一种以机床主轴转速为变量的冷却液伺服供给系统

王冠军，郑凯

(西安交通工程学院，陕西 西安 710300)

机床冷却液供给系统在工业设备、机械加工中应用广泛。机床冷却液供给系统的市场需求在不断增大，但传统的冷却液供给系统无法根据机床加工的实际情况主动调整供给流量，在实际使用中需要操作人员根据经验进行冷却液的流量控制，造成了控制不够灵活等问题[1-2]，特别是在精密机床与精密零件的加工中极易造成冷却液供给不必要的流量损失。本文设计了一种以机床主轴转速为变量的冷却液伺服供给系统，以期改良传统冷却供给系统的不足。

1.1 传统冷却液供给系统的结构

传统的机床冷却液供给系统主要由冷却液箱、冷却液泵、出水管道、回水管道、开关、喷嘴等部分组成[3-4]。传统机床冷却液供给系统的结构如图1所示，对应的技术参数如表1所示。

表1 传统机床冷却液供给系统的技术参数

1.2 传统冷却液供给系统的性能分析

图2为液供给系统原理图。由图2可知，传统冷却液供给系统的输出流量主要取决于泵的转速与功率[5-9]。这样的冷却系统无法根据加工要求，如刀具、工件的加工速度进行调整，只能依赖于操作人员的经验。这不仅给冷却液的合理供给增加了难度，同时在精密机床与精密零件的加工中，造成了不必要的流量损失，降低了系统的使用效率。

图2 液供给系统原理图

在分析原有冷却液供给系统的基础上，新系统将机床主轴的转速作为变量参数。将转速变量经传感器采集并经过速度变送器转化后，对应输出为一定比例大小的电流信号。最后，将电流信号输入到以电磁比例换向阀为控制核心的比例伺服供给系统，完成输出。新系统的设计思路如图3所示。

图3 新系统的整体框图

2.1 主轴转速检测电路

检测电路选用霍尔式转速传感器，经补偿电路补偿后，输出稳定的电压信号[9]，如图4所示。

图4 主轴转速检测电路

2.2 检测信号的变送

由2.1输出的电压信号，经变送器转化后输出标准的4～20 mA电流信号。电压信号的变送过程如图5所示。

图5 检测信号的变送

本文选取台湾某公司TAIK系列S4-RT型速度变送器，依据其使用说明节选了低速、中速、高速3种速度模式下被测转速与变送电流的对应关系，如表2所示。注意：不同类型的速度变送器，其被测转速与变送电流的关系会有差别，技术人员可以结合具体的工程来选择。

表2 主轴转速与变送电流(部分)

2.3 伺服供给系统的基本原理

将2.2中变送后的电流信号作为控制变量，输入到电磁比例换向阀的输入端，最终通过比例液压伺服系统实现流量控制[10-11]。比例伺服供给系统如图6所示。

图6 比例伺服供给系统

本文以PID算法中的比例环节为基础，选用Micro-chip公司具有较高响应速度的DSPIC30F2010数字信号处理器为控制核心进行控制。

如图7所示，控制系统的主要功能是，通过速度传感器得到速度变化，同时通过比例反馈环节向比例换向阀输入适当强度的电流，完成系统流量的控制，进而达到提高系统稳定性、实现自适应调节的目的。

图7 控制系统流程

由上文可知以电流信号为控制变量，可通过比例液压伺服系统实现流量控制。本文运用AMESim软件建立了冷却液伺服供给系统的仿真模型，模拟了在不同变量(电流)控制信号下的冷却液输出过程，并得到了相应的流量曲线。

本文运用AMESim软件，通过绘制系统草图、建立子模型、参数设置、运行仿真4个环节，进行了仿真实验。

4.1 系统仿真模型的建立

1)绘制系统图。分别从“Signal,Control”电子器件库、“Mechanical”机械库选取相应的“元件”进行系统草图的绘制；
建立子模型[12]。

2)选择“首选子模型”赋予“元件”具体的物理特性。本系统所用“元件”均来自于AMESim软件的标准库。

3)设置参数。为各个“子模型”设置参数，就是为子模型中的系数赋予具体的“值”[13]。

4)运行仿真。查看相应元件仿真结果，绘制动态曲线。所建立的仿真模型如图8所示。

1—介质属性；
2—液压马达；
3—速度传感器；
4—转轴；
5—比例换向阀；
6—冷却液箱；
7—冷却液泵；
8—泵电机；
9—溢流阀；
10—比例反馈环节。

4.2 系统仿真模型的参数设置

该步骤的主要任务是为各个子模型设置参数，也就是为上一步设定的方程组中的系数赋予具体的值。以文中表1与表2的技术参数为基础，依次设置相应元件的参数。具体的参数设置如表3所示。

表3 仿真系统的参数设置

4.3 系统仿真结果与分析

依照表3对相应元件的参数进行设置后，就可以对系统进行运行仿真并得到运行结果，判断系统的可行性[13]。

1)低速、中速、高速3种模式独立运行

将低速(4 mA)、中速(15 mA)、高速(20 mA)3种电流信号，依次独立输入到“伺服供给系统”进行仿真，运行时间均为10 s。3种模式独立运行的输出流量曲线如图9所示。

图9 低速、中速、高速独立运行的仿真结果

由图9可知，该系统在相应控制信号(电流)的控制下，能够持续稳定输出与控制信号(电流)成正比例的供给流量，实现伺服供给。

2)低速、中速、高速3种模式连续运行

将表2中的低速(4 mA/6 mA)、中速(10 mA/15 mA)、高速(17 mA/20 mA)，共6个电流信号，以一定周期及一定顺序连续输入到“比例伺服供给系统”进行仿真。本文主要研究以下2种连续运行的情况：递增模式，主轴由低速工作状态向高速工作状态转变；
递减模式，主轴由高速工作状态向低速工作状态转变。

①递增模式

将表2中的低速(4 mA/6 mA)、中速(10 mA/15 mA)、高速(17 mA/20 mA)这6个控制变量(电流)信号，按照递增关系，相隔5 s依次连续输入到比例伺服供给系统进行仿真，主轴转速连续递增时的输出流量曲线如图10所示。

图10 主轴转速连续递增时的输出流量曲线

②递减模式

将表2中的高速(17 mA/20 mA)、中速(10 mA/15 mA)、低速(4 mA/6 mA)这6个控制变量(电流)信号，按照递减关系，相隔5 s依次连续输入到比例伺服供给系统进行仿真，主轴转速连续递减时的输出流量曲线如图11所示。

图11 主轴转速连续递减时的输出流量曲线

由图10、图11可知，该系统在相应控制信号(电流)的连续控制下，依然能够持续稳定输出与控制信号成正比例的供给流量，实现伺服供给。

本文针对传统冷却液供给系统调整不够灵活的问题，将机床主轴转速作为变量，通过传感器与变送器将主轴转速转化为易于控制的电信号。在完成电信号转化的基础上，以电磁比例换向阀为控制核心设计了冷却液伺服供给液压系统，并利用AMESim软件进行了系统仿真。通过系统仿真，证实新系统在控制信号的单独控制与连续控制中，都能够输出与主轴转速(电流控制信号)成正比例的液体流量。

本设计提高了冷却液供给系统的使用效率，减少了不必要的流量损失，增强了冷却液供给系统的适用性，同时为多个冷却系统的联合使用及一体化控制提供了思路。