（机械电子工程专业论文）开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕t 学位论文 开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究 摘要 由于具有高刚度、高精度、低磨损等技术优势，液体静压导轨被广泛应 用于数控机床领域。液体静压导轨的刚度、承载能力及其工作性能主要取决 于导轨的油膜厚度：确保导轨油膜厚度始终处于最优值对于保证液体静压导 轨性能是十分必要的。现有的液体静压导轨采用定量式供油系统，其供油系 统不具有油膜厚度的调节能力；在工作过程中，导轨间的油膜厚度随承载的 变化而变化，有时甚至超出了规定的范围，这不仅降低了油膜刚度和承载能 力，同时也降低了数控机床的加工精度和加工范围。因此，有必要对现有的 液体静压导轨供油系统进行改进，并采用相应的控制方案来提高液体静压导 轨的刚度和承载能力。 本文在分析现有供油系统和矢量变频调速技术特征的基础上，给出了基 于矢量变频调速技术的异步电动机数学模型，提出了由变频器、异步电动 机、定量泵构成的开式液体静压导轨改进型供油系统，推导了其数学模型。 由于采用变频器控制异步电动机转速，因此该系统可以在工作过程中调节定 量泵的流量，从而调整液体静压导轨的油膜厚度，使其在工作过程中趋于恒 定。 本文针对在工作过程中油膜厚度随载荷变化的现象，在改进型供油系统 中添加了控制器环节，提出了开环控制方案和闭环控制方案；给出了相应的 控制环节计算流程和各功能环节的实现流程；并对这两种控制方案进行了软 件仿真，分析了这两种控制方案的油膜厚度调节性能。 由于，基于闭环控制的改进型供油系统对油膜厚度的调节将出现滞后现 象；因此，为了解决调节滞后现象，本文提出了基于匹配算法的改进型闭环 控制方案，给出了该方案的控制流程，有效地解决了批量生产时油膜厚度的 调节滞后现象。 关键词开式液体静压导轨；油膜厚度；矢量变频调速；闭环控制 竺至鎏詈三查耋三兰堡圭兰堡丝兰 s t u d yo nt h ec o n t r o ls c h e m eo f 0 i lf i l mt h i c k n e s s a d j u s t m e n to fo p e n e dh y d r o s t a t i cs l i d e w a y a b s t r a c t w i t ha d v a n t a g e so fh i g ha c c u r a c ya n dl a r g er i g i d i t ya sw e l l 嬲l o wa t t r i t i o n t h eh y d r o s t a t i cs l i d e w a yi sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fc n cm a c h i n et o o l s i t s r i g i d i t y ，b e a r i n gc a p a c i t ya n do p e r a t i n gp e r f o r m a n c em a i n l yl i eo ni t s o i lf i l m t h i c k n e s s i ti se s s e n t i a lt og u a r a n t e et h eo p t i m u mv a l u eo fo i lf i l mt h i c k n e s si n o r d e rt o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e s t h ee x i s t i n gh y d r o s t a t i cs l i d e w a yu s e s p r o p o r t i o n i n go i ls u p p l ys y s t e m ，w h i c hc a nn o ta d j u s to i lf i l mt h i c k n e s s i nt h e w o r k i n gp r o c e s s o i lf i l mt h i c k n e s sc h a n g e sa l o n gw i t ht h et i m e - v a r i e dl o a d b e a r i n g s o m e t i m e si te v e nh a ss u r p a s s e dt h es t i p u l a t i o ns c o p e ，w h i c hn o to n l y r e d u c e sr i g i d i t yo fo i lf i l ma n db e a r i n gc a p a c i t yb u ta l s oc u t sd o w nt h e p r o c e s s i n gp r e c i s i o na n dt h ep r o c e s s i n gs c o p eo fn u m e r i c a lm a c h i n et o o l s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v ee x i s t i n go i ls u p p l ys y s t e ma n dt a k ec o n t r o l m e a s u r e st oe n h a n c er i g i d i t ya n db e a r i n gc a p a c i t yo f t h eh y d r o s t a t i cs l i d e w a y b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n go i ls u p p l ys y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f v e c t o rv a r i a b l ef r e q u e n c yv e l o c i t ym o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，m a t h e m a t i c a lm o d e l o fi n d u c t i o nm o t o ri sp r o p o s e d a ni m p r o v e do i ls u p p l ys y s t e mi sp r o p o s e d w h i c hc o n s i s to fc o n v e r t e r , i n d u c t i o nm o t o r , p r o p o r t i o n i n gp u m p t h i ss y s t e m c a na d j u s tt h eo i lf i l mt h i c k n e s st ot h eo p t i m u mv a l u et h r o u g ht h er o t a t es p e e d a d j u s t m e n to f m o t o ra n df l u xa d j u s t m e n to f p u m p i no r d e rt or e d u c eo i lf i l mt h i c k n e s sd i t h e r i n gd u et ot h ev a r i e dl o a db e a r i n g t h eo p e n - l o o pa n dc l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m ea r ep r o p o s e d b a s e do nt h ec o n t r o l f l o wo ft h ec o n t r o l l e ra n de x e c u t o r , t h ep e r f o r m a n c e so fc o n t r o ls c h e m e sa r e e m u l a t e da n da n a l y z e d w h e nt h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m ei su s e dt oa d j u s to i lf i l mt h i c k n e s s ，t h e p h e n o m e n ao fl a g g i n ga d j u s t m e n ti se m e r g i n g a ni m p r o v e dc l o s e d l o o pc o n t r o l s c h e m eb a s e do nm a t c h i n ga r i t h m e t i ca n di t sc o n t r o lf l o wi sd e s i g n e dw h i c hc a n a v o i dl a g g i n ga d j u s t m e n te f f e c t i v e l y - - 2 玺鎏矍三奎兰：兰璺! 兰堡丝圣 k e y w o r d s o p e n e dh y d r o s t a t i cs l i d e w a y ：o i lf i l mt h i c k n e s s ：v e c t o rv a r i a b l e ，f r e q u e n c yv e l o c i t ym o d u l a t i o n ：c l o s e d - l o o pc o n t r o l - 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文开式液体静压导轨油膜厚度控 制方案的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：旅尉彤 日期2 0 0 7 年3 月1 。日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打) 作槲：淑财够 导? 签名研够 日期：2 0 0 7 年3 月l o 日 日期：2 0 0 7 年3 月i o 日 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 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的两个主要性能指标，其值直接影响 液体静压导轨的工作性能。油膜刚度是指油膜抗载荷变动的能力；承载能力是 指在一定油膜厚度前提下，在确保油垫和被支承件的表面互不接触时，油膜 ( 作用于被支承件表面) 所能负担的外载荷。油膜刚度和承载能力主要由油膜 厚度决定，油膜厚度过高，刚度下降：厚度过低，承载能力下降。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。 液体静压导轨的供油方式及其控制系统的性能是决定导轨油膜厚度调节能 力的主要因素。因此，为了进一步提高液体静压导轨的性能，对现有的液体静 压导轨供油系统进行改造，使之具有较强的油膜厚度调节能力和较高的调节精 度是十分必要的。 目前，齐重数控股份有限公司生产的重型立式数控车床工作台的支承部分 采用的就是开式液体静压导轨，其油膜厚度控制系统采用的是开环控制方式。 在基于开环控制方式的供油系统中，电动机以恒定的转速驱动油泵，油泵根据 负载情况向各分油器提供恒定流量的压力油，油膜厚度在工作过程中不能进行 调整。在载荷变化较小、油的黏度不随温度变化的静提下，该供油方式可确保 油膜厚度始终处于最优状态( 油膜厚度的变化在允许范围内即为最优状态) ， 能够保证数控车床的加工精度。 但在实际工作环境中，油温随室温、转速等因素而变化，油黏度也随之改 变。温度升高，黏度下降；温度降低，黏度上升，同时加工工件的重量( 载 荷) 的变化有时也较大。在现有的基于开环控制方式的供油系统中，因为供油 哈尔滨理1 = 大学1 = 学硕士学位论文 量始终为恒定值，油膜厚度不能时时调整。因此，时变的油的黏度和载荷将使 得油膜厚度偏离最优值，这将降低液体静压导轨的工作性能，同时也降低了数 控车床的加工精度和加工范围。可见，具有较强油膜厚度调节能力和较高调节 精度的供油系统对于提升液体静压导轨工作性能和适应能力是十分必要的。 本文在分析液体静压导轨油膜厚度供油方案的基础上，着重分析了矢量变 频调速技术的实现原理和技术特点，提出了基于矢量变频调速技术的液体静压 导轨油膜厚度开环和闭环控制方案。变频液压技术在液体静压导轨中的应用不 仅提高了导轨油膜厚度的控制精度，而且起到了很好的节能效果。 1 2 相关技术的发展现状及应用 1 2 1 液体静压导轨的发展现状及应用 液体静压支承因具有高精度、高刚度、长寿命等一系列优点而得到了广泛 的应用。支承是机床和其他机械设备的重要部件，直接影响机械设备的工作性 能。液体静压支承技术的应用主要包括液体静压轴承和液体静压导轨两大类。 液体静压导轨是液体静压支承技术在导轨中的主要应用。 液体静压导轨的主要优点是：摩擦系数小，一般为0 o 0 0 5 0 0 0 1 ；机械效 率高；导轨面之间的油膜很薄；具有良好的润滑性和吸振性；导轨长期使用无 磨损；工作运动平稳。因此，液体静压导比滑动导轨和滚动导轨的寿命高许多 倍。同时，液体静压导轨运动速度的变化对其油膜厚度和刚度的影响小，消除 了工作台低速运动的“爬行”现象，且降低了对导轨材料的要求f 2 】。 由于液体静压导轨具有上述诸多优点，且技术的不断成熟，因此液体静压 导轨能满足高精度、重载荷及各种速度范围机床的要求，在各种机床( 尤其是 数控机床、超精密机床) 中得到了广泛的应用。 当今生产的数控机床广泛采用液体静压导轨。例如：美国i l q g e r s o l l 集 团旗下的德国w a l d l u c hs i e g e n 公司和w a i ，d r j c hc o b u r g 公司、法国 f o r e s tl i n e 公司、日本的t o s b a 公司均生产采用液体静压导轨的数控龙 门镗铣床 3 1 。 液体静压导轨在超精密加工机床中的应用也较为广泛。超精密加工设备是 实现超精密加工技术的必须手段，而超精密机床的性能取决于其关键部件的性 能。导轨副是超精密机床的关键部件之一，直接影响超精密加工的精度。液体 静压导轨相对于滚动导轨和动压导轨有摩擦阻力小、使用寿命长、速度范围 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 广、抗振性能好和适应性好等优点。因此，液体静压导轨在超精密加工机床中 液体静压导轨得到了广泛应用。例如：美国l l n l 实验室从6 0 年代开始研制精 密机床，该实验室先后开发了d t m - i 、d t m - 2 型超精密机床，并于1 9 8 3 年9 月 成功地开发出代表当代超精密机床最高水平的d t m 3 型卧式大型光学金刚石超 精密车床。该机床利用激光干涉仪来进行位置测量，采用液体静压轴承和液体 静压导轨，位置控制精度可达o 0 1 3 9 m ，加工的黄铜零件表面粗糙度可 o 0 0 7 6 肌。在日本，大森整等人将超精密油静压驱动系统应用于超精密多轴 镜面加工机床上，位置精度分辨率达到l o n m ，加工工件粗糙度7 r i m 。 n a n o t e c h s 0 0 f g 采用液体静压导轨，其水平直线度和垂直直线度分别达到 o 2 u m 2 5 0 m m 和o 5 1 z m 2 5 0 m m ，定位精度为o 3 z m 2 5 0 m m 。小泉孝一等人将 液体静压导轨技术成功的应用于生产民用液晶显示器的平面研磨机上【4 】。 在国内，液体静压导轨在各种机床中的应用也越来越普遍。例如：国产 x k 2 1 2 5 数控龙门镗铣床床身工作台导轨、宝钢宽厚板主体设备中的剪切线双 边剪设备和y k 7 3 1 2 5 成形磨齿机中的主要导轨运动副均采用液体静压导轨技术 【5 】 6 1 1 7 1 。 1 2 2 变频调速技术的发展现状及应用 变频调速技术在达到实用化之前，由于直流调速系统同交流调速系统相 比，具有较优良的静、动态性能指标，因此直流调速系统长期占据电动机调速 领域的统治地位。但由于直流电机具有机械整流器和电刷，因而存在着维护保 养工作量大、体积大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高转速及高 电压方向发展等缺点。而交流电动机本身具有一些固有的优点罔：容量、电 压、电流和转速的上限，不像直流电机那样受限制；结构简单、造价低；坚固 耐用，事故率低，容易维护。但是在早期，交流调速只能使用一些简单的交流 调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等等。这些简单的交 流调速方案性能较差，只能在某些特定的场合有所应用。 交流变频调速理论最初诞生于2 0 世纪2 0 年代，到8 0 年代，变频器已经 产品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。进入9 0 年代，由于 新型电力电子器件如：i g b t 、i g c t 等的发展及性能的提高、微型计算机技术 ( 如d s p ) 的发展，以及先进控制理论的发展和完善( 如：磁场定向矢量控制、直 接转矩控制) 等原因，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响 应、输出性能、功率因数、运行效率及使用方便性等方面大大超过了其他常规 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 交流调速方式，变频调速技术取得了显著的成就并日益成熟。目前，交流变频 调速系统的性能已经可以和直流调速系统相媲美，再加上交流电动机固有的优 点，更适用于直流调速系统无法比拟的场合，如高速化、大容量的旋转机械。 交流变频调速己在钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电 力、轻工、建材、造纸、印刷等等传统工业的改造中和航天航空等高新技术中 得到发展应用，取得了巨大的经济效益和社会效益1 9 】【l o 】。 1 2 3 变频液压技术的发展现状及应用 变频液压技术就是变频调速技术在液压技术中的应用。变频液压技术是通 过改变电动机的转速来改变液压泵的输出流量，这种控制方式是基于容积控制 原理的。变频液压技术通常被称为直接驱动容积控制( d i r e c td r i v ev o l u m e c o n t r o l ，d d v c ) 系统或直接驱动液压伺服( d i r e c td r i v eh y d r a u l i cs e r v o ， d d h s ) 系统i “j i “j 。 目前，变频液压技术领域的研究主要集中在三个方面：节能研究，速度、 位置控制系统及智能算法研究，集成一体化的研究。 采用的技术路线有： 1 由交流电动机、变频器、定量泵、执行器组成的开环控制系统； 2 由交流电动机、变频器、定量泵、执行器组成的大闭环控制系统； 3 由交流电动机、变频器、变量泵、执行器组成的开环控制系统； 4 由交流电动机、变频器、变量泵、执行器组成的大闭环控制系统。 1 2 3 1 节能技术的研究从最初的节流阀控制到负荷感应控制，到目前已普遍 应用的泵容积控制，节能技术的发展取得了显著的成果。 1 9 8 8 年，日本学者k a z u o n a k a n o 和y u t a k a t a n a k a 提出了带蓄能器变频驱 动液压泵控制方案；又于1 9 9 5 年对用普通电动机驱动定量泵、普通电动机驱 动变量泵、变频电动机驱动定量泵和变频电动机驱动变量泵等四种情况，分别 进行了节能效果及动态特性作了对比实验。结果表明：普通电动机驱动变量泵 系统和用变频电动机驱动定量泵系统的效率接近相同，变频电动机驱动变量泵 系统的效率最高；普通电动机驱动变量泵系统和变频电动机驱动变量泵系统的 流量响应快于变频电动机驱动定量泵系统的流量响应。 1 9 9 7 年，德国学者bk a z m e i e r 和dgf e l d m a n n 等人就小功率系统作了类 似实验1 1 3 1 t 4 1 1 5 1 峋。 哈尔滨理工大学1 = 学硕上学位论文 1 2 3 2 速度、位置控制系统及智能算法的研究1 9 9 5 年，浙江大学的杨华勇 教授采用变频驱动技术控制电梯桥厢的速度，提出了电梯桥厢上行和下行均采 用变频容积调速技术的控制系统以及带蓄能器的新型变频驱动液压电梯。 2 0 0 2 年，德国学者n e u b e r tt 和h e l d u s e rs 提出应用转速可调泵直接闭环 控制差动液压缸位置电液伺服控制系统，提出了用双变速泵复合控制差动液压 缸速度补偿差动缸的不对称流量的控制回路。 与此同时，国内众多学者在控制理论和控制算法方面进行了较为深入的研 究，提出了诸如模糊控制算法、模糊p i d 控制算法、模糊神经网络控制算法等 大量的变频液压智能控制算法，仿真结果显示这些算法在一定程度上改善了变 频液压大闭环控制的动态特性1 1 7 1 1 。 1 2 3 3 集成一体化的研究变频电动机、定量泵和液压油箱等集成一体化是变 频液压控制技术的一个全新的研究领域。集成一体化优点是抗污染能力强，滞 后时间短，重复性好，能与数字计算机直接相联接。 o p t o n 公司首先推出了直接驱动电液混合伺服泵，它主要由双向定量泵、 交流伺服电动机、小型液压油箱和输入输出油口集成块等组成。这种直接驱动 电液混合伺服泵组成的液压控制系统与传统液压控制系统相比具有泄漏损失 小、压力损失小、耗电量少、体积小和维修成本低等的技术优势【1 9 1 1 2 0 1 1 2 ”。 1 3 研究内容及章节安排 1 3 1 研究内容 液体静压导轨在工作过程中，压力油的黏度和载荷的变化，会引起油膜厚 度的变化；当油膜厚度超出最优值，液体静压导轨的承载能力或刚度将下降， 其工作性能也将下降。由于，在工作过程中压力油的黏度变化较小，因此，本 文在控制工程中将压力油的黏度看作恒定。可见，在加工过程中油膜厚度不随 载荷的变化而变化，始终处于最优值为本课题的研究目标。 本文以重型立式数控车床中的开式液体静压导轨的供油系统和控制方案为 主要的研究内容。在分析现有开式液体静压导轨供油系统的基础上，对基于 “直流电机+ 定量泵”模式的开环供油系统进行改进，提出了以“异步电动机 + 定量泵”模式的供油系统；并采用矢量变频技术对异步电动机进行调速，通 过调节定量泵供油量实现对导轨油膜厚度的调节，最终确定了基于“变频器+ 异步电动机+ 定量泵+ 液体静压导轨”模式的完整的闭环供油系统。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 在逐步深入的研究过程中，本文在供油系统中添加了具有较强计算能力的 控制器，提出了结构简单的开环控制方案和可以精确调节油膜厚度的基于压力 传感器、位移传感器的闭环控制方案；并分别对这两个控制方案进行了软件建 模和性能仿真，论证了这两种控制方案的可行性，分析了各自的技术性能。 本文为了有效解决调节滞后现象，提出了基于匹配算法的改进型闭环控制 方案。由于，数控机床多采用批量生成模式加工工件，本文给出了具有匹配、 记录等功能的改进型闭环控制方案，该方案可在一定程度上解决调节滞后现 象，同时可进一步提高油膜厚度调节精度。 1 3 2 论文的章节安排 本文在对液体静压导轨油膜厚度开环控制系统分析的前提下，将变频液压 技术应用于液体静压导轨油膜厚度控制过程中，构成闭环控制系统，论文主要 由四大部分组成： 第l 章绪论部分，首先叙述了课题研究的意义和背景，并介绍了液体静 压导轨、变频调速技术、变频液压技术的发展现状和应用。 第2 章主要介绍了液体静压导轨及其供油系统基本理论，重点分析了现 有开式液体静压导轨的供油方案和油膜厚度的计算公式，并推导了油膜刚度的 数学公式。 第3 章主要介绍了异步电动机的调速技术。在介绍矢量变频调速原理和 异步电动机动态数学模型的基础上，重点推导了基于矢量变频技术的异步电动 机调速系统的数学模型，为后续控制方案提供了必要的理论准备。 第4 章本文的核心章节。首先构建了开式液体静压导轨、定量泵、异步 电动机、变频器等各环节的数学模型，并简介了控制器的系统构成。在此基础 上，提出了液体静压导轨油膜厚度的开环控制方案和基于压力传感器、位移传 感器的闭环控制方案，并对这两种控制方案进行了软件建模和性能分析，论证 了方案的可行性，分析了方案的工作性能。最后，为了解决调节滞后现象，本 文提出了一种改进的闭环控制方案，给出了基于匹配算法的闭环控制方案的控 制流程。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 第2 章液体静压导轨及其供油系统 2 1 液体静压导轨的基本理论 2 1 1 液体静压导轨及其特点 液体静压导轨是在两个相对运动的导轨面问通入压力油，使运动件浮起， 工作过程中油膜压力随外载荷变化而变化以平衡作用于导轨上的外负载；在不 同速度( 包括静止) 的情况下，液体静压导轨都能保证导轨面问始终处于纯液 体摩擦状态，从而极大程度上减小了两导轨面作相对运动时产生的摩擦阻力和 拖动时导轨运动的动力消耗，并具有很高的运动精度瞄】。 液体静压导轨的优点如下： 1 纯液体摩擦，工作寿命长，能长期保持其精度，维修工作量小，并可降 低对导轨材料的要求； 2 纯液体摩擦，摩擦系数低，拖动功率小； 3 速度变化和载荷变化对油膜厚度影响小，即使在极低速时，也不会产生 爬行现象； 4 油膜具有误差均化作用，可提高导轨运动精度； 5 油膜承载能力大，刚度高，吸振性良好，导轨运动平稳。 液体静压导轨的缺点是需要一套复杂的供油系统，不如动压导轨结构简 单。 液体静压导轨须满足导轨精度、耐磨性、刚度和运动均匀性的要求，即： 1 导轨精度是运动件沿导轨运动时的直线性以及与其他机件或基面之间相 对位置的准确性；要求导轨的平直度、扭曲度和平行度的总和应小于导轨间 隙。 2 耐磨性决定导轨的磨损寿命，耐磨性是保持导轨工作质量的关键。 3 刚度是导轨工作质量的主要指标；导轨间隙不能过大，否则影响油膜刚 度，对开式导轨还容易产生漂移。 4 运动的均匀性要求能准确定位，即在低速或重载时，不发生不均运的跳 跃式运动( 爬行) 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 液体静压导轨的分类 液体静压导轨按载荷不同，在结构形式上可分为开式液体静压导轨和闭式 液体静压导轨两种结构形式i 矧。 2 1 2 1 开式液体静压导轨开式液体静压导轨是指依靠运动件自重及外载荷来 保持运动件不从床身上分离，属于力封闭形式，即只承受单向载荷。开式液体 静压导轨往往只在导轨的一个方向上开有油腔，只能水平或倾斜一个较小的角 度放置。 开式液体静压导轨的特点如下： 1 承受正向载荷能力大； 2 承受偏载荷及颠覆力矩的能力较差，不能承受反向力； 3 结构简单制造调整容易。 开式液体静压导轨主要用在载荷分布均匀、偏载小、颠覆力矩小的水平放 置或仅有较小倾角的场合。 2 1 2 2 闭式液体静压导轨闭式液体静压导轨是指能够防止工作台与床身分离 的导轨。这种导轨不仅能够承受各个方向的载荷，而且具有承受很大倾覆力矩 的能力。在上、下或左、右各个方向上，闭式液体静压导轨都开有对置油腔。 闭式液体静压导轨的特点如下： 1 能够承受正、反方向的载荷，油膜刚度高； 2 承受偏载及颠覆力矩的能力较高； 3 加工制造及油膜调整较为复杂； 4 导轨本身的结构刚度要求较高，尤其副导轨的结构刚度要求较高； 5 一般采用不等面积的油腔结构。 闭式液体导轨主要应用于载荷分布不均匀、偏载大及有正、反方向载荷或 立式导轨等场合。 2 2 开式液体静压导轨的供油系统 由于，本文以1 0 米数控立式车床工作台为研究对象，此工作台只承受垂直 方向上的力，因此选用的是开式液体静压导轨。 液体静压导轨按供油方式的不同又可分为定压供油系统和定量供油系统两 大类。因此，本节将主要介绍开式液体静压导轨的定压和定量两种供油系统。 堕玺鎏墨：奎兰三茎堡圭茎堡丝兰 液体静压导轨中各独立的承载部分被称为油垫，油垫由油腔、封油边和进 油孔所组成。开式液体静压导轨有多个油垫，每个油垫的供油方式、工作原理 都相同，因此下面以单油垫供油原理来说明整个系统的工作原理。 2 2 1 开式液体静压导轨的定压式供油系统 所谓定压供油系统，即用一个输出压力基本保持不变的油泵，同时向导轨 所有油腔供油的系统。开式液体静压导轨的定压供油系统主要由电动机、油 泵、溢流阀、过滤器、节流器及油箱等设备组成，如图2 1 所示【2 4 j 。油泵的供 油压力依靠溢流阀来调节以保持恒定，各油腔的进油孔前必须设有液阻器，一 般称为节流器。节流器具有压力调节作用，是压力补偿元件。 图2 1 中，l 为电动机，2 为变量泵，3 为精滤油器，4 为进油孔，5 为工 作台，6 为油箱，7 为粗滤油器，8 为节流器，9 为溢流阀。 图2 1 定压供油开式静压导轨供油原理框图( 单油垫) f i g 2 一lt h ec o n s t a n tp r e s s u r eo i ls u p p l ys y s t e mo f o p e n e dh y d r o s t a t i cs l i d e w a y 2 2 2 开式液体静压导轨的定量式供油方案 定量供油静压导轨是指在工作中向导轨上各个油腔始终供应流量恒定的压 力油的静压导轨。每一个油腔需要连接一个定量泵，或者公用一个定量泵，再 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 通过定量分油器分别向各个油腔供应流量恒定的压力油。定量供油开式液体静 压导轨其组成主要包括两部分：液体静压导轨的本体和供给压力油的液压供油 装置。 基于定量供油方式的开式静压导轨单油垫供油原理如图2 - 2 所示。图中， 1 为电动机，2 为油泵，3 为精滤油器，4 为进油孔，5 为工作台，6 为油箱，7 为粗滤油器。 图2 - 2 定量供油开式静压导轨供油原理图 f i g 2 - 2t h e c o l l b 蛐tf l u xo i ls u p p l ys y s t e mo f o p e n e dh y d r o s t a t i cs l i d e w a y 定量供油开式液体静压导轨工作流程为：首先启动电动机1 ，电动机l 带动 油泵2 开始供油，油泵2 将油从油箱6 中抽出，经粗虑油器7 和精虑油器3 向进油 口4 ( 若为定压供油方式则需在此处放置节流器) 提供压力油，当导轨面上有 足够的总压力平衡运动件的重量时，支承的上表面被浮起，此时在液体静压导 轨上、下面之间的间隙为，多余的油液经封油边流回油箱6 。 当作用在液体静压导轨上表面的载荷形增大时，油膜厚度减小，导轨面 间的油液外流液阻增大，但由于定量供油的流量不变，故油腔的压力升高，从 而使工作台处于新的平衡状态。反之，当作用在液体静压导轨上表面载荷形减 小时，油膜厚度增大，导轨面间的油液外流的液阻减小，但由于定量供油的 流量不变，故油腔的压力降低，从而使工作台处于新的平衡状态 2 5 2 6 1 2 7 1 。 从图2 1 和图2 2 可知，定量供油系统与定压供油系统相比不具有溢流阀 哈尔滨理t 大学工学硕f ：学位论文 和节流器。 2 2 3 液体静压导轨供油系统的选取 液体静压导轨的定压式供油和定量式供油系统的性能存在较大的差异， 即： 1 当采用定压供油式静压导轨时，油泵供油压力比油腔压力高。通过节流 器产生压力降，从而产生热量；要维持供油压力，溢流阀一定要有溢流，这部 分溢流既消耗功率，又产生热量，最终导致油温升高。当油温升高时，机床易 产生热变形，降低了机床精度，甚至会使静压导轨不能正常工作。当采用定量 供油式静压导轨时，全流量的供油方式没有压力降，若为多头泵供油也没有溢 流，故温升小。 2 当采用定压供油式静压导轨时，外界尘埃、运转中剥离下的金属、油中 析出杂质、大件内腔中一些残存的脏物等都会使油污染；节流器一旦堵塞，油 腔失压破坏静压；机床越大，循环的油越多。当采用定量供油式静压导轨时， 由于没有节流器，也就没有因堵塞使油腔失压的危险。所以，定量供油式静压 导轨的工作可靠性比带有节流器( 阻尼器) 的定压供油式静压导轨系统要高。 3 就油膜刚度而言，定量供油静压导轨比有反馈的定压供油式静压导轨要 差一些，但比有固定节流器的定压供油式静压导轨要高得多。 4 当采用定压供油式静压导轨时，由于工件质量不均匀，基础件刚度有 限，卡紧力会引起局部变形，这将导致基础件加工精度、粗糙度和安装调试的 稳定性均难以达到；由此，导轨上各个油腔压力不可能均匀，若某个油腔达到 ( 或接近) 油泵压力时，静压就无法建立。当采用定量供油式静压导轨时，可 以不装溢流阀，只要有足够的流量，就能够保持导轨之间脱离接触，形成纯液 体摩擦，此时系统具有压力储备大和过载能力强的特点。 5 定量供油式静压导轨较定压供油式静压导轨维护相对方便。 从以上的分析可以看出，定量供油系统与定压供油系统相比具有工作可 靠、发热量小及支承油膜刚度稳定等优点，因而本文的开式液体静压导轨选用 定量供油系统。 2 3 定量供油开式液体静压导轨油膜的特性 油膜刚度和承载能力是液体静压导轨的两个基本性能指标，其值直接影响 着液体静压导轨的性能。油膜刚度是指油膜抗载荷变动的能力；承载能力是指 哈尔滨理下大学丁学硕 学位论文 在一定油膜厚度的前提下，油膜压力作用于被支承件表面所能负担的外载荷， 油膜厚度必须使油垫和被支承件的表面互不接触。 可见，液体静压导轨的油膜厚度是影响导轨的油膜刚度和承载能力这两个 技术参数的主要因素。 2 3 1 油膜厚度的计算 数控立式车床的工作台采用的是开式液体静压圆导轨， 工作台、轴的自重g 台和工件重量g 件由导轨承担。 设在圆导轨上有z 个油腔，则单个油腔的设计载荷为： = i 1 ( 吒+ g = p o a 主要承受径向力， ( 2 1 ) 式中最油腔压力 对于圆导轨，由于其直径相对于油腔的径向宽度很大，油腔数目又比较 多，所以可把扇形油垫简化为矩形油垫，如图2 3 所示。 6占 r f 工 a ) 扇形油垫 b ) 矩形油垫 图2 - 3 单油垫有效承载面积的示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i n g l ec e l le f f e c t i v eb e a r i n g 抛 单油垫的有效面积以为： 4 = 三( 工+ f x b + 6 ) ( 2 - 2 ) 式中三= ( 置+ 蜀) 仍； 晴尔滨理t 大学1 = 学硕士学位论文 b = r - - & ； ，= ( 恐+ b ) 仍； b = 马一是 在轴向载荷作用下，工作台平移了距离，此时油膜厚度| i ，为： h = 一 ( 2 3 ) 式中空载时的油膜厚度 油泵输出的油充满了油腔，并经封油边( 克服出油液阻) 而流出，油压由 p 降为零。当所需的油腔压力和油膜厚度已定，及油膜黏度己知时，单油垫的 流量为： q f f i 害( 茜+ 筹) c 2 4 ， 式中油膜的黏度o p 油腔压力 在一定的供油量下，油膜厚度h 与油腔压力p 的关系如下： h =( 2 5 ) 当工作台设计完成后，工作台的尺寸为定值，油垫的有效面积允就为定 值；根据工作需要选取机械油，黏度就确定了( 虽然油温变化可以引起黏度 细微的变化，但在工程技术计算中一般认为为常数) 。当车床的型号及工作 台的承载确定后，油膜厚度h 可根据经验选取一个最优的变化范围。由此可 见，在工作过程中如果h 超出了这个变化范围，可通过位移传感器和压力传感 器检测出油膜厚度的变化情况，然后可通过调整电动机的转速来调整油泵的流 量q 以保证油膜厚度h 在最优的范围内变化。 2 3 2 承载能力和油膜刚度 导轨上单油垫的承载能力为： 竺玺鋈矍三奎三二茎堡土耋堡丝兰 w = 以 堑望 h 3 ( 坐+ 业1 b bl - 1 7 i ( l + t 删) ：! 坐望! ! 二! 基堡二芝1 2 h 3 【( r 1 2 ) + ( 曰2 6 2 ) 】 ：丝c h 式中c 结构参数，即 ( 2 - 6 ) c 二黑生墼粤妥( 2 - 7 ) i = = 一 。2 ( r 一，2 ) + ( b 2 6 2 ) 】 由式( 2 - 6 ) 可知，在定量式供油系统中，导轨的承载能力不仅与定量泵 流量及导轨的几何形状有关，还和油的黏度有关。因此，当油温升高时，油的 黏度降低，油膜厚度相应减小。 每个油腔的油膜刚度s 为： s = 一刳a w = 学c = 孚 ( 2 - 8 ) 整个导轨在轴向力形作用下的油膜刚度为： 唧：嚣：_ 3 z w ( 2 9 ) 厅 式中：油垫的个数 由式( 2 - 9 ) 可知，在定量供油开式液体静压导轨中，当外载和油膜厚度 一定时，刚度恒定。 对于开式导轨，外载荷决定油腔压力。当外载荷增加时，油腔压力也随之 增加，由于是定量式供油，油膜厚度就相应地减小了。因此，在设计时必须确 定油膜的最小允许厚度，以保证导轨处于纯液体润滑状态。 一般要使满载时能保持完全的液体润滑且刚度较大，而空载时的刚度又不 要下降过多，因此油膜厚度应按满载和空载分别计算。 哈尔滨理t 大学t 学硕一l 。学位论文 2 4 本章小节 本章主要介绍了液体静压导轨及其供油系统基本理论。 首先，本章介绍了液体静压导轨的定义、特点、分类：并得到了定量供油 静压导轨与定压供油静压导轨相比，具有工作可靠、发热量小及支承油膜刚度 稳定等优点的结论。因此，选用定量供油开式液体静压导轨作为研究对象。 然后，对定量供油开式液体静压导轨的供油方案和油膜厚度计算进行了介 绍，分析了油膜厚度和供油量、油膜刚度问的关系。最终，确定了以定量式供 油开式液体静压导轨为研究对象，对其供油系统进行改造。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 第3 章异步电动机的矢量变频调速技术 本章将介绍变频调速原理和异步电动机的动态数学模型，重点介绍了矢量 变频调速原理及其在异步电动机调速技术中的应用，给出了异步电动机基于矢 量变频调速技术的动态数学模型。 3 1 变频调速技术 3 1 1 变频调速的基本原理 异步电动机，特别是三相鼠笼式电动机，由于结构简单牢固、价格便宜、 运行可靠等特点，在交流传动领域得到了广泛的应用。三相交流异步电动机的 转速为： 一：啊( 1 - s ) ：6 0 石( 1 一j ) 1 3 1 ) ，玎 式中厅异步电动机的实际转速，d m m 。 z 电源频率，胁； j 异步电动机的转差率； 埘异步电动机的极对数； 异步电动机的同步转速，m i n 由式( 3 1 ) 可知，异步电动机的调速方法可分为两大类： 1 在异步电动机旋转磁场同步转速喝恒定的情况下，调节电动机的转差率 j ： 2 在异步电动机的转差率s 恒定的情况下，调节电动机的同步转速强。 异步电动机改变转差率j 的调速方法主要包括调压调速、转子串电阻调 速、串级调速等。这类调速方法简单，易于实现。但异步电动机在调速过程中 存在转差功率损失的缺点，转差功率损失可表示为： = 叱 ( 3 2 ) 式中只转差功率损失； 哈尔滨理t 大学t 学硕l 学位论文 己异步电动机从定子传入转子的电磁功率 由( 3 - 2 ) 可知，这类调速方法是以转差功率的消耗来换取转速的降低， 而且越向下调速，效率越低。 异步电动机改变同步转速的调速方法主要包括变极调速和变频调速两种 调速方法。这类调速方法都是在的转差率s 恒定的情况下，通过调节电动机的 旋转磁场同步转速喝来实现的。由于转差率s 始终保持恒定，因此，这类调速 方法的转差功率基本不变，几乎没有转差功率损失，只有电机铜损部分的消 耗，属于高效率的调速方法。 变频调速方法是异步电动机高效调速方法的典型，它既能实现异步电动机 的无级调速，又能根据负载的特性，通过调节电压与频率之间的关系，可使电 动机始终运行在高效率区，并保证良好的运行特性。异动步电机采用变频调速 技术还能显著改善其起动性能，大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转 矩，加宽调速范围、提高力矩性能指标。可以说，变频调速是异步电机较为理 想的调速方法【2 8 1 1 2 9 1 。 3 1 2 变频器的结构 异步电动机的定子采用变频电源供电便构成了变频调速系统，这种调速系 统具有高效率和高性能的优点。变频器给电动机定子提供频率可变的电源，是 变频调速系统的核心部分【划。 变频器( 也称变频调速装置) 一般由主电路和控制电路组成，其中主电路 由整流器、逆变器、中间直流环节等构成。变频器的基本结构如图3 1 所示。 图3 - 1 变频器基本组成框图 f i g 3 - 1s t r u c t u r a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n v e r t e r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 整流器：把电网侧的三相( 也可是单相) 交流电整流变成直流电。 2 逆变器：最常见的形式是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变 电路；逆变器中电力电子器件的通与断受控制电路指令的控制，将直流电逆变 成所需频率的交流电输出，并驱动负载。 3 中间直流环节：无论电机是处于