PMAC數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控旋壓機中的應(yīng)用研究

王　宇，鄭宏偉，趙衛(wèi)東，侯豐巖，郭亞明，李　輝，郭　麗，黃　濤

(長春設(shè)備工藝研究所，吉林 長春 130012)

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PMAC數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控旋壓機中的應(yīng)用研究

王宇，鄭宏偉，趙衛(wèi)東，侯豐巖，郭亞明，李輝，郭麗，黃濤

(長春設(shè)備工藝研究所，吉林 長春 130012)

將原液壓仿形機床改造為QX63—300CNC三輪強力旋壓機床。對數(shù)控旋壓機的縱向液壓伺服系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究。研究確定了縱向伺服油缸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和PMAC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部PID算法，并通過Simulink仿真軟件分析了PID控制器參數(shù)對液壓伺服系統(tǒng)特性的影響。根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)試旋壓機的PMAC數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，使得縱向液壓伺服系統(tǒng)的響應(yīng)時間和定位精度有所提高，滿足了數(shù)控旋壓機技術(shù)指標(biāo)要求。

旋壓機；PMAC數(shù)控系統(tǒng)；液壓伺服系統(tǒng)

數(shù)控旋壓機為QX63—300CNC三輪強力旋壓機床。其改造前為液壓仿形機床，縱向是開環(huán)控制方式，橫向是仿形閉環(huán)控制方式，加工軌跡只能按仿形板軌跡，存在工藝更改復(fù)雜、加工軌跡不精準(zhǔn)及不能實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息等缺點[1]。改造后，將PMAC數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用在數(shù)控旋壓機中，實現(xiàn)了縱、橫向液壓伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制，滿足了數(shù)控旋壓機功能要求。

1　PMAC數(shù)控系統(tǒng)外圍硬件

PMAC數(shù)控系統(tǒng)由美國Deltatau公司生產(chǎn)，它是集運動軸控制、PLC控制和數(shù)據(jù)采集的多功能運動控制產(chǎn)品。該系統(tǒng)標(biāo)配以太網(wǎng)、RS232通信接口、數(shù)字I/O口、DAC輸出、手輪通道、AMP控制信號輸出、ENC反饋接口和FLAG標(biāo)志信號，是一款功能強大、經(jīng)濟實用的多軸功能控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)可大大提高控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性。PMAC外圍硬件連接圖如圖1所示。

圖1　PMAC與外圍硬件連接圖

2　液壓伺服系統(tǒng)

液壓伺服系統(tǒng)原理圖如圖2所示。由伺服閥控制油缸-滑體移動，伺服閥的輸入信號uk由PMAC數(shù)控系統(tǒng)AMP模塊提供，通過PMAC內(nèi)部PID控制器調(diào)節(jié)來改變伺服閥的輸入信號，從而改變油缸-滑體位置，實現(xiàn)對伺服油缸-滑體位置和方向的控制。光柵尺是測量元件，用來測量油缸-滑體的位置，將ut數(shù)字量化后反饋到輸入端并與給定位置數(shù)字量反向串聯(lián)，便得到偏差。D0是根據(jù)設(shè)備工作情況預(yù)先設(shè)置的位置數(shù)字量。

圖2　液壓伺服系統(tǒng)原理圖

2.1伺服油缸系統(tǒng)

QX63—300CNC旋壓機進(jìn)給軸包括3個橫向液壓伺服軸和1個縱向液壓伺服軸。伺服油缸系統(tǒng)包括伺服閥和油缸-滑體。縱向伺服油缸行程較長，

存在滯后、響應(yīng)時間慢等缺點，本文主要針對縱向伺服油缸系統(tǒng)特性進(jìn)行仿真分析。伺服油缸系統(tǒng)計算公式[2]如下：

(1)

縱向油缸直徑為250/180mm，長度為2 250mm。經(jīng)計算得出，油缸的固有頻率ωh=73.5rad/s、阻尼比ζh=0.2。將縱向油缸參數(shù)代入式1得：

(2)

2.2PMAC內(nèi)部PID算法

PMAC內(nèi)部PID算法采用輸入補償?shù)膹?fù)合校正控制形式(見圖3)，其包含積分串聯(lián)校正、反饋校正和前饋校正，這些校正環(huán)節(jié)可以組合成PD測速反饋控制系統(tǒng)、串聯(lián)校正控制系統(tǒng)和按輸入補償?shù)膹?fù)合校正控制系統(tǒng)。在圖3中，Kp是伺服環(huán)的比例增益；Kd是伺服環(huán)的微分增益；Ki是伺服環(huán)的積分增益；Kvff是伺服環(huán)的速度前饋增益；Kaff是伺服環(huán)的加速度前饋；IM是積分模式選擇。

圖3　典型PMAC內(nèi)部PID算法

2.2.1PD測速反饋控制系統(tǒng)特性分析

在Simulink軟件中搭建的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。根據(jù)圖4可以確定PD測速反饋控制系統(tǒng)。

圖4　PD測速反饋控制系統(tǒng)Simulink數(shù)學(xué)模型

PD測速反饋會降低系統(tǒng)的開環(huán)增益，從而加大系統(tǒng)在斜坡輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差；但不影響系統(tǒng)的自然頻率，并可增大系統(tǒng)的阻尼比[3]。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，增大系統(tǒng)的開環(huán)增益，可以彌補穩(wěn)態(tài)誤差的損失，同時適當(dāng)選擇測速反饋系數(shù)Kd，使系統(tǒng)阻尼比在合理范圍之內(nèi)，滿足各項動態(tài)性能指標(biāo)。仿真分析如下[4]。

1)Kp變化時的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，當(dāng)Kp變大時，系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)(延遲時間、上升時間和調(diào)節(jié)時間)都有所提高。由圖6可知，Kp變大時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到改善。

圖5　Kp變化時系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

圖6　Kp變化時系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)

2)Kp不變、Kd變化時的仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)Kd變小時，系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)(延遲時間、上升時間和調(diào)節(jié)時間)都有所提高。

圖7　Kd變化時系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

根據(jù)仿真結(jié)果,調(diào)節(jié)PMAC數(shù)控系統(tǒng)中PID控制器參數(shù)Ix30和Ix31，伺服油缸系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行；但是穩(wěn)態(tài)誤差較大，影響系統(tǒng)的定位精度。

2.2.2串聯(lián)校正控制系統(tǒng)特性分析

在Simulink軟件中搭建的數(shù)學(xué)模型如圖8所示。根據(jù)圖8可以確定串聯(lián)校正控制系統(tǒng)。

圖8　串聯(lián)校正控制系統(tǒng)Simulink數(shù)學(xué)模型

在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，加入Ki時串聯(lián)校正控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)Ki變大時，系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)超調(diào)量變大，響應(yīng)時間變快。Ki變化時串聯(lián)校正控制系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，Ki變大時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小。

圖9　加入Ki后系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

圖10　Ki變化時系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)

根據(jù)仿真結(jié)果可得，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，適當(dāng)增加積分增益Ix33，可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高定位精度。

2.2.3按輸入補償?shù)膹?fù)合校正控制系統(tǒng)特性分析

PMAC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部PID控制系統(tǒng)包括前饋校正、串聯(lián)校正和反饋校正(見圖11)。在圖11中，Kaff為伺服環(huán)的加速度前饋， 利用它可以消除系統(tǒng)在加減速時的跟隨誤差。

圖11　按輸入補償?shù)膹?fù)合校正控制系統(tǒng)Simulink數(shù)學(xué)模型

加入前饋校正后，伺服油缸數(shù)控系統(tǒng)的特性如圖12和圖13所示。由圖12可知，增大Kvff數(shù)值，可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由圖13可知，增大Kvff數(shù)值，可以降低系統(tǒng)的跟隨誤差。

圖12　Kvff變化時系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)

圖13　Kvff變化時系統(tǒng)單位加速度響應(yīng)

從控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來說，有前饋控制時的復(fù)合控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與前饋控制無關(guān)， 復(fù)合校正

控制系統(tǒng)很好地解決了一般反饋控制系統(tǒng)在提高控制精度與確保系統(tǒng)穩(wěn)定性之間存在的矛盾。根據(jù)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)要求并結(jié)合理論，調(diào)節(jié)Kp、Kd、Ki、Kvff和Kaff參數(shù)，可使系統(tǒng)的特性達(dá)到要求。

3　結(jié)語

PMAC數(shù)控系統(tǒng)在QX63—300CNC三輪強力旋壓機得到很好的應(yīng)用，可以實現(xiàn)縱、橫向液壓伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制、主軸控制和PLC邏輯控制等，工藝編程靈活、方便，并能實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息，具有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。PMAC內(nèi)部PID控制器參數(shù)對液壓伺服系統(tǒng)特性影響進(jìn)行了仿真分析，得出Kp影響系統(tǒng)的剛度、Kd提供給系統(tǒng)阻尼、Kvff減小系統(tǒng)的跟隨誤差、Ki減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和Kaff消除系統(tǒng)在加減速時的跟隨誤差等結(jié)論。

[1] 王大力，等. 鎳基高溫合金筒形件毛坯錯距旋壓工藝研究[J].新技術(shù)新工藝，2016(2)：12-15.

[2] H.E.梅里特.液壓控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，1976.

[3] 胡壽松.自動控制原理[M].5版.北京：科學(xué)出版社，2007.

[4] 宋志安.基于MATLAB的液壓伺服控制系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

責(zé)任編輯馬彤

Research of PMAC NC System on CNC Spinning Machine

WANG Yu， ZHENG Hongwei， ZHAO Weidong， HOU Fengyan， GUO Yaming， LI Hui， GUO Li， HUANG Tao

(Institute of Changchun Equipment Technology， Changchun 130012， China)

The original hydraulic profiling machine is transformed into QX63-300CNC three rollers power spinning machine. Mainly study the characteristic of longitudinal hydraulic servo system to the CNC spinning machine. Firstly, determine the mathematical model of the longitudinal servo cylinder. Secondly, determine the NC system with PMAC internal PID algorithm, and through the Simulink simulation software analyze the PID controller parameters on the influence of the hydraulic servo system feature. Finally, according to the results of simulation and debugging of the spinning machine NC system with PMAC parameter, make the longitudinal hydraulic servo system response time and positioning accuracy improved, and satisfy the requirement of technical indicators of CNC spinning machine.

spinning， PMAC NC， hydraulic servo system

TG 580.23

A

王宇(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事數(shù)控旋壓成形技術(shù)等方面的研究。

2016-05-18