基于模糊控制算法的DCT150換擋轂數(shù)控車削恒功率控制系統(tǒng)研究*

代宇銘，徐金瑜，郭傲倫，彭宇嘉，文 聰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002）

0 引言

加工過程模糊控制是機床智能化的重要體現(xiàn)，也是體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量重要保證，現(xiàn)階段加工高精度工件主要有3種方案值得廣泛關(guān)注。徐劍[1]基于SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)著重分析了幾何誤差自適應(yīng)控制、自適應(yīng)優(yōu)化控制和自適應(yīng)約束控制。其中幾何誤差自適應(yīng)控制通常以被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度為指標，通過檢測機床的溫度誤差、幾何誤差等實時調(diào)整機床的加工參數(shù)，以保障加工精度，但實現(xiàn)難度較大。劉權(quán)[2]和劉恒麗[3]針對銑削工藝，以切削力為研究對象，提出基于數(shù)控系統(tǒng)自帶功能開發(fā)的自適應(yīng)控制切削技術(shù)方法。上述研究多以銑削工藝為研究對象，基于數(shù)控機床內(nèi)置傳感器實現(xiàn)自適應(yīng)控制，系統(tǒng)開發(fā)成本較高，可移植性較差，不利于推廣應(yīng)用。

本文以汽車變速箱的核心零部件DCT150換擋轂車削工藝為加工對象，其單面加工包含車削特征、銑削特征、102項尺寸，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)特點屬于精密薄壁腔體類零件，加工要求嚴格[4-8]。因此，本文在數(shù)控車床ETC3650上設(shè)計實驗，開發(fā)基于二維模糊控制算法的恒功率智能車削控制系統(tǒng)，實現(xiàn)進給速度自適應(yīng)調(diào)整，提高加工過程的穩(wěn)定性[9-12]。該設(shè)計方案在老舊機床或多廠商數(shù)控機床適應(yīng)性強，具有開發(fā)成本低的優(yōu)勢。

圖1 換擋轂A面模型

1 模糊控制決策設(shè)計

根據(jù)專家經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)建立規(guī)則庫，模糊推理和逆模糊化。其模糊控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。在設(shè)計中，首先設(shè)定目標切削功率P，將目標切削功率P與切削加工中實際測量得到的主軸切削功率Po進行比較，以獲得誤差Ep和誤差變化率EU。設(shè)Ep和EU相對應(yīng)的模糊變量為SE和SEC。將其輸入模糊控制器進行模糊化處理，處理后獲得進給倍率調(diào)整量Δu再輸入PLC，最終改變機床主軸進給速度，實現(xiàn)切削過程的智能控制。該過程采用循環(huán)控制方法，實現(xiàn)切削過程的主軸功率有效保持在目標切削功率P附近。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

1.1 模糊化

進行模糊化時首要做的是將功率分為7個區(qū)間{＜440，440～470，470～500，500～520，520～550，550～580，＞580}。實際功率值跟該7個區(qū)間比較，通過組合大、中、小和正、負兩個方向概念，另外再加入變量為零的狀態(tài)，一共可以形成7個詞匯，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，對應(yīng)的模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。每一個功率值可以進入相應(yīng)的功率區(qū)間，從而改變進給倍率。初始給定的進給倍率為100%，模糊控制在此基礎(chǔ)上進行修調(diào)。設(shè)誤差率EU的基本論域為[-0.06，0.06]，變量EU、Ep的量化模糊論域依次為{-15，-7，-1，0，1，7，15}，Δu論域依次為{-15，-8，-2，0，2，8，15}。

1.2 模糊規(guī)則和決策設(shè)計

采用Mamdani控制規(guī)則進行模糊推理運算，根據(jù)工藝工程師和電氣工程師長期對車削加工的實踐經(jīng)驗總結(jié)，可設(shè)置模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

由上述模糊控制規(guī)則和圖3所示的三角形隸屬度函數(shù)，構(gòu)建模糊推理控制系統(tǒng)。

圖3 EU、Ep、Δu隸屬函數(shù)

2 設(shè)計原理

基于ETC3650數(shù)控車床和GSK988T型廣州數(shù)控系統(tǒng)，以西門子S7-200SMART為下位機，使用OPC通信連接WinCC，使用功率傳感器采集功率，設(shè)計一種換擋轂車削加工恒功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使得在加工過程中各種擾動量作用下，控制系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)車削進給量以達到恒功率切削的目的。用功率傳感器將主軸的功率采集出來，并送入PLC中分析計算，在PLC中進行模相控制，通過改變進給倍率來控制主軸恒功率，當功率偏大時，減小進給倍率，當功率偏小時，增大進給倍率。并將采集到的功率曲線在WinCC中顯示出來，實時監(jiān)控車削加工功率。圖4所示為整個系統(tǒng)的設(shè)計框圖。

圖4 恒功率車削換擋轂的方案設(shè)計

3 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件為：WB6830R2-P三相功率傳感器、I/O單元擴展模塊CB106、24 V開關(guān)電源。通過三相電和24 V直流電的供電，以及功率傳感器的數(shù)據(jù)采集，完成基于STEP-7的模糊控制，I/O單元的數(shù)據(jù)輸入，對車床車削過程恒功率自適應(yīng)控制。利用S7-200 SMART SR/ST CPU模塊本體集成1個以太網(wǎng)接口和1個RS485接口，通過擴展CM01信號板或者EM AM06模塊，其通信端口數(shù)量最多可增至4個，可滿足小型自動化設(shè)備與觸摸屏、變頻器及其他第三方設(shè)備進行通信的需求。

通過功率傳感器的模擬量輸出至S7-200SMART擴展模塊OUT1，通過WinCC7.4開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)并進行數(shù)據(jù)分析比較，結(jié)果信號輸入I/O單元，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對伺服驅(qū)動器控制的主軸倍率控制。

三相功率傳感器采集模塊電氣原理如圖5所示。PLC及AD模塊電氣原理如圖6所示。

圖5 三相功率傳感器采集模塊電氣原理

圖6 PLC及AD模塊電氣原理

4 軟件設(shè)計

根據(jù)模糊控制器設(shè)計方案，模糊控制算法主程序設(shè)計流程如圖7所示。首先通過監(jiān)控界面（圖8）設(shè)置目標功率值，控制系統(tǒng)通過功率采集模塊實時獲取功率，如果功率值在標定范圍內(nèi)，則計算功率誤差和誤差變化率，并進行模糊化，再通過模糊推理和非模糊化計算出主軸進給倍率調(diào)整值。進給倍率調(diào)整值與當前進給倍率值求和獲得進給倍率值。最后通過I/O模塊傳入PMC，最終以達到改變車床主軸進給速度的目的。

圖7 主程序流程

圖8 智能控制系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)界面

主軸功率數(shù)據(jù)采集G代碼如下：

G28 U0 W0

T0101

S2000 M03

G00 X40 Z5

G00 X17

M74

G99 G01 Z-60 F0.3

M75

G00 X40 Z5

M05

G28 U0 W0

M30

將鋁棒作為預(yù)實驗工件，預(yù)先將其切削成3種不同直徑的階梯狀圓柱，直徑依次為φ20、φ19、φ18。

編制外圓車削為階梯狀的G代碼程序：

G28 U0 W0（設(shè)定刀頭原點）

T0101 （1號刀及刀補）

S2000 M03（轉(zhuǎn)速、主軸正轉(zhuǎn)）

G00 X40 Z5（刀頭起始點）

G90 X20 Z-60 F0.3

G90 X19 Z-40

G90 X18 Z-20

M05 （主軸停轉(zhuǎn)）

G28 U0 W0（回刀頭原點）

M30

5 驗證與結(jié)果分析

本文開發(fā)的數(shù)控車削恒功率控制系統(tǒng)在ETC3650數(shù)控車床上進行實驗驗證。如圖9所示，刀具選用直徑為20 mm的超硬PCD車刀。設(shè)計兩個實驗進行驗證：實驗1用階梯狀鋁棒為加工零件，進行外圓車削恒功率控制實驗驗證，該實驗作為預(yù)驗證，并進行對比實驗；實驗2用汽車變速箱的核心零部件DCT150換擋轂為加工零件，進行車基準面加工實驗驗證，該實驗作為應(yīng)用驗證。兩個實驗的加工零件材料保持一致。

圖9 ETC3650數(shù)控車床

（1）階梯狀鋁棒預(yù)對比實驗

加工圖10所示的階梯狀鋁棒零件，刀具沿著鋁棒軸向進給車削，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min，被吃刀量2.5 mm。

圖10 階梯狀鋁棒零件

傳統(tǒng)加工模式與智能控制模式功率對比如圖11所示，圖中A曲線是沒有加入功率自適應(yīng)控制的功率曲線，有明顯的階梯狀，B曲線是加入恒功率控制之后的功率曲線，由圖可知在加入恒功率控制后，系統(tǒng)在運行穩(wěn)定時，功率曲線變得平滑，沒有階梯狀的曲線出現(xiàn)；這樣做可以有效地保護刀具減少其損耗，提高加工效率，減少加工時間及能源消耗。

圖11 傳統(tǒng)加工模式與智能控制模式功率對比曲線

（2）DCT150換擋轂應(yīng)用實驗

加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min，被吃刀量1.5 mm。對比結(jié)果如圖12所示，由圖可知，DCT150換擋轂應(yīng)用實驗加入模糊控制后車削功率基本維持在目標功率620 W附近。

圖12 加入模糊控制前后車削功率

6 結(jié)束語

本文以ETC3650數(shù)控車床作為加工平臺，設(shè)計了基于模糊控制智能控制系統(tǒng)。采用二維模糊控制算法調(diào)整進給倍率，實現(xiàn)車床主軸恒功率切削控制。通過階梯狀鋁棒預(yù)對比實驗，對恒功率控制系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)驗證。然后通過在汽車變速箱的核心零部件DCT150換擋轂基準面車削工藝開展應(yīng)用實驗，實驗表明在使用自適應(yīng)控制系統(tǒng)后，進給倍率隨主軸負載不斷調(diào)整，實時功率基本保持在目標功率附近，提高了車削效率，并且減少刀具損耗，對延長刀具壽命有一定的參考價值。