水潤滑軸承加工上下料系統的自動控制研究

韓念龍，王家序，王 惠，馬 玲

（四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

1 引言

隨著社會生產力的發展，對制造行業自動化的要求越來越高。PLC的出現使得自動化更易實現，它具有功能強、體積小、應用靈活、編程方便、可靠性高、抗干擾能力強和維護便捷等特點，在運動控制領域越來越受到重視[1]。雖然我國工業發展及自動化應用水平與工業發達國家相比有很大的落后，但PLC 在我國的應用呈現高速增長的趨勢。水潤滑軸承主要應用于船舶艦艇等領域，其重要性不言而喻，所以對其加工系統標準化、規范化和高自動化的研究意義重大。水潤滑軸承加工系統是由數控車床、工業機器人和上下料系統組成的高性能全自動化柔性加工系統，所以要求上下料系統要很好的配合工業機器人抓取工件，從而讓整個系統更好的運行。

而模糊控制的出現更是給機械自動化系統提供了有力的助推器，使得機械行業在自動化程度提高的同時能夠保證系統有一個較高的穩定性和魯棒性。

2 系統總體結構和功能

加工系統分布圖，如圖1 所示。上下料系統主要由儲料箱、提升裝置、上料臺、氣動送料撥爪、翻轉機構、機器人、下料臺、各傳感器開關以及提升電機、翻轉電機（圖中沒畫出）組成。主要實現以下功能：首先需要把要加工的工件放在儲料箱內和上料臺上，儲料箱的上料端有一個擋板控制工件移動；當系統啟動，上機位給出控制信號，各執行機構處于等待狀態，擋料板啟動，工件滾到提升板上，傳感器開關檢測到工件到位發出信號，提升電機帶動裝置提升，傳感器檢測到提升裝置到位發出信號，提升電機停止并且氣動送料撥爪把工件撥送至上料臺，當傳感器檢測到工件到位發出信號，翻轉電機控制翻轉機構把工件翻轉90°，機器人收到信號夾取工件，放在數控機床中加工，加工完畢發出信號，機器人夾取工件放到下料臺上，工人取出工件。各執行機構在完成送料之后都自動回到初始位置等待下一次送料。上料系統需要有精確的控制定位來保證機器人能準確地夾取工件；而下料系統則可以簡單的設計為皮帶輪系統，只需把加工好的工件傳送出去即可。翻轉機構的設計是為了簡化機器人夾取工件的動作，優化機器人夾取路線，使得機器人編程控制更加簡單。

圖1 加工系統分布圖Fig.1 Structure of System

3 系統的硬件設計

3.1 CPU的選擇

隨著PLC 在各行各業中的應用不斷增加，其種類也越來越多，選擇一種適合自身系統控制特點的PLC 是非常重要的。西門子S7－200 系列的PLC 可適用于各行各業，選擇其系列中的CPU226 作為系統的控制主機。CPU226 有24 個輸入和10 個輸出，還可擴展連接7 個模板單元，可以很好的滿足系統的控制要求。

3.2 步進電機的選擇

提升裝置的提升和翻轉裝置的翻轉都需要很高的定位精度，用步進電機能夠很好的保證定位精度的要求。提升電機和翻轉電機選擇相同的型號：BSHB31325 三相步進電機，其參數為步距角1.2°，電機長度247mm，保持轉矩20N.m，額定電流4A/phase，轉子慣量41.24kg.cm2，電機重量19.8kg。

步進電機作為上下料系統的執行單元，是將電脈沖信號轉化為相應的角位移的執行機構[7]。提升步進電機和翻轉步進電機驅動模塊都是由步進電機和步進驅動器組成，如圖2 所示。步進驅動器收到PLC的高頻脈沖信號和方向電平信號，并將這些信號轉化成驅動步進電機的信號。高頻脈沖信號控制的是步進電機的轉動，頻率高低決定步進電機的轉速快慢；方向信號決定提升裝置的提升和下降，翻轉裝置的轉上與轉下。

圖2 控制工作原理圖Fig2 Schematic of Control

細分驅動器的作用是細化步進電機的步距角。在無細分的情況下步距角為1.2°，300 個脈沖可使步進電機轉360°（300×1.2=360）。運用細分驅動器可以使位置精度得到提高，選擇時要與步進電機的相數相匹配。步進電機在低速運行時會產生振動，而采用細分驅動器可以減小振動，電機的轉動就會更平穩，是傳動更可靠。細分后步進電機的步距角為：

步距角=電機固有步距角/細分數，即：

根據系統的定位精度要求，系統脈沖不大于0.5mm，有：

根據（1）和（2）可求出：

根據結果選擇細分倍數為1/4，使用此細分倍數時，脈沖當量為：

所選的細分倍數滿足系統精度要求。

根據計算結果所得的細分倍數和步進電機的型號，選擇與之匹配的驅動器為Q3HB220M。

4 系統的軟件設計

S7－200 型PLC 有專業的編程軟件STEP 7－Micro/WIN，它是應用于Windows 系統的編程軟件。該軟件功能非常強大，面向對象的編程語言，界面友好，還可以對用戶程序的執行狀態進行實時監控[2]。

上料系統的控制功能圖，如圖3 所示。根據功能圖在軟件中編輯梯形圖程序，編寫完成在離線的狀態下對程序進行編譯、調試，沒有問題儲存在計算機上。

圖3 程序順序功能Fig3 Sequential Function Chart

5 PID 控制器的設計及仿真分析

5.1 模糊PID 控制器的設計

整個系統對位置精度的要求非常高，尤其是翻轉機構的翻轉精度要求，因為它是和機器人的銜接部分，所以對翻轉機構進行模糊自適應PID 控制，即對步進電機進行模糊自適應PID 控制。模糊自適應PID 控制的結構框圖，如圖4 所示。利用模糊推理控制規則對PID 參數進行在線修改，以達到理想的控制效果。圖中：r—電流的給定值；e—誤差；ec—誤差變化率；KP，KI，KD—需要整定的PID 參數。

圖4 模糊自適應PID 控制器結構圖Fig.4 structure of fuzzy self-adaptive PID controller

5.2 輸入輸出變量及其隸屬函數的確定

在步進電機中步距角的誤差e 和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，KP，KI，KD為輸出變量。誤差e 和誤差變化率ec基本論域都為［-3，-2，-1，0，1，2，3］，輸出變量KP，KI，KD基本論域為［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6］。輸入變量和輸出變量的模糊子集均為｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝。設輸入輸出均符合三角形隸屬函數曲線分布，在Matlab 中隸屬函數曲線，如圖5所示。

圖5 E 和EC的隸屬函數曲線 和KP，KI，KD的隸屬度函數曲線Fig5 Membership Function Curve of E，ECand KP，KI，KD

5.3 模糊規則的確定及精確化

模糊規則是模糊控制的關鍵，根據平時觀察記錄的數據和專家經驗，建立了KP，KI，KD三個參數的模糊規則表，其中參數KP的模糊規則表，如表1 所示。

表1 KP的模糊規則表Tab.1 Rule of KP

根據模糊規則表，可以將各參數的規則寫成下面的條件句形式：

式中：Aj，Bj，Cj，Dj，Fj—在相應支集上的模糊集合，j=1，2，L，m。

模糊系統采用常用的Mamdani 推理方法進行模糊推理，采用重心法去模糊化，即將模糊量轉化為精確量，可得到PID 控制器的參數KP，KI，KD的精確值。

5.4 仿真分析

用Matlab 中Simulink 對該控制器進行仿真，根據文獻[9]中三相步進電機的傳遞函數為：

式中：Nr—轉子齒數；L1—繞組電感；ia—相電流；J—轉子轉動慣量；D—粘滯阻尼系數。

使用電機的參數為，如表2 所示。

表2 電機參數Tab.2 Parameters of Motor

為了方便計算取ia=1.0，期望輸出步距角α=1.2，則步進電機的傳遞函數為：

用常規PID 控制和設計的模糊自適應PID 控制方法進行仿真，仿真曲線，如圖6 所示。

圖6 普通PID 控制和模糊PID 控制仿真圖Fig.6 Simulation Curve of Normal PID Control and Fuzzy Self-Adaptive PID Control

仿真結果表明：模糊自適應PID 控制比普通PID 控制有相對較小的超調量和較短的調節時間，有優良的動態和靜態特性，更好的適應性和魯棒性，使步進電機能夠較快的達到要求的精度并能夠很好的保持在要求的精度范圍內。

6 總結

針對水潤滑軸承加工系統自動化和控制精度方面做了改進，用PLC 來控制整個系統的運行，大大提高了生產加工的自動化程度，且對影響系統精度和可靠性最大的地方，步進電機部分采用模糊控制，通過仿真表明，通過模糊控制可以確保系統有較強的魯棒性和穩定性。采用PLC 和模糊自適應PID 控制的系統加工效率提升，精度提高且能夠長時間保持在要求精度范圍內，工人校核系統精度的周期延長，大大降低了工作量。

［1］趙景波.零基礎學西門子S7－200PLC［M］.北京：機械工業出版社，2010（8）.（Zhao Jing－bo.Elementary study of Siemens S7－200［M］.Beijing：China Machine Press，2010（8）.）

［2］高中正.西門子S7－200CN PLC 編程技術及工程應用［M］.北京：電子工業出版社，2010.（Gao Zhong－zheng.PLC Program Technology and Application Of Engineering of Siemens S7－200 CN［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2010.）

［3］王玨.PLC 控制電鍍生產線的方案設計［J］.電鍍與環保，2011，31（5）：31－33.（Wang Yu.Design for PLC control electroplating production line［J］.Electroplating and Pollution Control，2011，31（5）：31－33.）

［4］劉增環.基于PLC 及變頻器技術的帶式輸送機控制［J］.煤礦機械，2011，32（9）：192－193.（Liu Zeng－huan.Control system of belt conveyer on basis of PLC and inverter［J］.Coal Mine Machinery，2011，32（9）：192－193.）

［5］張新榮.基于PLC的生產線運料車控制系統設計［J］.制造業自動化.2011，33（4）：115－118.（Zhang Xin－rong.PLC－based control system design of charging carriage［J］.Manufacturing Automation.2011，33（4）：115－118.）

［6］霍罡.可編程序控制系統設計與實踐［M］.北京：高等教育出版社，2011.（Huo Gang.Practice and Design of Programmable Logic Controller［M］.Beijing：Higher Education Press，2011.）

［7］張洪海.小型數控離子切割機控制系統優化設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（10）：78－80.（Zhang Hong－hai.Controlling system optimization design of small plasma cutting machine［J］.Modelar Machine Tool and Automatic Manufacturing Technique，2011（10）：78－80.）

［8］王麗.基于PLC 控制的生產線搬運系統［J］.信息技術，2010（9）：102－107.（Wang Li.Production line handling system based on PLC control［J］.Information Technology，2010（9）：102－107.）

［9］段英宏，楊碩.步進電機的模糊PID 控制［J］.計算機仿真.2006，23（5）：290－293.（Duan Hong－ying，Yang Shuo.Fuzzy－PID control of stepping motor［J］.Computer Simulation.2006，23（5）：290－293.）