劉本剛，張云鵬，趙 丹

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

0 引言

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

1 機床主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)

傳統(tǒng)主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)一般由控制器(通常是PLC)、電機、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)測到機床驅(qū)動系統(tǒng)上電后，控制接觸器閉合使電機通電帶動循環(huán)泵工作；循環(huán)泵將油冷空調(diào)冷卻后的潤滑油經(jīng)油管送至主軸齒輪箱起到齒輪傳動潤滑和冷卻的作用，同時將齒輪箱底部的潤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；油冷空調(diào)為齒輪箱流回的潤滑油快速冷卻。主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)如此循環(huán)工作，直到控制器監(jiān)測到機床驅(qū)動系統(tǒng)下電或異常信號后立即控制主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)停止工作，若監(jiān)測到異常信號，同時發(fā)送報警信號并通知機床控制系統(tǒng)停機，直至機床驅(qū)動系統(tǒng)重新上電或異?；謴?fù)。其中，異常信號包括電機過載(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。

現(xiàn)有潤滑方式滿足了主軸齒輪箱潤滑基本需求,但存在以下問題：①實際生產(chǎn)應(yīng)用中大多數(shù)機床主軸平均利用率不足55%，但機床驅(qū)動系統(tǒng)上電后不論主軸是否工作，主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)一直持續(xù)運行，無效運行期間潤滑油循環(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)測到主軸側(cè)潤滑油溫度高時主動報警并使機床停機，但油溫升高至溫度傳感器觸發(fā)油溫高信號這段時間內(nèi)齒輪傳動一直處于欠潤滑甚至無潤滑運行狀態(tài)，易損壞齒輪副和導(dǎo)致主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度；③無法及時自診斷潤滑油泄漏問題；④難于合理安排潤滑油更換周期，無法有效保障主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)的潤滑油品質(zhì)和最佳潤滑效果。

2 機床主軸齒輪箱智能潤滑控制方法

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

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

當(dāng)控制器(PLC)監(jiān)測到機床驅(qū)動系統(tǒng)上電信號后立即啟動主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)工作，并等待機床主軸轉(zhuǎn)動指令，若在規(guī)定時間未監(jiān)測到主軸轉(zhuǎn)動指令則關(guān)閉主軸齒輪箱潤滑系統(tǒng)，直到再次監(jiān)測到機床驅(qū)動系統(tǒng)上電信號或主軸轉(zhuǎn)動指令時重新啟動潤滑系統(tǒng)工作；若潤滑系統(tǒng)工作期間，控制器監(jiān)測到主軸停指令或機床驅(qū)動系統(tǒng)下電信號，則延時一定時間后關(guān)閉主軸齒輪箱潤滑系統(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)測到異常信號則立即關(guān)閉潤滑系統(tǒng)，同時請求機床控制系統(tǒng)立即停機以最快速度使主軸齒輪箱齒輪停止轉(zhuǎn)動，并發(fā)出報警信號和診斷信息，直至控制器(PLC)監(jiān)測到報警已清除才再次啟動上述工作循環(huán)。

3 潤滑系統(tǒng)智能防護與異常報警處理

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

具體而言，潤滑油油位異常報警是指控制器(PLC)連續(xù)監(jiān)測油冷空調(diào)油箱內(nèi)潤滑油油位變化，若發(fā)現(xiàn)在一定時間內(nèi)下降值超過正常預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)立即觸發(fā)潤滑油泄漏報警以及時檢修防止事態(tài)進一步惡化；潤滑油流量異常報警是指控制器(PLC)實時監(jiān)測潤滑油循環(huán)流量，任何時間流量變小或大于正常閾值，系統(tǒng)立即觸發(fā)潤滑報警，防止機床主軸齒輪箱齒輪傳動系統(tǒng)欠潤滑或過潤滑運行；主軸側(cè)潤滑油油溫高報警是指控制器(PLC)實時監(jiān)測主軸齒輪箱側(cè)油溫，一旦油溫升高并超過預(yù)定值，系統(tǒng)立即觸發(fā)潤滑系統(tǒng)溫度異常報警，防止進一步損壞機床主軸齒輪傳動系統(tǒng)；潤滑油品質(zhì)異常報警是指控制器(PLC)實時監(jiān)測潤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，將立即報警并提示更換潤滑系統(tǒng)中的潤滑油，以保障潤滑油品質(zhì)；電機過載報警是指控制器(PLC)監(jiān)測到電機工況異常潤滑系統(tǒng)停止后，系統(tǒng)立即報警并請求機床控制系統(tǒng)及時停止主軸轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)語

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