申鑫

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū) 工學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

以往的控制系統(tǒng)是遵照控制體系架構(gòu)、需求分析、數(shù)據(jù)模型、功能模型、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等階段串行進(jìn)行的，這種控制系統(tǒng)除了串行設(shè)計(jì)原有的缺點(diǎn)之外，還存在沒有徹底擺脫以數(shù)據(jù)為中心、面向任務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式，缺少對(duì)控制系統(tǒng)中所有對(duì)象完整的活動(dòng)流程與對(duì)象之間合作流程的控制[1-2]。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展。涂海寧等人提出一種綜合單元控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制方法[3]。首先，設(shè)計(jì)綜合單元控制系統(tǒng)多級(jí)分布群控體系結(jié)構(gòu)，再利用PC機(jī)作為核心控制單元進(jìn)行柔性生產(chǎn)作業(yè)調(diào)控。此方法能夠有效提升控制靈敏性，但是產(chǎn)品產(chǎn)出質(zhì)量不穩(wěn)定。馮志新等人設(shè)計(jì)一種汽車塑料件模具柔性制造系統(tǒng)[4],通過SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行塑料件模具參數(shù)的存儲(chǔ)，通過圖像識(shí)別模塊對(duì)汽車模具廠料件進(jìn)行加工控制，此方法能夠有效提升模具加工效率，但是殘次品生成概率較高。

針對(duì)上述的不足，本文提出一種基于模糊控制的數(shù)控沖床柔性制造自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 模糊控制下數(shù)控沖床柔性制造自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)控沖床柔性制造的幾何誤差模型

沖床由刀具、主軸和其他部件構(gòu)成，即一種多體系統(tǒng)。對(duì)于多體系統(tǒng)通常使用低序體陣列[5]表示。大致的低序體陣列的描述過程如下所示。

把典型的多體系統(tǒng)內(nèi)Bj的n階低序體定義成如下公式：

Ln(j)=i

(1)

式中L為算子a。n階低序體和n階高序體的關(guān)聯(lián)如式(2)所示。

Ln(j)=[Ln-1(j)]

(2)

擬定L0(j),L0(0)=0，在Bj與Bi階呈低序體的關(guān)系表示時(shí)，能夠得到

L(j)=i

(3)

由于數(shù)控沖床的運(yùn)行方向?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)與平動(dòng)，因此，為了能夠更加精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)幾何誤差的補(bǔ)償[6]，首先需要將相鄰低序體的轉(zhuǎn)動(dòng)位姿矩陣沿著運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如式(4)-式(6)所示。

(4)

(5)

(6)

憑借上述的計(jì)算方法，就能夠計(jì)算得出沿y軸與z軸的坐標(biāo)誤差。

1.2 帶自調(diào)整因子的模糊控制算法

針對(duì)以往模糊控制算法自身的缺點(diǎn)與在現(xiàn)實(shí)使用中可能存在的問題，對(duì)其控制算法的優(yōu)化也在逐漸創(chuàng)新。存在規(guī)則修改的自動(dòng)化模糊控制器，其控制原則可以隨著控制過程與環(huán)境的變化自動(dòng)修改參數(shù)。本文使用的是存在調(diào)整因子的模糊控制器。

擬定誤差E、誤差變化EC與控制量U的論域[7]是：

{E}={EC}={U}={-N,…,-2,-1,0,1,2,…,N}，那么在全論域范圍中具有自調(diào)整因子的模糊控制規(guī)則就能夠描述成：

(7)

式中：0≤a0≤as≤1；a?[a0,as]。

控制規(guī)則的特性就是調(diào)整因子a在a0～as間，隨著誤差絕對(duì)值|E|的改變而出現(xiàn)改變。由于N代表量化等級(jí)，因此a就存在N種可能的取值。在取值為a0=as時(shí)，式(7)所描述的控制規(guī)則就會(huì)轉(zhuǎn)變成一種調(diào)整因子的控制規(guī)則。

從上述能夠看出，式(7)代表一種控制規(guī)則，表示通過誤差尺寸自動(dòng)調(diào)整誤差對(duì)控制規(guī)則的權(quán)重，但由于該自動(dòng)控制所在的區(qū)域是誤差論域，因此能夠?qū)⑵浔硎境扇撚騼?nèi)具有自動(dòng)調(diào)整因子的模糊量化控制規(guī)則。

調(diào)整a尺寸大小就可以修改誤差變化率EC與誤差E的加權(quán)程度。對(duì)二維模糊控制系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)誤差較大時(shí)，控制規(guī)則內(nèi)需要更大的誤差E加權(quán)，增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本文使用自調(diào)整因子的模糊控制方法來完成對(duì)數(shù)控沖床柔性制造的精確控制。

1.3 數(shù)控沖床柔性制造控制器設(shè)計(jì)

柔性制造的工作站依靠可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)與LOGO進(jìn)行控制，電軸導(dǎo)軌則使用伺服控制器進(jìn)行控制，數(shù)控沖床和機(jī)器人使用本身存在的控制器控制。但如果要確定柔性制造是否正常運(yùn)作，還需要使用一種控制設(shè)備對(duì)設(shè)備間的I/O協(xié)議進(jìn)行調(diào)整，在控制器里將所有工作設(shè)備的運(yùn)行順序進(jìn)行排序。該柔性制造線設(shè)定成需要經(jīng)過中央控制器來控制整體生產(chǎn)線[8]，該中央控制柜通過siemens300plcRIABOX與伺服電動(dòng)機(jī)控制器組成。

中央控制柜內(nèi)siemens300plc、數(shù)控沖床、機(jī)器人與伺服電軸都存在通信連接，同時(shí)有相互的輸出與輸入。圖1為中央控制柜PLC的通信流程圖。

圖1 中央控制柜PLC通信連接

在中央控制器運(yùn)行時(shí)，PLC把采集到的輸出與輸入信號(hào)分配至各個(gè)設(shè)備的控制器內(nèi)，隨后各個(gè)設(shè)備控制器憑借不同的I/O信號(hào)運(yùn)行不同的工作，實(shí)現(xiàn)柔性制造線的正常運(yùn)行。中央控制柜里的PLC就是柔性制造的總控制系統(tǒng)，其主要的任務(wù)是處理與收集I/O信號(hào)。運(yùn)動(dòng)控制模塊是整體自動(dòng)化控制系統(tǒng)的中心，其任務(wù)就是在獲取數(shù)控沖床柔性制造圖形處理與轉(zhuǎn)換模塊擬定的機(jī)器碼指令后，憑借控制系統(tǒng)控制沖床載體，頂點(diǎn)數(shù)控傳輸平臺(tái)進(jìn)行二軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，目的是完成凸凹模和產(chǎn)品板材在不同坐標(biāo)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)建

a)硬件構(gòu)建

本文系統(tǒng)所使用的是通過PC機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，NC嵌入PC內(nèi)，這是當(dāng)前較為常見的應(yīng)用模式。PC和運(yùn)動(dòng)控制器形成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)通過工業(yè)PC作為主控計(jì)算機(jī)，其依靠標(biāo)準(zhǔn)化模塊作為部件，通過PC總線傳輸信號(hào)，從而憑借多軸運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)作輸出，以此構(gòu)成分布式架構(gòu)。PC作為系統(tǒng)的主控制器，其目的就是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的管理與系統(tǒng)計(jì)算。

數(shù)控沖床依靠運(yùn)動(dòng)控制器控制補(bǔ)給運(yùn)動(dòng)，由于設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于柔性制造，因此需要確定補(bǔ)給動(dòng)作的沖壓協(xié)調(diào)。在制動(dòng)盤軸放置一種與曲軸運(yùn)動(dòng)方向和速度一致的旋轉(zhuǎn)鐵片。在鐵片靠近開關(guān)時(shí)，改變開關(guān)狀態(tài)一次，收集到相應(yīng)的電平信號(hào)，傳輸?shù)较到y(tǒng)進(jìn)行信號(hào)同步操作，通知其控制進(jìn)給的開始。這樣就能夠協(xié)調(diào)補(bǔ)給與沖頭動(dòng)作，同時(shí)其實(shí)現(xiàn)較為方便。

b)軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)控沖床柔性制造控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)是依靠Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，能夠通過C++，VC++，VisualBasic6.0等多種高級(jí)編程語言開發(fā)自身的應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序里，通過數(shù)控內(nèi)核系統(tǒng)設(shè)定I/O接口，隨后把應(yīng)用程序系統(tǒng)與數(shù)控內(nèi)核連接起來。依靠這種以I/O接口連接的形式把用戶自身的經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境與專業(yè)工藝集成在控制系統(tǒng)內(nèi)，形成了獨(dú)特的專用控制系統(tǒng)。使其完全適用于某個(gè)特定的應(yīng)用場(chǎng)合，進(jìn)而使控制系統(tǒng)存在更強(qiáng)的針對(duì)性。

使用VisualBasic6.0開發(fā)該控制系統(tǒng)，其流程如下：首先增添控制器能夠匹配的動(dòng)態(tài)鏈接庫，然后經(jīng)過沖床的實(shí)際需求，擬定鏈接庫變量，最后初始化編程，確保數(shù)控沖床可以根據(jù)設(shè)定的指令動(dòng)作運(yùn)行。

此外，所提系統(tǒng)內(nèi)還有著模擬與指令校驗(yàn)?zāi)芰?，這就使得人機(jī)交互性得到極大的提升，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的智能控制。所開發(fā)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如下：

1)主操作界面

主操作界面主要用于代碼編譯、模擬加工與顯示窗口，還有一些基礎(chǔ)的功能按鍵。代碼指令能夠通過自動(dòng)編程模塊直接獲取并顯示在代碼窗口內(nèi)，也能夠在代碼窗口內(nèi)手動(dòng)編譯。在每次進(jìn)行模擬與技工操作之前，需要校驗(yàn)指令，確保指令代表的正確性，如果錄入代碼的過程時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳出一條指令代碼，以此來提示錄入代碼的錯(cuò)誤。此外在生產(chǎn)線運(yùn)行前，最好能夠進(jìn)行一次模擬，確定沖頭能夠根據(jù)設(shè)定的軌跡進(jìn)行沖裁。

2)參數(shù)設(shè)定界面與信號(hào)檢測(cè)界面

參數(shù)設(shè)定界面是數(shù)控沖床一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定，用戶能夠根據(jù)自身的實(shí)際要求擬定啟動(dòng)速度、正常速度與加速時(shí)間等參數(shù)，該界面簡(jiǎn)單易用。信號(hào)檢測(cè)界面能夠?qū)崟r(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此來了解機(jī)床的運(yùn)行情況，便于及時(shí)排除故障。

c)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信

構(gòu)建二類主站，PC機(jī)為完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)管，需要與PLC進(jìn)行通信，獲取現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，本文在PC機(jī)中放置了組態(tài)軟件WNCC。WNCC是一種集成的人機(jī)界面與監(jiān)控管理模塊，不僅能夠剔除復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，還免除了不同通信設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序編寫。WNCC與OLC的通信連接是使用通信驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸則通過變量來實(shí)現(xiàn)，所有過程變量都存在特定的過程變量驅(qū)動(dòng)與通信單元。二類主站內(nèi)的柔性制造流程監(jiān)控畫面內(nèi)的所有對(duì)象和對(duì)應(yīng)的過程變量相互鏈接，相當(dāng)于和現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備相互鏈接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)的中央控制柜和從站的通信主要設(shè)計(jì)主站PLC與從站ET200。主站與從站使用主從形式實(shí)現(xiàn)通信，主站有權(quán)發(fā)送運(yùn)行指令給從站設(shè)備，同時(shí)周期地與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。針對(duì)不同類別的從站，需要使用不同的形式實(shí)現(xiàn)主從之間的通信。從站ET200如果沒有儲(chǔ)存與運(yùn)行功能，就會(huì)作為主站的分布式I/O，按主站的指令進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而對(duì)于從站變頻器，其通信區(qū)存在PZD數(shù)據(jù)區(qū)與PKW數(shù)據(jù)區(qū)，這兩種數(shù)據(jù)區(qū)能夠反饋數(shù)據(jù)與相關(guān)參數(shù)，因此在該從站內(nèi)，通過調(diào)用系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)從站變頻器的數(shù)據(jù)讀寫。進(jìn)而確準(zhǔn)主從站之間需要通信的數(shù)據(jù)塊的起始地址，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。

2 實(shí)驗(yàn)證明

為了證明控制系統(tǒng)的實(shí)用性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，擬定控制系統(tǒng)為某個(gè)廠房提供了供應(yīng)鏈級(jí)的生產(chǎn)計(jì)劃和控制系統(tǒng)平臺(tái)。在所提系統(tǒng)的支持下，完成對(duì)數(shù)控沖床柔性制造的自動(dòng)化控制，其產(chǎn)品制造結(jié)果如圖2-圖4所示。

圖2 柔性制造材料模型

圖3 原始制造結(jié)果

圖4 所提系統(tǒng)制造結(jié)果

通過圖2-圖4能夠看出，使用原始沖床制造出的柔性制造產(chǎn)品，會(huì)出現(xiàn)明顯的輪廓不規(guī)則狀況，而利用本文所提系統(tǒng)制造的產(chǎn)品，則與提供的柔性制造材料模型一致。這就證明了所提方法在數(shù)控沖床柔性制造上的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)椋疚南到y(tǒng)中的控制器能夠通過伺服電動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行控制，數(shù)控沖床、機(jī)器人也分別存在自身原有的控制器加以控制，這就使得原有控制器的設(shè)備不會(huì)因?yàn)樾驴刂破鞯陌惭b而出現(xiàn)性能低下的現(xiàn)象，使得柔性制造的產(chǎn)品能夠更為精準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本文提出一種基于模糊控制的數(shù)控沖床柔性制造自動(dòng)化控制系統(tǒng)，依靠模糊控制技術(shù)與Windows操作系統(tǒng)，構(gòu)建柔性制造控制系統(tǒng)。通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的柔性制造，確保了產(chǎn)品質(zhì)量與精度。

但由于本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)偏向于柔軟制造控制，這就導(dǎo)致由數(shù)控沖床制造的其他種類產(chǎn)品并不能較好地應(yīng)用到本文系統(tǒng)。因此下一步需要研究的是：在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)內(nèi)，增添適配器，使得其他種類的產(chǎn)品制造鏈也能夠較好地應(yīng)用到本文所提系統(tǒng)中。