深孔加工恒扭矩智能控制系統的設計
2018-5-4 來源：泰州學院 南京新穎氧醫療科技有限公司 作者：徐曉棟 龔玉玲 徐 俊
摘要: 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。
關鍵詞: 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。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。目前，為了保護鉆頭，一般采用過載停機保護的方法，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”，國內杜宏祺等人研制的深孔鉆鏜床刀具的扭矩保護系統等，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。
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。
圖1 深孔鉆系統原理圖
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
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。
3．1 模糊化
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 k W，進給電動機功率選用 3 k W。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 m A 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
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 1．2s 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32 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 ～ 200mm/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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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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