深孔加工恒扭矩智能控制系統的設計*

徐曉棟 龔玉玲 徐 俊

(①泰州學院，江蘇 泰州 225300；②南京新穎氧醫療科技有限公司，江蘇 南京 211500)

深孔加工恒扭矩智能控制系統的設計*

徐曉棟①龔玉玲①徐 俊②

(①泰州學院，江蘇 泰州 225300；②南京新穎氧醫療科技有限公司，江蘇 南京 211500)

針對深孔加工中鉆頭易折斷，加工效率低等問題，設計并搭建了基于模糊PID控制的深孔加工恒扭矩控制系統。在分析深孔鉆機傳動系統原理的基礎上，建立主軸進給系統的傳遞函數，構建鉆頭鉆削扭矩的自整定模糊PID控制器，介紹以西門子CPU224型PLC和CYB-803S型扭矩傳感器為核心的硬件組成，實現了通過調節鉆削進給量進而保持深孔加工過程中鉆頭扭矩恒值，并利用Matlab進行仿真驗證。仿真結果表明，模糊PID控制與傳統PID控制和模糊控制相比，具有更好的動態穩定性，在鉆頭扭矩發生突變時，調節時間約為1.2 s，比傳統PID控制和模糊控制分別縮短57%和25%，能夠較好地滿足深孔鉆削高效化、智能化的要求。

深孔加工；恒扭矩；模糊PID控制

深孔加工是在封閉或半封閉狀態下進行的，很難使用普通方法檢測鉆削狀態，且鉆頭細長，對受力變化敏感[1-4]。加工過程中，隨著鉆削深度的增加，經常出現鉆削阻力快速增大，鉆頭扭矩急速增大，導致鉆頭折斷殘留在工件中，工件報廢的現象[5]。目前，為了保護鉆頭，一般采用過載停機保護的方法[6-8]，即設定鉆頭扭矩閾值，一旦鉆頭所受力矩超過閾值，進給系統立刻停止進給，復位后重新加工，如日本町田鐵工生產的自動鉆床“Micro-hole”[9]，國內杜宏祺等人研制的深孔鉆鏜床刀具的扭矩保護系統[10]等，這種做法可以有效保護鉆頭，但中斷了鉆削加工的連續性，加工效率較低。隨著深孔加工機械高效化、智能化的發展，對鉆削過程的控制提出更高要求，在鉆頭安全的前提下，連續、高效地加工以提高生產率，降低制造成本。因此，本文提出運用模糊控制整定PID控制參數，采用模糊PID控制系統實現鉆頭扭矩的動態平衡，保證深孔加工的安全性，提高深孔加工的效率。

1 傳動系統原理圖

深孔鉆機主要由主軸進給系統、主軸旋轉系統、扭矩傳感器、PLC控制器和控制系統組成[11](圖1)。

主軸旋轉系統工作原理：主軸旋轉系統固定在滑臺上，由主軸旋轉電動機，經過減速齒輪組和扭矩傳感器，驅動刀具主軸轉動。

主軸進給系統工作原理：主軸進給電動機，經過電磁離合器、減速器，驅動絲桿旋轉，由螺母帶動滑臺，實現刀具的進給運動。

在鉆削過程中，扭矩傳感器實時檢測鉆頭扭矩，若鉆頭扭矩迅速增大，通過控制系統，經PID控制器傳到變頻器后，控制進給電動機減速，減小進給量，減小鉆頭扭矩，若鉆頭扭矩較小，則增加進給電動機轉速，增大進給量，保證鉆孔效率。

2 主軸進給系統的模型和傳遞函數

2.1 變頻器的傳遞函數

變頻器的傳遞函數[12]可近似為：

G1(s)=K1/(1+Ts)

式中：K1為變化系數；T為滯后時間。

2.2 進給電動機恒壓頻比調速的傳遞函數

電動機輸出扭矩Tout：

(1)

異步電動機運動方程：

(2)

式中：G為轉動部分的重量，N；D為轉動部分的轉動直徑，m；TL為負載轉矩，N·m。

將式(1)代入式(2)，經過拉普拉斯變換，得電動機的傳遞函數：

2.3 減速器與絲桿的傳遞函數

可以近似為比例環節，傳遞函數：

G3(s)=X(s)/n(s)=K3

式中：K3為常數。

3 自整定模糊PID控制方案

在深孔加工過程中，鉆削環境多變，同時加工工件可能存在材質不均勻，從而使鉆頭扭矩變化較大，需要控制系統能對鉆頭扭矩變化作出快速響應，采用傳統的PID控制或者模糊控制達不到理想的控制效果。本文對傳統PID控制進行改進，通過模糊控制調節PID控制的3個控制參數，形成自整定模糊PID控制方案，見圖2所示。

通過刀具主軸上的扭矩傳感器測得主軸實時扭矩，計算實時扭矩與設定扭矩之間的偏差E和偏差變化率EC，模糊化后，依據模糊控制規則，得到PID整定參數ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′，根據自整定公式[13-14](3)得到PID控制器的3個參數Kp、Ki、Kd，進而得到電動機控制量，送至變頻器，控制進給電動機的轉速，調節鉆削進給量，穩定鉆頭扭矩。

(3)

式中：Kp、Ki、Kd為PID參數修整后的值；Kp′、Ki′、Kd′為PID參數初始值。

3.1 模糊化

模糊控制系統選用雙輸入三輸出模糊控制器，輸入量為主軸扭矩偏差E和偏差變化率EC，輸出量為PID整定參數ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′。由實際工作經驗，取E和EC模糊子集為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，論域為{-3,-2,-1,0, 1, 2, 3}，ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′的模糊子集和論域與其相同。它們的隸屬函數為三角形隸屬函數，見公式(4)：

(4)

3.2 模糊控制規則

依據深孔鉆削現場操作的長期經驗，采用“IF A AND B,THEN C”類型的推理規則，制定模糊推理規則表，例如當主軸扭矩偏差和主軸扭矩偏差變化率都是負大，說明主軸實際的扭矩遠小于設定的扭矩，鉆削效率低，需要迅速增大進給量，所以ΔKp′參數為正大，ΔKi′參數為負大，ΔKd′參數為正小，以此類推。

3.3 清晰化

采用加權平均法即式(5)將ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′變為精確量，結合自整定公式(3)得到Kp、Ki、Kd的精確值。

(5)

4 系統構成

4.1 硬件設計

選用西門子S7-200系列的CPU224PLC控制器，集成24個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊。輸入/輸出模塊選用西門子EM223，用于接受主軸扭矩的信號和輸出控制進給電動機的變頻器調節信號。主軸旋轉的調速電動機功率選用5.5 kW，進給電動機功率選用3 kW。變頻器選用三菱E540變頻器。

扭矩傳感器選用CYB-803S型扭矩傳感器，其量程為0～200 N·m；輸出為4～20 mA電流信號；過壓過載滿量程1.5倍壓力；扭矩傳感器安裝位于電動機和刀桿之間，保證同軸度小于0.05 mm，以避免產生彎矩。安裝示意圖如圖3所示。

4.2 軟件設計

4.2.1 上位機設計

使用PC作為上位機，分為手動和自控兩種控制方式，手動控制中通過進給和后退按鍵控制進給電動機正反轉，通過低、中、高控制進給量的大小。自動控制為自適應模糊PID控制，在保持鉆頭扭矩恒定下，實現刀具持續進給。系統監控界面還能實時顯示鉆頭扭矩、轉速和進給速度以及意外情況下的報警信號，控制系統監控畫面如圖4所示。

4.2.2 下位機設計

使用STEP7-Micro/WIN V4 SP8對PLC進行編程，實現進給電動機的手動和自動控制。自動控制中，主要是模糊PID控制程序的設計，首先將設定扭矩值和測定的扭矩值儲存到Vb100，Vb101，計算E、EC值存儲到Vb102，Vb103，經過模糊化后存儲到Vb104，Vb105中，然后將模糊控制表存儲到PLC中。模糊控制表中偏差E和偏差變化率EC的論域值各有7個，ΔKp′的模糊控制表存儲需要7×7個字節，一次存儲在Vb250～Vb298，ΔKp′的位置增量為7×i+j，同理ΔKi′和ΔKd′的控制表分別存在Vb300～Vb349和Vb350～Vb399，再計算出Kp、Ki、Kd的值送至PID控制器。模糊控制器程序流程如圖5所示。

5 仿真試驗

在Matlab/Simulink環境下，將設計好的模糊規則導入進來，結合系統提供的其他功能完成模糊控制系統的模型，見圖6所示。

本文主要研究深孔鉆機鉆削過程中鉆頭恒扭矩的控制，即當鉆頭鉆削環境發生變化，主軸扭矩突變時，控制系統對其的響應。在穩定狀態后的第7 s時刻，扭矩由52 N·m增加至70 N·m，觀察鉆頭扭矩的變化情況，如圖7所示，采用普通PID控制器在2.8 s后回到平衡位置，最大超調量為10%左右；模糊控制器需要1.6 s，最大超調量為4%左右；而模糊PID控制器大約需要1.2 s且基本無超調。模糊PID控制器的調節時間比普通PID控制器縮短57%，模糊控制器25%。在第12s時刻，再次將扭矩由52 N·m減小至34 N·m，同樣，模糊PID控制器經過1.2 s后再次回到平衡位置。綜上所述，模糊控制器能夠迅速響應主軸扭矩的變化，而且具有較高的抗干擾能力，控制效果比普通PID控制和模糊控制優越，能夠滿足快速、連續鉆削深孔的需要。

6 結語

該深孔鉆機床樣機已經運用到壓光輥的加工中，該工件直徑為900 mm，在圓周上分布12個小孔，孔徑為φ32 mm，長度為2 000 mm，經過多次重復試驗，樣機主軸進給速度穩定在170～200 mm/min之間，每孔平均加工時間為11 min，實現了深孔鉆削的連續加工。樣機實驗表明，模糊PID控制系統性能穩定，在保護刀具的同時有效地提高了加工效率，具有較強的實踐指導意義。

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Design of constant torque intelligent control system in deep-hole machining

XU Xiaodong①, GONG Yuling①, XU Jun②

(①Taizhou University, Taizhou 225300, CHN; ②Nanjing Xinyingyang Medical Technology Co., Ltd., Nanjing 211500, CHN)

There are problems such as breakage of drill bits and low efficiency in deep-hole processing. The paper presents to design fuzzy-control and PID control system about intelligent control system in deep-hole machining with constant torque. Based on principle of deep-hole drilling machine drive system, the transfer function of spindle feed system is established, the fuzzy PID controller is constructed to adjust bit torque, the hardware components using SIEMENS CPU224 type PLC and CYB-803S type torque sensor as control centre is introduced, the constant value of the drill bit torque is maintained by adjusting the feed rate of the drill in the deep-hole processing and result is simulated by Matlab. The simulation result shows that the fuzzy PID controller is superior to the traditional PID controller and fuzzy controller in dynamic stability performance. The drill bit torque returns to previous stable state in 1.2 s after receiving the interference. The adjustment time of the fuzzy PID control is shorter than the traditional PID control and fuzzy control by 57% and 25% respectively. The fuzzy PID control system meets the requirements of high efficiency and intelligence in deep-hole drilling.

deep-hole machining; constant torque; fuzzy PID control

*泰州學院校級課題(TZXY2014YBKT003)；江蘇省高校自然科學研究項目(14KJB460033)

TH69

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.006

徐曉棟，男，1980，碩士，講師，研究方向為船舶與機電工程技術、智能控制與檢測。

(編輯 孫德茂)

2016-05-31)

160911