坡口机恒负载切削控制系统的设计与研究

王 磊，胡 鑫，叶云龙，吴焱明

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230003)

为了保证厚壁管件的焊接品质，焊接前管件必须进行坡口加工。在坡口加工过程中，如果进给速度与主轴转速不变，随着切削刃与工件接触面的增大，电机负载也将随之增大，而且对刀具的磨损以及设备的使用，都将造成很大的影响。传统的保持恒负荷的设备，主轴电机一般是变频电机或伺服电机，成本较高。为此，结合的目前情况[1～2]，主轴采用普通电机，并在线监测主轴电机电流，通过改变进给电机速度，保持所测电流值的恒定，来保证切削载荷的恒定。

1 坡口机控制系统

系统由触摸屏、伺服单元、PLC 和主轴动力头单元组成，在实际工作中主轴动力头固定旋转做切削运动，伺服电机驱动工作台为进给运动。图1为硬件结构图。

图1 硬件结构图

触摸屏实现人机界面交互，PLC 通过I/O 单元控制主轴单元的启停及伺服单元的驱动与安全限位，其中主电动机为三相异步交流电机，其上安装有电流传感器，用以检测主轴电流值i 并反馈给PLC。

2 智能控制原理

已有研究证明，加工过程中，主轴电机的电流与切削负荷之间，存在着必然的映射关系[1～2]。因此，可以通过保持主轴电机电流的恒定，来保证加工过程中的切削负荷的恒定。厚壁管件坡口的加工本身，是一个复杂的强非线性过程，所以采用具有较强鲁棒性的模糊控制算法实现智能控制[3～6]。智能控制的工作原理如图2所示。

图2 智能控制工作原理图

主轴电机测出的实时电流i(t)送入PLC 经过信号处理后，与PLC 设定的主轴电流期望值i0进行比较，得出偏差值e 和偏差变化率ec，经过模糊控制，解模糊输出电流变化量Δi，与i0、Ku 和Ki的运算后，最终输出模拟量信号u，以速度控制模式来控制伺服电机的运动，同时不断反馈主轴电机电流的实时值，进行处理比较，从而实现工件加工时恒负荷的实时调节。

图2中i0为给定值，i (t)为实测值，e为输入偏差；ec为输入偏差变化率；Ke、Kec 分别为输入偏差和偏差变化率的量化因子；Ku为输出比例因子；Ki为电流和电压间的转为因子；E、EC为量化的输入值；U为模糊控制的输出量；Δi为模糊控制实际输出的电流变化量；u为PLC 最终输出的模拟量。

3 仿真

根据系统运动构成，建立Matlab Simulink系统模型[7]，如图3所示。

图中的Mode 即为系统研究模型。其中伺服系统模型处理为一阶惯性环节和一个延迟环节；进给速度f 与切削力模型F的关系近似为一个惯性环节；切削力与电流可以近似看成一个比例环节。

根据系统在被控过程中对应不同的偏差和偏差变化率，归纳出参数输出u的原则：

（1）当偏差为负值时，说明实时电流值比设定值大，此时应该减慢进给速度，所以输出的电流变化量为负值，以使最终的电压控制信号u 减小。

（2）当偏差和变化率为中等大小时，输出的电流变化量取值要大小适中，以保证设定值与实时值的一致。

（3）当偏差为正值时，设定值比实时电流值大，此时应该增大进给速度，所以输出的电流变化量为正值，以使最终的电压控制信号u 增大。

取e、ec、u的论域都是

{-6，-4，-2，0，2，4，6}，

其模糊集合为

{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，

误差e、偏差率ec、输出u的隶属度函数，都是采用对称、均匀分布三角形隶属度函数。

对于目标保持电流8A，通过仿真，得到的结果如图4所示。

图4 仿真结果曲线图

图中，

a为正常模糊控制曲线；

b为在工件切削运动到1.5 s 时，由于工件材质等改变，系统进给速度f 与切削力F的模型改变为50/（0.3s+1）时的曲线；

c为切削力和电流前加上一个最大幅值0.5的随机干扰信号时的曲线。

该仿真结果表明，采用模糊控制的该系统，可以快速地达到较高品质的稳态输出，在受到外部较大干扰时，该系统具有较强的鲁棒性，可以使系统保持在一个允许误差范围内的稳定输出。

4 实现

（1）控制系统硬件介绍。主轴电机型号为Y112M-4，采用WBI412S91 型电流传感器型号检测电流；采用台达触摸屏、PLC 及其A/D 模块；进给系统采用台达ASDA-AB 交流伺服系统。

（2）模糊控制算法的实现。本系统模糊控制算法实现见图5。

图5 模糊控制算法流程图

开始阶段赋初值Ke、Kec、Ku、Ki 和设定电流值i0到PLC 内，通过检测，得到e 和ec，模糊化为E 和EC，查询模糊控制表得到U，并通过Ku 解模糊，得到模糊控制的输出量Δi，与电流设定值i0和转化因子Ki 运算后得到最终的模拟量输出u，控制电机动作。同时实时检测对i(t)更新，这样就构成一个过程循环。

通过误差和偏差变化率EC，经过离线的推理计算，得到模糊控制查询表，该表为7×7的二维矩阵。按照重心法解模糊，把得到的结果U 和比例因子Ku的乘积，即可得到电流变化量Δi。U的模糊规则表见表1。

表1 模糊控制规则查询表

在PLC 软件设计中，模糊控制量表的查询是程序设计的关键[8]，在此加以阐述。首先将E 和EC 在模糊论域中所对应的元素，置入D200O、D2001 和D2006、D2007 中。PLC编程时将查询表元素逐行依次存储在PLC的保持寄存器D3000～D3096 中。

查表程序设计利用变址寄存器E1.通过采取“基址+偏移地址”寻址的设计方法来实现。设E、EC的论域元素分别为X、Y，则输出控制量U的位置为

表首地址+7(X+6)+(Y+6)。

其指令语句如下：

5 结束语

坡口加工过程，是一个非线性、时变性的系统，采用不依赖对象模型的模糊控制，对干扰有一定的鲁棒性。可以在低成本的情况下，实现对恒负荷的控制。对于坡口机这类特种设备，本系统研究利于提高加工的效率和在加工过程中设备运行的平稳性、可靠性，具有一定的应用价值和市场价值

[1]王红亮.数控加工恒负荷控制系统的研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2006.

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