深孔加工恒扭矩智能控制系统的设计*

徐晓栋 龚玉玲 徐 俊

(①泰州学院，江苏 泰州 225300；②南京新颖氧医疗科技有限公司，江苏 南京 211500)

深孔加工恒扭矩智能控制系统的设计*

徐晓栋①龚玉玲①徐 俊②

(①泰州学院，江苏 泰州 225300；②南京新颖氧医疗科技有限公司，江苏 南京 211500)

针对深孔加工中钻头易折断，加工效率低等问题，设计并搭建了基于模糊PID控制的深孔加工恒扭矩控制系统。在分析深孔钻机传动系统原理的基础上，建立主轴进给系统的传递函数，构建钻头钻削扭矩的自整定模糊PID控制器，介绍以西门子CPU224型PLC和CYB-803S型扭矩传感器为核心的硬件组成，实现了通过调节钻削进给量进而保持深孔加工过程中钻头扭矩恒值，并利用Matlab进行仿真验证。仿真结果表明，模糊PID控制与传统PID控制和模糊控制相比，具有更好的动态稳定性，在钻头扭矩发生突变时，调节时间约为1.2 s，比传统PID控制和模糊控制分别缩短57%和25%，能够较好地满足深孔钻削高效化、智能化的要求。

深孔加工；恒扭矩；模糊PID控制

深孔加工是在封闭或半封闭状态下进行的，很难使用普通方法检测钻削状态，且钻头细长，对受力变化敏感[1-4]。加工过程中，随着钻削深度的增加，经常出现钻削阻力快速增大，钻头扭矩急速增大，导致钻头折断残留在工件中，工件报废的现象[5]。目前，为了保护钻头，一般采用过载停机保护的方法[6-8]，即设定钻头扭矩阈值，一旦钻头所受力矩超过阈值，进给系统立刻停止进给，复位后重新加工，如日本町田铁工生产的自动钻床“Micro-hole”[9]，国内杜宏祺等人研制的深孔钻镗床刀具的扭矩保护系统[10]等，这种做法可以有效保护钻头，但中断了钻削加工的连续性，加工效率较低。随着深孔加工机械高效化、智能化的发展，对钻削过程的控制提出更高要求，在钻头安全的前提下，连续、高效地加工以提高生产率，降低制造成本。因此，本文提出运用模糊控制整定PID控制参数，采用模糊PID控制系统实现钻头扭矩的动态平衡，保证深孔加工的安全性，提高深孔加工的效率。

1 传动系统原理图

深孔钻机主要由主轴进给系统、主轴旋转系统、扭矩传感器、PLC控制器和控制系统组成[11](图1)。

主轴旋转系统工作原理：主轴旋转系统固定在滑台上，由主轴旋转电动机，经过减速齿轮组和扭矩传感器，驱动刀具主轴转动。

主轴进给系统工作原理：主轴进给电动机，经过电磁离合器、减速器，驱动丝杆旋转，由螺母带动滑台，实现刀具的进给运动。

在钻削过程中，扭矩传感器实时检测钻头扭矩，若钻头扭矩迅速增大，通过控制系统，经PID控制器传到变频器后，控制进给电动机减速，减小进给量，减小钻头扭矩，若钻头扭矩较小，则增加进给电动机转速，增大进给量，保证钻孔效率。

2 主轴进给系统的模型和传递函数

2.1 变频器的传递函数

变频器的传递函数[12]可近似为：

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

式中：K1为变化系数；T为滞后时间。

2.2 进给电动机恒压频比调速的传递函数

电动机输出扭矩Tout：

(1)

异步电动机运动方程：

(2)

式中：G为转动部分的重量，N；D为转动部分的转动直径，m；TL为负载转矩，N·m。

将式(1)代入式(2)，经过拉普拉斯变换，得电动机的传递函数：

2.3 减速器与丝杆的传递函数

可以近似为比例环节，传递函数：

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

式中：K3为常数。

3 自整定模糊PID控制方案

在深孔加工过程中，钻削环境多变，同时加工工件可能存在材质不均匀，从而使钻头扭矩变化较大，需要控制系统能对钻头扭矩变化作出快速响应，采用传统的PID控制或者模糊控制达不到理想的控制效果。本文对传统PID控制进行改进，通过模糊控制调节PID控制的3个控制参数，形成自整定模糊PID控制方案，见图2所示。

通过刀具主轴上的扭矩传感器测得主轴实时扭矩，计算实时扭矩与设定扭矩之间的偏差E和偏差变化率EC，模糊化后，依据模糊控制规则，得到PID整定参数ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′，根据自整定公式[13-14](3)得到PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd，进而得到电动机控制量，送至变频器，控制进给电动机的转速，调节钻削进给量，稳定钻头扭矩。

(3)

式中：Kp、Ki、Kd为PID参数修整后的值；Kp′、Ki′、Kd′为PID参数初始值。

3.1 模糊化

模糊控制系统选用双输入三输出模糊控制器，输入量为主轴扭矩偏差E和偏差变化率EC，输出量为PID整定参数ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′。由实际工作经验，取E和EC模糊子集为{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，论域为{-3,-2,-1,0, 1, 2, 3}，ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′的模糊子集和论域与其相同。它们的隶属函数为三角形隶属函数，见公式(4)：

(4)

3.2 模糊控制规则

依据深孔钻削现场操作的长期经验，采用“IF A AND B,THEN C”类型的推理规则，制定模糊推理规则表，例如当主轴扭矩偏差和主轴扭矩偏差变化率都是负大，说明主轴实际的扭矩远小于设定的扭矩，钻削效率低，需要迅速增大进给量，所以ΔKp′参数为正大，ΔKi′参数为负大，ΔKd′参数为正小，以此类推。

3.3 清晰化

采用加权平均法即式(5)将ΔKp′、ΔKi′、ΔKd′变为精确量，结合自整定公式(3)得到Kp、Ki、Kd的精确值。

(5)

4 系统构成

4.1 硬件设计

选用西门子S7-200系列的CPU224PLC控制器，集成24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块。输入/输出模块选用西门子EM223，用于接受主轴扭矩的信号和输出控制进给电动机的变频器调节信号。主轴旋转的调速电动机功率选用5.5 kW，进给电动机功率选用3 kW。变频器选用三菱E540变频器。

扭矩传感器选用CYB-803S型扭矩传感器，其量程为0～200 N·m；输出为4～20 mA电流信号；过压过载满量程1.5倍压力；扭矩传感器安装位于电动机和刀杆之间，保证同轴度小于0.05 mm，以避免产生弯矩。安装示意图如图3所示。

4.2 软件设计

4.2.1 上位机设计

使用PC作为上位机，分为手动和自控两种控制方式，手动控制中通过进给和后退按键控制进给电动机正反转，通过低、中、高控制进给量的大小。自动控制为自适应模糊PID控制，在保持钻头扭矩恒定下，实现刀具持续进给。系统监控界面还能实时显示钻头扭矩、转速和进给速度以及意外情况下的报警信号，控制系统监控画面如图4所示。

4.2.2 下位机设计

使用STEP7-Micro/WIN V4 SP8对PLC进行编程，实现进给电动机的手动和自动控制。自动控制中，主要是模糊PID控制程序的设计，首先将设定扭矩值和测定的扭矩值储存到Vb100，Vb101，计算E、EC值存储到Vb102，Vb103，经过模糊化后存储到Vb104，Vb105中，然后将模糊控制表存储到PLC中。模糊控制表中偏差E和偏差变化率EC的论域值各有7个，ΔKp′的模糊控制表存储需要7×7个字节，一次存储在Vb250～Vb298，ΔKp′的位置增量为7×i+j，同理ΔKi′和ΔKd′的控制表分别存在Vb300～Vb349和Vb350～Vb399，再计算出Kp、Ki、Kd的值送至PID控制器。模糊控制器程序流程如图5所示。

5 仿真试验

在Matlab/Simulink环境下，将设计好的模糊规则导入进来，结合系统提供的其他功能完成模糊控制系统的模型，见图6所示。

本文主要研究深孔钻机钻削过程中钻头恒扭矩的控制，即当钻头钻削环境发生变化，主轴扭矩突变时，控制系统对其的响应。在稳定状态后的第7 s时刻，扭矩由52 N·m增加至70 N·m，观察钻头扭矩的变化情况，如图7所示，采用普通PID控制器在2.8 s后回到平衡位置，最大超调量为10%左右；模糊控制器需要1.6 s，最大超调量为4%左右；而模糊PID控制器大约需要1.2 s且基本无超调。模糊PID控制器的调节时间比普通PID控制器缩短57%，模糊控制器25%。在第12s时刻，再次将扭矩由52 N·m减小至34 N·m，同样，模糊PID控制器经过1.2 s后再次回到平衡位置。综上所述，模糊控制器能够迅速响应主轴扭矩的变化，而且具有较高的抗干扰能力，控制效果比普通PID控制和模糊控制优越，能够满足快速、连续钻削深孔的需要。

6 结语

该深孔钻机床样机已经运用到压光辊的加工中，该工件直径为900 mm，在圆周上分布12个小孔，孔径为φ32 mm，长度为2 000 mm，经过多次重复试验，样机主轴进给速度稳定在170～200 mm/min之间，每孔平均加工时间为11 min，实现了深孔钻削的连续加工。样机实验表明，模糊PID控制系统性能稳定，在保护刀具的同时有效地提高了加工效率，具有较强的实践指导意义。

[1] 王鹤,毕建平,刘建英,等.基于粗糙模糊神经网络的微孔钻削在线监测方法[J].机械设计与制造,2011(12):160-162.

[2]杨福合,胡振华,庞明超.深孔钻镗床控制系统改造与切削参数监测研究[J].机床与液压,2015,43(2):155-158.

[3]Biermann D,Sacharow A,Wohlgemuth K．Simulation of the BTA deep-hole drilling process[J].Production Engineering,2009(3): 339-346.

[4]张超,李言,郑建明.正交小波变换在钻削刀具状态监测中的应用[J].制造技术与机床,2004(7):20-23.

[5]袁海兵.深孔加工刀具保护系统的软件开发[J].湖北汽车工业学院学报.2011,25(2):39-42.

[6]邱易,雷勇,郑建明,等.深孔加工工具系统研究现状及趋势分析[J].工具技术,2015,49(12):7-12.

[7]邱新桥,孙海明,田玉冬,等.深孔自动加工刀具过载保护系统的研究[J].汽车工艺与材料,2002(7):30-33.

[8]徐旭松,刘战锋,朱林,等.一种深孔钻削切削力测量装置[J].组合机床与自动化加工技术,2014(12):113-114.

[9]蒋超猛,张弓,王映品,等.深孔加工技术的研究综述及发展趋势[J].机床与液压,2015,43(11):173-177.

[10]杜宏祺,戴伟,钱琳,等.深孔钻镗床刀具的扭矩保护设计[J].制造技术与机床,2004(3):24-25.

[11]蔡善乐,徐晓栋,马志宏.深孔钻削过程中的智能控制[J].工具技术,2007,41(12):97-98.

[12]胡均平,代建龙,刘成沛,等.自调整模糊控制在动力头变频调速中的应用[J].测控技术,2013,32(9):74-76.

[13]徐礼平,高宏力,高育帼,等.模糊PID电阻丝恒速恒张力绕制控制[J].机械设计与制造,2013(3) :117-119.

[14]赵学观,徐丽明,何绍林,等.玉米定向种子带恒张力卷绕系统自适应模糊PID控制[J].农业机械学报, 2015, 46(3):90-96.

如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

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

*泰州学院校级课题(TZXY2014YBKT003)；江苏省高校自然科学研究项目(14KJB460033)

TH69

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.006

徐晓栋，男，1980，硕士，讲师，研究方向为船舶与机电工程技术、智能控制与检测。

(编辑 孙德茂)

2016-05-31)

160911