導語：數(shù)控機床車間傳動設(shè)備控制研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：考慮到當前數(shù)控機床車間傳動設(shè)備控制自動化標定方法由于動力學模型構(gòu)建能力不佳，導致標定后設(shè)備停頓時間過長的問題，設(shè)計新型數(shù)控機床車間傳動設(shè)備控制自動化標定方法。根據(jù)設(shè)備動能原理，構(gòu)建傳動設(shè)備動力學模型。分析傳動設(shè)備控制規(guī)律，完成傳動設(shè)備控制參數(shù)標定。選用CANaper軟件作為設(shè)備控制標定平臺，通過傳動設(shè)備基礎(chǔ)運行參數(shù)標定與轉(zhuǎn)速控制過程標定兩部分，實現(xiàn)傳動設(shè)備控制自動化標定。至此，新型數(shù)控機床車間傳動設(shè)備控制自動化標定方法設(shè)計完成。構(gòu)建標定實驗環(huán)節(jié)，驗證新型方法應(yīng)用效果。經(jīng)證實，新型方法使用后可有效控制設(shè)備停頓問題，避免控制參數(shù)標定對設(shè)備運行狀態(tài)的影響。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；機電復合傳動；自動化控制；標定；絕對定位精度；動力學

工業(yè)企業(yè)中擁有數(shù)據(jù)機床車間的數(shù)量，成為衡量一個企業(yè)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要指標。隨著經(jīng)濟的不斷增長，人們對于數(shù)控機床車間設(shè)備的使用性能要求也不斷提升，當前我國成為世界數(shù)控機床設(shè)備第一消費國。20世紀50年代，我國的數(shù)控機床技術(shù)才逐漸起步，但數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速，經(jīng)過半個世紀發(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，普通機床逐漸被數(shù)控機床取代，在此趨勢下，數(shù)控機床在工業(yè)車間中的占比逐漸增加[1]。數(shù)控機床的增速比普通機床高出5個百分點，其控制技術(shù)的要求相對普通機床更高。當數(shù)控機床車間傳動設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)控制問題時，需要對整體控制過程進行分析，及時發(fā)掘異常的控制參數(shù)對其展開標定[2]。本次研究中將主要對數(shù)控車間的傳動系統(tǒng)控制過程進行標定，對于此過程而言，在以往的研究中也提出了很多針對其的標定方法，但使用效果均不能滿足人們的需求。當前標定方法在使用后，依舊無法改變設(shè)備參數(shù)變換后的傳動設(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化標定方法，根據(jù)完整的控制過程結(jié)合多組控制規(guī)范，對控制參數(shù)進行標定。希望通過本次研究，改善當前傳動設(shè)備控制標定現(xiàn)狀，提升數(shù)控機床車間的工作效率，推動工業(yè)智能化發(fā)展。

1數(shù)控機床車間傳動設(shè)備控制自動化標定方法設(shè)計

1.1構(gòu)建傳動設(shè)備動力學模型

對數(shù)控機床車間傳動設(shè)備進行實地考察，根據(jù)考察結(jié)果結(jié)合相應(yīng)的控制理念，構(gòu)建動力學模型，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。數(shù)控傳動系統(tǒng)大致包含發(fā)動機、電機、能源組、傳動系統(tǒng)以及控制器幾部分[4]。為便于計算，作出以下設(shè)定：1）傳動設(shè)備的角速度為α1，設(shè)備的質(zhì)心A1在O點，轉(zhuǎn)動慣性為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O的轉(zhuǎn)動慣性為F2；3）使用α2表示傳動連接板1的角速度，此連接板的重量設(shè)定為m3，其對質(zhì)心A3的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)定為FA3；4）使用α3表示傳動連接板2的角速度，將其質(zhì)量設(shè)定為m4，使用FA4表示連接板對質(zhì)心A4的轉(zhuǎn)動慣量；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)，可得到傳動設(shè)備的瞬時的動能增量可表示為：在此公式的基礎(chǔ)上，電機的驅(qū)動力矩M1直接作用在傳動設(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時刻其瞬間做功可表示為：根據(jù)此公式計算傳動設(shè)備運動過程，并將其作為后續(xù)研究中的模型基礎(chǔ)。

1.2傳動設(shè)備控制參數(shù)標定

對于整個傳動設(shè)備而言，其控制過程對于數(shù)控機床車間的工作效率具有顯著的影響。本次研究中，將主要對控制過程中的運行狀態(tài)切換控制部分進行研究，對不同運用狀態(tài)下的控制規(guī)律進行分析，完成控制參數(shù)的標定過程。對于傳動設(shè)備而言，運行狀態(tài)更換過程可以理解為是由一個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到另一個轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速更換的過程中，子設(shè)備會發(fā)生細微的變化。本次研究中，將轉(zhuǎn)速更換前的傳動設(shè)備運行狀態(tài)設(shè)定為L1，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變后傳動設(shè)備運行狀態(tài)設(shè)定為L2。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分別表示傳動齒輪排1、傳動齒輪排2以及傳動齒輪排3的特性參數(shù)；ir表示傳動箱的傳動比；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)動機轉(zhuǎn)速；E0表示耦合結(jié)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩；Ei表示發(fā)動機輸出轉(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。對上述公式進行分析可以看出，傳送設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)速與發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系，根據(jù)具體的控制要求，對發(fā)動機或電機進行調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)傳動設(shè)備的控制。根據(jù)此原理，獲取傳動設(shè)備運行數(shù)據(jù)將其設(shè)定為設(shè)備控制參數(shù)，并對其展開標定，為最終的控制過程自動化標定提供數(shù)據(jù)來源。

1.3傳動設(shè)備控制自動化標定

在獲取控制參數(shù)后，根據(jù)數(shù)控機床車間對傳動設(shè)備的性能要求，對設(shè)備的控制參數(shù)與運行參數(shù)進行優(yōu)化。針對當前傳動設(shè)備的相關(guān)要求，本次研究中將主要對傳動設(shè)備基礎(chǔ)運行參數(shù)以及轉(zhuǎn)速控制過程進行標定。在上文設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，選用CANaper軟件[5]完成傳動設(shè)備整體控制過程的標定工作。在此軟件中可完成傳動控制單元開發(fā)、控制參數(shù)標定以及數(shù)據(jù)采集工作。根據(jù)上文中計算得到控制參數(shù)，構(gòu)建A2L文件，并將其錄入到標定數(shù)據(jù)庫中。在此文件中，每個控制參數(shù)與傳動設(shè)備的實際測量值使用統(tǒng)一的變量名稱表示。在標定過程中如需要讀取某一數(shù)據(jù)時，在A2L文件中搜尋到相關(guān)變量，并在軟件中確定數(shù)據(jù)長度以及存儲位置等信息，而后使用此數(shù)據(jù)完成標定工作。具體標定過程劃分為下述兩部分：1）傳動設(shè)備基礎(chǔ)運行參數(shù)標定首先設(shè)定傳動設(shè)備的基礎(chǔ)運行參數(shù)，根據(jù)相關(guān)控制規(guī)定使用此部分參數(shù)進行計算，在保證設(shè)備運行安全性的情況下，完成標定過程。本次研究中選定“設(shè)備總排量”、“額定轉(zhuǎn)速”、“額定負荷”以及“設(shè)備傳動效率”作為基礎(chǔ)參數(shù)，具體參數(shù)計算內(nèi)容設(shè)定如下：設(shè)備總排量：設(shè)備動力子器件的總排量；額定轉(zhuǎn)速：電機額定轉(zhuǎn)速；額定負荷：動力器件、電機以及傳動設(shè)備的額定負荷量，使用“負荷%”表示；設(shè)備傳動效率：傳動設(shè)備在額定負荷條件下，得到的傳動比，在完成設(shè)備整體標定前，使用估算結(jié)果表示。根據(jù)上述設(shè)定內(nèi)容，對傳動設(shè)備基礎(chǔ)運行參數(shù)展開計算，同時完成標定過程，將標定后的數(shù)據(jù)作為其他控制過程的計算基礎(chǔ)。2）轉(zhuǎn)速控制過程標定在控制過程的標定過程中，首先對式(11)與式(10)進行整合，得到傳動設(shè)備在空檔狀態(tài)下，各個子設(shè)備的轉(zhuǎn)速關(guān)系，具體如下式所示：其中，nA表示電機A的額定轉(zhuǎn)速；nB表示電機B的額定轉(zhuǎn)速；h4表示傳動齒輪排4的特性參數(shù)；nj1表示傳動齒輪整體架構(gòu)轉(zhuǎn)速。推導上述公式，得到電機A、B以及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速關(guān)系，具體如下式：本次研究僅針對傳動設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣性，因此，使用上述公式可完成設(shè)備轉(zhuǎn)速控制的標定過程。使用此公式后，可保證標定后各參數(shù)之間的平衡性，在提升傳動設(shè)備使用性能的同時，維持設(shè)備運行的穩(wěn)定程度。

2標定實驗論證分析

2.1實驗準備

在本次研究中提出了一種新型數(shù)控機床車間傳動設(shè)備控制自動化標定方法，現(xiàn)構(gòu)建標定實驗環(huán)節(jié)對此方法的應(yīng)用效果加以分析，以此確定此方法具有一定的應(yīng)用價值。在對以往的研究結(jié)果進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的傳動設(shè)備標定流程需要經(jīng)過實驗臺基本標定、實際設(shè)備標定以及設(shè)備整體性實驗后，才能投入到實際應(yīng)用中。傳動設(shè)備50%左右的標定參數(shù)需要在實驗臺中完成實驗過程，確定基本參數(shù)后，方可使用其進行標定。針對本次所研究的數(shù)控機床車間傳動設(shè)備，選取實驗臺基本標定實驗方法對新型方法的標定效果進行分析。在實驗臺標定測試中，將24V直流電源、微型傳動設(shè)備的線束、上位機以及標定軟件連接在一起，組成標定實驗臺，具體實驗臺如圖1所示。在實驗臺搭建完成后，通過傳動設(shè)備的運行原理對其控制軟件中各個參數(shù)進行分析，確定在實驗臺上可標定的參數(shù)。

2.2實驗臺標定操作過程

為降低實驗難度，本次實驗僅對傳動設(shè)備靜態(tài)換擋控制過程進行分析，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)展開標定。對以往的實驗過程進行分析后，確定參數(shù)標定中需要的變量：設(shè)備額定轉(zhuǎn)速、設(shè)備目標轉(zhuǎn)速、換擋位置以及換擋控制模式。同時，選擇基礎(chǔ)標定方法與PID標定方法與文中提出的新型標定方法對實驗?zāi)繕诉M行標定，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)。為了更好地獲取實驗結(jié)果，將設(shè)備額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為2000r/min，設(shè)備目標轉(zhuǎn)速設(shè)定為5000r/min，構(gòu)建低速檔位調(diào)整標定實驗環(huán)境，繪制標定前換擋曲線。在此操作完成后，將目標轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速對調(diào)，構(gòu)建高速檔位調(diào)整標定實驗環(huán)境，并繪制此實驗環(huán)境中的換擋曲線，為實驗結(jié)果分析過程提供對照數(shù)據(jù)，具體如圖2所示。由圖2可知，在標定前的換擋過程中，傳動設(shè)備會產(chǎn)生短時間停頓，說明此時的控制參數(shù)曲線偏小，影響傳動設(shè)備的運行穩(wěn)定性。根據(jù)圖2曲線，結(jié)合實驗臺標定換擋曲線，對新型方法與其他兩種方法的標定效果加以分析。

2.3低速檔位調(diào)整標定實驗結(jié)果分析

根據(jù)上文中設(shè)定的實驗準備以及實驗操作過程，完成低速檔位調(diào)整到高速檔位控制標定，并繪制換擋曲線如圖3所示。對上述圖像進行分析可以看出，在使用不同的標定方法完成控制參數(shù)標定后得到了不同的換擋曲線。與標定前所得曲線相比，新型方法使用后對換擋過程中的停頓問題進行及時的處理，保證傳動設(shè)備的運行安全。其他兩種標定方法使用后，雖然在一定程度上改善了控制過程中的停頓情況，但還是存在短時間的設(shè)備運行狀態(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，新型標定方法的標定效果更佳。

2.4高速檔位調(diào)整標定實驗結(jié)果分析

沿用低速檔位調(diào)整標定實驗環(huán)境，將設(shè)備額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為5000r/min，目標轉(zhuǎn)速調(diào)整為2000r/min。對此高速檔位調(diào)整控制過程進行標定，并繪制標定后設(shè)備換擋曲線，具體如圖4所示。對圖4中內(nèi)容進行分析可知，此實驗結(jié)果與低速檔位調(diào)整標定實驗結(jié)果大致相同，不同的標定方法得到的換擋曲線具有一定的差異。在此實驗環(huán)境下，新型方法依舊可以對控制參數(shù)進行正確的標定，對偏小的控制參數(shù)數(shù)值進行調(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，其他兩種方法的標定效果不盡如人意。此兩種標定方法使用后，其換擋曲線中還存在大量的停頓情況，且時間較長、停頓次數(shù)較多與控制參數(shù)標定前的換擋曲線趨于一致?？偨Y(jié)上述實驗結(jié)果可知，在此實驗環(huán)境下，新型方法的標定效果更好。

3結(jié)語

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

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作者：胡華麗 季銳 陳炳森 單位：廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院