一设定值范围内，防止因油温过高或过低而使油膜厚度产生更大的变化，控制油温在一定范围，可以大大缩小油膜厚度的变化范围。

另外还设置有防停电补偿机构，所述的防停电补偿机构包括有电机泵组II19、压力传感器20、蓄能器21和电磁球阀22。电机泵组II19的进管***在油箱1内，出口管与蓄能器21连通，压力传感器20安装置在电机泵组II19与蓄能器21之间的管路上，蓄能器21通过管路与静压腔7连通，电磁球阀22安装在蓄能器21与静压腔7之间的管路上，在电机泵组II19与蓄能器21之间的管路上还设置有粗过滤阀9和溢流阀。

防停电补偿机构的工作原理是，当突然停电时，由于惯性力的作用，工作转台仍然继转动，而静压导轨油膜厚度补偿装置由于停电不能向静压导轨供油补偿，使油膜变化会导致辞上下导轨产生刚性磨擦，这时，电磁球阀因停电自动开启阀门，使蓄能器内油液向静压腔内进行供油补偿，防止上下导轨产生刚性磨擦而导致机床被损坏。而当来电后，电磁球阀因来电自动关闭阀门，停止蓄能器向静压腔供油。由于停电时，蓄能器内的油液向静压腔内供油而使其蓄能器内的压力降低了，压力传感器就会指令电机泵组II从油箱内抽温进入蓄能器内。压力传感器保证蓄能器内油压始终保持在某设定值的范围内。使蓄能器能保持一定的油压而随时因停电而向静压腔内供油。

Claims (2)

1.一种静压导轨油膜厚度反馈补偿装置，该装置包括油箱(1)、定量泵(3)、大流量多头泵(8)、静压腔(7)，所述的定量泵(3)通过管路与大流量多头泵(8)连通，所述大流量多头泵(8)的多头分别与多个静压腔(7)连通，其特征在于，还包括光栅尺(11)、可编程控制器(12)、变频电机(13)以及油液温度控制组件，所述的油液温度控制组件包括温度继电器(14)、电加热器(15)、冷冻机(16)、电机泵组I(17)，所述的光栅尺(11)安装在机床工作转台(18)上，所述的光栅尺(11)通过电路与可编程控制器(12)连接，所述的可编程控制器(12)与变频电机(13)为电路连接，所述的变频电机(13)通过联轴器与定量泵(3)连接；所述的温度继电器(14)安装置在油箱(1)上，所述的温度继电器(14)通过电路分别与电加热器(15)和电机泵组I(17)连接，所述的电机泵组I(17)通过管路与冷冻机(16)连接。

2.如权利要求1所述的静压导轨油膜厚度反馈补偿装置，其特征在于：还设置有防停电补偿机构，所述的防停电补偿机构包括有电机泵组II(19)、压力传感器(20)、蓄能器(21)和电磁球阀(22)，所述的电机泵组II(19)的进管***在油箱(1)内，出口管与蓄能器(21)连通，所述的压力传感器(20)安装置在电机泵组II(19)与蓄能器(21)之间的管路上，所述的蓄能器(21)通过管路与静压腔(7)连通，所述的电磁球阀(22)安装在蓄能器(21)与静压腔(7)之间的管路上。