滚齿机的数控改造
・机械制造姆研究・舒畅,等・滚齿机的数控改造
滚齿机的数控改造
舒畅。任延明,李凯峻,王飞。赵学玲。王少江
_《四J||大学制造学院。四川成都610065)
摘要:Y3150E滚齿机怒大型关键设备,一直承搬着多种齿轮的加工任务。该设备安装至今,电气部分严激老化,备件缺乏,启动噪声大,但机械部分精度良好。滚齿机由于传动链较复杂,耩凄要求较态,因我进纷数控纯改造漆度较大,京黠其运凄进行了较深入缝分辑嚣,提窭了一种滚齿机数控设计的方案,采用SIEMENS公司SINUMERIK802C数控系统以及MM440变频器对设备做数控化硬件改造,并采用积分分离PID控制算法进行电动机控制。经过改造后设备裁造毙力有成鳇提丹,势曩具有抗予援性强、安装凝试方便、掇终簿便等特点。荚键词:滚荫机;数控改造;SINUMERIK802C;积分分离PID控制算法巾图分类号:TG61+2;TP271+.82
文献标识码:A
文黛编号:167l-5276(2008)02-0034-03
,t鬻k
NumericalControlRefoi'mofHobbingMachine’
Kaiojun,WANG
Fei,ZHAO
SHUChang,RENYah—ruing,LIXue—ling,WANGShao-jiang
(CollegeofManufacturingScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)
Abstraet:Y3150Emodelbobbingmachineis
Oneof
keyequipmentin
one
factory,alwaysbearingthemissionoftheprocess,Since
theinstallationoftheequipment,theelecricparthasbeenagedseriously.Andthesparepartislacked,thenoiseofstartupisveryIoud,buttheprecisionofthemechanicpartsisallright.Fortransmissionchainiscomplex.thethenumericalcontrolrefordlofbobbingEMENS
machineis堍燃轮do。After
theanalysisin
depth,this氇黼gives
requirementoftheprecisionishigh,reform
one
plan,using
SI—
company'SlNUME辩lK
to
802CNCSandMM440transduceras
thehardwarereformandusingintegralseparatingPtDcontrol
arithmefictagesof
controltheelectricmachine.Afterthereform.theabilityofmanufacIu怕ispmmo№d.andtheequipmenthastheadvan-
offixingand
anti-jamming,convenience
convenienceof
operation。
X鳟words:holdingmachine;numericalcontrolreform;SINUMERIK802C;integralseparatingPIDcontrolarithmetic
”
.j.
1
:,
设备现状及改造必要性1
随着我国经济的飞速发展,制造行业的复苏,商精尖
。
鹣数控设备对王厂生产熊力起到重大作焉,但如谚发挥老设备的作用阏样是极其羹黉的。丽辩老设备进行数字亿和数控化的改造,是一条投资少、见效快的有效途径。
Y3150E滚齿机是大嬲关键设备,一直承担赣多种齿轮的攘工任势。设备橇械褫械部分状态良好,偿燕子毫器系统老化而故障频繁,且对于操作人贸技术经验要求高,造成设备近年无法有效工作,因此必须对设备电器系统做必要熬改造。
鎏l滚落枧三痉标透动囤
2
≥
滚齿机的运动
滚齿机三崖标运动如瞬l所示。冀运动描述如下:1)
MERK802C数控系统遴行数控改造,安装SIMODRIVE
6llU诵驻驱动、lFK7髑驻电橇、谣门子MM440变频主轴。使用与SINuMERK802C数控系统配套的6llu双轴驱动模块来控制刀架沿Y方向和工作台沿髫轴方向的送给,使用MM440变频器箨尧主轴龟瓿静驱动装置,控制工作台的旋转。滚刀的旋转由工作台的旋转通过齿轮差动实现。刀架的旋转如有需要,W通过PLC实现。
a)系统功能:SINUMERIK802C数控系统是援门子公弼开发的审楼数控系统,是将所有CNC,PLC,HMI帮透
对Y3150E滚齿机改造方案确定如下:应用SINU.
・3毒。
工作台的旋转(与被加工件同轴);2)工件台工轴(径向,横秘)直线运动;3)刀架沿Y轴方向(轴囱,纵向)的燕线运动;4)滚刃的旋转;5)2-3絮的旋转。
3
、
改造方案设计
讯任务集成平一个单一的部件PCU中,PCU作为802C数
E—mail:ZZHD@ehainaioumal.net。蝴《氟藏朝遣尚鸯动犯)
http://ZZHD.chinajournal。net。cn
.
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控系统的核心,集成键盘、MCP和手轮接口,使用IP65设计的机床控制面板,而且各软件部件包括NCK,PLC和MMC全部集成于PCU当中。SINUMERIK902C数控系统最多可控制3个数字进给轴和1个主轴。
b)PLC部分:SINUMERIK802C系统控制的电气控制核心PLC部件集成于PCU当中,外部的输入输出信号有48位数字量输入和16位数字量输出;PLC编程软件用
ProgrammingToolPie
802C,该软件与斯特派7—200PLC编
程软件大致相同,但仅能使用LAD(梯形图)作为编程语言,用户程序既可在一台PG/PC上离线编辑也可在将它装入控制系统时自动编辑。
c)驱动单元:SINUMERIK802C数控系统使用的是
SIMODRIVESIEMENS
61lU通用伺服驱动单元,配套使用电机为
1FK6和IFK71系列伺服电机,编码器信号为
1Vpp正弦波,802C的位置环控制由PCU完成,611UE模块可选双轴和单轴模块,并且还可以在双轴模块上设定一个叠加轴。在本次改造中,选择双轴模块,分别控制刀架和工作台。
一-
4
控制部分原理
a)主轴为闭环控制:考虑到主轴传动的级数和传动
间隙,如果采用电机端的位移反馈,主轴转动的速度和精度就得不到保障,因此考虑安装主轴外置编码器。802C上面的接口x6,也是5芯D型孔式插座,用于连接主轴外置编码器。主轴外置编码器安装在工作台上面,以此获得工件转速的信息。
b)各伺服轴:本次设计中工作台运行过程的数字PID调节控制由802C数控系统完成。光栅装置用于实时检测工作台的输出位移量,并将检测结果反馈给数控系统。利用802C的逻辑运算功能,可以很方便地确定积分分离PID控制的进程,实现直线电机的积分分离PID控制,密闭模拟PID控制的进程。实现直线电机的积分分离PID控制,弥补模拟PID调节的不足,改善系统的控制性能,减少超调量,缩短调整时间。
在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的,主要是为了消除静差、提高精度。但在过程启动、结束或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出有很大的偏差,会造成PID运算的积分累计,致使算得的控制量超过执行机构可能最大运动范围对应的极限控制量,最终引起系统较大的超调,甚至引起系统的振荡,这是某些生产过程中绝对不允许的。引进积分分离PID控制算法,既保持了积分作用,又减小了超调量,使得控制性能有了较大的改善(图2)。其具体实现如下:
1)根据实际情况,人为设定一阀值;
2)当le(^)I>A时,也即偏差值le(Ji})I比较大时,采用PD控制,可避免过大的超调,又使系统有较快的响应;
3)当Ie(^)I≤8时,也即偏差值Ie(.|})l比较校小时,采用PID控制,可保证系统的控制精度。
写成计算公式,可在积分项乘一个系数口,按下式取值:。
.’一
!.
图2积分分离PID控制算法程序框图
/320,当le(&)l>A
.以位置式PID算式积分分离形式即为
u(^):砟{e(i)+嘻砉砌)+争瞰^)一m一17”=I
当le(1|})-I>A,取卢=O,进行PD控制,PD控制算法为
啪)t群{小)+争啪)j-e(_|}一…)=
4’e(后)一B7e(I|}一1)=A’e(%)二“蜃一1)
式中:A’=绵(・+≥),曰’=群≥;
的算法采用增量式PID控制算法,即
。
‘
以k一1)=B’e(k一1)或八k)=B’e(k)o
当le(k)I≤占时,取口=1,进行PID控制。PID控制
u(.|})一u(矗一1)=Ae(k)一Be(k一1)+Ce(k一2)‘/.t(后)=Ae(k)+Ⅱ(||}一1)一Be(J|}一1)+
Ce(k一2)=ae(k)+g(后一1)
。式¨=砟(-+丢+≥);
占=绵(…孚);
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C=KPill);
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g(七一1)=、Ⅱ(%一1)一&(||}一1)+Ce(k一2)或。、g(蠡):u(七)一&(七)+C0(|i}一1)。
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口=1,当Ie(矗)I≤占
MachineBuilding日Automation,Apt2008,37(2):34一筘
・3,・
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。
PID控制参数的自动整定分两步进行:1)初始确定PID控制参数;2)在初定的P1D控制参数基础上,根据直线电机控制系统的响应过程和控制目标期望值,自动修订初定的PID参数,直至电机系统的控制指标符合所需要求为止。
,
根据所测得的临界比例度6。和I临界振荡周期B,便可初始确定PID的控制参数。
5结论
通过应用SINUMERIK802C数控系统对Y3150E滚齿机数控化改造后,设备的运行状况和加工制造能力均有大幅的提高,特别是对加工产品品质的控制能力有质的提高,应用先进的数控系统对老设备进行改造,确实是一条提升老设备能力的有效途径。
在数字控制系统中,采样周期r是一个比较重要的因素。在802C中,PID调节控制过程是在定时中断状态下完成的。因此,采样周期r的大小必须保证中断服务的正常运行。在不影响中断程序运行的情况下,可取采样周期
T=0.1
r(r为电机系统的纯滞后时间)。当中断程序的运
‘‘
行时间t大于0.1r时,则取T=乃。因此,采样周期可按下式确定:,
T-O.1
参考文献:
r,贮≤O.1r;或T=£,T>0.1
r。、
初始确定数字PID控制参数时,在用上述方法确定的采样周期丁的条件下,用电机的数字PID调节控制回路中,取掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用,只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期B和临界比例系数%。由802C系统控制比例系数K,并逐渐增大K,直到电机系统发生持续的等幅振荡,然后由802C系统自动记录电机系统发生等幅振荡时的l临界比例度&和相应的临界振荡周期B。
。
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一t
..
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南=1/Ks式中蚝为等幅振荡时的临界比例系数。
々
收稿日期:2007—09—07
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(上接第30页J
.
会在不断进步,市场竞争机制的引入使得制造业对先进技术的渴求、对技术人才的需求不断增加。我们在这动态变化的过程中,改革只能深化而不能停步。
b)在数控系统技术上,一般是“专有”数控系统领先于“通用”数控系统。因此,国内相关高校和企业在进一步提升国产通用数控系统的性能,使其能与国外FANUC、SIEMENS等专业数控系统公司产品竞争的同时,也要注重类似于Mazak、Okuma等公司“专有”系统的研制与开发,满足对加工过程进行适应性控制的需求。
c)众所周知,大学中的专业实质上是指人才培养的业务范围。在当前形势下,倘若数控人才培养的知识范围依然仅仅局限于机床数控,显然已不能顺应形势的发展。因此,国内相关高校更新教学内容,改革课程体系;已势在必行。只有站在自动化这个大平台上指导教学改革,合理构筑具有数控特色的专业教学结构与课程体系,在数控技术课程教学中引入更多的先进的计算机控制理论和技术等内容,才能使数控技术的内涵真正得到全面的体现和演绎,才能使我们培养的学生真正能够迎对制造信息化的扑面来风,才能满足社会对高层次数控人才的需求。
_”
本文对数控技术的内涵、加工过程数控的发展现状进行了深入分析,指出所谓数控技术理应包含两部分内容:,“机床数控”和“加工过程数控”。加工过程数控基于自动化控制平台,将计算机控制理论和技术与加工过程控制有机地结合起来,无疑是数控技术向更深层次的发展。我们应顺应技术发展趋势,注重数控技术专业人才的培养,完成历史赋予我们的使命。
参考文献:
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社。1999.
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结束语
数控技术在不断发展,人的认识水平在不断提高,社
收稿日期:2007一09一lo,
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