數控機床車間傳動設備控制自動化標定方法

胡華麗，季 銳，陳炳森

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

0 引言

工業企業中擁有數據機床車間的數量，成為衡量一個企業工業現代化發展水平的重要指標。隨著經濟的不斷增長，人們對于數控機床車間設備的使用性能要求也不斷提升，當前我國成為世界數控機床設備第一消費國。20世紀50年代，我國的數控機床技術才逐漸起步，但數控產業發展較為迅速，經過半個世紀發展，我國的數控產業與技術取得了很大的成就。目前，普通機床逐漸被數控機床取代，在此趨勢下，數控機床在工業車間中的占比逐漸增加[1]。數控機床的增速比普通機床高出5個百分點，其控制技術的要求相對普通機床更高。

當數控機床車間傳動設備在運行過程中出現控制問題時，需要對整體控制過程進行分析，及時發掘異常的控制參數對其展開標定[2]。本次研究中將主要對數控車間的傳動系統控制過程進行標定，對于此過程而言，在以往的研究中也提出了很多針對其的標定方法，但使用效果均不能滿足人們的需求。當前標定方法在使用后，依舊無法改變設備參數變換后的傳動設備發生停頓的問題[3]。為此，在本次研究中將提出一種新型自動化標定方法，根據完整的控制過程結合多組控制規范，對控制參數進行標定。希望通過本次研究，改善當前傳動設備控制標定現狀，提升數控機床車間的工作效率，推動工業智能化發展。

1 數控機床車間傳動設備控制自動化標定方法設計

1.1 構建傳動設備動力學模型

對數控機床車間傳動設備進行實地考察，根據考察結果結合相應的控制理念，構建動力學模型，為后續的研究提供基礎。數控傳動系統大致包含發動機、電機、能源組、傳動系統以及控制器幾部分[4]。為便于計算，作出以下設定：

1）傳動設備的角速度為α1，設備的質心A1在O點，轉動慣性為F1；

2）連接滑塊1的質量設定為m2，其質心A2在Y處，速度為v2，繞點O的轉動慣性為F2；

3）使用α2表示傳動連接板1的角速度，此連接板的重量設定為m3，其對質心A3的轉動慣量設定為FA3；

4）使用α3表示傳動連接板2的角速度，將其質量設定為m4，使用FA4表示連接板對質心A4的轉動慣量；

5）連接滑塊2的質量設定為m5，其質心F5在Q處，其速度設定為v5。

根據上述假設，可得到傳動設備的瞬時的動能增量可表示為：

在此公式的基礎上，電機的驅動力矩M1直接作用在傳動設備的連接板上，如果其工作狀態下的全部作用在此連接板上，其大小設定為G5，則在dt時刻其瞬間做功可表示為：

根據動能定理，傳動設備在某瞬間的總動能的增量與此瞬間內此設備各外力功之和一致，由此可得到傳動設備的運動方程：

由于式(3)中含有大量的未知運動參量，求解過程較為復雜，為簡化計算過程，將其整合為等效力學模型。圍繞β1構建獨立的廣義坐標，將式(3)改寫為下述形式：

對此公式進行轉型，則有：

由上述公式可以看出，Fall中含有轉動慣性的量綱，可將其視作等效轉動慣性。Mall中包含各力矩的量綱，可將其作為等效力矩，公式中各個轉動速度的比值均可作為廣義坐標的函數：

與此同時，根據外力距以及工作阻力之間的關系，可得到傳動設備的運動參數：

根據上述公式，得到傳動設備的運行方程：

根據此公式計算傳動設備運動過程，并將其作為后續研究中的模型基礎。

1.2 傳動設備控制參數標定

對于整個傳動設備而言，其控制過程對于數控機床車間的工作效率具有顯著的影響。本次研究中，將主要對控制過程中的運行狀態切換控制部分進行研究，對不同運用狀態下的控制規律進行分析，完成控制參數的標定過程。對于傳動設備而言，運行狀態更換過程可以理解為是由一個轉速轉換到另一個轉速，在轉速更換的過程中，子設備會發生細微的變化。本次研究中，將轉速更換前的傳動設備運行狀態設定為L1，轉速轉變后傳動設備運行狀態設定為L2。在轉速變換的控制過程中，其轉速轉矩具有線性關系，則各元件之間的關系可表示為：

在上述公式中，h1、h2、h3分別表示傳動齒輪排1、傳動齒輪排2以及傳動齒輪排3的特性參數；ir表示傳動箱的傳動比；bA表示耦合結構A的輸入轉速；bB表示耦合結構B的輸入轉速；bN表示全部耦合結構的輸出轉速；ball表示發動機轉速；E0表示耦合結構的輸出轉矩；Ei表示發動機輸出轉矩；EA與EB分別表示耦合結構A與耦合結構B輸出的轉矩。對上述公式進行分析可以看出，傳送設備的輸出轉速與發動機輸出轉速呈正比例關系，根據具體的控制要求，對發動機或電機進行調節，可實現傳動設備的控制。根據此原理，獲取傳動設備運行數據將其設定為設備控制參數，并對其展開標定，為最終的控制過程自動化標定提供數據來源。

1.3 傳動設備控制自動化標定

在獲取控制參數后，根據數控機床車間對傳動設備的性能要求，對設備的控制參數與運行參數進行優化。針對當前傳動設備的相關要求，本次研究中將主要對傳動設備基礎運行參數以及轉速控制過程進行標定。在上文設計內容的基礎上，選用CANaper軟件[5]完成傳動設備整體控制過程的標定工作。在此軟件中可完成傳動控制單元開發、控制參數標定以及數據采集工作。根據上文中計算得到控制參數，構建A2L文件，并將其錄入到標定數據庫中。在此文件中，每個控制參數與傳動設備的實際測量值使用統一的變量名稱表示。在標定過程中如需要讀取某一數據時，在A2L文件中搜尋到相關變量，并在軟件中確定數據長度以及存儲位置等信息，而后使用此數據完成標定工作。具體標定過程劃分為下述兩部分：

1）傳動設備基礎運行參數標定

首先設定傳動設備的基礎運行參數，根據相關控制規定使用此部分參數進行計算，在保證設備運行安全性的情況下，完成標定過程。本次研究中選定“設備總排量”、“額定轉速”、“額定負荷”以及“設備傳動效率”作為基礎參數，具體參數計算內容設定如下：

設備總排量：設備動力子器件的總排量；

額定轉速：電機額定轉速；

額定負荷：動力器件、電機以及傳動設備的額定負荷量，使用“負荷%”表示；

設備傳動效率：傳動設備在額定負荷條件下，得到的傳動比，在完成設備整體標定前，使用估算結果表示。

根據上述設定內容，對傳動設備基礎運行參數展開計算，同時完成標定過程，將標定后的數據作為其他控制過程的計算基礎。

2）轉速控制過程標定

在控制過程的標定過程中，首先對式(11)與式(10)進行整合，得到傳動設備在空檔狀態下，各個子設備的轉速關系，具體如下式所示：

其中，nA表示電機A的額定轉速；nB表示電機B的額定轉速；h4表示傳動齒輪排4的特性參數；nj1表示傳動齒輪整體架構轉速。推導上述公式，得到電機A、B以及發動機的轉速關系，具體如下式：

為了便于分析，將其轉化為各子設備的角速度關系：

本次研究僅針對傳動設備的轉動慣性，因此，使用上述公式可完成設備轉速控制的標定過程。使用此公式后，可保證標定后各參數之間的平衡性，在提升傳動設備使用性能的同時，維持設備運行的穩定程度。

2 標定實驗論證分析

2.1 實驗準備

在本次研究中提出了一種新型數控機床車間傳動設備控制自動化標定方法，現構建標定實驗環節對此方法的應用效果加以分析，以此確定此方法具有一定的應用價值。

在對以往的研究結果進行分析后可以發現，常規的傳動設備標定流程需要經過實驗臺基本標定、實際設備標定以及設備整體性實驗后，才能投入到實際應用中。傳動設備50%左右的標定參數需要在實驗臺中完成實驗過程，確定基本參數后，方可使用其進行標定。針對本次所研究的數控機床車間傳動設備，選取實驗臺基本標定實驗方法對新型方法的標定效果進行分析。在實驗臺標定測試中，將24V直流電源、微型傳動設備的線束、上位機以及標定軟件連接在一起，組成標定實驗臺，具體實驗臺如圖1所示。

圖1 實驗臺組成結構

在實驗臺搭建完成后，通過傳動設備的運行原理對其控制軟件中各個參數進行分析，確定在實驗臺上可標定的參數。

2.2 實驗臺標定操作過程

為降低實驗難度，本次實驗僅對傳動設備靜態換擋控制過程進行分析，選擇低轉速檔位調整到高轉速檔位以及高轉速檔位調整到低轉速檔位兩部分中的參數展開標定。對以往的實驗過程進行分析后，確定參數標定中需要的變量：設備額定轉速、設備目標轉速、換擋位置以及換擋控制模式。同時，選擇基礎標定方法與PID標定方法與文中提出的新型標定方法對實驗目標進行標定，繪制換擋控制曲線，分析曲線確定換擋過程中是否存在超調。為了更好地獲取實驗結果，將設備額定轉速設定為2000r/min，設備目標轉速設定為5000r/min，構建低速檔位調整標定實驗環境，繪制標定前換擋曲線。在此操作完成后，將目標轉速與額定轉速對調，構建高速檔位調整標定實驗環境，并繪制此實驗環境中的換擋曲線，為實驗結果分析過程提供對照數據，具體如圖2所示。

圖2 標定前換擋曲線

由圖2可知，在標定前的換擋過程中，傳動設備會產生短時間停頓，說明此時的控制參數曲線偏小，影響傳動設備的運行穩定性。根據圖2曲線，結合實驗臺標定換擋曲線，對新型方法與其他兩種方法的標定效果加以分析。

2.3 低速檔位調整標定實驗結果分析

根據上文中設定的實驗準備以及實驗操作過程，完成低速檔位調整到高速檔位控制標定，并繪制換擋曲線如圖3所示。

圖3 低速檔位調整標定后換擋曲線

對上述圖像進行分析可以看出，在使用不同的標定方法完成控制參數標定后得到了不同的換擋曲線。與標定前所得曲線相比，新型方法使用后對換擋過程中的停頓問題進行及時的處理，保證傳動設備的運行安全。其他兩種標定方法使用后，雖然在一定程度上改善了控制過程中的停頓情況，但還是存在短時間的設備運行狀態不穩定問題。綜合上述分析結果可知，在低速檔位調整中，新型標定方法的標定效果更佳。

2.4 高速檔位調整標定實驗結果分析

沿用低速檔位調整標定實驗環境，將設備額定轉速設定為5000r/min，目標轉速調整為2000r/min。對此高速檔位調整控制過程進行標定，并繪制標定后設備換擋曲線，具體如圖4所示。

圖4 高速檔位調整標定后換擋曲線

對圖4中內容進行分析可知，此實驗結果與低速檔位調整標定實驗結果大致相同，不同的標定方法得到的換擋曲線具有一定的差異。在此實驗環境下，新型方法依舊可以對控制參數進行正確的標定，對偏小的控制參數數值進行調整，控制設備轉速轉換中的停頓情況。與新型方法相比，其他兩種方法的標定效果不盡如人意。此兩種標定方法使用后，其換擋曲線中還存在大量的停頓情況，且時間較長、停頓次數較多與控制參數標定前的換擋曲線趨于一致?？偨Y上述實驗結果可知，在此實驗環境下，新型方法的標定效果更好。

3 結語

為了最大程度發揮數控機床車間傳動設備的工作潛力，使其在經濟性與動力性均得到最佳水平的應用，需要對其控制過程進行標定，在本次研究中提出一種新型標定方法，仿真實驗證實使用此方法完成標定后，傳動設備的使用性能得到了大幅度提升，實現控制標定的目標。但此方法僅針對當前標定方法的不足進行優化，在部分領域還存在細微的問題。為保證此方法可與數控機床的發展方向一致，在日后的研究中還需對此方法進行不斷的完善。