引言

近年來,隨著航空工業(yè)的發(fā)展,大型薄壁形狀的零件應(yīng)用越來越廣泛,這類零件不僅形狀復(fù)雜,加工精度要求高,而且具有剛度較低的特征。薄壁零件由于重量輕、比強度高等特點,已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。隨著航空工業(yè)的進一步發(fā)展,薄壁零件的應(yīng)用會更加廣泛,質(zhì)量的需求也會進一步提高。航空薄壁件加工有諸多難點:加工振動、整體加工變形、在線測量等等。在線測量又分為對厚度的在線測量、激光測量、熱補償測量、幾何測量等等。在線測量是實現(xiàn)薄壁件加工后保持位置不變,直接對其測量的技術(shù),其優(yōu)勢在于減少薄壁件的返修周期,保證航空薄壁件制造過程中質(zhì)量的穩(wěn)定,提高其加工效率。

目前,對有曲率工件采用單點測量,即離線測量。離線測量誤差較大,不能滿足高精度的要求。相對于傳統(tǒng)剛性工裝裝配產(chǎn)品離線測量方式,在線測量技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)品裝配、測量和誤差補償?shù)募?其測量結(jié)果直接以實時數(shù)字量表征。在線檢測技術(shù)的發(fā)展為數(shù)控加工過程的質(zhì)量檢測提供了一套行之有效的方法,能夠在零件加工過程中對零件加工的精度進行直接測量,保證加工過程和測量過程同時進行。

為了實時測出薄壁件的厚度,提出了在線測量的方法。壓力閉環(huán)控制是在線測量中重要的子系統(tǒng),是關(guān)系到在線測量能否正常進行的一個重要環(huán)節(jié),壓力的穩(wěn)定性對測厚讀數(shù)有重大影響,并且恒定的壓力可以保證不劃傷工件。我們通過壓力閉環(huán)控制實現(xiàn)測厚裝置和薄壁件之間的壓力恒定,實現(xiàn)壓力恒定的算法有自適應(yīng)算法、PID算法等。關(guān)于壓力的控制系統(tǒng)設(shè)計許多學(xué)者開展了這方面的研究。尹凱通過壓力傳感器對水壓進行采樣,采入PLC的PID模塊,通過PID模塊進行閉環(huán)控制,實現(xiàn)了灌溉系統(tǒng)的節(jié)水節(jié)能。樊秋實、何樂、夏群生對試驗車進行參數(shù)匹配后實現(xiàn)了符合制動需求的壓力閉環(huán)控制。蔡智亮、郭立杰、尹玉環(huán)采用一種基于電機的扭矩與位移的轉(zhuǎn)換公式來實現(xiàn)攪拌頭軸向力的閉環(huán)控制。周曉娟、剛軼金、賈繼瀕利用應(yīng)用較為廣泛的PID控制算法,設(shè)計實現(xiàn)了恒壓供水的控制。

1壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.1壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計

閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)、參與控制的控制方式,若由于干擾的存在使系統(tǒng)實際輸出偏離期望輸出,系統(tǒng)自身便利用負反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差,使系統(tǒng)輸出量恢復(fù)到期望值上,這正是反饋的工作原理。由此可見,閉環(huán)控制具有較強的抗干擾能力。不管外界有什么干擾,都能夠快速準確地達到期望值。

通過壓力傳感器及信號放大器和五軸機床的Z軸形成一個閉環(huán)控制回路,如圖1所示。

壓力閉環(huán)控制保證測厚裝置和薄壁件之間有一定的力即可,通過前期實驗得出,當(dāng)測厚裝置和薄壁件之間的壓力為600N時,可以得到最好的實驗效果。如圖1所示,set為壓力設(shè)定值,即set=600N。rea1為實際壓力值。sub為壓力的差值,sub=rea1-set。AZ為Z軸的移動量。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入是set,輸出是rea1。

為了得出最好的控制策略,需對控制環(huán)進行建模分析,得出PID參數(shù)即可控制AZ和sub的關(guān)系。PID控制算法作為經(jīng)典控制算法中的典型代表,具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)物理意義明確、易于實現(xiàn)、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點。然而PID控制算法的難點不是編寫或閱讀控制程序,而是整定控制器的參數(shù)。整定P、I、D參數(shù)時最重要的是得出系統(tǒng)控制環(huán)的傳遞函數(shù)。相對于控制環(huán)來講,控制環(huán)的輸入是sub,輸出是AZ。rea1反饋到輸入端與set作差得出sub,sub通過控制環(huán)得出AZ,通過執(zhí)行環(huán)從而達到增大或減小壓力的效果,使測厚裝置與薄壁件表面的壓力維持在600N附近波動。為了得出控制環(huán)的傳遞函數(shù),需要知道控制環(huán)是幾階系統(tǒng)。先假設(shè)控制環(huán)是一階系統(tǒng),一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的公式是:K/(Ts+1)。若以一階系統(tǒng)控制壓力效果良好,則可認為該壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)是一階系統(tǒng):若效果不好,則把控制環(huán)假設(shè)成二階系統(tǒng)。

通過實驗得出sub和AZ的關(guān)系圖,并且擬合直線,則斜率即傳遞函數(shù)的K值。通過sub隨時間的變化和AZ隨時間的變化,并進行歸一化處理,即可得出傳遞函數(shù)的T值。得出傳遞函數(shù)的K值和T值以后,通過MATLAB仿真,即可得到P、I、D參數(shù)。然后通過PLC可編程邏輯控制,驗證所得的P、I、D參數(shù)是否可應(yīng)用于實際的控制過程。

1.2實驗元器件的選型及電氣原理圖的設(shè)計

測量環(huán)境是雙轉(zhuǎn)臺五軸數(shù)控加工中心,x、y、Z為移動軸,A、C為旋轉(zhuǎn)軸。薄壁件如圖2所示,其標準厚度是5.56mm。本實驗是對薄壁件進行在線測量,通過測厚儀得到各點的厚度,其精度可以達到0.01mm。

壓力傳感器如圖3所示。壓力傳感器的工作原理:吸附在基體材料上的應(yīng)變電阻,隨著機械形變而產(chǎn)生阻值的變化。壓力傳感器的量程為0~5kN,壓力傳感器的作用是檢測當(dāng)前測厚裝置和薄壁件之間的壓力,通過信號放大器放大信號,然后反饋信號給PLC,從而控制五軸機床Z軸的抬升或進給,實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。

信號放大器如圖4所示。信號放大器的原理:輸入基礎(chǔ)信號,經(jīng)過電橋電路,放大輸入信號,提升基礎(chǔ)信號電壓,輸出比原來信號的電壓高出許多倍的放大的基礎(chǔ)信號。因為壓力傳感器的電壓信號只有0~98mV(即檢測的壓力0~5kN對應(yīng)著0~98mV),這么小的信號PLC是讀取不到的,所以需要信號放大器把0~98mV的信號放大成0~10V。

使用軟件EPLAN設(shè)計壓力傳感器和信號放大器的電氣原理圖,如圖5所示。

1.3MATLAB得出P、I、D參數(shù)

先隨意使用一個控制,導(dǎo)出數(shù)據(jù),通過MATLAB進行數(shù)據(jù)處理。

通過圖6可知,sub基本上在±200N之間跳動,大部分點在±150N之間,而且可以看出sub的正行程與反行程基本對稱。第一個原因是壓力傳感器本身有誤差,精度不是太好。本實驗所選的壓力傳感器量程是0~5kN,精度是1%,所以會有±50N的跳動。第二個原因是所測量的工件是帶曲率的薄壁件,可能會引入一定的誤差。因為我們假設(shè)該壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)是一階系統(tǒng),所以通過MATLAB對圖6的散點圖進行了線性擬合,擬合后的曲線如圖6中的藍色直線所示,該系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系式為AZ=0.00001266×sub＋0.2302。通過該關(guān)系式,可以算出當(dāng)實際壓力值是600N時,Z軸的進給量為0.00001266×0＋0.2302=0.2302mm:也可算出傳遞函數(shù)的K值即擬合后的曲線的斜率,即K=0.00001266。

為了得出傳遞函數(shù)的T值,通過MATLAB畫出sub隨時間變化的曲線及AZ隨時間變化的曲線,并對兩條曲線進行歸一化處理,畫在同一張圖中。選取sub的最大值和AZ的最大值那一段曲線,如圖7所示。

因為采集了1095個點,得出sub的最大值對應(yīng)AZ的最大值,如圖7所示很明顯有個滯后環(huán)節(jié)。通過計算,得出T=0.625s。

所以該壓力閉環(huán)控制的傳遞函數(shù)為0.00001266/(0.625s＋1)。通過MATLAB軟件中的PID調(diào)節(jié)器,得出壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)Kp=179、Ki=135300、Kd=0,如圖8所示。

綜上所述,PID參數(shù)初步整定完成。

1.4西門子PLC編程

基于西門子s7-300的PLC,用sTEP7對其進行編程。通過壓力傳感器把讀入的壓力信號進行A/D轉(zhuǎn)化,該電壓信號通過信號放大器放大成0~10V,然后輸送給PLC:PLC執(zhí)行PID算法后,通過D/A轉(zhuǎn)化,控制五軸機床的Z軸進給。通過PID算法改變五軸機床的Z軸,從而使薄壁件與測厚裝置之間的壓力維持在600N左右。在硬件組態(tài)已經(jīng)完成的基礎(chǔ)上,調(diào)用FC105和FB41。實際壓力值通過壓力傳感器讀取,設(shè)定壓力值為600N。PLC流程圖如圖9所示。

Z軸抬升過程:當(dāng)實際壓力大于設(shè)定壓力時,系統(tǒng)通過抬升Z軸減小壓力,使實際壓力達到600N。

Z軸進給過程:當(dāng)實際壓力小于設(shè)定壓力時,系統(tǒng)通過進給Z軸增大壓力,使實際壓力達到600N。

通過變量表設(shè)置PID程序中的GAIN(比例環(huán)節(jié))、TI(積分環(huán)節(jié))、TD(微分環(huán)節(jié))參數(shù),該參數(shù)由上述計算過程得出,從而得出最佳的壓力閉環(huán)控制。

2實驗結(jié)果

通過MATLAB仿真得到的Kp、Ki、Kd數(shù)據(jù)基本接近,但需要做出調(diào)整。因為傳遞函數(shù)可能會有點誤差,而且系統(tǒng)會受到外界的影響。把Kp改成145,Ki改成115000,即可達到最佳實驗效果,測厚裝置與薄壁件的壓力值維持在600N左右。修改如表1所示。

MATLAB仿真后得出的P、I、D參數(shù)根據(jù)PLC實際情況修訂后,導(dǎo)出real隨時間變化的數(shù)據(jù)。通過MATLAB數(shù)據(jù)處理,得出實際壓力real與時間1之間的關(guān)系圖,如圖10所示。厚度如圖

11所示。

通過圖10分析可知,經(jīng)過五軸機床Z軸的調(diào)整,可以使實際壓力大部分在530~680N之間跳動,達到了一個較好的控制效果。壓力閉環(huán)控制調(diào)節(jié)完成后,使用測厚儀測量出薄壁件上各點的厚度,數(shù)據(jù)在5.56~5.58mm之間跳動,其精度可以精確到0.01mm。

3結(jié)語

利用壓力傳感器和五軸加工中心的垂直軸組成一個閉環(huán)控制,通過PLC編寫PID對垂直軸進行控制,可以達到一個穩(wěn)定的壓力值。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時,微調(diào)P、I、D參數(shù)即可。采用本文所述壓力閉環(huán)控制系統(tǒng),滿足了在線測量的條件,進而能夠高精度地測出薄壁件的厚度,使得在線測量薄壁件厚度成為了可能。