數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備控制自動(dòng)化標(biāo)定方法

胡華麗，季 銳，陳炳森

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

0 引言

工業(yè)企業(yè)中擁有數(shù)據(jù)機(jī)床車間的數(shù)量，成為衡量一個(gè)企業(yè)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要指標(biāo)。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)于數(shù)控機(jī)床車間設(shè)備的使用性能要求也不斷提升，當(dāng)前我國成為世界數(shù)控機(jī)床設(shè)備第一消費(fèi)國。20世紀(jì)50年代，我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)才逐漸起步，但數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)發(fā)展，我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)與技術(shù)取得了很大的成就。目前，普通機(jī)床逐漸被數(shù)控機(jī)床取代，在此趨勢(shì)下，數(shù)控機(jī)床在工業(yè)車間中的占比逐漸增加[1]。數(shù)控機(jī)床的增速比普通機(jī)床高出5個(gè)百分點(diǎn)，其控制技術(shù)的要求相對(duì)普通機(jī)床更高。

當(dāng)數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)控制問題時(shí)，需要對(duì)整體控制過程進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)掘異常的控制參數(shù)對(duì)其展開標(biāo)定[2]。本次研究中將主要對(duì)數(shù)控車間的傳動(dòng)系統(tǒng)控制過程進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)于此過程而言，在以往的研究中也提出了很多針對(duì)其的標(biāo)定方法，但使用效果均不能滿足人們的需求。當(dāng)前標(biāo)定方法在使用后，依舊無法改變?cè)O(shè)備參數(shù)變換后的傳動(dòng)設(shè)備發(fā)生停頓的問題[3]。為此，在本次研究中將提出一種新型自動(dòng)化標(biāo)定方法，根據(jù)完整的控制過程結(jié)合多組控制規(guī)范，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。希望通過本次研究，改善當(dāng)前傳動(dòng)設(shè)備控制標(biāo)定現(xiàn)狀，提升數(shù)控機(jī)床車間的工作效率，推動(dòng)工業(yè)智能化發(fā)展。

1 數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備控制自動(dòng)化標(biāo)定方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建傳動(dòng)設(shè)備動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)地考察，根據(jù)考察結(jié)果結(jié)合相應(yīng)的控制理念，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)大致包含發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、能源組、傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制器幾部分[4]。為便于計(jì)算，作出以下設(shè)定：

1）傳動(dòng)設(shè)備的角速度為α1，設(shè)備的質(zhì)心A1在O點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性為F1；

2）連接滑塊1的質(zhì)量設(shè)定為m2，其質(zhì)心A2在Y處，速度為v2，繞點(diǎn)O的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性為F2；

3）使用α2表示傳動(dòng)連接板1的角速度，此連接板的重量設(shè)定為m3，其對(duì)質(zhì)心A3的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)定為FA3；

4）使用α3表示傳動(dòng)連接板2的角速度，將其質(zhì)量設(shè)定為m4，使用FA4表示連接板對(duì)質(zhì)心A4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

5）連接滑塊2的質(zhì)量設(shè)定為m5，其質(zhì)心F5在Q處，其速度設(shè)定為v5。

根據(jù)上述假設(shè)，可得到傳動(dòng)設(shè)備的瞬時(shí)的動(dòng)能增量可表示為：

在此公式的基礎(chǔ)上，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩M1直接作用在傳動(dòng)設(shè)備的連接板上，如果其工作狀態(tài)下的全部作用在此連接板上，其大小設(shè)定為G5，則在dt時(shí)刻其瞬間做功可表示為：

根據(jù)動(dòng)能定理，傳動(dòng)設(shè)備在某瞬間的總動(dòng)能的增量與此瞬間內(nèi)此設(shè)備各外力功之和一致，由此可得到傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方程：

由于式(3)中含有大量的未知運(yùn)動(dòng)參量，求解過程較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將其整合為等效力學(xué)模型。圍繞β1構(gòu)建獨(dú)立的廣義坐標(biāo)，將式(3)改寫為下述形式：

對(duì)此公式進(jìn)行轉(zhuǎn)型，則有：

由上述公式可以看出，F(xiàn)all中含有轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的量綱，可將其視作等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。Mall中包含各力矩的量綱，可將其作為等效力矩，公式中各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的比值均可作為廣義坐標(biāo)的函數(shù)：

與此同時(shí)，根據(jù)外力距以及工作阻力之間的關(guān)系，可得到傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

根據(jù)上述公式，得到傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行方程：

根據(jù)此公式計(jì)算傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)過程，并將其作為后續(xù)研究中的模型基礎(chǔ)。

1.2 傳動(dòng)設(shè)備控制參數(shù)標(biāo)定

對(duì)于整個(gè)傳動(dòng)設(shè)備而言，其控制過程對(duì)于數(shù)控機(jī)床車間的工作效率具有顯著的影響。本次研究中，將主要對(duì)控制過程中的運(yùn)行狀態(tài)切換控制部分進(jìn)行研究，對(duì)不同運(yùn)用狀態(tài)下的控制規(guī)律進(jìn)行分析，完成控制參數(shù)的標(biāo)定過程。對(duì)于傳動(dòng)設(shè)備而言，運(yùn)行狀態(tài)更換過程可以理解為是由一個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到另一個(gè)轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速更換的過程中，子設(shè)備會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化。本次研究中，將轉(zhuǎn)速更換前的傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定為L(zhǎng)1，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變后傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定為L(zhǎng)2。在轉(zhuǎn)速變換的控制過程中，其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩具有線性關(guān)系，則各元件之間的關(guān)系可表示為：

在上述公式中，h1、h2、h3分別表示傳動(dòng)齒輪排1、傳動(dòng)齒輪排2以及傳動(dòng)齒輪排3的特性參數(shù)；ir表示傳動(dòng)箱的傳動(dòng)比；bA表示耦合結(jié)構(gòu)A的輸入轉(zhuǎn)速；bB表示耦合結(jié)構(gòu)B的輸入轉(zhuǎn)速；bN表示全部耦合結(jié)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速；ball表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；E0表示耦合結(jié)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩；Ei表示發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；EA與EB分別表示耦合結(jié)構(gòu)A與耦合結(jié)構(gòu)B輸出的轉(zhuǎn)矩。對(duì)上述公式進(jìn)行分析可以看出，傳送設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系，根據(jù)具體的控制要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)設(shè)備的控制。根據(jù)此原理，獲取傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)將其設(shè)定為設(shè)備控制參數(shù)，并對(duì)其展開標(biāo)定，為最終的控制過程自動(dòng)化標(biāo)定提供數(shù)據(jù)來源。

1.3 傳動(dòng)設(shè)備控制自動(dòng)化標(biāo)定

在獲取控制參數(shù)后，根據(jù)數(shù)控機(jī)床車間對(duì)傳動(dòng)設(shè)備的性能要求，對(duì)設(shè)備的控制參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)當(dāng)前傳動(dòng)設(shè)備的相關(guān)要求，本次研究中將主要對(duì)傳動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)以及轉(zhuǎn)速控制過程進(jìn)行標(biāo)定。在上文設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，選用CANaper軟件[5]完成傳動(dòng)設(shè)備整體控制過程的標(biāo)定工作。在此軟件中可完成傳動(dòng)控制單元開發(fā)、控制參數(shù)標(biāo)定以及數(shù)據(jù)采集工作。根據(jù)上文中計(jì)算得到控制參數(shù)，構(gòu)建A2L文件，并將其錄入到標(biāo)定數(shù)據(jù)庫中。在此文件中，每個(gè)控制參數(shù)與傳動(dòng)設(shè)備的實(shí)際測(cè)量值使用統(tǒng)一的變量名稱表示。在標(biāo)定過程中如需要讀取某一數(shù)據(jù)時(shí)，在A2L文件中搜尋到相關(guān)變量，并在軟件中確定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及存儲(chǔ)位置等信息，而后使用此數(shù)據(jù)完成標(biāo)定工作。具體標(biāo)定過程劃分為下述兩部分：

1）傳動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)標(biāo)定

首先設(shè)定傳動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)相關(guān)控制規(guī)定使用此部分參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在保證設(shè)備運(yùn)行安全性的情況下，完成標(biāo)定過程。本次研究中選定“設(shè)備總排量”、“額定轉(zhuǎn)速”、“額定負(fù)荷”以及“設(shè)備傳動(dòng)效率”作為基礎(chǔ)參數(shù)，具體參數(shù)計(jì)算內(nèi)容設(shè)定如下：

設(shè)備總排量：設(shè)備動(dòng)力子器件的總排量；

額定轉(zhuǎn)速：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；

額定負(fù)荷：動(dòng)力器件、電機(jī)以及傳動(dòng)設(shè)備的額定負(fù)荷量，使用“負(fù)荷%”表示；

設(shè)備傳動(dòng)效率：傳動(dòng)設(shè)備在額定負(fù)荷條件下，得到的傳動(dòng)比，在完成設(shè)備整體標(biāo)定前，使用估算結(jié)果表示。

根據(jù)上述設(shè)定內(nèi)容，對(duì)傳動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)展開計(jì)算，同時(shí)完成標(biāo)定過程，將標(biāo)定后的數(shù)據(jù)作為其他控制過程的計(jì)算基礎(chǔ)。

2）轉(zhuǎn)速控制過程標(biāo)定

在控制過程的標(biāo)定過程中，首先對(duì)式(11)與式(10)進(jìn)行整合，得到傳動(dòng)設(shè)備在空檔狀態(tài)下，各個(gè)子設(shè)備的轉(zhuǎn)速關(guān)系，具體如下式所示：

其中，nA表示電機(jī)A的額定轉(zhuǎn)速；nB表示電機(jī)B的額定轉(zhuǎn)速；h4表示傳動(dòng)齒輪排4的特性參數(shù)；nj1表示傳動(dòng)齒輪整體架構(gòu)轉(zhuǎn)速。推導(dǎo)上述公式，得到電機(jī)A、B以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系，具體如下式：

為了便于分析，將其轉(zhuǎn)化為各子設(shè)備的角速度關(guān)系：

本次研究?jī)H針對(duì)傳動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，因此，使用上述公式可完成設(shè)備轉(zhuǎn)速控制的標(biāo)定過程。使用此公式后，可保證標(biāo)定后各參數(shù)之間的平衡性，在提升傳動(dòng)設(shè)備使用性能的同時(shí)，維持設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定程度。

2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在本次研究中提出了一種新型數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備控制自動(dòng)化標(biāo)定方法，現(xiàn)構(gòu)建標(biāo)定實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)此方法的應(yīng)用效果加以分析，以此確定此方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

在對(duì)以往的研究結(jié)果進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的傳動(dòng)設(shè)備標(biāo)定流程需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本標(biāo)定、實(shí)際設(shè)備標(biāo)定以及設(shè)備整體性實(shí)驗(yàn)后，才能投入到實(shí)際應(yīng)用中。傳動(dòng)設(shè)備50%左右的標(biāo)定參數(shù)需要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中完成實(shí)驗(yàn)過程，確定基本參數(shù)后，方可使用其進(jìn)行標(biāo)定。針對(duì)本次所研究的數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備，選取實(shí)驗(yàn)臺(tái)基本標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方法對(duì)新型方法的標(biāo)定效果進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定測(cè)試中，將24V直流電源、微型傳動(dòng)設(shè)備的線束、上位機(jī)以及標(biāo)定軟件連接在一起，組成標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具體實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成結(jié)構(gòu)

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建完成后，通過傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行原理對(duì)其控制軟件中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，確定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上可標(biāo)定的參數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定操作過程

為降低實(shí)驗(yàn)難度，本次實(shí)驗(yàn)僅對(duì)傳動(dòng)設(shè)備靜態(tài)換擋控制過程進(jìn)行分析，選擇低轉(zhuǎn)速檔位調(diào)整到高轉(zhuǎn)速檔位以及高轉(zhuǎn)速檔位調(diào)整到低轉(zhuǎn)速檔位兩部分中的參數(shù)展開標(biāo)定。對(duì)以往的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析后，確定參數(shù)標(biāo)定中需要的變量：設(shè)備額定轉(zhuǎn)速、設(shè)備目標(biāo)轉(zhuǎn)速、換擋位置以及換擋控制模式。同時(shí)，選擇基礎(chǔ)標(biāo)定方法與PID標(biāo)定方法與文中提出的新型標(biāo)定方法對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行標(biāo)定，繪制換擋控制曲線，分析曲線確定換擋過程中是否存在超調(diào)。為了更好地獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將設(shè)備額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為2000r/min，設(shè)備目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為5000r/min，構(gòu)建低速檔位調(diào)整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境，繪制標(biāo)定前換擋曲線。在此操作完成后，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速對(duì)調(diào)，構(gòu)建高速檔位調(diào)整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并繪制此實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的換擋曲線，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程提供對(duì)照數(shù)據(jù)，具體如圖2所示。

圖2 標(biāo)定前換擋曲線

由圖2可知，在標(biāo)定前的換擋過程中，傳動(dòng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間停頓，說明此時(shí)的控制參數(shù)曲線偏小，影響傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。根據(jù)圖2曲線，結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定換擋曲線，對(duì)新型方法與其他兩種方法的標(biāo)定效果加以分析。

2.3 低速檔位調(diào)整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上文中設(shè)定的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備以及實(shí)驗(yàn)操作過程，完成低速檔位調(diào)整到高速檔位控制標(biāo)定，并繪制換擋曲線如圖3所示。

圖3 低速檔位調(diào)整標(biāo)定后換擋曲線

對(duì)上述圖像進(jìn)行分析可以看出，在使用不同的標(biāo)定方法完成控制參數(shù)標(biāo)定后得到了不同的換擋曲線。與標(biāo)定前所得曲線相比，新型方法使用后對(duì)換擋過程中的停頓問題進(jìn)行及時(shí)的處理，保證傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行安全。其他兩種標(biāo)定方法使用后，雖然在一定程度上改善了控制過程中的停頓情況，但還是存在短時(shí)間的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定問題。綜合上述分析結(jié)果可知，在低速檔位調(diào)整中，新型標(biāo)定方法的標(biāo)定效果更佳。

2.4 高速檔位調(diào)整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

沿用低速檔位調(diào)整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將設(shè)備額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為5000r/min，目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為2000r/min。對(duì)此高速檔位調(diào)整控制過程進(jìn)行標(biāo)定，并繪制標(biāo)定后設(shè)備換擋曲線，具體如圖4所示。

圖4 高速檔位調(diào)整標(biāo)定后換擋曲線

對(duì)圖4中內(nèi)容進(jìn)行分析可知，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與低速檔位調(diào)整標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同，不同的標(biāo)定方法得到的換擋曲線具有一定的差異。在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，新型方法依舊可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行正確的標(biāo)定，對(duì)偏小的控制參數(shù)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，控制設(shè)備轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換中的停頓情況。與新型方法相比，其他兩種方法的標(biāo)定效果不盡如人意。此兩種標(biāo)定方法使用后，其換擋曲線中還存在大量的停頓情況，且時(shí)間較長(zhǎng)、停頓次數(shù)較多與控制參數(shù)標(biāo)定前的換擋曲線趨于一致。總結(jié)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，新型方法的標(biāo)定效果更好。

3 結(jié)語

為了最大程度發(fā)揮數(shù)控機(jī)床車間傳動(dòng)設(shè)備的工作潛力，使其在經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性均得到最佳水平的應(yīng)用，需要對(duì)其控制過程進(jìn)行標(biāo)定，在本次研究中提出一種新型標(biāo)定方法，仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)使用此方法完成標(biāo)定后，傳動(dòng)設(shè)備的使用性能得到了大幅度提升，實(shí)現(xiàn)控制標(biāo)定的目標(biāo)。但此方法僅針對(duì)當(dāng)前標(biāo)定方法的不足進(jìn)行優(yōu)化，在部分領(lǐng)域還存在細(xì)微的問題。為保證此方法可與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向一致，在日后的研究中還需對(duì)此方法進(jìn)行不斷的完善。