數(shù)控珩磨機(jī)磨頭壓力控制研究

劉冰

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192）

0 引言

珩磨機(jī)是精加工時利用珩磨頭珩磨工件表面的磨床，主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)油缸等工件內(nèi)表面的珩磨。發(fā)動機(jī)缸體在珩磨過程中，需要在缸體內(nèi)壁形成細(xì)小的溝槽并使之有規(guī)律地排列成網(wǎng)紋，這些網(wǎng)紋對發(fā)動機(jī)工作性能有著非常重要的作用。網(wǎng)紋的溝槽可以形成儲油空間和油膜，減小了機(jī)油損失，同時降低了缸體與活塞之間的摩擦；網(wǎng)紋之間形成的細(xì)小的平臺增加了接觸面積，提高了缸體的耐磨性；同時發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)壁的網(wǎng)紋有助于提高燃油的燃燒效率，對發(fā)動機(jī)的排放也有著重要的作用。在珩磨過程中形成按規(guī)律排列、深淺一致的網(wǎng)紋是衡量珩磨機(jī)工作性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。在珩磨機(jī)工作過程中，珩磨頭工作壓力的穩(wěn)定對于形成良好的網(wǎng)紋有著重要的影響。目前國內(nèi)調(diào)整珩磨頭壓力主要使用手動、有級調(diào)整，系統(tǒng)采用開環(huán)控制；國外如德國、日本等國生產(chǎn)的數(shù)控珩磨機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)自動、無級調(diào)整，工作效率、珩磨網(wǎng)紋質(zhì)量遠(yuǎn)高于國內(nèi)產(chǎn)品，但是其價格較高，可以達(dá)到國內(nèi)同級數(shù)控珩磨機(jī)的數(shù)倍。故研究一種新型的、閉環(huán)控制的珩磨頭壓力控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)壓力的穩(wěn)定控制和壓力無級調(diào)整則十分必要。

1 珩磨頭壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 珩磨頭壓力控制系統(tǒng)整體控制方案

系統(tǒng)采用液壓與電氣相結(jié)合的閉環(huán)控制思路進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示。電氣控制系統(tǒng)主要是根據(jù)輸入的傳感器信號和控制信號以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PI控制，以及珩磨機(jī)的不同工作狀態(tài)的控制；液壓系統(tǒng)主要根據(jù)電氣系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)珩磨頭工作壓力的提供和對珩磨頭的控制和驅(qū)動；壓力傳感器檢測系統(tǒng)實(shí)際壓力，并把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入給電氣控制系統(tǒng)使之與設(shè)定的信號進(jìn)行對比以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.2 珩磨頭壓力控制系統(tǒng)控制原理

珩磨機(jī)工作時，珩磨頭壓力不穩(wěn)定主要是由外界負(fù)載、以及珩磨頭往復(fù)運(yùn)動中對液壓系統(tǒng)沖擊所造成的。采用PI控制策略，可以實(shí)時監(jiān)測珩磨頭工作壓力，與系統(tǒng)設(shè)定的壓力值進(jìn)行對比，實(shí)時調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)以達(dá)到珩磨頭工作壓力的穩(wěn)定，消除負(fù)載和液壓系統(tǒng)對壓力造成的負(fù)面影響。

PID控制是目前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制方式，其由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。本系統(tǒng)中采用PI控制策略，通過整定比例參數(shù)Kp，積分參數(shù)Ki以及積分時間t，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的效果。其輸入e（t）與輸出 u（t）的關(guān)系為

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 電氣控制系統(tǒng)功能需求

電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下3方面的功能：1）根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)需要的工作壓力值與傳感器提供的系統(tǒng)實(shí)際壓力值進(jìn)行對比，實(shí)時調(diào)節(jié)輸出PWM信號，進(jìn)行閉環(huán)PI控制，以實(shí)現(xiàn)工作壓力的穩(wěn)定。2）根據(jù)系統(tǒng)輸入的控制信號，控制液壓系統(tǒng)電磁閥的通斷，以實(shí)現(xiàn)珩磨機(jī)不同工作狀態(tài)的切換，適應(yīng)不同的工況。3）實(shí)時監(jiān)測設(shè)定壓力與實(shí)際壓力的差值以及珩磨機(jī)的工作狀態(tài)，提供報警機(jī)制。

2.2 電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)電氣系統(tǒng)上述的主要功能，選擇專用的可編程控制器作為電氣系統(tǒng)的主控模塊，電氣系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)

系統(tǒng)需要3路數(shù)字量輸入作為控制信號，通過數(shù)字量信號的組合一共可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的6種工作狀態(tài)；2路模擬量的壓力設(shè)定信號輸入，分別用于設(shè)定系統(tǒng)精珩和粗珩的工作壓力；2路模擬量壓力反饋信號輸入，分別用于檢測系統(tǒng)精珩和粗珩狀態(tài)下的系統(tǒng)實(shí)際壓力。系統(tǒng)同時需要5路24V開關(guān)量輸出信號，用于控制驅(qū)動開關(guān)量電磁閥，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)；2路PWM輸出信號，直接驅(qū)動比例壓力閥，分別調(diào)整精珩和粗珩狀態(tài)下的系統(tǒng)壓力；1路數(shù)量輸出信號用于報警。

2.3 電氣控制系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能，電氣控制系統(tǒng)的控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計流程圖

系統(tǒng)首先進(jìn)行參數(shù)初始化，并根據(jù)控制信號判斷系統(tǒng)是否處于停機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)不進(jìn)行輸出，液壓系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；否則，程序根據(jù)控制信號判斷需要執(zhí)行的相應(yīng)的工作狀態(tài)，如：粗珩、粗珩拉網(wǎng)紋換向、精珩、精珩拉網(wǎng)紋換向等，執(zhí)行相應(yīng)的輸出、控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，以完成相關(guān)動作。在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，實(shí)時監(jiān)測壓力信號，如果超過規(guī)定值則發(fā)出報警信號。

3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示：液壓系統(tǒng)主要使用5個兩位兩通的方向閥、以及2個比例壓力閥作為主要的控制元件。其中A2口是珩磨頭壓力控制系統(tǒng)的進(jìn)油口，N2口是出油口直接流回油箱。方向閥D2、D3以及比例壓力閥V1控制粗珩缸、粗珩缸左缸進(jìn)油建立壓力，使珩磨頭的粗珩砂條脹出工作，反之粗珩砂條縮回。方向閥D4、D5、D6以及比例壓力閥V2控制精珩缸、精珩缸控制精珩砂條的脹出與縮回，與粗珩缸一致。

圖4 液壓原理圖

比例閥V1、V2分別控制粗珩、精珩系統(tǒng)的壓力，其開度由電子控制系統(tǒng)的PWM輸出信號控制調(diào)節(jié)，通過改變PWM信號的占空比，就可以實(shí)現(xiàn)工作壓力的無級調(diào)整。

在珩磨機(jī)工作過程中需要進(jìn)行拉網(wǎng)紋換向，此時磨頭移出工件。在磨頭工作狀態(tài)下，系統(tǒng)壓力和工件提供的負(fù)載壓力平衡，如果砂條在以工作壓力脹出的狀態(tài)下移出，會造成負(fù)載壓力突然降低至0，此時會對工件以及磨頭造成壓力沖擊，產(chǎn)生不利影響。故在拉網(wǎng)紋換向過程中，需要使粗珩缸和精珩缸處于浮動狀態(tài)，此時砂條脹出，系統(tǒng)壓力根據(jù)負(fù)載自動調(diào)節(jié)，減少壓力對系統(tǒng)的沖擊。

3.2 珩磨機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理

電控系統(tǒng)根據(jù)控制信號，控制液壓系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)待機(jī)、粗珩、粗珩拉網(wǎng)紋換向、精珩、精珩拉網(wǎng)紋換向5個主要工作狀態(tài)。上述5個工作狀態(tài)主要由比例閥V1、V2和方向D2-D6的通斷組合實(shí)現(xiàn)，其通斷狀態(tài)如表1所示。

表1 電磁閥工作狀態(tài)表

分析不同工作狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)工作原理如下：

1）待機(jī)、對刀狀態(tài)：比例閥V1、V2，方向電磁閥D2-D6全部處于關(guān)斷狀態(tài)，液壓油分別經(jīng)過D2、D4和D5進(jìn)入粗珩缸、精珩缸的右缸，左缸液壓油分別經(jīng)由D3和V1、D6和V2流回油箱，粗珩油缸和精珩油缸控制的砂條均處于縮回狀態(tài)，珩磨頭不工作。

2）粗珩狀態(tài)：控制粗珩壓力的比例閥V1有效，電磁閥D2通電有效、D3復(fù)位狀態(tài)。液壓油經(jīng)D2、D3進(jìn)入粗珩缸的左缸，粗珩壓力由比例壓力閥V1的開度控制，粗珩缸右缸液壓油經(jīng)過D2流回油箱。故粗珩缸左側(cè)建立壓力，粗珩砂條脹出，可以進(jìn)行粗珩工作?？刂凭窀椎碾姶砰y均處于關(guān)斷狀態(tài)、精珩砂條縮回，不可進(jìn)行精珩工作。

3）粗珩拉網(wǎng)紋換向狀態(tài)：比例閥V1有效，電磁閥D2、D3均通電有效。液壓油進(jìn)油端不能對粗珩缸進(jìn)行供油，粗珩缸右缸液壓油經(jīng)過D2流回油箱，粗珩缸左缸液壓油經(jīng)過D3流回油箱，粗珩缸處于浮動狀態(tài)，系統(tǒng)壓力自動調(diào)節(jié)，減少壓力沖擊。

4）精珩狀態(tài)：控制精珩壓力的比例閥V2有效，電磁閥D4、D5通電有效、D6復(fù)位狀態(tài)。液壓油經(jīng)過D4、D6進(jìn)入精珩缸的左缸，精珩壓力由比例壓力閥V2的開度控制，精珩缸右缸液壓油經(jīng)過D5、D4流回油箱。精珩缸左側(cè)建立壓力，精珩砂條脹出，可以進(jìn)行精珩工作。

5）精珩拉網(wǎng)紋換向狀態(tài)：比例閥V2有效，方向電磁閥D4、D5、D6均通電有效。液壓油進(jìn)油端不能對精珩缸進(jìn)行供油，精珩缸右缸液壓油經(jīng)過D5、D4流回油箱，精珩缸左缸液壓油經(jīng)過D6、D4流回油箱，精珩缸處于浮動狀態(tài)。

4 調(diào)試結(jié)果

本控制系統(tǒng)已將在數(shù)控珩磨機(jī)上實(shí)驗(yàn)調(diào)試完畢，在粗珩和精珩工作穩(wěn)定狀態(tài)下、通過分別調(diào)整粗珩和精珩的P、I控制參數(shù)，可以使壓力在誤差范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。粗珩和精珩的壓力曲線如圖5所示。

圖5 粗珩精珩系統(tǒng)壓力曲線圖

在圖5中，1為掃描曲線、2為設(shè)定壓力值曲線、3為實(shí)際壓力值曲線。傳感器輸出信號為1～6 V，測量范圍為0～5 MPa。在當(dāng)設(shè)定信號為0要求系統(tǒng)無壓力，此時傳感器反饋電壓為1 V，表示系統(tǒng)實(shí)際壓力為0，在粗珩和精珩實(shí)驗(yàn)中，把設(shè)定信號設(shè)定為3 V時，表示系統(tǒng)要求壓力為2 MPa。在粗珩狀態(tài)曲線中，可以明顯看出壓力經(jīng)過控制系統(tǒng)的控制迅速穩(wěn)定在2 MPa，伴隨著珩磨頭的上下往復(fù)運(yùn)動，壓力有輕微的抖動。在精珩狀態(tài)曲線中，壓力存在一個較大的峰值超調(diào)余量，隨后可以迅速穩(wěn)定在2 MPa左右并且伴隨往復(fù)運(yùn)動存在輕微抖動，峰值超調(diào)余量有待通過修正PI參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整。

5 結(jié)論

提出使用PI控制的閉環(huán)控制策略、使用比例壓力閥實(shí)現(xiàn)壓力的無級調(diào)整、液壓與電氣相結(jié)合的的系統(tǒng)設(shè)計方案，并經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試結(jié)果滿足現(xiàn)場要求，通過了廠家質(zhì)量驗(yàn)收，目前已經(jīng)形成產(chǎn)品。

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