坡口機(jī)恒負(fù)載切削控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王 磊，胡 鑫，葉云龍，吳焱明

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230003)

為了保證厚壁管件的焊接品質(zhì)，焊接前管件必須進(jìn)行坡口加工。在坡口加工過(guò)程中，如果進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速不變，隨著切削刃與工件接觸面的增大，電機(jī)負(fù)載也將隨之增大，而且對(duì)刀具的磨損以及設(shè)備的使用，都將造成很大的影響。傳統(tǒng)的保持恒負(fù)荷的設(shè)備，主軸電機(jī)一般是變頻電機(jī)或伺服電機(jī)，成本較高。為此，結(jié)合的目前情況[1～2]，主軸采用普通電機(jī)，并在線監(jiān)測(cè)主軸電機(jī)電流，通過(guò)改變進(jìn)給電機(jī)速度，保持所測(cè)電流值的恒定，來(lái)保證切削載荷的恒定。

1 坡口機(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)由觸摸屏、伺服單元、PLC 和主軸動(dòng)力頭單元組成，在實(shí)際工作中主軸動(dòng)力頭固定旋轉(zhuǎn)做切削運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖1為硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互，PLC 通過(guò)I/O 單元控制主軸單元的啟停及伺服單元的驅(qū)動(dòng)與安全限位，其中主電動(dòng)機(jī)為三相異步交流電機(jī)，其上安裝有電流傳感器，用以檢測(cè)主軸電流值i 并反饋給PLC。

2 智能控制原理

已有研究證明，加工過(guò)程中，主軸電機(jī)的電流與切削負(fù)荷之間，存在著必然的映射關(guān)系[1～2]。因此，可以通過(guò)保持主軸電機(jī)電流的恒定，來(lái)保證加工過(guò)程中的切削負(fù)荷的恒定。厚壁管件坡口的加工本身，是一個(gè)復(fù)雜的強(qiáng)非線性過(guò)程，所以采用具有較強(qiáng)魯棒性的模糊控制算法實(shí)現(xiàn)智能控制[3～6]。智能控制的工作原理如圖2所示。

圖2 智能控制工作原理圖

主軸電機(jī)測(cè)出的實(shí)時(shí)電流i(t)送入PLC 經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，與PLC 設(shè)定的主軸電流期望值i0進(jìn)行比較，得出偏差值e 和偏差變化率ec，經(jīng)過(guò)模糊控制，解模糊輸出電流變化量Δi，與i0、Ku 和Ki的運(yùn)算后，最終輸出模擬量信號(hào)u，以速度控制模式來(lái)控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷反饋主軸電機(jī)電流的實(shí)時(shí)值，進(jìn)行處理比較，從而實(shí)現(xiàn)工件加工時(shí)恒負(fù)荷的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

圖2中i0為給定值，i (t)為實(shí)測(cè)值，e為輸入偏差；ec為輸入偏差變化率；Ke、Kec 分別為輸入偏差和偏差變化率的量化因子；Ku為輸出比例因子；Ki為電流和電壓間的轉(zhuǎn)為因子；E、EC為量化的輸入值；U為模糊控制的輸出量；Δi為模糊控制實(shí)際輸出的電流變化量；u為PLC 最終輸出的模擬量。

3 仿真

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，建立Matlab Simulink系統(tǒng)模型[7]，如圖3所示。

圖中的Mode 即為系統(tǒng)研究模型。其中伺服系統(tǒng)模型處理為一階慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)延遲環(huán)節(jié)；進(jìn)給速度f(wàn) 與切削力模型F的關(guān)系近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)；切削力與電流可以近似看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)。

根據(jù)系統(tǒng)在被控過(guò)程中對(duì)應(yīng)不同的偏差和偏差變化率，歸納出參數(shù)輸出u的原則：

（1）當(dāng)偏差為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明實(shí)時(shí)電流值比設(shè)定值大，此時(shí)應(yīng)該減慢進(jìn)給速度，所以輸出的電流變化量為負(fù)值，以使最終的電壓控制信號(hào)u 減小。

（2）當(dāng)偏差和變化率為中等大小時(shí)，輸出的電流變化量取值要大小適中，以保證設(shè)定值與實(shí)時(shí)值的一致。

（3）當(dāng)偏差為正值時(shí)，設(shè)定值比實(shí)時(shí)電流值大，此時(shí)應(yīng)該增大進(jìn)給速度，所以輸出的電流變化量為正值，以使最終的電壓控制信號(hào)u 增大。

取e、ec、u的論域都是

{-6，-4，-2，0，2，4，6}，

其模糊集合為

{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，

誤差e、偏差率ec、輸出u的隸屬度函數(shù)，都是采用對(duì)稱、均勻分布三角形隸屬度函數(shù)。

對(duì)于目標(biāo)保持電流8A，通過(guò)仿真，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果曲線圖

圖中，

a為正常模糊控制曲線；

b為在工件切削運(yùn)動(dòng)到1.5 s 時(shí)，由于工件材質(zhì)等改變，系統(tǒng)進(jìn)給速度f(wàn) 與切削力F的模型改變?yōu)?0/（0.3s+1）時(shí)的曲線；

c為切削力和電流前加上一個(gè)最大幅值0.5的隨機(jī)干擾信號(hào)時(shí)的曲線。

該仿真結(jié)果表明，采用模糊控制的該系統(tǒng)，可以快速地達(dá)到較高品質(zhì)的穩(wěn)態(tài)輸出，在受到外部較大干擾時(shí)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，可以使系統(tǒng)保持在一個(gè)允許誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出。

4 實(shí)現(xiàn)

（1）控制系統(tǒng)硬件介紹。主軸電機(jī)型號(hào)為Y112M-4，采用WBI412S91 型電流傳感器型號(hào)檢測(cè)電流；采用臺(tái)達(dá)觸摸屏、PLC 及其A/D 模塊；進(jìn)給系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)ASDA-AB 交流伺服系統(tǒng)。

（2）模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 模糊控制算法流程圖

開(kāi)始階段賦初值Ke、Kec、Ku、Ki 和設(shè)定電流值i0到PLC 內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)，得到e 和ec，模糊化為E 和EC，查詢模糊控制表得到U，并通過(guò)Ku 解模糊，得到模糊控制的輸出量Δi，與電流設(shè)定值i0和轉(zhuǎn)化因子Ki 運(yùn)算后得到最終的模擬量輸出u，控制電機(jī)動(dòng)作。同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)i(t)更新，這樣就構(gòu)成一個(gè)過(guò)程循環(huán)。

通過(guò)誤差和偏差變化率EC，經(jīng)過(guò)離線的推理計(jì)算，得到模糊控制查詢表，該表為7×7的二維矩陣。按照重心法解模糊，把得到的結(jié)果U 和比例因子Ku的乘積，即可得到電流變化量Δi。U的模糊規(guī)則表見(jiàn)表1。

表1 模糊控制規(guī)則查詢表

在PLC 軟件設(shè)計(jì)中，模糊控制量表的查詢是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[8]，在此加以闡述。首先將E 和EC 在模糊論域中所對(duì)應(yīng)的元素，置入D200O、D2001 和D2006、D2007 中。PLC編程時(shí)將查詢表元素逐行依次存儲(chǔ)在PLC的保持寄存器D3000～D3096 中。

查表程序設(shè)計(jì)利用變址寄存器E1.通過(guò)采取“基址+偏移地址”尋址的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)E、EC的論域元素分別為X、Y，則輸出控制量U的位置為

表首地址+7(X+6)+(Y+6)。

其指令語(yǔ)句如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

坡口加工過(guò)程，是一個(gè)非線性、時(shí)變性的系統(tǒng)，采用不依賴對(duì)象模型的模糊控制，對(duì)干擾有一定的魯棒性。可以在低成本的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒負(fù)荷的控制。對(duì)于坡口機(jī)這類特種設(shè)備，本系統(tǒng)研究利于提高加工的效率和在加工過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性、可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值

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