深孔加工恒扭矩智能控制系统的设计
2018-5-4 来源：泰州学院 南京新颖氧医疗科技有限公司 作者：徐晓栋 龚玉玲 徐 俊
摘要: 针对深孔加工中钻头易折断，加工效率低等问题，设计并搭建了基于模糊 PID 控制的深孔加工恒扭矩控制系统。在分析深孔钻机传动系统原理的基础上，建立主轴进给系统的传递函数，构建钻头钻削扭矩的自整定模糊 PID 控制器，介绍以西门子 CPU224 型 PLC 和 CYB － 803S 型扭矩传感器为核心的硬件组成，实现了通过调节钻削进给量进而保持深孔加工过程中钻头扭矩恒值，并利用Matlab 进行仿真验证。仿真结果表明，模糊 PID 控制与传统 PID 控制和模糊控制相比，具有更好的动态稳定性，在钻头扭矩发生突变时，调节时间约为 1． 2 s，比传统 PID 控制和模糊控制分别缩短57%和 25%，能够较好地满足深孔钻削高效化、智能化的要求。
关键词: 深孔加工; 恒扭矩; 模糊 PID 控制
深孔加工是在封闭或半封闭状态下进行的，很难使用普通方法检测钻削状态，且钻头细长，对受力变化敏感。加工过程中，随着钻削深度的增加，经常出现钻削阻力快速增大，钻头扭矩急速增大，导致钻头折断残留在工件中，工件报废的现象。目前，为了保护钻头，一般采用过载停机保护的方法，即设定钻头扭矩阈值，一旦钻头所受力矩超过阈值，进给系统立刻停止进给，复位后重新加工，如日本町田铁工生产的自动钻床“Micro － hole”，国内杜宏祺等人研制的深孔钻镗床刀具的扭矩保护系统等，这种做法可以有效保护钻头，但中断了钻削加工的连续性，加工效率较低。随着深孔加工机械高效化、智能化的发展，对钻削过程的控制提出更高要求，在钻头安全的前提下，连续、高效地加工以提高生产率，降低制造成本。因此，本文提出运用模糊控制整定 PID 控制参数，采用模糊PID控制系统实现钻头扭矩的动态平衡，保证深孔加工的安全性，提高深孔加工的效率。
1、传动系统原理图
深孔钻机主要由主轴进给系统、主轴旋转系统、扭矩传感器、PLC 控制器和控制系统组成。
主轴旋转系统工作原理: 主轴旋转系统固定在滑台上，由主轴旋转电动机，经过减速齿轮组和扭矩传感器，驱动刀具主轴转动。
主轴进给系统工作原理: 主轴进给电动机，经过电磁离合器、减速器，驱动丝杆旋转，由螺母带动滑台，实现刀具的进给运动。
在钻削过程中，扭矩传感器实时检测钻头扭矩，若钻头扭矩迅速增大，通过控制系统，经 PID 控制器传到变频器后，控制进给电动机减速，减小进给量，减小钻头扭矩，若钻头扭矩较小，则增加进给电动机转速，增大进给量，保证钻孔效率。
图1 深孔钻系统原理图
2 、主轴进给系统的模型和传递函数
2．1 变频器的传递函数
3、自整定模糊
PID 控制方案在深孔加工过程中，钻削环境多变，同时加工工件可能存在材质不均匀，从而使钻头扭矩变化较大，需要控制系统能对钻头扭矩变化作出快速响应，采用传统的 PID 控制或者模糊控制达不到理想的控制效果。本文对传统 PID 控制进行改进，通过模糊控制调节 PID控制的 3 个控制参数，形成自整定模糊 PID 控制方案，见图2所示。
3．1 模糊化
4 、系统构成
4．1 硬件设计
选用西门子 S7 － 200 系列的 CPU224PLC 控制器，集成 24 个数字量 I /O 点，可连接 7 个扩展模块输入 /输出模块选用西门子 EM223，用于接受主轴扭矩的信号和输出控制进给电动机的变频器调节信号。主轴旋转的调速电动机功率选用 5． 5 k W，进给电动机功率选用 3 k W。变频器选用三菱 E540 变频器。扭矩传感器选用 CYB － 803S 型扭矩传感器，其量程为 0 ～ 200 N·m; 输出为4 ～ 20 m A 电流信号; 过压过载满量程 1． 5 倍压力; 扭矩传感器安装位于电动机和刀杆之间，保证同轴度小于 0． 05 mm，以避免产生弯矩。安装示意图如图 3 所示。
4．2 软件设计
4．2．1 上位机设计
使用 PC 作为上位机，分为手动和自控两种控制方式，手动控制中通过进给和后退按键控制进给电动机正反转，通过低、中、高控制进给量的大小。自动控制为自适应模糊 PID 控制，在保持钻头扭矩恒定下，实现刀具持续进给。系统监控界面还能实时显示钻头扭矩、转速和进给速度以及意外情况下的报警信号，控制系统监控画面如图 4 所示。
4．2. 2 下位机设计
使用 STEP7 － Micro /WIN V4 SP8 对 PLC 进行编程，实现进给电动机的手动和自动控制。自动控制中，主要是模糊 PID 控制程序的设计，首先将设定扭矩值和测定的扭矩值储存到 Vb100，Vb101，计算 E、EC 值存储到 Vb102，Vb103，经过模糊化后存储到 Vb104，Vb105 中，然后将模糊控制表存储到 PLC 中。模糊控
5 、仿真试验
在Matlab /Simulink 环境下，将设计好的模糊规则导入进来，结合系统提供的其他功能完成模糊控制系统的模型，见图6所示。
本文主要研究深孔钻机钻削过程中钻头恒扭矩的控制，即当钻头钻削环境发生变化，主轴扭矩突变时，控制系统对其的响应。在稳定状态后的第 7 s 时刻，扭矩由52 N·m 增加至 70 N·m，观察钻头扭矩的变化情况，如图 7 所示，采用普通 PID 控制器在 2． 8 s 后回到平衡位置，最大超调量为 10%左右; 模糊控制器需要 1． 6 s，最大超调量为 4% 左右; 而模糊 PID 控制器大约需要 1．2s 且基本无超调。模糊 PID 控制器的调节时间比普通 PID 控制器缩短 57% ，模糊控制器25% 。在第 12s 时刻，再次将扭矩由 52 N·m 减小至34 N·m，同样，模糊 PID 控制器经过 1． 2 s 后再次回到平衡位置。综上所述，模糊控制器能够迅速响应主轴扭矩的变化，而且具有较高的抗干扰能力，控制效果比普通 PID 控制和模糊控制优越，能够满足快速、连续钻削深孔的需要。
6、结语
该深孔钻机床样机已经运用到压光辊的加工中，该工件直径为900 mm，在圆周上分布12个小孔，孔径为32 mm，长度为2 000 mm，经过多次重复试验，样机主轴进给速度稳定在 170 ～ 200mm/min 之间，每孔平均加工时间为 11 min，实现了深孔钻削的连续加工。样机实验表明，模糊 PID 控制系统性能稳定，在保护刀具的同时有效地提高了加工效率，具有较强的实践指导意义。
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