深（shēn）孔加工（gōng）恒扭矩（jǔ）智能控製係統的設計-數控機床市（shì）場網

您現在的位置：鑽床（chuáng）網> 加工（gōng）與維修>深（shēn）孔加工（gōng）恒扭矩智能控製係統的設計

深孔加工恒扭矩智能控製係統的（de）設（shè）計

2018-5-4 來源（yuán）：泰州學院南京新穎氧醫療科技有限（xiàn）公司（sī）作者：徐（xú）曉棟龔玉玲徐俊

摘要: 針對深孔加（jiā）工中鑽（zuàn）頭易折（shé）斷，加（jiā）工效率低等問題，設計並搭建了基於模糊 PID 控製的深孔加工恒扭矩控製係統。在分析深孔鑽機傳動係統原理的基礎上，建立主軸進給係統的傳遞函數，構建鑽頭鑽削扭矩的自整定模糊 PID 控製器，介（jiè）紹以（yǐ）西門子 CPU224 型 PLC 和 CYB － 803S 型扭矩傳感器為核心的硬件組成，實（shí）現了通過調節鑽削進給（gěi）量進而保持深孔加工過程中鑽頭扭矩恒值，並利用Matlab 進行仿真驗（yàn）證。仿真（zhēn）結果表明，模糊（hú） PID 控（kòng）製與傳（chuán）統 PID 控製和模糊控製相比，具有更好的動態穩（wěn）定性，在鑽頭扭矩（jǔ）發生（shēng）突變時，調節時間約為 1． 2 s，比傳統 PID 控製和模糊控（kòng）製分別縮短57%和 25%，能夠較好地滿足深孔鑽削高效化、智（zhì）能（néng）化的要求。

關鍵詞: 深孔加工; 恒扭矩; 模糊 PID 控製（zhì）

深孔加工是在封閉或半封閉狀態下進（jìn）行的（de），很難使用普通方法檢測鑽削狀態，且鑽（zuàn）頭細（xì）長，對受力變化敏感（gǎn）。加工過程中，隨著鑽削深（shēn）度的增加，經常出現（xiàn）鑽削阻力快速增大（dà），鑽頭扭（niǔ）矩急速增大，導致鑽頭（tóu）折斷殘留在工件中，工件（jiàn）報廢的現象。目前，為了（le）保護鑽頭，一般采用過載（zǎi）停機保護的方法，即設定鑽頭扭矩閾值，一（yī）旦（dàn）鑽頭所受力矩超過閾值，進給係統立刻停止進給，複位後重新加工，如日本町（dīng）田鐵工生產的自動鑽床“Micro － hole”，國內杜（dù）宏（hóng）祺等人研製的深孔鑽鏜床刀具的扭矩保護係統（tǒng）等，這種做（zuò）法可以有效保護鑽頭，但中斷了鑽削加工的連續性，加工效率較低。隨著深孔加工機械高效化、智（zhì）能（néng）化的發展，對鑽削過程的控製提出更高要求，在（zài）鑽頭安全（quán）的前提下，連續、高效地（dì）加工（gōng）以提高生產率（lǜ），降低製造成本。因此，本文提出運用模糊（hú）控（kòng）製整定 PID 控製參數（shù），采用模糊PID控製係統實現鑽（zuàn）頭（tóu）扭（niǔ）矩的動態（tài）平衡，保證深孔加工的安全性（xìng），提高深（shēn）孔加工的效率。

1、傳動係統原理圖

深孔鑽機主要由主軸進給（gěi）係統、主軸旋轉係（xì）統、扭矩傳感器、PLC 控製器和控製係統組成。

主軸旋轉係統工作原理（lǐ）: 主軸旋（xuán）轉係（xì）統固（gù）定在滑台上（shàng），由主軸旋轉電動機，經過減速齒輪組和扭矩傳感器，驅動刀具主軸轉動。

主軸進給係統工作原理: 主軸進給電（diàn）動機，經過電磁離合器（qì）、減速器，驅動絲杆旋轉，由螺（luó）母帶動滑台，實現刀（dāo）具的進給運動。

在鑽削過程中，扭矩傳感器實時檢測鑽頭扭（niǔ）矩，若鑽頭扭（niǔ）矩迅速增大，通過控製係統，經 PID 控製器傳到變頻（pín）器（qì）後，控製進（jìn）給電動機減速，減小進給量，減小鑽頭扭矩，若鑽頭扭矩較小，則增加進給電動機轉速，增大進給（gěi）量，保證鑽孔效率。

圖1 深孔鑽係統原理圖

2 、主軸進給係統的模型和傳遞函數

2．1 變頻器的傳遞函數

3、自整定模糊

PID 控製方案在（zài）深孔加工過程中，鑽削環境多變，同時加工（gōng）工（gōng）件可能（néng）存在材質不均勻，從而使鑽頭扭矩變化較（jiào）大，需要控製係統能對鑽頭扭矩變化作（zuò）出（chū）快速響應，采用傳統的 PID 控製或者模糊控製達（dá）不到理想的控（kòng）製效果。本文對傳統 PID 控製進行改進，通（tōng）過模糊控製調節 PID控製的 3 個控製參數，形成自整定模糊 PID 控製方案，見圖2所示。

3．1 模糊化

4 、係統構成

4．1 硬件設計

選用西門子（zǐ） S7 － 200 係列的 CPU224PLC 控製器，集成 24 個數字量 I /O 點，可連接 7 個（gè）擴展模塊輸入 /輸出（chū）模塊選用西門子（zǐ） EM223，用於接受主軸扭矩的信號和輸出控製進給電動機的變頻器調節（jiē）信號。主軸旋轉的調速（sù）電動機功率選用 5． 5 k W，進（jìn）給電動（dòng）機功率選用 3 k W。變頻器選用三菱 E540 變頻器。扭（niǔ）矩傳感器選用 CYB － 803S 型扭矩（jǔ）傳感器，其量程為 0 ～ 200 N·m; 輸出為4 ～ 20 m A 電流信（xìn）號; 過壓過載滿量（liàng）程 1． 5 倍壓力; 扭矩傳感器安裝位於電動機和（hé）刀杆之間，保證同（tóng）軸度小於 0． 05 mm，以避免產生彎矩。安（ān）裝示意圖如圖 3 所示。

4．2 軟件設計

4．2．1 上位機設計

使用 PC 作為上位機，分為手動和自控兩種控（kòng）製方式，手動控製中通（tōng）過進給和後（hòu）退按鍵控製進給電動機正反轉，通過低（dī）、中（zhōng）、高控製（zhì）進給量的大小。自動（dòng）控製為自適應模糊 PID 控製，在保持鑽頭扭（niǔ）矩恒定（dìng）下，實現刀具持續（xù）進給。係統監控界麵還能實時顯示鑽頭扭矩、轉速和進給速（sù）度（dù）以及意外情況下的報警信號，控製係統監控畫麵如圖 4 所示。

4．2. 2 下位（wèi）機設（shè）計

使用 STEP7 － Micro /WIN V4 SP8 對 PLC 進行編程，實現進給電動機的手動和自動控製。自動控製中（zhōng），主要是模糊（hú） PID 控製程序的設計，首（shǒu）先將設定扭矩值和測定的扭矩值儲存到（dào） Vb100，Vb101，計算 E、EC 值存儲到 Vb102，Vb103，經過（guò）模糊化後存儲到 Vb104，Vb105 中，然後將模糊控製表存儲到 PLC 中。模糊控

5 、仿真試驗

在Matlab /Simulink 環境下，將設計好的模糊規則導入進來，結合係統提供的其他功（gōng）能（néng）完成模糊控（kòng）製係（xì）統的模型，見圖6所示。

本文主要研究深孔鑽機鑽削過程（chéng）中鑽頭恒（héng）扭矩的控製，即當（dāng）鑽頭鑽削環境發生變化，主軸扭矩突變時，控製（zhì）係統對其的響應。在穩定狀態後的第 7 s 時刻，扭矩由52 N·m 增加至 70 N·m，觀察鑽頭扭矩的變化情況，如圖 7 所示，采（cǎi）用普通 PID 控製器在 2． 8 s 後回到平（píng）衡位置，最大超調量為 10%左右; 模糊控製（zhì）器需要 1． 6 s，最大超調量為 4% 左（zuǒ）右; 而模糊 PID 控製器大約需要 1．2s 且基本無超調。模糊 PID 控製器（qì）的調節時間比普通 PID 控製器縮短 57% ，模糊控製器25% 。在第 12s 時刻，再次將扭矩由 52 N·m 減小至34 N·m，同樣，模糊 PID 控製器經過 1． 2 s 後（hòu）再次回到平衡位（wèi）置。綜上所述，模糊控製器（qì）能夠迅速響應（yīng）主軸扭（niǔ）矩的變化，而且（qiě）具有較高的抗幹擾能力，控製效果比普通 PID 控製和模糊控製優越，能夠滿足快速（sù）、連續鑽（zuàn）削深孔的需要。

6、結語

該深孔鑽機（jī）床樣機已經運用到壓（yā）光輥的加（jiā）工中，該工（gōng）件直徑為900 mm，在圓周上分布12個小孔，孔徑為32 mm，長度為2 000 mm，經過（guò）多次重複試（shì）驗，樣機主軸進給速度穩定在 170 ～ 200mm/min 之間，每（měi）孔平均加工（gōng）時間為 11 min，實現了（le）深孔鑽（zuàn）削的連續加工。樣機實驗表明，模糊 PID 控製係統性能（néng）穩定，在保護刀具（jù）的（de）同時有效地（dì）提高了加工效率，具有較強的實踐指導（dǎo）意義。

投稿箱：
如果（guǒ）您有機（jī）床行業、企業相關新聞稿件（jiàn）發表，或進行資訊合作，歡迎（yíng）聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多（duō）

行業數（shù）據

| 更多

博文選萃

| 更多