液体静压导轨油膜厚度的控制方案研究_图文

1、第卷，总第期节能技术年月，第期（；，液体静压导轨油膜厚度的控制方案研究邵俊鹏，张晓彤（哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江哈尔滨）摘要：为了保证在不同载荷条件下，机床静压导轨具有良好的运动精度和低速平稳性，必须对液体静压导轨的油膜厚度进行有效的控制。在介绍了液体静压导轨的工作原理后，提出了基于直流调速和矢量变频调速的两种油膜厚度控制方案，并比较了两种方案的优缺点。研究结果表明：采用矢量变频调速的油膜厚度控制方案，在保证控制精度的同时，可以使系统的成本降低，系统的可维护性和节能效果更好。关键词：液体静压导轨；油膜厚度控制；矢量变频调速；直流调速中图分类号：哪文献标识码：文章编号：（），（，）：

2、（）一（）：；引言始终处于最优状态；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，使油膜厚度由于具有工作寿命长、摩擦系数低、低速下不爬始终处于最优值的液体静压导轨油膜厚度控制系行及工作状态稳定等诸多技术特点，液体静压导轨统，将在极大程度上降低载荷变化对导轨工作状态在大型机床、重型机床、数控机床及精密机床的工作的影响。台及其它运动件等场合得到了广泛的应用。静压导轨油膜厚度控制主要通过调整电机的转油膜刚度和承载能力是液体静压导轨两个最主速来改变油泵共油量而实现的。目前，电机调速主要的性能指标，主要与导轨的油膜厚度有关。在恒要采用直流调速技术；这种基于直流调速技术的控定流量供油系统中，

3、当静压导轨的载荷发生变化时，制系统虽然能达到调速的要求，但也存在着能耗较导轨的油膜厚度也将随之变化，使得油膜厚度不能大、调速系统维护困难和设备庞大等诸多缺点。随着电子技术的快速发展，变频调速技术逐渐成熟起收稿日期修订稿日期来，特别是矢量变频控制技术的成熟，不仅在调速方作者简介：邵俊鹏（），男，博士，博士导师，教授。面可与直流调速相媲美，还解决了直流调速系统能源浪费的问题，使设备占地面积缩小，维护方便，若图所示。通过预设最优的系统参数值，使控制器生和控制算法相结合还可使控制更加灵活。成相应的电机转速值；转速受控的直流电机通过本文在分析基于直流调速技术的油膜厚度控制调整电机转速来控制供油泵的输出流

4、量，借以实现系统技术特征的基础上，提出了基于矢量变频技术对工作台油膜厚度的开环控制。改进型油膜厚度控制系统，并对该系统的工作原理和数学模型进行了介绍。基于直流调速的油膜厚度控制方案液体静压导轨工作原理液体静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通人压力油，使运动件浮起，工作过程中油膜压力随外图油膜厚度的直流调速控制方案载荷变化而变化，在不同速度（包括静止）下都能保证导轨面问在液体摩擦状态下工作。设油垫的有效承载面积。为基于定量供油模式的开式静压导轨单油垫供油。（）（）（）原理如图所示。液体静压导轨中各独立的承载部式中、和油垫的尺度参数】。分被称为油垫，油垫由油腔、封油边和进油孔所组成。图中，电动机启

5、动后，油泵开始供油，油泵向油则单油垫的流量为腔提供压力为流量为的压力油，借以承载工作：。（廿一。一，（）台的外载形。式中形满。，最大载荷；当导轨上所受外载荷形比设计载荷大形油膜厚度；时，导轨问的油膜厚度则从设计值。减至压力油的粘度。，导轨之间的液阻增大，使油腔压力升高以适应增因此，相应的油泵转速为加了的载荷。此时，为了维持恒定的流量，油泵的（）输出压力就要逐渐从升高至，直至与式中油泵的排量。所增加的外载荷平衡；反之亦然。直流电动机的电势平衡方程：。让。（）式中电枢两端电压；。电枢绕组感应电势，既。，为电机极对数，为总导体数，为支路对数，为电机转速，西为励磁磁通；电枢电流；。电枢电阻；。两个电刷

6、的接触压降。基于直流调速技术的液体静压导轨油膜厚度控制方案的数学模型为尝（崩等）（）：卫：坠掣亲坐图亨万一（）定量供油模式的开式静压导轨单油垫供油若预设最优油膜厚度值，通过公式（）可以计原理示意图算出相应的供油泵输出流量，并利用公式（）计算一电机；一油泵；一精滤油祷；一进油孔；一工作台出相应的电机转速。可见，通过控制电机转速即可实油膜厚度的直流调速控制方案现对工作台油膜厚度的控制。液体静压导轨油膜厚度开环控制系统的原理如虽然直流电机便于调速，但由于直流电机中有机械整流器和电刷的存在，所以直流调速拖动系统有以下主要缺点：维护困难，设置环境受限，不适合应用于易燃易爆以及环境恶劣等场合；制造大容量、

7、高转速及高电压的直流电机较为困难。基于矢量变频调速的油膜厚度控制方案矢量变频调速技术虽然直流电动机调速较为便捷，但体积大、造价高和节能效果差等缺点限制了直流调速技术的应用。交流电动机具有体积小、价格低廉、运行性能优良和重量轻等诸多技术优势；使用调速技术后，调速精度获得极大程度的提高，且便于实现自动控制；同时，对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖功系统具有非常优秀的控制性能，而且还有非常显著的节能效果【。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统具有节能、调速控制便捷、可以实现大范围内的高效连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换、可以进行高频度的起停运转、可

8、以进行电气制动和可以对电动机进行高速驱动等诸多优点。按控制方式分类，变频器可以分为控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。控制是一种比较简单的控制方式，多用于控制精度要求不太高的通用变频器。转差频率控制方式是控制的一种改进控制方案；这种控制方式需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，因此通常用于专用电动机，通用性较差。矢量控制技术是年代由西德等人首先提出来的一种对交流电动机进行转速控制的控制技术。采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。所以在许多需要进行精密控制的领域得到了广泛的应用。矢量控制技术的

9、基本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）和与其相垂直产生转矩的电流分量（转矩电流），并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，因此这种控制方式被称为矢量控制方式。矢量控制技术使对异步电动机进行高性能的控制成为可能。矢量变换控制应用通过坐标变换的方法将交流三相绕组中的电流（、和）变换为两相静止绕组的电流（。和），再由数学变换将其变换到两相旋转绕组中的直流电流（和。）。实质上通过数学变换将三相交流电机的定子电流分解成两个分量，。用来产生旋转磁动势的励磁分量，用来产生电磁转矩的转矩分量。在这个基础上加上直流电机的数学

10、模型就可以找出矢量变换的三相异步电动机的数学模型，通过调节三相交流电流即可控制输出转矩疋和角速度叫，其数学模型如图所示【。图矢量控制的数学模型油膜厚度的矢量变频控制方案通过以上分析，采用矢量变频调速技术的液体静压导轨油膜厚度控制方案具有更多优点，该方案应用交流电动机替代直流电动机，并应用变频器对交流电动机实施矢量变频调速控制，其控制方案如图所示。图油膜厚度的矢量变频控制方案控制器在给定量的控制下，生成三相电流控制量（、日和）借以作为变频器的输入量。变频器采用矢量控制方式，对输入的控制量进行变换、坐标旋转变换和等效直流变换，从而输出对交流电动机的控制变量（转矩和角速度）；其中，角速度用于调整电动

11、机的转速，转矩疋用来确保交流电动机的动态性能。再利用公式（）和（），即可达到对供油泵供油量的控制；从而确保在工作台载荷发生变化时，工作台的油膜厚度始终处于最优状态。改进控制方案的技术优势在于：基于矢量变频调速技术的交流电动机调速性能可达到直流电动机的调速效果，但交流电动机较直流电动机具有价格便宜、易于维护、占地面积小和节能等技术优势。从而使得精确、节能的液体静压导轨油膜厚度控制成为现实。结论本文在分析基于直流调速技术的液体静压导轨油膜厚度开环控制系统的基础上，着重分析了矢量变频调速技术的实现原理和技术特点，提出了基于、空精密制造技术，（）：矢鐾变频调速技术的液体静压导轨油膜厚度开环控陈燕生液体

12、静压支承原理和设计北京：国防制系统；该方案在确保控制精度的基础上，极大程度工业出版社，卜提升了控制方案的节能性能。杜金城电气变频调速设计技术北京：中国电参考文献力出版社，赵庆龙变频液压调速系统速度控制研究液压王东锋液体静压导轨及其在机床导轨设计中的应气动与密封，（）：用研究液压气动与密封，（）：【矗曹君蓬液体静压导轨及其驱动系统的研究航（上接第页）及偏移距离见表。表时速公里客运专线重轨平直度要求表上表面面上的节点数据及偏移距离直角坐标系下，由、两点确定一条直线，用其它点对这条直线的偏移量来衡量这个面的平直度。设（，），（戈，），则由，两点构成的直线方程为表下表面面上的节点数据及偏移距离（戈（）

13、面分析表明，重轨矫直后轨头表面（面）与轨底表面（面）上点的波动最大值为，符合重轨垂直面上的平直度不大于的要求。结论图重轨矫直时的接触面通过对重轨进行数值模拟后分析的平直度，是设在重轨上、下表面任意一点坐标为（戈，符合国家标准要求的。同时，该研究对其它型材的，），则该点到直线（）的距离为：生每些掣矫直及平直度的研究也有参考价值。参考文献二二二二二二一（），郭华，陈亚平，等矫直引起的钢轨头部变形分析用一垂直面截取面（如图）得到一条交线钢铁钒钛，（）：林丽华，陈立功，等残余应力测量技术及其发展动，节点、为上任向机械，（）：选的节点，由、两节点构成的一条直线，为基准直线，求出这些点与直线的偏移距离，其

14、坐标数据及偏移距离见表。；：用一垂直面截取面（如图）得到一条交线杨海波，汪家才，王卫平重轨矫直过程应力应变模，节点、为上任选的节点，型的确定与分析北京科技大学学报由、两节点构成的一条直线为基准直邹家祥轧钢机械高等学校教育用书京：冶线，求【这些。囊与直线的偏移距离，其坐标数据金工业出版社 液体静压导轨油膜厚度的控制方案研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：邵俊鹏， 张晓彤， SHAO Jun-peng， ZHANG Xiao-tong哈尔滨理工大学,机械动力工程学院,黑龙江,哈尔滨,150000节能技术ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY2006,24(61次参考文献(6条1. Stansfield F M Hydrostatic Bearing for Machine Tool 19972. 赵庆龙 变频