呂 俊， 張 耀

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053）

0 引言

本系統(tǒng)從精密球的雙自轉(zhuǎn)研磨機(jī)理出發(fā)，采用模糊控制算法控制上研磨盤壓力，基于MODBUS總線通信實(shí)現(xiàn)下內(nèi)外研磨盤的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制，采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組態(tài)軟件Advantech WebAccess，為磨球機(jī)控制提供了基于以太網(wǎng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、速度控制、遠(yuǎn)程管理、配方控制、數(shù)據(jù)記錄等功能，很好的解決現(xiàn)有設(shè)備手動(dòng)操作，無法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的問題[1～6]。

1 磨球機(jī)的機(jī)械構(gòu)成

雙自轉(zhuǎn)磨球機(jī)采用三研磨盤V形槽結(jié)構(gòu)，包括上研磨盤、下內(nèi)研磨盤和下外研磨盤。上研磨盤通過伺服電機(jī)拖動(dòng)經(jīng)壓力彈簧實(shí)現(xiàn)對球坯的壓力加載，下內(nèi)研磨盤和下外研磨盤形成V形槽，支撐并帶動(dòng)球坯轉(zhuǎn)動(dòng)，下內(nèi)外研磨盤轉(zhuǎn)速分別通過伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)獨(dú)立控制。下研磨盤內(nèi)外不同轉(zhuǎn)速的組合，可實(shí)現(xiàn)三盤研磨方式下球體自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸的相對方位可變，使球坯表面獲得均勻研磨，并提高研磨精度和效率。

圖1 磨球機(jī)機(jī)械構(gòu)成圖Fig.1 Mechanical structure of Ball-grinding machine

2 磨球機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總體要求

為了保證磨球機(jī)的操作便利，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及高的加工精度和效率，對磨球機(jī)提出以下要求：①自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上研磨盤的上升與下降動(dòng)作，使加載在精密球的壓力控制精度在±1%，加壓過程中要求實(shí)時(shí)顯示壓力值及加壓過程；②實(shí)現(xiàn)精密球體磨球機(jī)下內(nèi)/外研磨盤轉(zhuǎn)速在0～100rpm范圍內(nèi)任意設(shè)定，且能夠按照任意設(shè)定的速度曲線無級調(diào)速運(yùn)行；③具有觸屏功能，可通過觸摸屏進(jìn)行基本數(shù)據(jù)的輸入與設(shè)定，亦可通過鼠標(biāo)與鍵盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入與輸出；④建立工藝數(shù)據(jù)庫，歷史加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫?？呻S時(shí)調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)精密球體研磨機(jī)的加工；⑤周期記錄上研磨盤壓力，環(huán)境溫度，下內(nèi)/外盤轉(zhuǎn)速，球體磨削量，研磨液流量值，并將其存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中；且每個(gè)參數(shù)均能將其數(shù)據(jù)繪制成歷史曲線，并能隨時(shí)參閱這些曲線；⑥具備Internet網(wǎng)絡(luò)功能，可遠(yuǎn)程控制磨球機(jī)。

3 磨球機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Advantech WebAccess完全基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其基本組成部分如下：

（1）監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（SCADA node）用于連接自動(dòng)化硬件設(shè)備，并且通過網(wǎng)絡(luò)向客戶端、其他監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及工程節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

（2）工程節(jié)點(diǎn)（PROJECT node）用于系統(tǒng)設(shè)置的中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，客戶端可通過工程節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)瀏覽監(jiān)控節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況。

（3）客戶端（CLIENT）直接連接到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖面，而且允許線上管理員更改點(diǎn)值，確認(rèn)警報(bào)和實(shí)時(shí)控制。

圖2 磨球機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)框架圖Fig.2 Network control system frame of ball-grinding machine

本系統(tǒng)采用WebAccess單機(jī)架構(gòu)，系統(tǒng)框架如圖2所示，工程節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)均安裝于研華觸控平板電腦上，置于機(jī)旁柜現(xiàn)場通過運(yùn)行View-DAQ實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模式組態(tài)監(jiān)控，并通過Internet發(fā)布監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)給客戶端使用。每臺(tái)觸控平板電腦負(fù)責(zé)一臺(tái)磨球機(jī)，通過MODBUS總線采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)：上研磨盤壓力、下研磨盤轉(zhuǎn)速，并發(fā)出控制指令給上下研磨盤的伺服驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制?？蛻舳耸褂肳eb瀏覽器訪問工程/監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)磨球機(jī)的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。

4 磨球機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)選用WebAccess作為軟件開發(fā)平臺(tái)，主要功能包括：上研磨盤壓力控制、下研磨盤內(nèi)外盤速度協(xié)調(diào)控制、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)趨勢、歷時(shí)趨勢、配方、報(bào)表打印等功能，具體框架見圖3所示。

圖3 磨球機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主流程圖Fig.3 Program flow diagram of ball-grinding machine network control system

4.1 上研磨盤壓力控制的實(shí)現(xiàn)

上研磨盤主要用于精密球研磨的加壓，壓力具有較大的時(shí)變性、滯后性和非線性，壓力加載系統(tǒng)好壞直接決定了材料去除效率，并影響球度。

研磨壓力檢測點(diǎn)在上研磨盤的加載塊處，選用輪輻式稱重測力傳感器，相比傳統(tǒng)的拉壓式傳感器，具有精度高、滯后小、重復(fù)性好、線性好等特點(diǎn)。

控制采用雙輸入單輸出模糊控制算法，其原理如圖4所示，模糊控制輸入為給定壓力SP與實(shí)測壓力PV的差值E和壓力差值變化率EC，輸出量為伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速度V。

圖4 上研磨盤壓力模糊控制原理框圖Fig.4 Structure frame of top-tray pressure fuzzy control

（1）模糊化處理和精確化。針對偏差e、偏差變化率ec和速度v進(jìn)行模糊化，模糊論域分別定義為E、EC、V，論域范圍統(tǒng)一為 [-6,6]。

由于偏差信號e若不加處理進(jìn)行模糊化，則在高分辨率的模糊集上變化會(huì)引起輸出的激烈變化；而在低分辨率的模糊集上變化不明顯的特點(diǎn)，故采用下列分段算式（2）進(jìn)行模糊化， 對論域 E=[-6，6]，ei={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，ei∈E 有：

其中，標(biāo)定因子K1=6/SP，SP—控制系統(tǒng)的設(shè)定值，設(shè)e的基本論域?yàn)?[-SP，SP]。

對于模糊論域E、EC、V，模糊語言值統(tǒng)一定義為NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB， 隸屬度函數(shù)選用高斯型，偏差e隸屬度見表1所示，其他語言變量一致。

為了將模糊推理結(jié)果用于伺服驅(qū)動(dòng)器控制上研磨盤的壓力，需要進(jìn)行反模糊化處理模糊論域V，本文采用重心法。

表1 壓力偏差ei對模糊子集{Ei}的隸屬度Tab.1 Membership degree of eito fuzzy subgroup{Ei}

（2）模糊推理。根據(jù)雙自轉(zhuǎn)三軸研磨工藝?yán)碚摚⒛：评硪?guī)則如表2所示。

表2 模糊狀態(tài)表Tab.2 Fuzzy status table

（3）模糊控制實(shí)現(xiàn)。根據(jù)得到的模糊表格在WebAccess Tcl腳本程序中建立表格數(shù)組；利用離散化的e（k）和e（k-1）值進(jìn)行查表運(yùn)算。經(jīng)精確化后的速度指令通過MODBUS總線發(fā)送至伺服驅(qū)動(dòng)器。

4.2 下研磨盤速度控制的實(shí)現(xiàn)[7]

下研磨盤由內(nèi)外兩個(gè)研磨盤組合成V型槽，內(nèi)外研磨盤分別由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用珠海運(yùn)控PSDA系列伺服驅(qū)動(dòng)器和配套伺服電機(jī)，經(jīng)過減速箱速度控制在200rpm之內(nèi)。內(nèi)外轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的不同組合以及研磨盤的轉(zhuǎn)數(shù)決定了精密球球度和材料去除率，利用WebAccess TCL腳本程序?qū)崿F(xiàn)下磨盤轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制及轉(zhuǎn)數(shù)的控制，通過MODBUS總線傳送至伺服驅(qū)動(dòng)器。針對內(nèi)外轉(zhuǎn)盤分別提供了三角波、正弦波、多段速等三種方式供用戶選擇，不同轉(zhuǎn)速的組合為磨球的均勻性提供了保證。在現(xiàn)場用戶根據(jù)磨球機(jī)工藝原理和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，多采用多段速方式工作。具體實(shí)施步驟如下：

（1）PSDA 伺 服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置。0x51號參數(shù)：控制模式，選為APCM模式（內(nèi)置 PLC）； 0x52號參數(shù)：通信波特率，為38400bps。

圖5 磨球機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)監(jiān)控主畫面Fig.5 Main monitoring picture of ball-grinding machine network control system

（2）WebAccess的組態(tài)編程。①添加通訊端口，接口名稱為SERIAL，波特率為 38400bps，數(shù)據(jù)位8，停止位1，無奇偶校驗(yàn)；②添加通訊設(shè)備，設(shè)備類型為Modicon，報(bào)文大小設(shè)為數(shù)字包512，模擬包10；③添加數(shù)據(jù)變量點(diǎn)，以伺服電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速vact為例，伺服驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)電機(jī)當(dāng)前速度n地址為0x05A0，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為1440， 根據(jù)Modbus通訊時(shí)地址為實(shí)際地址加1，故而設(shè)為41441（首位4表示模擬量讀寫），據(jù)vact=n*vrat/4096=n*3000/4096≈n*0.732(rpm)，標(biāo)定因子設(shè)為0.732；④繪制監(jiān)控畫面，磨球機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主畫面如圖5所示；⑤根據(jù)Modbus總線讀取的內(nèi)外研磨盤實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差值，使用Tcl腳本語言編寫程序?qū)崟r(shí)調(diào)整內(nèi)外研磨盤轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)已在浙江某精密機(jī)械加工廠實(shí)際在線運(yùn)行，完全達(dá)到用戶提出的要求，實(shí)現(xiàn)了精密球體研磨機(jī)下內(nèi)/外研磨盤轉(zhuǎn)速在0～100rpm范圍內(nèi)任意設(shè)定，按給定的速度曲線無級調(diào)速。實(shí)現(xiàn)了上研磨盤的上升與下降動(dòng)作，壓力控制精度在±1%。經(jīng)實(shí)測本系統(tǒng)控制下的研磨機(jī)材料去除率達(dá)到了15μm/h，球度達(dá)到1.8μm。

[1]YUAN Ju-lng，WANG Zhi-wei，LV Bing-hai.Simulation study on the developed eccentric V-grooves lapping mode for precise ball[J].Key Engineering Material，2006.

[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)新工藝，2005，5.

[3]Rong Tsong Lee，Yih-Chyun Hwang，Yuang-Cherng Chiou.Lapping of ultra-precision ball surfaces.Part II.Eccentric V—groove lapping system[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture，2006，10.

[4]LV Bing-hai，Yuan Ju-lng，Yao Y X，et al.Study on wear mode of silicon nitride balls in lapping process[J].Key Engineering Materia1，2006.

[5]金巧芬，金初云.對雙自轉(zhuǎn)式球體研磨機(jī)構(gòu)V形槽夾角的仿真研究[J].新技術(shù)新工藝，2011，8.