數(shù)控機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑控制方法

劉本剛，張?jiān)迄i，趙 丹

(1.沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110034；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

對(duì)于數(shù)控機(jī)床，特別是重型強(qiáng)力切削機(jī)床而言，主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要功能是維持齒輪副表面之間形成相對(duì)穩(wěn)定的油膜以減小齒輪傳動(dòng)摩擦和吸收部分振動(dòng)，同時(shí)對(duì)主軸齒輪箱進(jìn)行冷卻減小齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)熱變形，避免低速重載下齒輪咬合和點(diǎn)蝕破壞，是機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)中的重要組成部分，因此主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)能否高效、可靠地運(yùn)行直接影響機(jī)床的主軸運(yùn)動(dòng)特性和零件的加工精度。本文針對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸齒輪箱潤(rùn)滑存在的持續(xù)無效運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行可靠性差等問題，提出了一種基于潤(rùn)滑系統(tǒng)工作狀態(tài)和潤(rùn)滑油品質(zhì)在線感知的機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑控制方法。

1 機(jī)床主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)

傳統(tǒng)主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)一般由控制器(通常是PLC)、電機(jī)、循環(huán)泵、輸油管、油冷空調(diào)、溫度傳感器、空氣開關(guān)和接觸器等組成。控制器監(jiān)測(cè)到機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電后，控制接觸器閉合使電機(jī)通電帶動(dòng)循環(huán)泵工作；循環(huán)泵將油冷空調(diào)冷卻后的潤(rùn)滑油經(jīng)油管送至主軸齒輪箱起到齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑和冷卻的作用，同時(shí)將齒輪箱底部的潤(rùn)滑油回送到油冷空調(diào)，使?jié)櫥驮谥鬏S齒輪箱和油冷空調(diào)之間循環(huán)流動(dòng)；油冷空調(diào)為齒輪箱流回的潤(rùn)滑油快速冷卻。主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)如此循環(huán)工作，直到控制器監(jiān)測(cè)到機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下電或異常信號(hào)后立即控制主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)停止工作，若監(jiān)測(cè)到異常信號(hào)，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)并通知機(jī)床控制系統(tǒng)停機(jī)，直至機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重新上電或異常恢復(fù)。其中，異常信號(hào)包括電機(jī)過載(空氣開關(guān)跳閘)、油冷空調(diào)工作異常和主軸齒輪箱油溫過高(溫度傳感器觸發(fā))信號(hào)。

現(xiàn)有潤(rùn)滑方式滿足了主軸齒輪箱潤(rùn)滑基本需求,但存在以下問題：①實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中大多數(shù)機(jī)床主軸平均利用率不足55%，但機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電后不論主軸是否工作，主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)一直持續(xù)運(yùn)行，無效運(yùn)行期間潤(rùn)滑油循環(huán)產(chǎn)生額外熱負(fù)荷，增加油冷空調(diào)等工作負(fù)載；②控制器監(jiān)測(cè)到主軸側(cè)潤(rùn)滑油溫度高時(shí)主動(dòng)報(bào)警并使機(jī)床停機(jī)，但油溫升高至溫度傳感器觸發(fā)油溫高信號(hào)這段時(shí)間內(nèi)齒輪傳動(dòng)一直處于欠潤(rùn)滑甚至無潤(rùn)滑運(yùn)行狀態(tài)，易損壞齒輪副和導(dǎo)致主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度；③無法及時(shí)自診斷潤(rùn)滑油泄漏問題；④難于合理安排潤(rùn)滑油更換周期，無法有效保障主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油品質(zhì)和最佳潤(rùn)滑效果。

2 機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑控制方法

為解決上述問題，本文提出了一種機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑控制的控制方法，以提高主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性。

機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑系統(tǒng)包括控制器(PLC)、電機(jī)、循環(huán)泵、油管、油冷空調(diào)、連續(xù)油位傳感器、潤(rùn)滑油品質(zhì)傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、空氣開關(guān)、接觸器和電抗器。其中，電機(jī)過載信號(hào)(空氣開關(guān)輔助觸點(diǎn))、油冷空調(diào)工作狀態(tài)(是否故障)和連續(xù)油位檢測(cè)傳感器信號(hào)、潤(rùn)滑油品質(zhì)傳感器信號(hào)、流量傳感器信號(hào)以及溫度傳感器信號(hào)接入控制器(PLC)輸入模塊；接觸器線圈連接控制器(PLC)輸出模塊；電機(jī)帶動(dòng)循環(huán)泵使?jié)櫥徒?jīng)油管在油冷空調(diào)和機(jī)床主軸齒輪箱之間循環(huán)流動(dòng)。

當(dāng)控制器(PLC)監(jiān)測(cè)到機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電信號(hào)后立即啟動(dòng)主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)工作，并等待機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)指令，若在規(guī)定時(shí)間未監(jiān)測(cè)到主軸轉(zhuǎn)動(dòng)指令則關(guān)閉主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)，直到再次監(jiān)測(cè)到機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電信號(hào)或主軸轉(zhuǎn)動(dòng)指令時(shí)重新啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作；若潤(rùn)滑系統(tǒng)工作期間，控制器監(jiān)測(cè)到主軸停指令或機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下電信號(hào)，則延時(shí)一定時(shí)間后關(guān)閉主軸齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)，如此反復(fù)循環(huán)。其中，上述任何環(huán)節(jié)中若控制器一旦監(jiān)測(cè)到異常信號(hào)則立即關(guān)閉潤(rùn)滑系統(tǒng)，同時(shí)請(qǐng)求機(jī)床控制系統(tǒng)立即停機(jī)以最快速度使主軸齒輪箱齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)和診斷信息，直至控制器(PLC)監(jiān)測(cè)到報(bào)警已清除才再次啟動(dòng)上述工作循環(huán)。

3 潤(rùn)滑系統(tǒng)智能防護(hù)與異常報(bào)警處理

機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自主診斷以下異常信號(hào)：潤(rùn)滑油油位異常、潤(rùn)滑油流量異常、主軸側(cè)潤(rùn)滑油油溫高、潤(rùn)滑油品質(zhì)異常和電機(jī)過載。

具體而言，潤(rùn)滑油油位異常報(bào)警是指控制器(PLC)連續(xù)監(jiān)測(cè)油冷空調(diào)油箱內(nèi)潤(rùn)滑油油位變化，若發(fā)現(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)下降值超過正常預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)立即觸發(fā)潤(rùn)滑油泄漏報(bào)警以及時(shí)檢修防止事態(tài)進(jìn)一步惡化；潤(rùn)滑油流量異常報(bào)警是指控制器(PLC)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油循環(huán)流量，任何時(shí)間流量變小或大于正常閾值，系統(tǒng)立即觸發(fā)潤(rùn)滑報(bào)警，防止機(jī)床主軸齒輪箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)欠潤(rùn)滑或過潤(rùn)滑運(yùn)行；主軸側(cè)潤(rùn)滑油油溫高報(bào)警是指控制器(PLC)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸齒輪箱側(cè)油溫，一旦油溫升高并超過預(yù)定值，系統(tǒng)立即觸發(fā)潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度異常報(bào)警，防止進(jìn)一步損壞機(jī)床主軸齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)；潤(rùn)滑油品質(zhì)異常報(bào)警是指控制器(PLC)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油中混入金屬粉末、水等雜質(zhì)，一旦超過設(shè)定的臨界值，將立即報(bào)警并提示更換潤(rùn)滑系統(tǒng)中的潤(rùn)滑油，以保障潤(rùn)滑油品質(zhì)；電機(jī)過載報(bào)警是指控制器(PLC)監(jiān)測(cè)到電機(jī)工況異常潤(rùn)滑系統(tǒng)停止后，系統(tǒng)立即報(bào)警并請(qǐng)求機(jī)床控制系統(tǒng)及時(shí)停止主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)語

本文提出了一種機(jī)床主軸齒輪箱智能潤(rùn)滑控制的控制方法，具有潤(rùn)滑油品質(zhì)、潤(rùn)滑油流量和潤(rùn)滑油液位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和異常自診斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床主軸齒輪箱高效可靠地按需潤(rùn)滑功能，有利于保障機(jī)床主軸齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命，同時(shí)對(duì)保障機(jī)床主軸的運(yùn)動(dòng)特性和零件的加工精度具有重要意義。