水润滑轴承加工上下料系统的自动控制研究

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随着社会生产力的发展，对制造行业自动化的要求越来越高。PLC的出现使得自动化更易实现，它具有功能强、体积孝应用灵活、编程方便、可靠性高、抗干扰能力强和维护便捷等特点，在运动控制领域越来越受到重视1。虽然我国工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有很大的落后，但PLC在我国的应用呈现高速增长的趋势。水润滑轴承主要应用于船舶舰艇等领域，其重要性不言而喻，所以对其加工系统标准化、规范化和高自动化的研究意义重大。水润滑轴承加工系统是由数控车床、工业机器人和上下料系统组成的高性能全自动化柔性加工系统，所以要求上下料系统要很好的配合工业机器人抓取工件，从而让整个系统更好的运行。

而模糊控制的出现更是给机械自动化系统提供了有力的助推器，使得机械行业在自动化程度提高的同时能够保证系统有-个较高的稳定性和鲁 陛。

2系统总体结构和功能加工系统分布图，如图 1所示。上下料系统主要由储料箱、提升装置、上料台、气动送料拨爪、翻转机构、机器人、下料台、各传感器开关以及提升电机、翻转电机(图中没画出)组成。主要实现以下功能：首先需要把要加工的工件放在储料箱内和上料台上，储料箱的上料端有-个挡板控制工件移动；当系统启动，上机位给出控制信号，各执行机构处于等待状态，挡料板启动，工件滚到提升板上，传感器开关检测到工件到位发出信号，提升电机带动装置提升，传感器检测到提升装置到位发出信号，提升电机停止并且气动送料拨爪把工件拨送至上料台，当传感器检测到工件到位发出信号，翻转电机控制翻转机构把工件翻转90。，机器人收到信号夹取工件，放在数控机床中加工，加工完毕发出信号，机器人夹取工件放到下料台上，工人取出工件。各执行机构在完成送料之后都自动回到初始位置等待下-次送料。上料系统需要有精确的控制定位来保证机器人能准确地夹取工件；而下料系统则可以简单的设计为皮带轮系统，只需把加工好的工件传送出去即可。翻转机构的设计是为了简化机器人夹取工件的动作，优化机器人夹取路线，使得机器人编程控制更加简单。

来稿日期：2012-03-02作者简介：韩念龙，(1988-)，男，北京人，在读硕士研究生，研究方向机电传动与智能控制王家序，(1954-)，男，重庆人，教授，博士生导师，研究方向机电传动与智能控制第1期 韩念龙等：水润滑轴承加工上下料系统的自动控制研究 16961.数控机床 2.翻转机构 3.上料台 4.毛坯工件 5.送料拨爪6.储料箱 7.提升装置 8.液压气爪 9.机器人 1O.下料台图 1加工系统分布图Fig.1 Structure of System3系统的硬件设计3.1 GPU的选择随着 PLC在各行各业中的应用不断增加 ，其种类也越来越多，选择-种适合自身系统控制特点的PLC是非常重要的。西门子 s7-200系列 的 PLC可适用于各行各业 ，选择其系列中的CPU226作为系统的控制主机。CPU226有 24个输入和 10个输出，还可扩展连接 7个模板单元，可以很好的满足系统的控制要求。

32步进电机的选择提升装置的提升和翻转装置的翻转都需要很高的定位精度，用步进电机能够很好的保证定位精度的要求。提升电机和翻转电机选择相同的型号：BSHB31325三相步进电机，其参数为步距角1.20，电机长度247mm，保持转矩20N.m，额定电流4Mphase，转子惯量 41.24kg.cm ，电机重量 19.8kg。

步进电机作为上下料系统的执行单元，是将电脉冲信号转化为相应的角位移的执行机构171。提升步进电机和翻转步进电机驱动拈都是由步进电机和步进驱动器组成，如图2所示。步进驱动器收到PLC的高频脉冲信号和方向电平信号，并将这些信号转化成驱动步进电机的信号。高频脉冲信号控制的是步进电机的转动，频率高低决定步进电机的转速快慢；方向信号决定提升装置的提升和下降，翻转装置的转上与转下。

脉冲信号 V步进 电机驱动器图2控制工作原理图Fig2 Schematic of Control细分驱动器的作用是细化步进电机的步距角。在无细分的情况下步距角为 1.2。，300个脉冲可使步进电机转 360。(300x1.2360)。运用细分驱动器可以使位置精度得到提高，选择时要与步进电机的相数相匹配。步进电机在低速运行时会产生振动，而采用细分驱动器可以减小振动，电机的转动就会更平稳，是传动更可靠。细分后步进电机的步距角为：步距角电机固有步距角，细分数，即： (1)扎根据系统的定位精度要求，系统脉冲不大于0.5mm，有： 。

斋 (2)根据(1)和(2)可求出：n 2.09 (3)根据结果选择细分倍数为 1，4，使用此细分倍数时，脉冲当量为：蠡 0·262mm (4)所选的细分倍数满足系统精度要求。

根据计算结果所得的细分倍数和步进电机的型号，选择与之匹配的驱动器为 Q3HB220M。

4系统的软件设计s7-200型PLC有专业的编程软件STEP 7-Micro/WIN，它是应用于 Windows系统的编程软件。该软件功能非常强大，面向对象的编程语言，界面友好，还可以对用户程序的执行状态进行实时监控日。

上料系统的控制功能图，如图 3所示。根据功能图在软件中编辑梯形图程序，编写完成在离线的状态下对程序进行编译、调试，没有问题储存在计算机上。

4-，0·1启动堑互]---圃 等待工件到位10l2工件到位 垂堇]---圈 提升装置提升十10.3 tgCN三--·固 送料拨爪送料士-10.4工件到位十 ·7加工完毕三)---圃 夹取放到下料台q-n.o放料完毕提升装置下降翻转装置翻转100 停止图3程序顺序功能Fjg3 Sequential Function Chart5 PID控制器的设计及仿真分析5.1模糊 PID控制器的设计整个系统对位置精度的要求非常高，尤其是翻转机构的翻转精度要求，因为它是和机器人的衔接部分，所以对翻转机构进行模糊 自适应 PID控制，即对步进电机进行模糊自适应 PID控170 机械设计与制造No.1Jan.2013制。模糊自适应PID控制的结构框图，如图4所示。利用模糊推理控制规则对PID参数进行在线修改，以达到理想的控制效果。图中：广-电流的给定值；e-误差；e误差变化率；K ， ，K 需 要整定的 PID参数。

图4模糊 自适应PID控制器结构图Fig.4 structure of fuzzy self-adaptive PID controller5.2输入输出变量及其隶属函数的确定在步进电机中步距角的误差e和误差变化率e 作为模糊控制器的输入变量， ， ， 为输出变量。误差e和误差变化率ec基本论域都为[-3，-2，-1，0，1，2，3]，输出变量 ， ， 基本论域为[-6，-5，.4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。输入变量和输出变量的模糊子集均为NB，NM，NS，0，PS，PM，PB。设输入输出均符合三角形隶属函数曲线分布，在Matlab中隶属函数曲线，如图5所示。

图5 E和 的隶属函数曲线 和 ， ， 的隶属度函数曲线Fig5 Membership Function Curve of E，Ec and Kp，KnKo5.3模糊规则的确定及精确化模糊规则是模糊控制的关键，根据平时观察记录的数据和专家经验，建立了 ， ， 三个参数的模糊规则表，其中参数的模糊规则表，如表 1所示。

NB咫 册 f删 ZNM船 船 "丹fPSZZNsffZNsNMPsZNsNsNMNM肼fZZNMNMNMNB船 ZNsNsNMMNBNBNBNMⅣ5ZPI耋根据模糊规则表，可以将各参数的规则写成下面的条件句形式 ：IfE isAiand Ecis Bi，then Kpis Ci，Kj is Di，Kdis 。

式中：A ，马，G， ， -在相应支集上的模糊集合√l，2，L，m。

模糊系统采用常用的Mamdani推理方法进行模糊推理，采用重心法去模糊化，即将模糊量转化为精确量，可得到PID控制器的参数 ， ，， 的精确值。

5.4仿真分析用Matlab中Simulink对该控制器进行仿真，根据文献卿中三相步进电机的传递函数为：G(s)： - 皇 - (5)SDshN L 2j式中： 子齿数；L广镜组电感； 日电流；精子转动惯量； 滞阻尼系数。

表 2电机参数Tab.2 Parameters of Motor为了方便计算取ia1.0，期望输出步距角a1.2，则步进电机的传递函数为：G(s) ! ： 三 ! (6)，0038S1 1.5367用常规PID控制和设计的模糊自适应PID控制方法进行仿真，仿真曲线，如图6所示。

八 ， - ----普通PID控制- ：模糊 PID 空制- I时 间 s图6普通PID控制和模糊 PID控制仿真图Fig.6 Simulation Cunre of Normal PID Control and FuzzySelf-Adaptive PID Control仿真结果表明：模糊自适应PID控制比普通PID控制有相对较小的超调量和较短的调节时间，有优良的动态和静态特性，更好的适应性和鲁 陛，使步进电机能够较快的达到要求的精度并能够很好的保持在要求的精度范围内。

针对水润滑轴承加工系统自动化和控制精度方面做了改进，用PLC来控制整个系统的运行，大大提高了生产加工的自动化程度，且对影响系统精度和可靠性最大的地方，步进电机部分采用模糊控制，通过仿真表明，通过模糊控制可以确保系统有较强的鲁棒性和稳定性。采用PLC和模糊自适应PID控制的系统加工效率提升，精度提高且能够长时间保持在要求精度范围内，工人校核系统精度的周期延长，大大降低了工作量。 (下转第174页)E z-删z 埘174No.1机械设计与制造 Jan.20135结论通过仿真结果，可以清晰的看到，本设计不仅满足车辆的动力性需求，而且在牵引车正常工作过程中，电池SOC值始终保持在设定的合理范围内，电机(Motor)在合理工作区工作。发动机(Fuel converter)T-作在高效区域附近，尾气排放控制在国家标准以内。设计的控制策略达到了设计要求，能够应用在本型号牵引车上。