基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)研究

李慶

摘要：傳統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)控制效果差，在過載故障實(shí)驗(yàn)中，不能解除過載故障。為此，提出基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)。運(yùn)用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)中的除法語言和伺服放大器，處理輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)。再應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，評(píng)定輪胎加工機(jī)床數(shù)字化誤差。然后，在FUNAC數(shù)控系統(tǒng)框架下，構(gòu)建輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制模型，并在模糊控制量基礎(chǔ)上，依據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)原則，添加一個(gè)輔助控制量，實(shí)現(xiàn)輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制。由此，完成基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)的設(shè)計(jì)。最后，測試2個(gè)技術(shù)的控制效果。實(shí)驗(yàn)中分別測試傳統(tǒng)技術(shù)與所提技術(shù)在過載故障實(shí)驗(yàn)中，是否能夠?qū)⑦^載限流穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，有效解除過載故障。并以安全范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)波形為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，檢驗(yàn)其控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提技術(shù)的過載限流實(shí)驗(yàn)波形與安全范圍內(nèi)的過載安全實(shí)驗(yàn)波形一致，說明該技術(shù)控制效果相比傳統(tǒng)技術(shù)更好。

關(guān)鍵詞：FUNAC數(shù)控系統(tǒng);輪胎加工機(jī)床;數(shù)字化;電路信號(hào);輸出電壓;過載限流

中圖分類號(hào)：TG519.1?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2020）03-0021-04

Abstract：The control effect of the traditional digital control technology of tire machine tool is poor，because it cannot eliminate the verload fault in the overload fault experiment. Therefore， the research on digital control technology of tire machine tool based on FUNAC numerical control system was put forward. The circuit signal of tire machine tool is processed by using division language and servo amplifier in FUNAC numerical control system. Then， the mathematical model is used to evaluate the digital error of tire machine tools. After finishing the above work， under the framework of FUNAC numerical control system， the digital control model of tire machine tool is constructed， and on the basis of fuzzy control quantity， according to the principle of digital design， an auxiliary control quantity is added to realize the digital control of tire machine tool. So far， the design of digital control technology of tire machine tool based on FUNAC numerical control system has been completed. Finally， the control effect of the two technologies was tested. In the experiment， it was tested whether the traditional technology and the proposed technology can stabilize the overload current limit in a safe range and effectively remove the overload fault. Based on the experimental waveforms in the safe range， the control effects of the two techniques were tested. The experimental results show that the waveform of the overload current limiting experiment of the proposed technology is consistent with that of the overload safety experiment within the safe range， which shows that the control effect of this technology is better than that of the traditional technology.

Keywords：FUNAC numerical control system; tire machine tool; digitization; circuit signal; output voltage; overload current limiting

在輪胎加工機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)制造過程中，需要將輪胎加工過程和輪胎加工機(jī)床所產(chǎn)生的知識(shí)融合在一起，提升輪胎加工機(jī)床的效率。當(dāng)前輪胎加工機(jī)床的控制中，存在效率低、依賴人工控制等問題。傳統(tǒng)的數(shù)字化控制技術(shù)在開發(fā)階段，需要通過建模和仿真等過程，以驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)動(dòng)所有的因素，使得整個(gè)開發(fā)過程可控。輪胎加工機(jī)床是由電器和控制等多種技術(shù)融合為一體的機(jī)電系統(tǒng)，主要包含輪胎機(jī)床支撐件和主軸等基本部件[1]。在控制的過程中，會(huì)涉及機(jī)電耦合動(dòng)力分析和整機(jī)熱誤差分析等問題，故在控制過程中，需要各個(gè)學(xué)科知識(shí)的支持。但從現(xiàn)在的研究成果來看，傳統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)忽略了過程建模和執(zhí)行過程管理，且未直接采用輪胎加工機(jī)床的知識(shí)表示法，導(dǎo)致輪胎加工機(jī)床研發(fā)過程不可控，造成設(shè)計(jì)資源的浪費(fèi)。

為有效地將業(yè)務(wù)過程中的所有因素集合在一起，提出基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)研究，在傳統(tǒng)的數(shù)字化控制技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)操作輪胎加工過程模型和知識(shí)模型。完成輪胎加工的同時(shí)，再評(píng)定輪胎加工機(jī)床數(shù)字化誤差，以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)字化控制模型，實(shí)現(xiàn)輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制。最后，通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提的基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)的可行性。

1?輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)處理

采用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的伺服放大器減少電機(jī)的負(fù)載慣性，伺服放大器背后的阻值為16 Ω，利用放大器的A型接口，處理輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)[2]。處理過程如下：

第1步，采樣電路采集的信號(hào)頻率為9.6 kHz，正弦周期采樣點(diǎn)為192點(diǎn)，從FUNAC數(shù)控系統(tǒng)中，將電路信號(hào)的瞬時(shí)值用軟件算法轉(zhuǎn)換，則輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)有效值為：

第2步，采用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的除法語言，實(shí)現(xiàn)開發(fā)運(yùn)算。為簡化處理過程，采用電路信號(hào)的有效值，代替原始的電路信號(hào)有效值，表達(dá)式為：

其中：U0為電路信號(hào)的瞬時(shí)采樣值[4]。

第3步，有效值調(diào)節(jié)過程慢，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，要求10個(gè)周期的有效值平方和，表達(dá)式為：

其中：Uij為輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)的瞬時(shí)采樣值。應(yīng)用式（3）即可求得10個(gè)周期的有效平方和[5]。

2?輪胎加工機(jī)床數(shù)字化誤差評(píng)定

利用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的伺服放大器處理輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)后，考慮到輪胎加工機(jī)床部件的單元誤差因素會(huì)影響實(shí)際工件控制效果，提出輪胎加工機(jī)床數(shù)字化誤差評(píng)定[6]。評(píng)定步驟：

首先，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，評(píng)定輪胎加工機(jī)床數(shù)字化誤差，標(biāo)準(zhǔn)方程為：

其中：x、y和z為測量采樣點(diǎn)坐標(biāo);A、B、C和D為參量的對(duì)應(yīng)函數(shù)。

其次，引入A、B、C和D參量，求測量點(diǎn)的理想平面距離為：

其中：F為對(duì)應(yīng)函數(shù)的最小值[7]。

最后，調(diào)用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的軟件算法評(píng)定x、y和z的輸入數(shù)據(jù)，運(yùn)用直接搜索法，經(jīng)過15次迭代，得到x、y和z的測量數(shù)據(jù)，見表1。

求得x、y和z的測量值，即可得到最小包容區(qū)域的評(píng)定方程，表達(dá)式為：

應(yīng)用式（6）得到x、y和z為測量采樣點(diǎn)坐標(biāo)誤差評(píng)定結(jié)果。

3?FUNAC數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字化控制模型

先處理輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)，再評(píng)定數(shù)字化誤差，得到準(zhǔn)確的測量采點(diǎn)誤差，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建FUNAC數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字化控制模型，實(shí)現(xiàn)輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制[8]。

基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的自調(diào)整方法，調(diào)整數(shù)字化控制的快速響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量等參數(shù)，調(diào)整比例以實(shí)踐為主，結(jié)合FUNAC數(shù)控系統(tǒng)本身具有的非線性，構(gòu)建FUNAC數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字化控制模型[9]，如圖1所示。

圖1中的參數(shù)是根據(jù)預(yù)先確定好的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)規(guī)則來調(diào)整比例因子，在實(shí)際輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制中，要通過FUNAC數(shù)控系統(tǒng)輸出響應(yīng)的觀測達(dá)到理想的控制效果。再根據(jù)一定的控制規(guī)律，使得比例因子滿足系統(tǒng)指標(biāo)的要求[10]。

基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

1）在此階段要完成輪胎加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，待初步構(gòu)成輪胎加工機(jī)床后，要對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。完成部件設(shè)計(jì)后，要設(shè)計(jì)集成，優(yōu)化輪胎加工機(jī)床整機(jī)性能。在這階段，要應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)分析軟件，有數(shù)控機(jī)床機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)工具和分析工具等。這些工具是針對(duì)性地應(yīng)用于不同的控制部件[11]。

2）由圖1可知，輪胎加工機(jī)床的自調(diào)整比例因子是在模糊控制量的基礎(chǔ)上，添加了一個(gè)輔助控制量，采用PI二維結(jié)構(gòu)得到模糊控制規(guī)則，如表2所示。

3）應(yīng)用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)得到模糊控制規(guī)則后，選取系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。

4）輸入系統(tǒng)的快速響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量，則各變量語言值模糊子集定義為：

其中：Y為響應(yīng)時(shí)間;T為超調(diào)量。由此得到輸出的比例因子調(diào)整量。得到輔助模糊量的輸出量后， 為使設(shè)計(jì)的基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)具有通用型，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)原則，對(duì)本次提出的基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制。執(zhí)行過程如下：

首先，在對(duì)輪胎加工機(jī)床進(jìn)行數(shù)字化控制前，采用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行快速響應(yīng)調(diào)整，在小偏差范圍內(nèi)的精度，可采用常規(guī)模糊控制量，并根據(jù)實(shí)際工作情況，切換開關(guān)函數(shù)的控制方式。

其次，若偏差值大于設(shè)定閾值時(shí)，可作為常規(guī)模糊控制量，執(zhí)行下一步;若偏差值小于設(shè)定閾值時(shí)，依據(jù)模糊控制規(guī)則調(diào)整，調(diào)整成功后可執(zhí)行下一步，若調(diào)整失敗，則返回第一步重新選擇。

最后，采用模糊控制量，對(duì)輪胎加工機(jī)床進(jìn)行數(shù)字化控制。

4?實(shí)驗(yàn)分析

為使實(shí)驗(yàn)具有對(duì)比性，分別測試傳統(tǒng)技術(shù)與本文技術(shù)在過載限流階段的實(shí)驗(yàn)波形，通過分析輸出電壓波形，檢驗(yàn)其控制效果，若過載限流很快穩(wěn)定在安全的范圍內(nèi)，說明該技術(shù)的控制效果更佳，可以有效保證輪胎加工機(jī)床的負(fù)載安全。

4.1?實(shí)驗(yàn)過程

首先檢測過載故障是否被解除，具體實(shí)驗(yàn)過程為：在FUNAC數(shù)控系統(tǒng)中，若過載限流可以穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，說明已成功解除過載故障。若實(shí)驗(yàn)波形與圖2波形一致，說明該技術(shù)的數(shù)字化控制效果最佳。過載限流安全范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)波形，如圖2所示。

4.2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)與傳統(tǒng)的輪胎加工機(jī)床數(shù)字化控制技術(shù)的過載限流階段的實(shí)驗(yàn)波形，如圖3和圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文技術(shù)在過載限流階段的實(shí)驗(yàn)波形（圖3）與圖2所示的安全范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)波形基本一致，說明過載故障已被安全解除，解除后機(jī)床輸出電壓可以在短時(shí)間內(nèi)，迅速恢復(fù)到額定值，保證輪胎加工機(jī)床正常工作。而使用傳統(tǒng)技術(shù)在過載限流階段的實(shí)驗(yàn)波形與安全范圍內(nèi)的波形不一致，未能解除過載故障。由此說明本文技術(shù)相比傳統(tǒng)技術(shù)控制效果更好。

5?結(jié)束語

利用FUNAC數(shù)控系統(tǒng)的伺服放大器和除法語言處理輪胎加工機(jī)床電路信號(hào)，需先評(píng)定輪胎加工機(jī)床數(shù)字化誤差，過程可總結(jié)為：應(yīng)用數(shù)學(xué)模型計(jì)算x、y和z為測量采樣點(diǎn)坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上調(diào)用系統(tǒng)算法評(píng)定x、y和z的輸入數(shù)據(jù)，運(yùn)用直接搜索法，得到x、y和z為測量采樣點(diǎn)坐標(biāo)的評(píng)定結(jié)果。完成上述操作后，結(jié)合FUNAC數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建FUNAC數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字化控制模型，完成技術(shù)設(shè)計(jì)。最后，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文技術(shù)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文技術(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

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