坡口機恒負載切削控制系統的設計與研究

王 磊，胡 鑫，葉云龍，吳焱明

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230003)

為了保證厚壁管件的焊接品質，焊接前管件必須進行坡口加工。在坡口加工過程中，如果進給速度與主軸轉速不變，隨著切削刃與工件接觸面的增大，電機負載也將隨之增大，而且對刀具的磨損以及設備的使用，都將造成很大的影響。傳統的保持恒負荷的設備，主軸電機一般是變頻電機或伺服電機，成本較高。為此，結合的目前情況[1～2]，主軸采用普通電機，并在線監測主軸電機電流，通過改變進給電機速度，保持所測電流值的恒定，來保證切削載荷的恒定。

1 坡口機控制系統

系統由觸摸屏、伺服單元、PLC 和主軸動力頭單元組成，在實際工作中主軸動力頭固定旋轉做切削運動，伺服電機驅動工作臺為進給運動。圖1為硬件結構圖。

圖1 硬件結構圖

觸摸屏實現人機界面交互，PLC 通過I/O 單元控制主軸單元的啟停及伺服單元的驅動與安全限位，其中主電動機為三相異步交流電機，其上安裝有電流傳感器，用以檢測主軸電流值i 并反饋給PLC。

2 智能控制原理

已有研究證明，加工過程中，主軸電機的電流與切削負荷之間，存在著必然的映射關系[1～2]。因此，可以通過保持主軸電機電流的恒定，來保證加工過程中的切削負荷的恒定。厚壁管件坡口的加工本身，是一個復雜的強非線性過程，所以采用具有較強魯棒性的模糊控制算法實現智能控制[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

主軸電機測出的實時電流i(t)送入PLC 經過信號處理后，與PLC 設定的主軸電流期望值i0進行比較，得出偏差值e 和偏差變化率ec，經過模糊控制，解模糊輸出電流變化量Δi，與i0、Ku 和Ki的運算后，最終輸出模擬量信號u，以速度控制模式來控制伺服電機的運動，同時不斷反饋主軸電機電流的實時值，進行處理比較，從而實現工件加工時恒負荷的實時調節。

圖2中i0為給定值，i (t)為實測值，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

根據系統運動構成，建立Matlab Simulink系統模型[7]，如圖3所示。

圖中的Mode 即為系統研究模型。其中伺服系統模型處理為一階慣性環節和一個延遲環節；進給速度f 與切削力模型F的關系近似為一個慣性環節；切削力與電流可以近似看成一個比例環節。

根據系統在被控過程中對應不同的偏差和偏差變化率，歸納出參數輸出u的原則：

（1）當偏差為負值時，說明實時電流值比設定值大，此時應該減慢進給速度，所以輸出的電流變化量為負值，以使最終的電壓控制信號u 減小。

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

（3）當偏差為正值時，設定值比實時電流值大，此時應該增大進給速度，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，都是采用對稱、均勻分布三角形隸屬度函數。

對于目標保持電流8A，通過仿真，得到的結果如圖4所示。

圖4 仿真結果曲線圖

圖中，

a為正常模糊控制曲線；

b為在工件切削運動到1.5 s 時，由于工件材質等改變，系統進給速度f 與切削力F的模型改變為50/（0.3s+1）時的曲線；

c為切削力和電流前加上一個最大幅值0.5的隨機干擾信號時的曲線。

該仿真結果表明，采用模糊控制的該系統，可以快速地達到較高品質的穩態輸出，在受到外部較大干擾時，該系統具有較強的魯棒性，可以使系統保持在一個允許誤差范圍內的穩定輸出。

4 實現

（1）控制系統硬件介紹。主軸電機型號為Y112M-4，采用WBI412S91 型電流傳感器型號檢測電流；采用臺達觸摸屏、PLC 及其A/D 模塊；進給系統采用臺達ASDA-AB 交流伺服系統。

（2）模糊控制算法的實現。本系統模糊控制算法實現見圖5。

圖5 模糊控制算法流程圖

開始階段賦初值Ke、Kec、Ku、Ki 和設定電流值i0到PLC 內，通過檢測，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Ku 解模糊，得到模糊控制的輸出量Δi，與電流設定值i0和轉化因子Ki 運算后得到最終的模擬量輸出u，控制電機動作。同時實時檢測對i(t)更新，這樣就構成一個過程循環。

通過誤差和偏差變化率EC，經過離線的推理計算，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的模糊規則表見表1。

表1 模糊控制規則查詢表

在PLC 軟件設計中，模糊控制量表的查詢是程序設計的關鍵[8]，在此加以闡述。首先將E 和EC 在模糊論域中所對應的元素，置入D200O、D2001 和D2006、D2007 中。PLC編程時將查詢表元素逐行依次存儲在PLC的保持寄存器D3000～D3096 中。

查表程序設計利用變址寄存器E1.通過采取“基址+偏移地址”尋址的設計方法來實現。設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)。

其指令語句如下：

5 結束語

坡口加工過程，是一個非線性、時變性的系統，采用不依賴對象模型的模糊控制，對干擾有一定的魯棒性。可以在低成本的情況下，實現對恒負荷的控制。對于坡口機這類特種設備，本系統研究利于提高加工的效率和在加工過程中設備運行的平穩性、可靠性，具有一定的應用價值和市場價值

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