數(shù)控圓角滾R機的控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真

劉偉，蔡家斌，陳俊，吳兵

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

數(shù)控圓角滾R機的控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真

劉偉，蔡家斌，陳俊，吳兵

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

在運行自主設(shè)計的數(shù)控圓角滾R機時，發(fā)現(xiàn)其滾壓力會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，嚴(yán)重影響了螺栓的質(zhì)量。針對這一問題，對系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)分析，通過simulink建立模型進行仿真。然后在系統(tǒng)中加入彈性元件，再對新系統(tǒng)進行仿真，對比前后仿真結(jié)果，說明加入彈性元件可以有效解決問題。

數(shù)控圓角滾R機；系統(tǒng)分析；系統(tǒng)仿真；彈性元件

1 目前螺栓圓角加工的設(shè)備情況

目前在裝備行業(yè)內(nèi)，尤其對航空、航天工業(yè)領(lǐng)域中使用的緊固、聯(lián)接等零部件件性能要求越來越高，在現(xiàn)行的國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定：為了更大幅度地提高零件的抗疲勞強度，對于高強度螺栓的螺栓頭下圓角部位必須采用冷滾壓工藝進行處理［1］。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)自制的滾R機配備的控制系統(tǒng)大部分采用開環(huán)控制方式，存在著精度差、滾壓力和時間難于控制（大多依賴于人工經(jīng)驗調(diào)整）等缺點，無法保證產(chǎn)品的加工精度。

針對這些缺點，近年來已經(jīng)有多種采用自動控制的滾R機被研發(fā)出來，但滾壓圓角的滾壓力、滾壓轉(zhuǎn)速和滾壓時間等主要工藝參數(shù)的控制直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。對于加工中的位置控制可以采取在系統(tǒng)中加入伺服驅(qū)動的辦法較好地解決，但是對于滾R加工中最重要的影響參數(shù)——滾壓力，其控制只采用伺服驅(qū)動的辦法，因為采用高實時性、高性能的控制器這往往會大大增加設(shè)備的成本，因此在實際中應(yīng)用受到限制。本文立足于采用一種比較簡單經(jīng)濟的方法來解決滾壓力、滾壓轉(zhuǎn)速和滾壓時間的匹配問題。

2 數(shù)控圓角滾壓機總體結(jié)構(gòu)以及其數(shù)學(xué)模型

數(shù)控圓角滾壓機由主軸系統(tǒng)、夾具裝置、伺服進給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、床身等組成。數(shù)控圓角滾R機的進給系統(tǒng)由該部分由伺服電機驅(qū)動器，伺服電機，滾珠絲杠副，力傳感器組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)組成

2.1 伺服驅(qū)動器

該環(huán)節(jié)是由壓力反饋單元，位置控制單元等組成的。

2.1.1 力反饋單元

力反饋單元可以看做是一個比例環(huán)節(jié)，于是有：

2.1.2 力控制單元

該部分主要是比較實際滾壓力和目標(biāo)力的大小，以此來控制滾壓力的大小。

式中：取力放大器增益Ki=40，F(xiàn)（t）為指令電壓，單位V。

2.1.3 速度檢測單元

一般來說，測速發(fā)電機的固有頻率很高，故速度檢測反饋回路，可近似看作無慣性環(huán)節(jié)［1］，因此

2.1.4 速度控制單元

速度環(huán)的指令電壓與反饋電壓之差值為速度誤差信號，經(jīng)速度控制單元變換放大后，獲得伺服電動機的電樞控制電壓。同樣，為簡化分析，忽略其非線性和滯后特性，將其近似地看作一個比例放大環(huán)節(jié)，因此有：

2.2 伺服電機數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)中采用的為交流永磁同步電機（PMSM），其數(shù)學(xué)方程為［2］：

經(jīng)過拉式變換電機的傳遞模型為：

其中：繞組等效電阻R=1.2 Ω，電樞電感L=0.5 H，轉(zhuǎn)動慣量J=17.8×10-4kg.m2，負(fù)載TL=3 N.m，轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

2.3 彈性元件模型分析

工件受到的壓力可以用變形量來反映，可認(rèn)為接觸后絲杠的進給量就是工件形變和夾具的變形量的和，由于夾具的硬度遠大于工件，所以變形可以忽略不計。

其中：KE=9600 N/mm，所以

2.4 壓力傳感器模型

壓力傳感器可以近似一階系統(tǒng)［3］，其傳遞函數(shù)為：。利用Matlab中的simulink模塊建立數(shù)學(xué)模型其總體的傳遞函數(shù)如圖2、圖3所示。

由以上仿真結(jié)果可知，滾壓力最大可以達到750 N左右。結(jié)果與實際測的數(shù)據(jù)相符，這樣大的超調(diào)量在加工中是不允許的。所以必須減小超調(diào)量，為了節(jié)約成本，在本系統(tǒng)中采用加入彈性元件的方法解決該問題。

3 加入彈性元件后系統(tǒng)仿真

所以在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上需要加入彈性元件。當(dāng)加入彈性元件后，接觸時有幾何變形關(guān)系有：

圖2 系統(tǒng)傳遞框圖

其中：x為工作臺移動的距離。x1為彈簧被壓縮的距離。Δd為工件變形量

圖3 壓力-時間響應(yīng)曲線1

進行拉氏變換，所以該部分傳遞函數(shù)：

經(jīng)過simulink仿真，通過調(diào)整彈簧剛度K時，可以得到不同的壓力——時間響應(yīng)曲線，要最大值在480 N左右時，此時KE1=2 285，對應(yīng)的彈簧剛度為30 N.mm，如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)傳遞框圖2

圖5 壓力-時間響應(yīng)曲線2

由壓力——時間響應(yīng)曲線（圖3和圖5）可以得出，加入了彈性元件后，系統(tǒng)發(fā)生退化，其超調(diào)量和滾壓力的調(diào)整區(qū)間減小，且系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間是差不多的，所以加入彈性元件可以使加工時工件的壓力更穩(wěn)定。

4 實際驗證

經(jīng)過實際驗證，加入彈簧后，可以滿足實際生產(chǎn)的需求。通過更換不同的彈簧，可以滿足不同螺栓圓角加工的要求。增加了設(shè)備的通用性。

［1］ 連國俊. 動力控制工程［M］，西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

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［3］ 王德斌. 交流伺服進給系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型的研究［J］. 機械制造與自動化，2006，01：86～88+91.

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［5］ 薛定宇，陳陽泉. 基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［6］ 宋書中，常曉玲. 交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Design and simulation of NC fi llet roll R machine control system

TH17

1009-797X （2015） 20-0156-03

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.052

劉偉（1990-），男，碩士研究生在讀，研究方向為機電傳動與控制。

2015-9-11