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液靜壓止推軸承油膜厚度閉迴路控制之研究

摘要"

液靜壓軸承因具有低摩擦、高剛性、壽命長等優點故廣泛應用於工具機主軸、加工機導軌等重負載的領域。而影響液靜壓軸承剛性的主要元件即為節流器,本研究將嘗試以伺服閥代替傳統節流器來建立伺服液靜壓止推軸承系統,並於500~1200kgf動態負載變化下比較傳統PID以及模糊滑動控制(Fuzzy Sliding Mode Controller, FSMC)等二種控制器,探討並比較其控制性能的差異。

關鍵詞:液靜壓軸承、伺服液壓系統、伺服閥、模糊滑動控制器

緒論

現代工業發展相當迅速,伴隨而來的是對於高精度以及重負載之需求也日益增大,軸承的選擇也就顯得十分重要。例如在工具機上,軸承直接影響到加工效率以及受加工件的表面粗糙度;又如在起重機械中,必須確保在高度負載下能夠保有正確的旋轉運動。軸承運動的過程中,摩擦力的影響最為明顯,除了會加速磨耗之外,還會造成微量的熱變形,導致誤差量增大,因此,近年來軸承的研發逐漸朝向磁浮軸承、液體軸承及氣體軸承等領域發展。其中,液體軸承在接觸面以油膜作為支撐,達到零接觸之優勢,並且毋須再進行其它潤滑,具有高耐久壽命、高承載力、高剛性、高精度優點,故在業界使用相當廣泛。本文的研究動機說明如下:在液靜壓軸承上,節流器的選擇將直接影響到其性能表現,傳統節流器大多為根據壓差(ΔP)來調節流量,並且因為無準確的油膜厚度控制,在負載產生變化時,將會有較大的誤差產生,且在運轉的過程中,油膜厚度也會因為油溫的升高而膨脹變大,因此需要投入更多的冷卻設備來維持油溫,伺服閥相較於傳統節流器具有更高的響應速度,並且可藉由閉迴路線性或非線性控制器進行目標油膜厚度的精準控制,具有更高的抗外在干擾能力,因此在整體性能上將更具有優勢。

液靜壓軸承簡介

液靜壓軸承主要仰賴外部之供油裝置,經由節流器調變流量,在軸承中填充液壓油來達成滑動軸承,由於液壓油有潤滑性與不可壓縮性之特點,在應用上具有高使用壽命、高剛性等優勢。以下將簡介液靜壓軸承的工作原理:液靜壓軸承主要是藉由外部液壓系統將液壓油強制送入軸承座與主軸之間,使油腔內部充滿液壓油,並且藉由液壓油之黏滯力在軸承面與主軸間形成薄膜,以作為支撐的介質,進而使主軸懸浮,並與軸承座相距一定油膜厚度,如圖1所示。油膜厚度在主軸負載的作用下將受到壓縮變小,同時油腔內部壓力增加,使得主軸能夠保持在平衡狀態工作。由於無直接接觸,使得整體可在無摩擦力作用下進行傳動。
液靜壓軸承的供油系統可分為兩種,如圖2所示,分別為定流量供油系統(constant flow rate)以及定壓力供油系統(constant supply pressure),這二種供油系統的比較如下述。值得一提的是:本研究將採用定壓力供油系統。
1.定流量供油系統(Q=constant) 
(1)一個油泵只供給一個油腔。
(2)流量之輸出多寡決定油腔之壓力。
(3)使用多油泵,因此成本高且設備複雜。
2.定壓力供油系統(P=constant)
(1)一個油泵供給所有的油腔。
(2)以節流器調變油腔之壓力。
(3)價格低廉且安裝容易。
至於本研究所使用之伺服閥類型亦稱作伺服比例閥(Servo Proportional Valve),結構示意圖如圖3所示,相較於傳統伺服閥,其內部結構是以比例線圈搭配LVDT感測閥芯位移來達到流量輸出控制,因此閥本身即為閉迴路控制系統,具有高響應、高精度等優點,與傳統伺服閥具有相同的特性。

控制理論介紹

本文將首先針對本研究中伺服閥控制所使用的二種控制器,分別為PID以及模糊滑動控制(FSMC)控制器的相關理論進行說明介紹。

PID控制器具穩定性高、結構簡單易於調整之優點,至今仍為工業界中常被使用之控制器。其系統方塊圖如圖4所示,控制結構包含了三個控制元件:
(1).P比例控制元件:與誤差訊號成比例補償關係。
(2).I積分控制元件:補償量隨時間增大,直至消除穩態誤差為止。
(3).D微分控制元件:與誤差變化率成正比關係...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

 

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