PID压力闭环控制在薄壁件厚度在线测量中的应用

时间：2022-08-24 02:23:54

关键字：薄壁件厚度在线测量压力闭环控制

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[导读]摘要:为了满足航空航天薄壁零件的高精度要求,提出了一种在线测量厚度的方法。压力闭环控制系统是厚度在线测量中重要的子系统,其作用是保证薄壁件与测厚装置之间的压力恒定,使测出的薄壁件厚度稳定且不划伤工件。现设计了一种压力闭环控制系统,并对系统的元器件进行了选型,然后通过MATLAB仿真得出了压力闭环控制系统的P、I、D参数。通过西门子PLC的FB41模块实现PID闭环控制,使压力值维持在600N左右,薄壁件厚度在5.56~5.58mm之间。通过恒定压力在线测量薄壁部件的厚度,精度非常高。

引言

近年来,随着航空工业的发展,大型薄壁形状的零件应用越来越广泛,这类零件不仅形状复杂,加工精度要求高,而且具有刚度较低的特征。薄壁零件由于重量轻、比强度高等特点,已被广泛应用于航空航天领域。随着航空工业的进一步发展,薄壁零件的应用会更加广泛,质量的需求也会进一步提高。航空薄壁件加工有诸多难点:加工振动、整体加工变形、在线测量等等。在线测量又分为对厚度的在线测量、激光测量、热补偿测量、几何测量等等。在线测量是实现薄壁件加工后保持位置不变,直接对其测量的技术,其优势在于减少薄壁件的返修周期,保证航空薄壁件制造过程中质量的稳定,提高其加工效率。

目前,对有曲率工件采用单点测量,即离线测量。离线测量误差较大,不能满足高精度的要求。相对于传统刚性工装装配产品离线测量方式,在线测量技术实现了产品装配、测量和误差补偿的集成,其测量结果直接以实时数字量表征。在线检测技术的发展为数控加工过程的质量检测提供了一套行之有效的方法,能够在零件加工过程中对零件加工的精度进行直接测量,保证加工过程和测量过程同时进行。

为了实时测出薄壁件的厚度,提出了在线测量的方法。压力闭环控制是在线测量中重要的子系统,是关系到在线测量能否正常进行的一个重要环节,压力的稳定性对测厚读数有重大影响,并且恒定的压力可以保证不划伤工件。我们通过压力闭环控制实现测厚装置和薄壁件之间的压力恒定,实现压力恒定的算法有自适应算法、PID算法等。关于压力的控制系统设计许多学者开展了这方面的研究。尹凯通过压力传感器对水压进行采样,采入PLC的PID模块,通过PID模块进行闭环控制,实现了灌溉系统的节水节能。樊秋实、何乐、夏群生对试验车进行参数匹配后实现了符合制动需求的压力闭环控制。蔡智亮、郭立杰、尹玉环采用一种基于电机的扭矩与位移的转换公式来实现搅拌头轴向力的闭环控制。周晓娟、刚轶金、贾继濒利用应用较为广泛的PID控制算法,设计实现了恒压供水的控制。

1压力闭环控制系统

1.1压力闭环控制系统的设计

闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控制方式,若由于干扰的存在使系统实际输出偏离期望输出,系统自身便利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差,使系统输出量恢复到期望值上,这正是反馈的工作原理。由此可见,闭环控制具有较强的抗干扰能力。不管外界有什么干扰,都能够快速准确地达到期望值。

通过压力传感器及信号放大器和五轴机床的Z轴形成一个闭环控制回路,如图1所示。

压力闭环控制保证测厚装置和薄壁件之间有一定的力即可,通过前期实验得出,当测厚装置和薄壁件之间的压力为600N时,可以得到最好的实验效果。如图1所示,set为压力设定值,即set=600N。rea1为实际压力值。sub为压力的差值,sub=rea1-set。AZ为Z轴的移动量。压力闭环控制系统的输入是set,输出是rea1。

为了得出最好的控制策略,需对控制环进行建模分析,得出PID参数即可控制AZ和sub的关系。PID控制算法作为经典控制算法中的典型代表,具有结构简单、参数物理意义明确、易于实现、鲁棒性好和可靠性高等优点。然而PID控制算法的难点不是编写或阅读控制程序,而是整定控制器的参数。整定P、I、D参数时最重要的是得出系统控制环的传递函数。相对于控制环来讲,控制环的输入是sub,输出是AZ。rea1反馈到输入端与set作差得出sub,sub通过控制环得出AZ,通过执行环从而达到增大或减小压力的效果,使测厚装置与薄壁件表面的压力维持在600N附近波动。为了得出控制环的传递函数,需要知道控制环是几阶系统。先假设控制环是一阶系统,一阶系统传递函数的公式是:K/(Ts+1)。若以一阶系统控制压力效果良好,则可认为该压力闭环控制系统是一阶系统:若效果不好,则把控制环假设成二阶系统。

通过实验得出sub和AZ的关系图,并且拟合直线,则斜率即传递函数的K值。通过sub随时间的变化和AZ随时间的变化,并进行归一化处理,即可得出传递函数的T值。得出传递函数的K值和T值以后,通过MATLAB仿真,即可得到P、I、D参数。然后通过PLC可编程逻辑控制,验证所得的P、I、D参数是否可应用于实际的控制过程。

1.2实验元器件的选型及电气原理图的设计

测量环境是双转台五轴数控加工中心,x、y、Z为移动轴,A、C为旋转轴。薄壁件如图2所示,其标准厚度是5.56mm。本实验是对薄壁件进行在线测量,通过测厚仪得到各点的厚度,其精度可以达到0.01mm。

压力传感器如图3所示。压力传感器的工作原理:吸附在基体材料上的应变电阻,随着机械形变而产生阻值的变化。压力传感器的量程为0~5kN,压力传感器的作用是检测当前测厚装置和薄壁件之间的压力,通过信号放大器放大信号,然后反馈信号给PLC,从而控制五轴机床Z轴的抬升或进给,实现压力闭环控制。

信号放大器如图4所示。信号放大器的原理:输入基础信号,经过电桥电路,放大输入信号,提升基础信号电压,输出比原来信号的电压高出许多倍的放大的基础信号。因为压力传感器的电压信号只有0~98mV(即检测的压力0~5kN对应着0~98mV),这么小的信号PLC是读取不到的,所以需要信号放大器把0~98mV的信号放大成0~10V。

使用软件EPLAN设计压力传感器和信号放大器的电气原理图,如图5所示。

1.3MATLAB得出P、I、D参数

先随意使用一个控制,导出数据,通过MATLAB进行数据处理。

通过图6可知,sub基本上在±200N之间跳动,大部分点在±150N之间,而且可以看出sub的正行程与反行程基本对称。第一个原因是压力传感器本身有误差,精度不是太好。本实验所选的压力传感器量程是0~5kN,精度是1%,所以会有±50N的跳动。第二个原因是所测量的工件是带曲率的薄壁件,可能会引入一定的误差。因为我们假设该压力闭环控制系统是一阶系统,所以通过MATLAB对图6的散点图进行了线性拟合,拟合后的曲线如图6中的蓝色直线所示,该系统输入与输出的关系式为AZ=0.00001266×sub＋0.2302。通过该关系式,可以算出当实际压力值是600N时,Z轴的进给量为0.00001266×0＋0.2302=0.2302mm:也可算出传递函数的K值即拟合后的曲线的斜率,即K=0.00001266。

为了得出传递函数的T值,通过MATLAB画出sub随时间变化的曲线及AZ随时间变化的曲线,并对两条曲线进行归一化处理,画在同一张图中。选取sub的最大值和AZ的最大值那一段曲线,如图7所示。

因为采集了1095个点,得出sub的最大值对应AZ的最大值,如图7所示很明显有个滞后环节。通过计算,得出T=0.625s。

所以该压力闭环控制的传递函数为0.00001266/(0.625s＋1)。通过MATLAB软件中的PID调节器,得出压力闭环控制系统的参数Kp=179、Ki=135300、Kd=0,如图8所示。

综上所述,PID参数初步整定完成。

1.4西门子PLC编程

基于西门子s7-300的PLC,用sTEP7对其进行编程。通过压力传感器把读入的压力信号进行A/D转化,该电压信号通过信号放大器放大成0~10V,然后输送给PLC:PLC执行PID算法后,通过D/A转化,控制五轴机床的Z轴进给。通过PID算法改变五轴机床的Z轴,从而使薄壁件与测厚装置之间的压力维持在600N左右。在硬件组态已经完成的基础上,调用FC105和FB41。实际压力值通过压力传感器读取,设定压力值为600N。PLC流程图如图9所示。