基于模糊控制算法的DCT150換擋轂數控車削恒功率控制系統研究*

代宇銘，徐金瑜，郭傲倫，彭宇嘉，文 聰

（湖北汽車工業學院，湖北十堰 442002）

0 引言

加工過程模糊控制是機床智能化的重要體現，也是體現產品質量重要保證，現階段加工高精度工件主要有3種方案值得廣泛關注。徐劍[1]基于SINUMERIK 840D數控系統著重分析了幾何誤差自適應控制、自適應優化控制和自適應約束控制。其中幾何誤差自適應控制通常以被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度為指標，通過檢測機床的溫度誤差、幾何誤差等實時調整機床的加工參數，以保障加工精度，但實現難度較大。劉權[2]和劉恒麗[3]針對銑削工藝，以切削力為研究對象，提出基于數控系統自帶功能開發的自適應控制切削技術方法。上述研究多以銑削工藝為研究對象，基于數控機床內置傳感器實現自適應控制，系統開發成本較高，可移植性較差，不利于推廣應用。

本文以汽車變速箱的核心零部件DCT150換擋轂車削工藝為加工對象，其單面加工包含車削特征、銑削特征、102項尺寸，如圖1所示，該結構特點屬于精密薄壁腔體類零件，加工要求嚴格[4-8]。因此，本文在數控車床ETC3650上設計實驗，開發基于二維模糊控制算法的恒功率智能車削控制系統，實現進給速度自適應調整，提高加工過程的穩定性[9-12]。該設計方案在老舊機床或多廠商數控機床適應性強，具有開發成本低的優勢。

圖1 換擋轂A面模型

1 模糊控制決策設計

根據專家經驗和數據總結建立規則庫，模糊推理和逆模糊化。其模糊控制結構如圖2所示。在設計中，首先設定目標切削功率P，將目標切削功率P與切削加工中實際測量得到的主軸切削功率Po進行比較，以獲得誤差Ep和誤差變化率EU。設Ep和EU相對應的模糊變量為SE和SEC。將其輸入模糊控制器進行模糊化處理，處理后獲得進給倍率調整量Δu再輸入PLC，最終改變機床主軸進給速度，實現切削過程的智能控制。該過程采用循環控制方法，實現切削過程的主軸功率有效保持在目標切削功率P附近。

圖2 模糊控制器結構

1.1 模糊化

進行模糊化時首要做的是將功率分為7個區間{＜440，440～470，470～500，500～520，520～550，550～580，＞580}。實際功率值跟該7個區間比較，通過組合大、中、小和正、負兩個方向概念，另外再加入變量為零的狀態，一共可以形成7個詞匯，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，對應的模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。每一個功率值可以進入相應的功率區間，從而改變進給倍率。初始給定的進給倍率為100%，模糊控制在此基礎上進行修調。設誤差率EU的基本論域為[-0.06，0.06]，變量EU、Ep的量化模糊論域依次為{-15，-7，-1，0，1，7，15}，Δu論域依次為{-15，-8，-2，0，2，8，15}。

1.2 模糊規則和決策設計

采用Mamdani控制規則進行模糊推理運算，根據工藝工程師和電氣工程師長期對車削加工的實踐經驗總結，可設置模糊規則如表1所示。

表1 模糊控制規則

由上述模糊控制規則和圖3所示的三角形隸屬度函數，構建模糊推理控制系統。

圖3 EU、Ep、Δu隸屬函數

2 設計原理

基于ETC3650數控車床和GSK988T型廣州數控系統，以西門子S7-200SMART為下位機，使用OPC通信連接WinCC，使用功率傳感器采集功率，設計一種換擋轂車削加工恒功率自適應控制系統，使得在加工過程中各種擾動量作用下，控制系統能夠自動調節車削進給量以達到恒功率切削的目的。用功率傳感器將主軸的功率采集出來，并送入PLC中分析計算，在PLC中進行模相控制，通過改變進給倍率來控制主軸恒功率，當功率偏大時，減小進給倍率，當功率偏小時，增大進給倍率。并將采集到的功率曲線在WinCC中顯示出來，實時監控車削加工功率。圖4所示為整個系統的設計框圖。

圖4 恒功率車削換擋轂的方案設計

3 硬件設計

該系統硬件為：WB6830R2-P三相功率傳感器、I/O單元擴展模塊CB106、24 V開關電源。通過三相電和24 V直流電的供電，以及功率傳感器的數據采集，完成基于STEP-7的模糊控制，I/O單元的數據輸入，對車床車削過程恒功率自適應控制。利用S7-200 SMART SR/ST CPU模塊本體集成1個以太網接口和1個RS485接口，通過擴展CM01信號板或者EM AM06模塊，其通信端口數量最多可增至4個，可滿足小型自動化設備與觸摸屏、變頻器及其他第三方設備進行通信的需求。

通過功率傳感器的模擬量輸出至S7-200SMART擴展模塊OUT1，通過WinCC7.4開發監控系統并進行數據分析比較，結果信號輸入I/O單元，實現數控系統對伺服驅動器控制的主軸倍率控制。

三相功率傳感器采集模塊電氣原理如圖5所示。PLC及AD模塊電氣原理如圖6所示。

圖5 三相功率傳感器采集模塊電氣原理

圖6 PLC及AD模塊電氣原理

4 軟件設計

根據模糊控制器設計方案，模糊控制算法主程序設計流程如圖7所示。首先通過監控界面（圖8）設置目標功率值，控制系統通過功率采集模塊實時獲取功率，如果功率值在標定范圍內，則計算功率誤差和誤差變化率，并進行模糊化，再通過模糊推理和非模糊化計算出主軸進給倍率調整值。進給倍率調整值與當前進給倍率值求和獲得進給倍率值。最后通過I/O模塊傳入PMC，最終以達到改變車床主軸進給速度的目的。

圖7 主程序流程

圖8 智能控制系統監控系統界面

主軸功率數據采集G代碼如下：

G28 U0 W0

T0101

S2000 M03

G00 X40 Z5

G00 X17

M74

G99 G01 Z-60 F0.3

M75

G00 X40 Z5

M05

G28 U0 W0

M30

將鋁棒作為預實驗工件，預先將其切削成3種不同直徑的階梯狀圓柱，直徑依次為φ20、φ19、φ18。

編制外圓車削為階梯狀的G代碼程序：

G28 U0 W0（設定刀頭原點）

T0101 （1號刀及刀補）

S2000 M03（轉速、主軸正轉）

G00 X40 Z5（刀頭起始點）

G90 X20 Z-60 F0.3

G90 X19 Z-40

G90 X18 Z-20

M05 （主軸停轉）

G28 U0 W0（回刀頭原點）

M30

5 驗證與結果分析

本文開發的數控車削恒功率控制系統在ETC3650數控車床上進行實驗驗證。如圖9所示，刀具選用直徑為20 mm的超硬PCD車刀。設計兩個實驗進行驗證：實驗1用階梯狀鋁棒為加工零件，進行外圓車削恒功率控制實驗驗證，該實驗作為預驗證，并進行對比實驗；實驗2用汽車變速箱的核心零部件DCT150換擋轂為加工零件，進行車基準面加工實驗驗證，該實驗作為應用驗證。兩個實驗的加工零件材料保持一致。

圖9 ETC3650數控車床

（1）階梯狀鋁棒預對比實驗

加工圖10所示的階梯狀鋁棒零件，刀具沿著鋁棒軸向進給車削，加工參數為：主軸轉速2 000 r/min，被吃刀量2.5 mm。

圖10 階梯狀鋁棒零件

傳統加工模式與智能控制模式功率對比如圖11所示，圖中A曲線是沒有加入功率自適應控制的功率曲線，有明顯的階梯狀，B曲線是加入恒功率控制之后的功率曲線，由圖可知在加入恒功率控制后，系統在運行穩定時，功率曲線變得平滑，沒有階梯狀的曲線出現；這樣做可以有效地保護刀具減少其損耗，提高加工效率，減少加工時間及能源消耗。

圖11 傳統加工模式與智能控制模式功率對比曲線

（2）DCT150換擋轂應用實驗

加工參數為：主軸轉速3 000 r/min，被吃刀量1.5 mm。對比結果如圖12所示，由圖可知，DCT150換擋轂應用實驗加入模糊控制后車削功率基本維持在目標功率620 W附近。

圖12 加入模糊控制前后車削功率

6 結束語

本文以ETC3650數控車床作為加工平臺，設計了基于模糊控制智能控制系統。采用二維模糊控制算法調整進給倍率，實現車床主軸恒功率切削控制。通過階梯狀鋁棒預對比實驗，對恒功率控制系統實現預驗證。然后通過在汽車變速箱的核心零部件DCT150換擋轂基準面車削工藝開展應用實驗，實驗表明在使用自適應控制系統后，進給倍率隨主軸負載不斷調整，實時功率基本保持在目標功率附近，提高了車削效率，并且減少刀具損耗，對延長刀具壽命有一定的參考價值。