基于模糊控制的數(shù)控沖床柔性制造自動化控制系統(tǒng)

申鑫

(中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū) 工學院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

以往的控制系統(tǒng)是遵照控制體系架構(gòu)、需求分析、數(shù)據(jù)模型、功能模型、控制系統(tǒng)實現(xiàn)等階段串行進行的，這種控制系統(tǒng)除了串行設計原有的缺點之外，還存在沒有徹底擺脫以數(shù)據(jù)為中心、面向任務的系統(tǒng)設計的傳統(tǒng)模式，缺少對控制系統(tǒng)中所有對象完整的活動流程與對象之間合作流程的控制[1-2]。相關學者對此進行了研究，取得了一定的進展。涂海寧等人提出一種綜合單元控制系統(tǒng)中的關鍵控制方法[3]。首先，設計綜合單元控制系統(tǒng)多級分布群控體系結(jié)構(gòu)，再利用PC機作為核心控制單元進行柔性生產(chǎn)作業(yè)調(diào)控。此方法能夠有效提升控制靈敏性，但是產(chǎn)品產(chǎn)出質(zhì)量不穩(wěn)定。馮志新等人設計一種汽車塑料件模具柔性制造系統(tǒng)[4],通過SQL Server數(shù)據(jù)庫進行塑料件模具參數(shù)的存儲，通過圖像識別模塊對汽車模具廠料件進行加工控制，此方法能夠有效提升模具加工效率，但是殘次品生成概率較高。

針對上述的不足，本文提出一種基于模糊控制的數(shù)控沖床柔性制造自動化控制系統(tǒng)。

1 模糊控制下數(shù)控沖床柔性制造自動化控制系統(tǒng)設計

1.1 數(shù)控沖床柔性制造的幾何誤差模型

沖床由刀具、主軸和其他部件構(gòu)成，即一種多體系統(tǒng)。對于多體系統(tǒng)通常使用低序體陣列[5]表示。大致的低序體陣列的描述過程如下所示。

把典型的多體系統(tǒng)內(nèi)Bj的n階低序體定義成如下公式：

Ln(j)=i

(1)

式中L為算子a。n階低序體和n階高序體的關聯(lián)如式(2)所示。

Ln(j)=[Ln-1(j)]

(2)

擬定L0(j),L0(0)=0，在Bj與Bi階呈低序體的關系表示時，能夠得到

L(j)=i

(3)

由于數(shù)控沖床的運行方向為轉(zhuǎn)動與平動，因此，為了能夠更加精準地實現(xiàn)幾何誤差的補償[6]，首先需要將相鄰低序體的轉(zhuǎn)動位姿矩陣沿著運動方向進行轉(zhuǎn)換，如式(4)-式(6)所示。

(4)

(5)

(6)

憑借上述的計算方法，就能夠計算得出沿y軸與z軸的坐標誤差。

1.2 帶自調(diào)整因子的模糊控制算法

針對以往模糊控制算法自身的缺點與在現(xiàn)實使用中可能存在的問題，對其控制算法的優(yōu)化也在逐漸創(chuàng)新。存在規(guī)則修改的自動化模糊控制器，其控制原則可以隨著控制過程與環(huán)境的變化自動修改參數(shù)。本文使用的是存在調(diào)整因子的模糊控制器。

擬定誤差E、誤差變化EC與控制量U的論域[7]是：

{E}={EC}={U}={-N,…,-2,-1,0,1,2,…,N}，那么在全論域范圍中具有自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則就能夠描述成：

(7)

式中：0≤a0≤as≤1；a?[a0,as]。

控制規(guī)則的特性就是調(diào)整因子a在a0～as間，隨著誤差絕對值|E|的改變而出現(xiàn)改變。由于N代表量化等級，因此a就存在N種可能的取值。在取值為a0=as時，式(7)所描述的控制規(guī)則就會轉(zhuǎn)變成一種調(diào)整因子的控制規(guī)則。

從上述能夠看出，式(7)代表一種控制規(guī)則，表示通過誤差尺寸自動調(diào)整誤差對控制規(guī)則的權重，但由于該自動控制所在的區(qū)域是誤差論域，因此能夠?qū)⑵浔硎境扇撚騼?nèi)具有自動調(diào)整因子的模糊量化控制規(guī)則。

調(diào)整a尺寸大小就可以修改誤差變化率EC與誤差E的加權程度。對二維模糊控制系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)誤差較大時，控制規(guī)則內(nèi)需要更大的誤差E加權，增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谏鲜鰞?yōu)點，本文使用自調(diào)整因子的模糊控制方法來完成對數(shù)控沖床柔性制造的精確控制。

1.3 數(shù)控沖床柔性制造控制器設計

柔性制造的工作站依靠可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)與LOGO進行控制，電軸導軌則使用伺服控制器進行控制，數(shù)控沖床和機器人使用本身存在的控制器控制。但如果要確定柔性制造是否正常運作，還需要使用一種控制設備對設備間的I/O協(xié)議進行調(diào)整，在控制器里將所有工作設備的運行順序進行排序。該柔性制造線設定成需要經(jīng)過中央控制器來控制整體生產(chǎn)線[8]，該中央控制柜通過siemens300plcRIABOX與伺服電動機控制器組成。

中央控制柜內(nèi)siemens300plc、數(shù)控沖床、機器人與伺服電軸都存在通信連接，同時有相互的輸出與輸入。圖1為中央控制柜PLC的通信流程圖。

圖1 中央控制柜PLC通信連接

在中央控制器運行時，PLC把采集到的輸出與輸入信號分配至各個設備的控制器內(nèi)，隨后各個設備控制器憑借不同的I/O信號運行不同的工作，實現(xiàn)柔性制造線的正常運行。中央控制柜里的PLC就是柔性制造的總控制系統(tǒng)，其主要的任務是處理與收集I/O信號。運動控制模塊是整體自動化控制系統(tǒng)的中心，其任務就是在獲取數(shù)控沖床柔性制造圖形處理與轉(zhuǎn)換模塊擬定的機器碼指令后，憑借控制系統(tǒng)控制沖床載體，頂點數(shù)控傳輸平臺進行二軸插補運動，目的是完成凸凹模和產(chǎn)品板材在不同坐標中的相對運動。

1.4 自動化控制系統(tǒng)構(gòu)建

a)硬件構(gòu)建

本文系統(tǒng)所使用的是通過PC機的自動化控制系統(tǒng)，NC嵌入PC內(nèi)，這是當前較為常見的應用模式。PC和運動控制器形成自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)通過工業(yè)PC作為主控計算機，其依靠標準化模塊作為部件，通過PC總線傳輸信號，從而憑借多軸運動控制器當作輸出，以此構(gòu)成分布式架構(gòu)。PC作為系統(tǒng)的主控制器，其目的就是實現(xiàn)運動學的管理與系統(tǒng)計算。

數(shù)控沖床依靠運動控制器控制補給運動，由于設計的控制系統(tǒng)應用于柔性制造，因此需要確定補給動作的沖壓協(xié)調(diào)。在制動盤軸放置一種與曲軸運動方向和速度一致的旋轉(zhuǎn)鐵片。在鐵片靠近開關時，改變開關狀態(tài)一次，收集到相應的電平信號，傳輸?shù)较到y(tǒng)進行信號同步操作，通知其控制進給的開始。這樣就能夠協(xié)調(diào)補給與沖頭動作，同時其實現(xiàn)較為方便。

b)軟件實現(xiàn)

數(shù)控沖床柔性制造控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設計是依靠Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，能夠通過C++，VC++，VisualBasic6.0等多種高級編程語言開發(fā)自身的應用程序。在應用程序里，通過數(shù)控內(nèi)核系統(tǒng)設定I/O接口，隨后把應用程序系統(tǒng)與數(shù)控內(nèi)核連接起來。依靠這種以I/O接口連接的形式把用戶自身的經(jīng)驗、環(huán)境與專業(yè)工藝集成在控制系統(tǒng)內(nèi)，形成了獨特的專用控制系統(tǒng)。使其完全適用于某個特定的應用場合，進而使控制系統(tǒng)存在更強的針對性。

使用VisualBasic6.0開發(fā)該控制系統(tǒng)，其流程如下：首先增添控制器能夠匹配的動態(tài)鏈接庫，然后經(jīng)過沖床的實際需求，擬定鏈接庫變量，最后初始化編程，確保數(shù)控沖床可以根據(jù)設定的指令動作運行。

此外，所提系統(tǒng)內(nèi)還有著模擬與指令校驗能力，這就使得人機交互性得到極大的提升，可以實現(xiàn)自動化的智能控制。所開發(fā)系統(tǒng)的人機交互界面如下：

1)主操作界面

主操作界面主要用于代碼編譯、模擬加工與顯示窗口，還有一些基礎的功能按鍵。代碼指令能夠通過自動編程模塊直接獲取并顯示在代碼窗口內(nèi)，也能夠在代碼窗口內(nèi)手動編譯。在每次進行模擬與技工操作之前，需要校驗指令，確保指令代表的正確性，如果錄入代碼的過程時產(chǎn)生錯誤，系統(tǒng)會自動跳出一條指令代碼，以此來提示錄入代碼的錯誤。此外在生產(chǎn)線運行前，最好能夠進行一次模擬，確定沖頭能夠根據(jù)設定的軌跡進行沖裁。

2)參數(shù)設定界面與信號檢測界面

參數(shù)設定界面是數(shù)控沖床一些關鍵參數(shù)的設定，用戶能夠根據(jù)自身的實際要求擬定啟動速度、正常速度與加速時間等參數(shù)，該界面簡單易用。信號檢測界面能夠?qū)崟r對信號進行監(jiān)測，以此來了解機床的運行情況，便于及時排除故障。

c)系統(tǒng)網(wǎng)絡通信

構(gòu)建二類主站，PC機為完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)管，需要與PLC進行通信，獲取現(xiàn)場的相關數(shù)據(jù)。因此，本文在PC機中放置了組態(tài)軟件WNCC。WNCC是一種集成的人機界面與監(jiān)控管理模塊，不僅能夠剔除復雜的網(wǎng)絡通信協(xié)議，還免除了不同通信設備的驅(qū)動程序編寫。WNCC與OLC的通信連接是使用通信驅(qū)動程序來實現(xiàn)的，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸則通過變量來實現(xiàn)，所有過程變量都存在特定的過程變量驅(qū)動與通信單元。二類主站內(nèi)的柔性制造流程監(jiān)控畫面內(nèi)的所有對象和對應的過程變量相互鏈接，相當于和現(xiàn)場的設備相互鏈接，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

在本文設計的系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)的中央控制柜和從站的通信主要設計主站PLC與從站ET200。主站與從站使用主從形式實現(xiàn)通信，主站有權發(fā)送運行指令給從站設備，同時周期地與從站進行數(shù)據(jù)交換。針對不同類別的從站，需要使用不同的形式實現(xiàn)主從之間的通信。從站ET200如果沒有儲存與運行功能，就會作為主站的分布式I/O，按主站的指令進行驅(qū)動。而對于從站變頻器，其通信區(qū)存在PZD數(shù)據(jù)區(qū)與PKW數(shù)據(jù)區(qū)，這兩種數(shù)據(jù)區(qū)能夠反饋數(shù)據(jù)與相關參數(shù)，因此在該從站內(nèi)，通過調(diào)用系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)對從站變頻器的數(shù)據(jù)讀寫。進而確準主從站之間需要通信的數(shù)據(jù)塊的起始地址，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。

2 實驗證明

為了證明控制系統(tǒng)的實用性，進行實驗，擬定控制系統(tǒng)為某個廠房提供了供應鏈級的生產(chǎn)計劃和控制系統(tǒng)平臺。在所提系統(tǒng)的支持下，完成對數(shù)控沖床柔性制造的自動化控制，其產(chǎn)品制造結(jié)果如圖2-圖4所示。

圖2 柔性制造材料模型

圖3 原始制造結(jié)果

圖4 所提系統(tǒng)制造結(jié)果

通過圖2-圖4能夠看出，使用原始沖床制造出的柔性制造產(chǎn)品，會出現(xiàn)明顯的輪廓不規(guī)則狀況，而利用本文所提系統(tǒng)制造的產(chǎn)品，則與提供的柔性制造材料模型一致。這就證明了所提方法在數(shù)控沖床柔性制造上的優(yōu)勢。這是因為，本文系統(tǒng)中的控制器能夠通過伺服電動機控制器進行控制，數(shù)控沖床、機器人也分別存在自身原有的控制器加以控制，這就使得原有控制器的設備不會因為新控制器的安裝而出現(xiàn)性能低下的現(xiàn)象，使得柔性制造的產(chǎn)品能夠更為精準。

3 結(jié)語

本文提出一種基于模糊控制的數(shù)控沖床柔性制造自動化控制系統(tǒng)，依靠模糊控制技術與Windows操作系統(tǒng)，構(gòu)建柔性制造控制系統(tǒng)。通過該實驗平臺實施，實現(xiàn)了產(chǎn)品的柔性制造，確保了產(chǎn)品質(zhì)量與精度。

但由于本文所設計的控制系統(tǒng)偏向于柔軟制造控制，這就導致由數(shù)控沖床制造的其他種類產(chǎn)品并不能較好地應用到本文系統(tǒng)。因此下一步需要研究的是：在所設計的系統(tǒng)內(nèi)，增添適配器，使得其他種類的產(chǎn)品制造鏈也能夠較好地應用到本文所提系統(tǒng)中。