一、行业背景与技术需求
机械加工装备正朝智能化、自动化和高效能源利用方向发展，传统磨床导轨磨采用阀控技术，存在能源利用低、占地面积大以及换向平稳性差等缺陷。为满足越来越高的加工工艺性能要求与国家节能减排的相关政策，电液伺服泵控技术替代电液伺服阀控技术成为重要研究方向。平面磨床系统的能量利用率是磨床系统不可忽视的关键因素，平面磨床系统中设备带动导轨磨削占据了平面磨床85%的功率能耗，这对平面磨床系统的高性能控制提出了很高的要求。
《2026-2031年中国平面磨床行业发展趋势及竞争策略研究报告》围绕中国制造2025核心任务需求，响应国家"碳达峰"与"碳中和"的双碳目标，提高工程设备的能源利用率已经成为低碳制造系统中的一个重要组成领域。机械加工设备的发展与改进对工业生产具有重要的意义，研发能源友好型的机械加工设备，减少能源消耗和排放，符合可持续发展的要求，有利于保护环境和节约资源。随着制造业对零部件精度要求的提高，需要磨床具备更高的加工精度。为了提高平面磨床系统的加工精度，同时也符合国家节能减排的相关政策，对现有磨床液压系统进行设计，采用电液伺服泵控技术代替电液伺服阀控技术推动平面磨床工作台往复运动，不仅可以提高系统加工精度，可以减少工件装夹时间，降低加工工件的成本，而且可以大大降低系统能耗，提高能量利用率。
现在较为成熟的平面磨床液压系统采用阀控技术，通过调节电磁换向阀阀芯位置控制系统流量输出方向，进而控制平面磨床工作台移动方向，完成对工件的加工。平面磨床液压系统通过三相异步电机配合电磁换向阀控制流量输出，造成很严重的能量浪费，而且传统磨床液压系统通过换向阀换向时，阀控液压系统换向平稳性较差，导致工件需要花费很长时间装夹与加固，影响工作效率。由于平面磨床阀控技术通过原理上的改进对其能量利用率的优化极为有限，采用电液伺服泵控技术替换阀控技术，应用在平面磨床液压系统中，实现电液伺服泵控磨床设备的设计，降低平面磨床能耗，实现磨床高效运行。
二、平面磨床阀控系统的能量传递规律分析
平面磨床阀控液压系统在工作过程中，由于自身结构原因，系统工作中的能量以热能散失，能量利用率低。该系统主要由三相异步电机、变量泵、溢流阀、三位四通换向阀、单向阀、安全溢流阀等组成。当磨床工作台需要停止时，控制系统给出信号，换向阀处于中位，变量泵打出液压油进入油箱，工作台由于惯性继续前行，工作台压缩油液使得系统油压持续升高，液压缸右腔的液压油在达到溢流阀开启压力之前会被卸荷，并通过溢流阀进入油箱。制动过程中，将系统动能转化为热能，引起油液温升，再通过水塔给油液冷却，避免油液温升影响系统正常工作以及降低工件加工精度。
系统功率耗散分析是评估系统内部组件在运行时产生的热量以及系统整体的能源消耗情况的过程。平面磨床系统工作时能量在机械、液压、电气三者之间传递与转化，而能量在传递与转化过程中难免会发生损耗。除了各部分固有的能量损失，比如伺服电机因内阻而产生的损耗和电机吸收转矩分量引起的损耗，以及定量泵因自身泄漏和机械摩擦引起的损耗，还有液压缸在工作过程中因工况不断变化而引起的系统参数不匹配导致的能量损失。
通过键合图方法建立平面磨床系统机电液耦合模型，分析平面磨床系统的组成结构及其能量传递规律。电机作为系统的动力源，从供电处吸收电能转化为机械能，输出一定转速，驱动定量泵旋转，持续为系统提供流量。定量泵作为能量转化单元，将电机提供的机械能转化为液压能，为液压缸等执行元件使用。功能阀组作为系统的控制元件，管路中的油液通过功能阀组以不同的压力和流量进入液压缸中。液压缸作为系统执行机构，将液压能转化为机械能，进而实现工作台往复运动。工作台作为系统执行元件，液压缸内液压油推动工作台动作。
对磨床系统机理分析可知，磨床位于左位机能时，电机驱动定量泵输出油液，油压达到一定值后，溢流阀开启，剩余油液回流到油箱;磨床位于中位机能时，电机驱动液压泵使得油液全部回到油箱之中。系统启动过程中，电机保持全功率运转，溢流阀损失效率约占系统功率的10%，中位机能时，系统全部为无用功率，造成大量的能量损失。按照磨削速度为30米/分钟考虑，总效率为40%左右，因此系统约40%能量转化为热能散失。磨床系统工时，大约10%能量为溢流阀损失，约10%能量被系统本身的固有能量损失，约40%的能量为做功结束转化为热能损失。
三、平面磨床泵控系统的结构设计与工作模式
针对传统阀控磨床能量利用率低，系统耗能严重的问题，采用电液伺服泵控技术代替了传统磨床电液伺服阀控技术。平面磨床泵控系统液压系统主要由伺服电机、定量泵、过滤器、单向阀、溢流阀及液压缸组成;电气部分由A/D转化模块、控制器及驱动器、电容箱组成。系统工作分为三阶段组成，即工作阶段，能量回收阶段和补油阶段。
泵控磨床在工作运行中，将工作状态分为三阶段，分别为加速运行阶段、匀速工作阶段、制动发电阶段三部分组成。加速运行阶段，系统由控制器给出指令，以电信号传递给伺服驱动器，控制伺服电机输出转速;电机驱动定量泵将油液以高压油形式提供给系统;系统中油液经过过滤器过滤直接进入液压缸中，推动工作台移动，带动工件移动。匀速工作阶段，泵控磨床处于匀速工作状态时，电容箱内回收的能量大部分已经消耗完毕，系统能量主要由接入电源提供，以满足伺服电机高速运转，保证工作台的匀速运行。制动发电阶段，能量回收阶段回收能量为工作台以及工件的动能，工作台需要制动时，控制器给出电机反方向的转速指令，工作台以及工件由于惯性继续前进，将工作台以及工件的动能转化为液压能，油液带动定量泵将液压能转化为机械能传递给电机，电机将机械能转化为电能储存在电容之中。
平面磨床泵控系统能量回收工况具有以下特性：制动换向时间短，提高机床工作效率;制动冲击小，保证系统平稳运行增加使用寿命;制动距离短，减小磨床无效工作距离，提高磨床适用范围。
在确定泵控磨床液压系统的基本设计指标时，需要考虑系统的静态指标和动态指标。静态指标包括最大加速度、换向制动时间、减速制动距离等，而动态指标则包括频次、速度平稳性等。液压缸的技术参数要求行程10000毫米，最大压力1000千牛，速度0~0.8米/秒，压力控制精度不超过正负0.2兆帕，位置精度正负0.5微米。伺服电机型号选用额定速度3000转/分钟，额定转矩180牛·米，额定功率56.5千瓦。
针对磨床系统的能量回收方面，使用电容器回收系统中的动能。电容中可储存能量主要与电容容量及电容等效电压有关，以磨床系统一次磨削为例，磨床一次制动理论可回收能量为动能公式计算值。以系统制动时能量回收至电容箱的效率为50%，根据磨床最大负载25吨考虑，电容容量计算值为0.16法拉，实际电容以理论最大储存能量的2倍考虑，选用0.04法拉电容并联连接，电容组数量为8个。
四、平面磨床制动过程的控制策略优化
泵控磨床制动过程的控制策略涉及多个方面，通过调节液压系统的压力和流量，以实现制动过程的平稳进行;利用电气控制系统监测和调节泵控磨床的运行状态，通过对控制系统中的参数进行调节和优化，以实现制动过程的效率和性能最大化。
对于平面磨床换向系统，最终目标是为实现系统的平稳换向，实现平稳换向的关键性因素是实现系统的平稳制动。平面磨床加工工艺的要求通常涉及到加工精度、加工质量、加工效率和安全等方面。为确保泵控磨床系统加工精度，应保持系统持续输出油液，即系统转速输出波动在一定范围内。制动过程中对泵控磨床的换向时间、冲击度、制动距离等提出了更高的要求。
系统冲击度大小作为评价系统换向稳定性的关键指标，将系统冲击压力控制在一定范围内，是实现系统换向稳定性的关键。在电液伺服泵控系统的泵控磨床中，当需要改变运动方向时，控制器会发送反方向转速指令给伺服电机，伺服电机反向转速指令和工作台惯性继续前进会导致液压缸阻力急剧增加，进而减缓液压缸活塞的速度，使工件减速至零，然后再进行反向加速，以进入下一阶段的磨削。任何转速变化指令都会在系统中引发压力冲击。
制动换向时间指泵控磨床从接收信号开始减速到速度减小到零阶段的时间间隔。减速制动距离是泵控磨床减速阶段位移，影响系统制动距离的因素主要有起始速度、减速阶段加速度大小、减速时间等。
对比等减速曲线、余弦减速曲线、抛物线减速曲线三种制动策略，等减速过程是无法实现平稳无冲击的换向制动过程的，因为加速度在数值上产生了突变。余弦减速曲线过程中初始减速时刻没有出现加速度突变，但是减速制动过程结束时，加速度产生了突变，不利于系统的稳定运行。抛物线减速制动过程与等减速制动过程相对比，起始减速阶段无加速度突变，性能上优于等减速制动过程。
最优减速曲线需要尽可能减少冲击还应兼顾系统加工效率问题，减少制动时间，同时还应考虑提高泵控磨床能量回收效率。引用高次曲线描述泵控磨床系统运动速度和时间的关系，满足起始时刻和终止时刻速度、加速度均为零，中间时刻速度为初始速度一半，加速度为最大负值的要求。
五、平面磨床系统参数的多目标优化匹配
为实现泵控磨床系统的优化节能控制，需兼顾系统的能量回收利用率、系统能耗、系统加工效率的问题，实则是实现泵控磨床多目标优化问题。考虑到影响系统的因素主要为电机转速问题，且对电机转速的设计使得泵控磨床系统的能耗、能量回收及作业效率等目标之间互相冲突。因此，引入多目标粒子群算法用于解决多目标寻优问题。
优化目标有三个：最大化回收能量、最小化系统能耗、最大化作业效率。以泵控磨床系统回收能量、系统能耗、周期为目标函数，以实现泵控磨床系统最高回收能量、最小能量损耗、最快运行周期的目标。决策变量为伺服电机转速，范围在500至1500转/分钟之间。基础常量包括定量泵排量200毫升/转，液压缸工作面积0.0047平方米，电机泵组转子惯量4000千克·平方厘米，负载及工作台总质量30000千克。
通过多目标粒子群算法进行优化，设置最大迭代次数为5000次，种群规模为100，得到目标函数的Pareto前沿解。可回收的能量范围是1300至1800焦耳，周期范围是7至12秒，效率范围是32%至40%。如果不考虑系统损耗，最大能量回收点是最好的选择;最小损耗点损耗最低，但是系统作业效率较低及可回收的能量较少;中间点为平衡三个目标函数的最优解。伺服电机转速大部分分布在900转/分钟之间。迭代次数达到5000次后，超体积指标可达到93%，说明多目标粒子群算法分布均匀、多样性好，综合性能高。
以泵控磨床系统2米工件为例，正常系统磨削阶段转速控制为700转/分钟，多目标寻优后转速为900转/分钟。最优解相比于正常解，泵控磨床磨削时速度提升约20%，提高了工件磨削速度，磨削后对工件进行质量检验，得出结论，最优解相比对正常解，工件磨削质量更高，表面粗糙度更低。经优化后的泵控磨床，效率提升20%左右。
六、平面磨床泵控系统的实验验证
搭建平面磨床泵控系统的实验平台，对泵控磨床液压系统的速度控制性能进行验证，对泵控磨床能量损耗功率进行验证性实验，展开实验研究以验证泵控磨床液压系统节能优化控制的有效性。
泵控磨床能量回收系统主要包括上位机、PLC、控制器、伺服驱动器、伺服电机、定量柱塞泵、液压阀组及补油系统。上位机可以通过与控制系统通信，实现对泵控磨床制动过程的控制和调节;控制器负责对传感器获取的数据进行处理和分析，并根据预设的程序生成相应的控制指令;驱动器通过编码器线缆对伺服电机进行控制，从而实现对系统期望速度的精确控制。
电机泵组单元主要伺服电机、定量柱塞泵、联轴器组成。伺服电机选用永磁同步电机;联轴器用于连接电动机和泵，将电动机的旋转运动传递给泵;泵是将机械能转化为液压能的装置。系统控制单元包括运动控制器和伺服驱动器两部分。控制器可以实现系统的多轴控制，提供EtherCAT和CANopen通讯方式;驱动器用于驱动液压泵，从而实现对机床的运动控制功能。
对于泵控磨床液压系统，施加从540转/分钟至1170转/分钟的不同速度的曲线规划路径。实验研究中对泵控磨床的系统级设计验证时，实际转速与期望转速误差较小，误差控制在负20转/分钟至正40转/分钟。而泵控磨床系统加速阶段未开启磨削过程，对泵控磨床电机转速的控制策略，使泵控磨床系统获得了更好的动态响应速度和稳态收敛效果，磨床实际转速波动范围控制在负10转/分钟至正15转/分钟。
泵控磨床系统稳态运行时损耗主要在定量泵、液压缸、伺服电机三元件上，电机损耗在系统总体损耗中具有决定性作用。以磨床电机转速为700转/分钟为例子，无负载情况下，泵控磨床系统减速时，换向指令触发，EPU由电动工况转换为发电工况，系统馈能，电流减少;电机转速减少，通过控制电机转速进而控制工作台运动速度位置;同理，加速环节时耗能增加，实际电流增加。
在空载情况下，系统最优解相比于正常解，泵控磨床系统电机损耗略有增加，系统能耗小幅度增加，增加原因为最优解中电机转速增加，进而增加了电机损耗。结果可知，最优解效率有明显提升，电机损耗相比不明显。泵控磨床的优势之一为可回收平面磨床系统中的制动能量，以磨床空载为例，给电机相同时间指令，比较其在最优解与正常解下系统回收能量的差异。相比于正常解，泵控系统性能的最优解可回收能量有明显提升，其原因是最优解控制下磨床转速提升，可回收动能增大，磨床正常工况下其工作台及工件质量更大，可回收能量更多，能量回收效果更明显。
七、全文总结
本文围绕泵控磨床液压系统节能优化控制展开研究，针对平面磨床中能量利用率低、能量损耗严重问题，从平面磨床能量耗散分析、泵控磨床系统级设计研究、泵控系统节能优化控制研究三个方面进行研究。搭建了平面磨床液压系统关键元件功率模型并进行能量耗散分析，详细分析了泵控磨床液压系统的工作原理和结构特点，以键合图方式对电机、定量泵、功能阀组、液压缸、工作台等部分主要元件进行了建模，分析了现有平面磨床阀控液压系统能量传递和耗散规律，研究表明平面磨床阀控液压系统能耗高、能量利用率低，磨床磨削后系统中大约40%的能量转化为动能未回收利用。
提出了平面磨床液压系统能量回收系统级设计，针对传统阀控磨床能量利用率低、系统耗能严重的问题，采用电液伺服泵控技术代替了传统磨床电液伺服阀控技术，解决了系统工作效率低、能量利用率低的问题，使系统能耗降低达到50%以上。提出了基于粒子群优化算法的泵控磨床系统的参数匹配方法，从泵控磨床系统制动可回收能量、稳态运行能耗损失和系统作业效率三个目标入手，通过多目标粒子群算法进行寻优，系统效率提升20%左右。搭建了泵控磨床负载模拟验证平台，并于磨床设备中应用，对系统响应速度进行了实验验证，对电机损耗功率及泵控磨床回收能量的多少进行了实验验证，验证了泵控磨床优化控制方法的有效性。本研究为2026年平面磨床行业的技术升级与节能改造提供了理论依据和数据支撑，对推动高端磨床装备的绿色发展具有重要的工程应用价值。
