基于恒功率约束的换挡毂数控铣削加工控制系统设计与实现

摘 要：【目的】汽车双离合变速箱（Double Clutch Transmission，DCT）的核心零部件换挡毂加工制造精度要求高，针对数控铣削工艺的非线性问题，通过优化切削参数，以提高生产效率及延长刀具寿命。【方法】以主轴负载恒功率为约束条件，设计一种基于模糊控制算法的铣削加工控制系统。采用CP1E N30作为主控制器、CX-programmer开发下位机程序、Kingview开发上位机系统，完成基于主轴功率信号反馈的智能控制器的开发。【结果】在XHK716加工中心机床上实现铣削工艺的恒功率控制，通过换挡毂粗铣B平面工艺过程的应用，可知实时功率保持在目标功率附近。【结论】该控制系统提高了铣削加工效率，实现了保护刀具的目标，对延长刀具寿命有较好的参考价值。

关键词：换挡毂；恒功率；模糊控制；数控铣削

中图分类号：TP273+.4 " "文献标志码：A " " 文章编号：1003-5168（2024）12-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.001

Design and Implementation of CNC Milling Control System for Shift Hub Based on Constant Power Constraint

XU Jinyu ZHAO Yajun CAO Yuncong WEI Shiyi

（School of Electrical and Information Engineering， Hubei University of Automotive Technology，Shiyan "442002，China）

Abstract：[Purposes] The core component of the automobile's dual-clutch transmission （DCT）， the shifting hub， requires high precision in manufacturing.Aiming at the nonlinear problem of CNC milling process， the cutting parameters are optimized to improve the production efficiency and prolong the tool life.[Methods] This paper designs a milling control system based on a fuzzy control algorithm with the constraint of constant power on the spindle load. This paper utilizes CP1E N30 as the main controller， develops the sub-controller program using CX-programmer， and creates the upper-level system using Kingview to achieve the development of an intelligent controller based on spindle power signal feedback.[Findings] This paper implements constant power control for milling processes on the XHK716 machining center machine tool. Through the application of shifting hub rough milling B plane process， it can be seen that the real-time power is maintained near the target power.[Conclusions] This control system has achieved the goal of improving milling process efficiency as well as protecting cutting tools， and provides valuable reference for extending tool life.

Keywords： shifting hub; constant power; fuzzy control; cnc milling

0 引言

随着汽车市场规模扩大和全球化采购迅速增长，我国汽车零部件产业供应体系逐步完善，形成了全球规模最大、品类齐全、配套完整的产业体系。但是，高附加值的核心零部件仍然较少。如变速箱是汽车生产的关键之一，其核心零件换挡毂决定了换挡的效率和平顺性。换挡毂属于精密薄壁腔体类零件，加工工艺包含铣削特征及车削特征，加工要求严格［1-2］。铣削加工参数的优化有助于延长刀具使用寿命并降低碳排放量。

许锋立等［3］提出一种基于优化灰狼算法的铣削参数动态多目标优化方法。该方法能够在整个刀具的寿命周期内根据刀具的寿命衰变程度提供时段内最优的铣削参数方案；李超文等［4］提出一种基于BP神经网络及NSGA-Ⅱ算法的工艺参数多目标优化方法。该方法能准确预测数控铣削刀具寿命及工艺碳排放；李泽亚等［5］设计了基于边缘控制器的恒功率切削智能控制系统。该系统不仅提高了切削效率，并且减少了刀具损耗；史靠军等［6］提出基于主轴振动信号功率谱能量的刀具磨损监测方法。该方法在钛合金槽腔结构件上可以准确识别刀具的早期磨损程度。

电参数相较于切削力、切削扭矩等更加容易获取，并且可以间接反映出数控机床加工状态。因此，采集电参数以实现铣削工艺参数优化的方法，对于提高加工精度及延长刀具寿命有明显优势。本研究以FANUC立式加工中心XHK716为对象，提出一种基于恒功率约束的模糊控制算法。该方法采用系统内部PMC及I/O LINK接口实时调整进给倍率，从而实现数控机床进给速度的实时调整，以达到在保护刀具和机床的同时有效地提高加工效率以及工件加工质量。

1 换挡毂铣削工艺特点

换挡毂采用圆周方向定位夹紧，共分为两序加工。其中，工序1负责加工A面特征［7］，包括车削工艺及钻削工艺；工序2负责加工B面特征，包括铣削工艺及车削工艺。换挡毂B面模型如图1所示。本研究主要针对铣削加工工艺进行优化，加工内容包括粗铣基准面B平面及底面、铣轴φ85、粗铣螺旋槽、精细螺旋槽。基于恒功率约束，采用模糊控制算法实现加工过程的稳定性［8-9］。

2 模糊控制器设计

由于铣削过程的非线性特点，根据专家经验更易于构建模糊控制规则，其模糊控制结构如图2所示。首先，设定目标切削功率[P]，将其与铣削过程实际测量得到的主轴功率[Po]进行比较，获得实时误差[e]；其次，将实时误差[e]与比例因子[Ke]相乘，得到模糊控制器第一输入[Ep]；最后，实时误差[e]经过微分运算后再与比例因子[Kc]相乘，得到模糊控制器的第二输入[EU]。

变量[EU]、[Ep、∆u]的模糊集为｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，分别对应｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，量化模糊论域依次为｛-5，-3，-1，0，1，3，5｝。通过将输入模糊控制器进行模糊化处理，并根据工艺工程师和电气工程师长期以来对车削加工的实践经验总结，构建模糊规则见表1。同时，采用三角形隶属度函数如图3所示。采用Mamdani控制规则进行模糊推理运算，在进行反模糊化后，获得进给倍率调整量[∆u]，并与实时进给倍率[u]叠加，获得优化后的进给倍率。将优化倍率值送入数控系统，从而改变机床主轴进给速度，实现铣削过程的模糊控制。

3 控制系统设计

3.1 硬件结构设计

首先，基于立式加工中心XHK716和FANUC数控系统0i-MD，使用功率传感器采集有功功率模拟量电流信号；其次，选用欧姆龙CP1E N30主控制器及模拟量模块MAD11，经过模糊控制器运算获得优化进给倍率值，再通过I/O LINK修改进给倍率，以实现调整进给电机转速的目的。同时，采用TCP/IP通信方式连接Kingview，将采集到的功率曲线实时显示，实现人机交互。整个控制系统的设计方案如图4所示。

3.2 软件程序设计

首先，采用软件CX-programmer开发下位机程序。基于目标功率误差为0%，高于目标功率误差域划分为四个梯度：+1%至+5%、+5%至+15%、+15%至+25%、高于+25%，与之相应的倍率调整值设定为-5%、-10%、-20%、-30%。低于目标功率误差域对称划分为四个梯度：-1%至-5%、-5%至-15%，-15%至-25%、高于-25%，与之相应的倍率调整值设定为+5%、+10%、+20%、+30%。主程序流程如图5所示。

其次，采用软件Kingview开发上位机系统。其中包含欢迎界面、功率曲线监控界面、切削参数界面，上位机位置如图6所示。功率曲线监控界面可以显示目标功率、当前功率、当前倍率的实时数值及趋势图，并设置归档变量可以导出功率报表；切削参数界面包括模糊论域、调整倍率、调整周期、目标功率设置及功率切削参数设置。

4 试验验证与结果分析

本研究开发的基于恒功率约束的数控铣削控制系统在立式加工中心XHK716上进行的试验验证如图7所示。刀具选用直径20 mm的M2-AL三刃铝用铣刀。

分别设计两个试验进行验证：试验1为预验证试验。采用双凹槽铝块作为待加工零件，进行铣削恒功率控制试验验证，并以此作为对比的试验。试验2为应用验证试验。采用汽车双离合变速箱核心零部件换挡毂作为待加工零件，进行粗铣基准面B平面。两次试验所采用的加工材料均一致。

4.1 双凹槽铝块预验证试验

试验选用的加工工件为50 mm×100 mm×150 mm的铝合金块，用于模拟复杂的工件表面。其表面预先铣削两条1.5 mm×30.0 mm×100 mm的凹槽，尺寸如图8所示。试验设定的切削参数为主轴转速2 000 mm/min、切削深度3.2 mm，切削宽度20 mm。

分别采集传统加工方式和基于恒功率约束的加工方式的功率数据，并绘制功率曲线对比如图9所示。曲线A是未加入模糊控制的功率曲线，当铣削至凸起时背，吃刀量增大，功率明显升高；当铣削至双凹槽时背，吃刀量减小，功率明显降低。曲线B是加入恒功率约束进行模糊控制的功率曲线，较为平滑，在目标功率附近波动，避免了对铣刀的冲击及损耗。

试验运用Matlab将有功功率数据进行处理，获得两次铣削功耗、效率、比能数据见表2。从表2分析可知，基于恒功率约束的加工方式比传统的加工方式功耗更低、比能更低、时间更短、效率更高。

4.2 换挡毂粗铣平面应用验证试验

试验设定的加工参数为主轴转速2 500 mm/min、切削深度1 mm。应用验证试验功率曲线对比如图10所示。换挡毂粗铣基准面B平面应用试验在加入模糊控制后，铣削功率基本保持在750 w。

5 结语

本研究以恒功率为约束条件，设计了基于模糊控制的铣削加工控制系统。该系统采用二维模糊控制算法可自动调整FANUC立式加工中心XHK716主轴的进给倍率。不仅通过双凹槽铝合金铣削加工试验，验证了该系统具有较好的控制效果。而且通过换挡毂粗铣B平面应用验证试验，验证了该系统的实时功率保持在目标功率附近，达到了提高铣削加工效率的目的，对减少刀具损耗，延长刀具寿命具有一定的参考价值。

参考文献：

［1］张峰. 基于复合挡的八速双离合变速器结构设计［J］.机械工程师，2021（5）：131-135.

［2］王金钢，张金虎，徐哲，等. 双离合变速器换挡毂关键工艺技术研究［J］.轻工科技，2018，34（12）：42-43，45.

［3］许锋立， 邵树军， 杜超，等. 基于刀具寿命等级的铣削加工参数自适应调整优化方法［J］.机床与液压，2023，51（21）：199-205.

［4］李超文，尹瑞雪. 基于刀具寿命及工艺碳排放预测的数控铣削参数优化研究［J］.工具技术，2023，57（9）：80-85.

［5］李泽亚，罗敏，孙国浩，等. 基于边缘控制器的恒功率切削控制［J］.湖北汽车工业学院学报，2022，36（1）：66-69，80.

［6］史靠军，胡维鑫，贾保国，等. 基于振动信号功率谱能量的钛合金铣削过程刀具磨损监测研究［J］.制造技术与机床，2023（9）：66-73.

［7］代宇铭，徐金瑜，郭傲伦，等. 基于模糊控制算法的DCT150换挡毂数控车削恒功率控制系统研究［J］.机电工程技术，2022，51（10）：83-86.

［8］刘恒丽，王勇，董靖川. 基于动态特性的数控铣削参数自适应在线优化［J］.制造业自动化，2019，41（9）：82-88，120.

［9］XU G D，CHEN J H，ZHOU H C，et al. Multi-objective feedrate optimization method of end milling using the internal data of the cnc system［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019，101（1-4）：715-731.