基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的過濾器接頭零件成型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊遠(yuǎn)花

(德陽科貿(mào)職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，四川 成都 618300)

為了降低過濾器接頭零件的制造成本，提升高精密機(jī)械設(shè)備的工作效率，研究人員致力于開發(fā)與物聯(lián)網(wǎng)傳感相關(guān)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以針對(duì)過濾器接頭零件成型過程中由于電機(jī)過沖或PLC控制能力不足所導(dǎo)致的過濾器降速問題。王軍[1]通過實(shí)踐手法反復(fù)訓(xùn)練機(jī)械零件成型參數(shù)，獲取基于原始成型參數(shù)的最優(yōu)拓展系數(shù)，并將該系數(shù)輸入以綜合網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)所組建的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該方法存在系統(tǒng)負(fù)載率變化不穩(wěn)定的問題。張春芝[2]通過變頻器記錄機(jī)械傳動(dòng)裝置的數(shù)字化通信數(shù)據(jù)，并利用S8-300系列和ACS-800系列的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)設(shè)備重構(gòu)該數(shù)字化通信數(shù)據(jù)，獲取基于原始通信數(shù)據(jù)的自動(dòng)化控制程序，通過將該自動(dòng)化控制程序與PROFIBUS DP適配器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。尹豐豐等[3]通過機(jī)械作業(yè)間的頻繁波動(dòng)信息獲取滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感關(guān)系的回路控制數(shù)據(jù)，并利用關(guān)聯(lián)函數(shù)讀取該數(shù)據(jù)的有效控制參數(shù)，通過將該參數(shù)與機(jī)械操作界面內(nèi)的系統(tǒng)程序結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。上述3種方法均存在電流毛刺現(xiàn)象，為解決這些問題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的過濾器接頭零件成型控制系統(tǒng)。

1 過濾器接頭零件的成型過程

過濾器接頭零件成型需要經(jīng)過成型材料選取、模具設(shè)計(jì)和組裝3個(gè)部分。

1.1 成型材料選取

常規(guī)過濾器接頭零件如圖1所示。

圖1 常規(guī)過濾器接頭零件

圖中，A為固定螺絲中心到底座邊緣的距離，B為底座長(zhǎng)度，C為頂部寬度，D為底座寬度，E為零件高度。由于密封槽類機(jī)械設(shè)備對(duì)于過濾器接頭零件的成型材料極為苛刻，因此常規(guī)過濾器接頭零件通常采用收縮率小于0.5%、比重小于1.35、比熱容小于320 J/(kg·K)的半結(jié)晶性塑件工藝制品，即聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯和苯乙烯在高壓注射條件下的聚合物[4-5]。

1.2 模具設(shè)計(jì)

過濾器接頭零件的模具有別于其他機(jī)械零部件的模具，主要由雙模雙腔的內(nèi)塑膠與420 mm×500 mm的硬膠質(zhì)矩形外殼組成?？紤]到零件倒模過程中可能受高速、高壓注射力的影響，從而產(chǎn)生模具內(nèi)側(cè)環(huán)形倒扣脫落的現(xiàn)象，故在內(nèi)側(cè)環(huán)形倒扣的隧道邊緣添加防導(dǎo)柱變形的膨脹脫模機(jī)構(gòu)。膨脹脫模機(jī)構(gòu)如圖2所示。圖中F為膨脹脫模機(jī)構(gòu)外模直徑，G為膨脹脫模機(jī)構(gòu)內(nèi)模直徑。

圖2 膨脹脫模機(jī)構(gòu)

由圖2可知，膨脹脫模機(jī)構(gòu)存在兩種形態(tài)，形態(tài)一是成型鑲件支撐塊開模狀態(tài)，形態(tài)二是成型鑲件支撐塊合模狀態(tài)。當(dāng)零件倒模所承接的注射力超過模具隧道滑塊的最高承受力時(shí)，膨脹脫模機(jī)構(gòu)處于形態(tài)一，當(dāng)零件倒模所承接的注射力未超過模具隧道滑塊的最高承受力時(shí)，膨脹脫模機(jī)構(gòu)處于形態(tài)二。

1.3 組裝

組裝是過濾器接頭零件成型的最后一步，也是最重要的一步。過濾器接頭零件在確定成型材料和模具后，主要通過關(guān)節(jié)澆口的不斷連接，實(shí)現(xiàn)過濾器接頭零件的成型。關(guān)節(jié)澆口與機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)類似，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，Q為初始型腔轉(zhuǎn)角，W為第二次型腔轉(zhuǎn)角，R為第三次型腔轉(zhuǎn)角，U為第四次型腔轉(zhuǎn)角，P為兩芯片間距。

圖3 關(guān)節(jié)澆口

2 物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的過濾器接頭零件成型控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖4可知，自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)自動(dòng)化傳感電路的分支情況，主要分為三大模塊：

1)過濾器接頭零件成型材料的選擇模塊，主要采用S8-400PLC數(shù)據(jù)處理器作為適配材料的選擇控制中心。當(dāng)零件成型指令通過自動(dòng)化傳感電路傳送至該模塊時(shí)，模塊啟動(dòng)S8-400PLC數(shù)據(jù)處理器發(fā)射控制信號(hào)[6]。發(fā)射的控制信號(hào)在處理器內(nèi)部多組鏈路中傳遞，鏈路尾部連接的是進(jìn)行過濾器接頭零件成型材料選擇的比較器。比較器在接收控制信號(hào)的同時(shí)調(diào)節(jié)自身設(shè)定值，使設(shè)定值區(qū)間滿足系統(tǒng)輸入端針對(duì)過濾器零件成型材料的指令參數(shù)，需要調(diào)節(jié)的自身設(shè)定值包括收縮率、比重、比熱容等。系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)節(jié)后的設(shè)定值選擇過濾器接頭零件的成型材料。

2)過濾器接頭零件模具的自動(dòng)化設(shè)計(jì)模塊，主要由步進(jìn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。該模塊承接材料選擇模塊的材料數(shù)據(jù)，并將材料數(shù)據(jù)引入步進(jìn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過數(shù)控機(jī)床的測(cè)量和修正，實(shí)現(xiàn)過濾器接頭零件模具的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。步進(jìn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 步進(jìn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)

3)過濾器接頭零件的自動(dòng)化組裝模塊主要由2263FO8U型控制器與調(diào)節(jié)熔接線方位參數(shù)的芯片組成，其中2263FO8U型控制器主要負(fù)責(zé)承接自動(dòng)化設(shè)計(jì)模塊的模具自動(dòng)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為50 mA電流、62 V電壓條件下的光耦信號(hào)。光耦信號(hào)對(duì)芯片起到指示作用，當(dāng)光耦信號(hào)的波形滿足芯片激活閾值時(shí)，芯片發(fā)送指令，控制澆口關(guān)節(jié)連接，實(shí)現(xiàn)過濾器接頭零件的自動(dòng)化組裝。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建過濾器接頭零件成型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的首要步驟是選擇符合該過濾器接頭零件成型的自動(dòng)化傳感電路。電磁二極管作為PWM信號(hào)流通的主要信道，可根據(jù)PWM脈沖原理讀取TMS330G3706控制單元發(fā)出的連接指令，并在商余關(guān)系函數(shù)的作用下攜帶連接指令穿梭于多組敏感元器件之間。已達(dá)成穿梭條件的敏感元器件通過信號(hào)積分算法獲取內(nèi)部自動(dòng)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化傳感電路的選擇。

物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)各模塊的算法流程需要從3個(gè)方面分析。

1)過濾器接頭零件成型材料的選擇流程：S8-400PLC數(shù)據(jù)處理器借助電機(jī)轉(zhuǎn)角函數(shù)發(fā)射控制信號(hào)，并將控制信號(hào)輸入鏈路尾端的比較器中，根據(jù)其比較結(jié)果，利用雙曲正切函數(shù)[7]調(diào)節(jié)自身設(shè)定值，使系統(tǒng)可通過設(shè)定值區(qū)間實(shí)現(xiàn)過濾器接頭零件成型材料的選擇。電機(jī)轉(zhuǎn)角函數(shù)Ud表達(dá)如下：

(1)

式中：b為電機(jī)轉(zhuǎn)角常數(shù)；φn為控制信號(hào)發(fā)射系數(shù)；φn-1為控制信號(hào)發(fā)射系數(shù)誤差。

雙曲正切函數(shù)Ed表達(dá)如下：

(2)

式中：μ為雙曲正切常數(shù)；ΔT為自身設(shè)定值調(diào)節(jié)系數(shù)；ym為自身設(shè)定值調(diào)節(jié)系數(shù)誤差；τ代表比較器控制信號(hào)輸入。

2)過濾器接頭零件模具的自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程：步進(jìn)閉環(huán)結(jié)構(gòu)接收成型材料數(shù)據(jù)后，利用內(nèi)設(shè)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)測(cè)量符合過濾器接頭零件的模具參數(shù)，并在閉環(huán)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)口處由誤差修正項(xiàng)[8]修正模具參數(shù)的設(shè)計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)過濾器接頭零件模具的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。數(shù)控機(jī)床自動(dòng)測(cè)量函數(shù)M表達(dá)如下：

(3)

式中：c為常數(shù)；g0為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)測(cè)量系數(shù)；gv為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)測(cè)量系數(shù)誤差。

誤差修正項(xiàng)X表達(dá)如下：

(4)

式中:λ為誤差修正項(xiàng)系數(shù)；n為檢測(cè)口對(duì)模具參數(shù)的檢測(cè)誤差；i為檢測(cè)口對(duì)模具參數(shù)檢測(cè)誤差的最大值。

3)過濾器接頭零件的自動(dòng)化組裝流程：2263FO8U型控制器利用Lyapunov函數(shù)[9]將自動(dòng)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光耦信號(hào)，并根據(jù)隨機(jī)梯度下降算法[10]讀取光耦信號(hào)的變化波形，當(dāng)光耦信號(hào)的變化波形達(dá)到澆口關(guān)節(jié)的連接啟動(dòng)閾值時(shí)，過濾器接頭零件自動(dòng)化組裝任務(wù)開始。Lyapunov函數(shù)F表達(dá)如下：

(5)

式中：σ為L(zhǎng)yapunov常數(shù)；ci+1為自動(dòng)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化系數(shù)；y為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化誤差。

隨機(jī)梯度下降函數(shù)N表達(dá)如下：

(6)

式中：π為隨機(jī)梯度下降常數(shù)；gκ為光耦信號(hào)變化波形的讀取系數(shù)；Cc′為光耦信號(hào)變化波形的讀取誤差。

在物聯(lián)網(wǎng)傳感自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程的共同協(xié)作下實(shí)現(xiàn)了過濾器接頭零件的成型。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)的過濾器接頭零件成型控制系統(tǒng)的整體有效性，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。以常規(guī)過濾器接頭零件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，選取文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法作為對(duì)比方法構(gòu)建過濾器接頭零件成型控制系統(tǒng)，分別對(duì)過濾器接頭零件成型過程進(jìn)行控制，通過對(duì)比系統(tǒng)負(fù)載率變化情況和電流毛刺現(xiàn)象，判斷不同方法的有效性。

3.1 系統(tǒng)負(fù)載率變化情況

不同方法控制下的系統(tǒng)負(fù)載率變化情況如圖6所示。

圖6 不同方法下系統(tǒng)負(fù)載率變化情況

由圖可知，采用所提方法構(gòu)建的自動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其過濾器接頭零件成型的負(fù)載率隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)并未出現(xiàn)明顯升高或突變的現(xiàn)象，說明采用所提方法構(gòu)建的自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)載率始終維持在穩(wěn)定水平，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)頻繁運(yùn)作而產(chǎn)生系統(tǒng)動(dòng)蕩的問題。采用文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法構(gòu)建的自動(dòng)控制系統(tǒng)隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)負(fù)載率出現(xiàn)明顯的升高和突變現(xiàn)象，且變化明顯，極易因?yàn)橄到y(tǒng)頻繁運(yùn)作而產(chǎn)生系統(tǒng)動(dòng)蕩的問題。經(jīng)上述對(duì)比可知，所提過濾器接頭零件成型自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于對(duì)比系統(tǒng)。

3.2 電流毛刺現(xiàn)象

不同系統(tǒng)控制下的電流毛刺現(xiàn)象如圖7所示。

由圖可知，采用所提方法構(gòu)建的自動(dòng)控制系統(tǒng)電流始終維持在無顯著波動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)，且各時(shí)間點(diǎn)電流峰值與額定電流值幾乎吻合，說明該系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，且系統(tǒng)運(yùn)行過程中不存在由于電流毛刺現(xiàn)象所導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行中斷的問題。采用文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法構(gòu)建的自動(dòng)控制系統(tǒng)電流波動(dòng)現(xiàn)象頻發(fā)，且各時(shí)間點(diǎn)電流峰值與額定電流值呈現(xiàn)整體偏離的趨勢(shì)，說明采用文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法構(gòu)建的系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，且系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在由于電流毛刺現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷的問題。經(jīng)上述對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了過濾器接頭零件成型控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。

圖7 不同方法下的電流毛刺現(xiàn)象

4 結(jié)束語

過濾器接頭零件作為機(jī)械設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)，其成型過程常受到外界因素的干擾，使得最終獲得的過濾器接頭零件實(shí)用性下降。為了提高過濾器接頭零件成型控制的穩(wěn)定性，本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)結(jié)合過濾器接頭零件成型過程組成具備自動(dòng)化控制能力的操作系統(tǒng)。如何在保證自動(dòng)控制系統(tǒng)操作性能的同時(shí)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的操作過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，是研究人員下一步工作的重點(diǎn)。