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文檔簡介
第28卷第1期2011阜1月機Journal電工程V01.28No.1ofMechanical&ElectricalEngineeringJan.201l精密球體研磨機壓力控制系統(tǒng)設(shè)計水趙文宏,樓一兵,趙蓉,楊碧波(浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室,浙江杭州310014)摘要:為解決傳統(tǒng)自適應壓力控制和PID壓力控制下精密磨球機在磨球時出現(xiàn)的諸如響應時問長,控制精度不夠高、機械振動過大等問題,將模糊控制技術(shù)應用到磨球機的壓力控制中。開展了系統(tǒng)輸入變量E、EC和輸出變量SV模糊化分析,建立了3個模糊變量之間的關(guān)系,提出了基于DSP芯片的壓力模糊控制方法,在Matlab軟件的Simulink平臺上對模糊控制系統(tǒng)性能進行了評價,并進行了在該模糊系統(tǒng)控制下的偏心和雙自轉(zhuǎn)式球體研磨加工試驗。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)實現(xiàn)了快速響應,并且減少了系統(tǒng)振動,提高了壓力控制的精度和球體研磨的效率。關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計;模糊控制;Simulink中圖分類號:THl61;TH39;TP273文獻標志碼:A文章編號:100I一4551(2011)01—0111—04DesignofpressurecontrolsystemforgrindingmachineofprecisionballZHAOWen—hong,LOUYi—bing,ZHAORong,YANGBi-bo(MinistryofEducation&ZhejiangProvinceKeyLaboratoryofE&M,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)Abstract:InordertosolvetheproblemsthatbasedonthetraditionaladaptivepressurecontrolsystemandP1Dtheoryineccentricanddual-rotationlappingmachineforprecisionball,suchaslongresponsetime,lowcontrolaccuracy,largesystemvibration,ete.,thefuzzycontrolstrategywasinvestigated.Aftertheanalysisofblurtinginputvariables(E,EC)andpresentedbasedonoutputvariable(sv),therelationshipoftheevariablesonWasestablished.AmethodoffuzzypressurecontrolsystemSimulinkplatformofthedesignWaSDSPchip.ThefuzzycontrolsystemWasevaluatedwastheMadab,thelappingmachineforprecisionballwithfuzzycontrolsystemtested.TheexperimentalresultsshowthatCanshortenresponsetime,reducesystemvibrationandimprovecontrolaccuracyandmachineefficiency,Keywords:systemdesign;fuzzycontrol;Simulink這兩種成球方式要依賴于球加工時磨盤壓力的精0引言確、高效控制,對應的磨球機特別是用于粗磨的偏心式磨球機,它的壓力具有較大的時變性、非線性,加上用于壓力加載的機械傳動機構(gòu)有一定的滯后性∞j,使得這類磨球機械在早期使用簡單的壓力自適應控制系時,出現(xiàn)系統(tǒng)響應慢、加工效率低、磨球球度差、機械振動很大等問題,之后陳碩、趙文宏等研究人員采用了PID控制策略,減少了設(shè)備的振動,并在一定程度上改精密球在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域和精密.T程領(lǐng)域占有十分重要的地位,精密軸承、滾珠絲杠、滾珠導軌等精密機械部件的精度、綜合力學性能及壽命等指標很大程度上取決于球的精度¨引。浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室以袁巨龍為首的研究團隊對精密球的加工進行了深入的研究,原創(chuàng)性地提出了偏心成球方式和雙自轉(zhuǎn)成球方式。善了球度,提高了材料去除,但是其總的加工效果還不是十分理想,未能滿足精密加工的要求,而模糊控制對收稿日期:2010—08一04基金項目:浙江省自然科學基金資助項目(Y108685);浙江省科技計劃資助項目(2009c31019)作者簡介:趙文宏(1969一),男,浙江浦江人,教授級高級丁程師,主要從事單片機、控制系統(tǒng)算法和嵌入式系統(tǒng)方面的研究.E.mail:zwh2010@rip.sina.eom萬方數(shù)據(jù)機電于這類非線性、時變及滯后系統(tǒng)有很好的控制效果[405],基于此,本研究以偏心式磨球機和雙自轉(zhuǎn)磨球機為平臺,設(shè)計了一種基于DSP芯片的模糊控制策略,實現(xiàn)磨球機壓力的控制。1系統(tǒng)框架設(shè)計本研究的系統(tǒng)框架如圖1所示,由傳感器、信號放大調(diào)理模塊、控制芯片、顯示報警設(shè)備、步進電機和上位機等部分構(gòu)成,傳感器、電荷放大、信號調(diào)理部分完成壓力信號的采集,并送入DSP內(nèi)部,DSP芯片根據(jù)模糊控制規(guī)則做出判斷,調(diào)整步進電機轉(zhuǎn)速,同時進行顯示。從而實現(xiàn)壓力信號的檢測和控制舊。0|。圖1壓力控制系統(tǒng)框圖壓力大小的控制通過步進電機帶動蝸輪蝸桿實現(xiàn),另外DSP以RS485為接口使用Modbus協(xié)議與上位機實現(xiàn)通信,便于實現(xiàn)多臺磨球機的信息共享和聯(lián)網(wǎng)控制。2傳感器和檢測點的選擇本系統(tǒng)對傳感器的特性參數(shù)(量程、靈敏度、溫度等)和性能(密封性、防腐蝕等)要求較高,除此之外傳感器是否適合安裝也需要考慮。另外選擇檢測點時,應選擇能真實、完整、敏感地反映所有球上壓力信息的部位,并注意避開信號在傳遞通道上的空腔,減少信號在傳遞過程中的損失,此外選擇的部位也應符合安全操作要求,適合安裝。根據(jù)以上這些原則,本系統(tǒng)的檢測點選擇在上磨盤壓力加載塊處,傳感器選用輪輻式稱重測力傳感器,它與傳統(tǒng)的拉壓式傳感器相比,具有精度高、滯后小、重復性好、線性好的特點,而且結(jié)構(gòu)緊湊、密封可靠,性能穩(wěn)定、抗偏心載荷和側(cè)向力的能力強,可以較好地滿足本設(shè)計要求,如圖2所示。圖2輪輻式稱重測力傳感器的安裝萬方數(shù)據(jù)工程第28卷3系統(tǒng)硬件設(shè)計電路的硬件設(shè)計如圖3所示,電源模塊核心中,3.3V的DSP芯片電壓由TPS73HD318電源芯片供給,傳感器輸入的信號經(jīng)過放大和處理傳送到DSP自帶的ADC,C28x芯片自帶的ADC為12位,共16路模擬輸入通道,單個轉(zhuǎn)換時間達200ns,有多種觸發(fā)方式,可以較好地滿足本設(shè)計要求。}錨游卜型I-乜源模塊卜TMS320C28xUO模糊控制策略l時鐘模塊卜巳圖3電路設(shè)計框圖信號的放大與調(diào)理電路核心主要采用了具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差等優(yōu)點的儀表放大器電路。電路的信號顯示部分主要輸出兩個值:一個是實時采集的壓力值;一個是設(shè)定的壓力值。在真正大批量流水線磨球過程中,這兩個值的查看是在上位機屏幕上進行的,電路中設(shè)計的顯示部分,是為了便于系統(tǒng)的調(diào)試與檢修??刂葡到y(tǒng)對步進電機的控制,通過事件管理器模塊EV完成,EV是C28X系列DSP中用于外部事件處理和控制的模塊,普遍應用于測控工業(yè)系統(tǒng)中的運動控制和電動機控制,其內(nèi)部有PWM波產(chǎn)生電路,可方便精確地控制步進電機動作。4模糊控制器設(shè)計DSP內(nèi)部模糊控制原理如圖4所示,采用雙輸入單輸出的控制系統(tǒng)。模糊控制的輸入量為E(實時壓力值與設(shè)定壓力值之差)和EC(壓力差值變化率),輸出量為步進電機的速度控制量Sy,下面根據(jù)磨球加工的要求,對磨球機模糊控制器進行設(shè)計。壓力給定值—t一f寫I廠幕萬]一堡竺蘭P1竺些l型L型i實時壓力值+由I竺竺皇I≯f蘆票霧氣i壓垂垂日:4至亙雌I+L——————吖瓦麗疆■————.J圖4模糊控制原理圖(1)變量的模糊定義。設(shè)定在傳統(tǒng)的自適應壓力控制磨球過程中,實時壓力與設(shè)定壓力偏差值E變化范圍在[a,b]區(qū)間內(nèi),第1期趙文宏,等:精密球體研磨機壓力控制系統(tǒng)設(shè)計?113?對該區(qū)間應用轉(zhuǎn)化公式:就得到了EC和E與SV的關(guān)系。b+口、Y2riIz一丁j應用該公式對區(qū)間進行模糊分割,得到論域{一6,一4,一2,0,2,4,6},對應模糊語言為{負大,負中,負小,零,正小,正中,正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},同樣的過程也可以得到EC和SV的論域和模糊語言:EC:{一6,一4,一2,0,2,4,6},{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}SV:{一6,一4,一2,0,2,4,6},{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}通過Matlab的Fuzzy命令和工具,設(shè)置E、EC、SV的隸屬度函數(shù)(使用了三角型和高斯型兩種),如圖5所示。要實現(xiàn)步進電機的控制,就要對.sy進行反模糊化,亦即模糊決策過程,有最大隸屬度法、中位數(shù)法、加權(quán)平均法、重心法等??紤]到這里壓力控制的較高要求,采用重心法centroid為宜。如圖6右側(cè)所示為圖6模糊規(guī)則與曲面6,Matlab中輸Ⅳ輸出關(guān)系曲面。5仿真與實驗應用Matlab的Simulink工具,搭建模糊控制器功能仿真框架,如圖7所示。正弦波波峰幅值為3,與常數(shù)3疊加后作為模糊控制器的輸入,調(diào)節(jié)gainl、gain2的參數(shù),最終得到的曲線如圖8所示。圖5輸入/輸出量的隸屬度函數(shù)(2)模糊推理規(guī)則與反模糊化。模糊規(guī)則的建立依托于偏心式磨球和雙自轉(zhuǎn)磨球的工藝理論研究,共49條,如圖6左方表格所示,這樣,6426420—2—4-66420—2—4圖7模糊控制器的仿真%0—2-4—6—6t淹t|st/s(a)EC的仿真曲線(b)E的仿真曲線(c)s啪仿真曲線圖8模糊控制器仿真曲線(E、EC、SV)從曲線上可以看出,模糊控制器實現(xiàn)了壓力控制的要求。為了進一步驗證整個系統(tǒng)性能,本研究在Simulink中搭建了仿真平臺,如圖9所示,輸入一個階躍信號,作為加工壓力值的設(shè)定,模糊控制器輸出到傳動機構(gòu)模型,傳動系統(tǒng)的輸出接到系統(tǒng)輸入端,以構(gòu)成反饋。調(diào)節(jié)gainl、gain2等參數(shù),觀察系統(tǒng)的響應情況,得到響應曲線,并與傳統(tǒng)的控制方法下的系統(tǒng)響應作比較。如圖10(a)所示.,即模糊控制系統(tǒng)的響應曲線,相圖9控制系統(tǒng)的仿真萬方數(shù)據(jù)?114?機電工程第28卷同輸入條件和控制對象的PID控制系統(tǒng)響應曲線如圖lO(b)所示,經(jīng)比較可證明,模糊控制系統(tǒng)響應時間快,超調(diào)量小,比傳統(tǒng)的PID磨球機壓力控制的效果要好。5432l0一lf/st/sstudyOilthedevelopedeccentricV?glDOveslappingmodeforpreciseball[J].KeyEnsnaringMaterial,2006(304—305):300-304.[2]周兆忠,趙萍,陳苗青,等.精密球體研磨技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].新技術(shù)新T藝,2005(5):25.28.[3]UMEHARAN,KIRTANET,GERLICKR,eta1.Anewapparatusforfinishinglargesize/largebatchsiliconnitride(Si3N4)ballsfloatforhybridbearingapplicationsbymagneticofpolishing(MFP)[J].InternationalJournalMa-(a)模糊控制系統(tǒng)響應曲線㈣PlD黼l系統(tǒng)響應曲線[4]chineTools&Manufacture.2006,46(2):151.169.圖lO系統(tǒng)響應曲線YEBin,ZHUCheng—zhi,GUOChuang-xin.Fuzzymodelingstrategyforcontrolofnonlineardynamicalsystems[J].Lee-本研究進行偏心磨球和雙自轉(zhuǎn)磨球?qū)嶒?,并對兩種控制系統(tǒng)的控制效果進行了比較,對比的雙方所設(shè)定的上磨盤載荷相同,上下磨盤轉(zhuǎn)速變化一致,磨削液材料濃度相同,所磨球來自同一批次。在偏心磨球?qū)嶒灂r,測得傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)下材料去除率為56斗Ⅱ∥h左右,平均球度為4.6斗m,而模糊控制系統(tǒng)下平均去除率為60pLm/h左右,平均球度為4.3¨m;在雙自轉(zhuǎn)磨球?qū)嶒炛?,測得傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)下材料去除率為13Ixm/h左右,平均球度為2.0tm-eNotesinComputerScience,2005,36(13):882-885.[5]SALAA,GUERRATuzzysystemsandM,BABU§KAR.PerspectivesoffSetsandSystems,control[J].Fuzzy2005(156):432444.[6]賈玉坤,胡克佳,王華東,等.基于ATmegal28的高效精密球體研磨機控制系統(tǒng)[J].機電工程,2009,26(6):24-27.[7]武星星,朱喜林,李曉梅.模糊推理系統(tǒng)在DSP上的實現(xiàn)和優(yōu)化[J].微計算機信息,2007(8):177.179.[8]陳曉龍.DSP在現(xiàn)代測控技術(shù)中的應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.ixm,而模糊控制系統(tǒng)下平均去除率為15}xm/h左[9]右,平均球度為1.8斗m…4引。王茂飛,程昱.TMs320c2000DsP技術(shù)與應用開發(fā)[M].北京:清華大學出版社,2007.6結(jié)束語經(jīng)過仿真與實驗證明,模糊策略的引入提高了材料去除率,也改善了球度,由于系統(tǒng)響應較快,又達到了減少振動的效果,從而實現(xiàn)了提高加工效率和加工精度的目標,同時也延長了設(shè)備的使用壽命。[10]劉建輝,冀常鵬.單片機智能控制技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.[11]曲其飛.壓力容器接管焊接過程中焊接質(zhì)量的控制[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2009(6):4445.[12]劉秉,劉俊,張凱凱.交流伺服電機為動力的包裝壓力試驗機設(shè)計[J].輕1=機械,2010(1):67-69.[13]孟宏君,姜獻峰.手柄曲向壓力分布測試系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)[J].輕工機械,2009(6):66-68.參考文獻(References):[1]YUANJu-long,WANGZhi-wei,LVBing—hai.Simulation[編輯:張翔](上接第89頁)[6]王建新,任勇峰,焦新泉.儀表放大器AD623在數(shù)采系統(tǒng)中的應用[J].傳感器與儀器儀表,2007,23(3):169?170.[7]郭松林,張禮勇,林海軍.∑.AA/D轉(zhuǎn)換器的原理與分析[J].電測與儀表,2002,11(39):2l-24.[8]陳勝勇,張凱翔.多點溫度采集控制系統(tǒng)的分析與研究[J].寧夏機械,2007(1):19-22.[9]陳旭燦,姜周曙,黃國輝.基于ADpC834的低溫測量儀表設(shè)計[J].工業(yè)與自動化裝置,2009(2):96-98.[10]AnalogDevices,Inc..MicroConverter.Dual16一/24一B“AI)CJswithEmbedded62KBFLASHMCU參考文獻(References):李剛,林凌,何峰.ADIxC845單片機原理、開發(fā)方法及應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.[2]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].2版.西安:西安交通大學出版社.2005.[3]李霖.高集成度熱電偶溫度變送器的研制[J].鄭州輕工業(yè)學院學報,2000,15(1):37—40.[4]張震,黃國輝,王劍,等.高性能的工業(yè)通用型數(shù)據(jù)采集卡的研制[J].自動化儀表,2009(12):72-75.[5]陳玉林,徐飛,楊永梅,等.新型熱電偶溫度測量儀的研制[J].實驗室研究與探索,2009,28(4):31—33.AD刪Datasheet[M].ArmingDe“ces,Inc.,2002.[編輯:李輝]萬方數(shù)據(jù)精密球體研磨機壓力控制系統(tǒng)設(shè)計作者:作者單位:刊名:英文刊名:年,卷(期):趙文宏,樓一兵,趙蓉,楊碧波,ZHAOWen-hong,LOUYi-bing,ZHAORong,YANGBi-bo浙江工業(yè)大學,特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室,浙江,杭州,310014機電工程MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINE2011,28(1)參考文獻(26條)1.孟宏君;姜獻峰手柄曲向壓力分布測試系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)[期刊論文]-輕工機械2009(06)2.YUANJu-long.WANGZhi-wei.LVBing-haiSimulationstudyonthedevelopedeccentricV-grooveslappingmodeforpreciseball2006(304-305)3.劉秉;劉俊;張凱凱交流伺服電機為動力的包裝壓力試驗機設(shè)計[期刊論文]-輕工機械2010(01)4.周兆忠.趙萍.陳苗青.袁巨龍精密球體研磨技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向2005(5)5.曲其飛壓力容器接管焊接過程中焊接質(zhì)量的控制[期刊論文]-現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2009(06)6.UMEHARAN.KIRTANET.GERLICKRAnewapparatusforfinishinglargesize/largebatchsiliconnitride(Si3N4)ballsforhybridbearingapplicationsbymagneticfloatpolishing(MFP)2006(2)7.劉建輝;冀常鵬單片機智能控制技術(shù)20078.YEBin.ZHUCheng-zhi.GUOChuang-xinFuzzymodelingstrategyforcontrolofnonlineardynamicalsystems2005(13)9.王茂飛;程昱TMS320C2000DSP技術(shù)與應用開發(fā)200710.SALAA.GUERRATM.BABMARPerspectivesoffuzzysystemsandcontrol2005(156)11.陳曉龍DSP在現(xiàn)代測控技術(shù)中的應用200712.賈玉坤.胡克佳.王華東.陳碩.趙文宏.袁巨龍基于ATmega128的高效精密球體研磨機控制系統(tǒng)2009(6)13.武星星;朱喜林;李曉梅模糊推理系統(tǒng)在DSP上
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