姚 彬，陳志華,2

（1.上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201111；2.上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

近年來，大型薄壁形狀零件的應用越來越廣泛，這類零件具有形狀復雜、加工精度要求高、剛度較低的特征[1]。由于薄壁件極容易變形，在加工過程中很容易影響薄壁件的加工精度，所以在支撐側(cè)需要引入頂撐壓力，用于支撐，防止加工過程中由于薄壁件的變形影響加工精度。

PROFINET是PROFIBUS國際組織推出的基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放的現(xiàn)場總線的標準。使用PROFINET，可以將分布式I/O設備直接連到工業(yè)以太網(wǎng)，與PLC進行高速數(shù)據(jù)交換。PROFINET可以運用于對實時性要求更高的自動化解決方案。它的實時通訊功能適用于對信號傳輸時間有嚴格要求的場合，例如傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸。其響應時間比PROFIBUS更短，更新循環(huán)時間為1～10ms，完全能滿足現(xiàn)場級的要求。

壓力閉環(huán)控制是檢測數(shù)控機床的Z軸和薄壁件表面的壓力，支撐側(cè)的壓力過小會導致支撐作用減小，支撐側(cè)壓力過大會導致薄壁件變形。所以需要對壓力進行閉環(huán)控制，使壓力保持在某一恒定值左右，壓力傳感器有兩個，對稱分布于裝置中。本文著重介紹了PMX（測量放大器系統(tǒng)）的組態(tài)和與壓

力傳感器的配置。PMX首先采集壓力信號，隨后通過網(wǎng)口PROFINET實時把壓力信號傳輸?shù)轿鏖T子PLC中，信號不衰減。隨后通過PLC中的PID算法，從而控制數(shù)控機床的Z軸運動，使支撐側(cè)的實際壓力值接近于設定壓力值，從而達到薄壁件的高精度要求。

1 測量環(huán)境及實驗元器件的介紹

測量環(huán)境如圖1所示，是十軸聯(lián)動數(shù)控機床，加工側(cè)有5根軸（3根移動軸和2根旋轉(zhuǎn)軸），支撐側(cè)有5根軸（3根移動軸和2根旋轉(zhuǎn)軸）。

圖1 測量環(huán)境

圖2 壓力傳感器

壓力傳感器如圖2所示。壓力傳感器的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值的變化。壓力傳感器的量程為0～2.5kN，輸出是0～100mV，這么小的信號是很容易衰減的，所以需要通過PMX把壓力信號采集下來。壓力傳感器的目的是為了檢測當前數(shù)控機床Z軸和薄壁件之間的壓力，可以實現(xiàn)反饋。

PMX是一種專門為工業(yè)生產(chǎn)和測試臺使用而研發(fā)的測量放大器系統(tǒng)。其功能強大、精確、可靠、高效。高精度受益于低噪聲的24位A/D轉(zhuǎn)化，擁有更高的信號分辨率和更高的測量帶寬。通過實時以太網(wǎng)進行快速的處理和管理，采用PMX可以帶來更高的數(shù)據(jù)傳輸率和診斷率。PMX如圖3所示。

圖3 PMX

PMX的作用是通過PX455采集壓力信號，然后通過PX01PN（PROFINET網(wǎng)口）與西門子S7 300的CPU的PROFINET口相連，從而把采集的壓力信號傳給PLC，從而得以進行PID控制。

2 壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計

閉環(huán)控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環(huán)參與控制的控制方式。由于干擾的存在，系統(tǒng)自身便利用負反饋產(chǎn)生的偏差去消除偏差，使系統(tǒng)輸出量恢復到期望值上。由此可見，閉環(huán)控制具有較強的抗干擾能力[2]。即閉環(huán)控制能在有外部干擾的環(huán)境下精確調(diào)節(jié)定位[3]。壓力閉環(huán)控制原理圖如圖4所示。

通過PMX，達到了實時響應壓力的效果。

圖4 壓力閉環(huán)控制原理圖的優(yōu)化

通過壓力傳感器實時的讀取當前的壓力值，該壓力信號通過PMX采集，隨后通過PROFINET總線傳輸?shù)轿鏖T子S7 300的PLC中，進行PID控制，隨后把PID的輸出傳輸給Z軸，從而控制Z軸的移動，最終使實際壓力值維持在設定壓力值附近跳動。若實際壓力值大于設定壓力值，則Z軸會往遠離工件的方向運動，從而減小實際壓力值；若實際壓力值小于設定壓力值，則Z軸會往靠近工件的方向運動，從而增大壓力值。

3 PMX的組態(tài)與配置

1）組態(tài)

PMX的組態(tài)是在西門子PLC編程軟件STEP7中進行的。

硬件組態(tài)要求在軟件STEP7中的組態(tài)與硬件PMX的元器件的多少及順序要一樣，否則PLC會報警。PMX中有PX01PN和PX455，所以對應的軟件中也只能有這兩樣，且順序要一致。若組態(tài)正確，PLC不會報警。

圖5 PMX的硬件組態(tài)

2）壓力傳感器的配置

組態(tài)完成后，PLC是讀不到實時的壓力信號的。需要在網(wǎng)頁中對壓力傳感器的參數(shù)進行配置。將PMX的ETHERNET網(wǎng)口與調(diào)試電腦的網(wǎng)口相連，在電腦網(wǎng)頁的地址欄輸入pmx，如圖6所示。

圖6 PMX的網(wǎng)頁

一般需設置：傳感器的類型、物理單位、2電氣點、2物理點。根據(jù)目前的傳感器（ELAF、500L），傳感器類型是全橋100mv/v，物理單位N，2電氣點（20mv/v、傳感器的靈敏度）、2物理點（2500N）。設置完后，對應的PMX上的端子排上會亮綠燈，則可以實時讀取壓力值。

綜上，PMX調(diào)試完成。

4 PID控制

PID控制由于其算法簡易、安全性高和魯棒性好等而被應用在各種領域[4]。隨著控制的發(fā)展，PID控制仍在控制領域占有非常重要的位置即使許多先進控制方法不斷出現(xiàn)，目前依然廣泛應用于交通、電力、冶金、重工等控制中[5]。隨著自動控制的發(fā)展，PID控制依然在控制領域中占主導地位。

在工程中應用最廣泛的控制器為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。實際上PID控制就是誤差、誤差的積分、誤差的微分。其輸入、偏差信號e(t)與輸出u(t)的關系為：

其中Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

比例（P）控制能快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制能消除穩(wěn)態(tài)誤差，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地累加，從而消除誤差。微分（D）控制可以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

5 壓力閉環(huán)控制PLC程序流程圖

基于西門子系統(tǒng)，通過STEP7軟件對壓力閉環(huán)控制進行控制。壓力傳感器檢測到當前實際壓力值，PMX采集壓力傳感器的值，通過PROFINET現(xiàn)場總線傳給PLC，在PLC中編寫PID算法，PID的輸出給機床的Z軸，從而控制Z軸的運動，達到調(diào)節(jié)壓力的效果，使支撐側(cè)的壓力在加工過程中維持在設定壓力值附近。PLC流程圖如圖7所示。

圖7 PLC流程圖

支撐側(cè)Z軸進給過程：當實際壓力值小于設定壓力值時，通過PID控制使Z軸朝靠近薄壁件的方向運動。支撐側(cè)Z軸抬升的過程：當實際壓力大于設定壓力值時，通過PID控制使Z軸朝遠離薄壁件的方向運動。

6 實驗結(jié)果

使用PID控制后，導出實時壓力數(shù)據(jù)，通過MATLAB畫出實際壓力隨時間變化的曲線圖如圖8所示。

圖8 實際壓力隨時間變化

采樣點是3000個。通過PID控制，在加工過程中，支撐側(cè)的壓力值基本維持在180～230N之間，達到了較好的控制效果。

對比有支撐側(cè)和無支撐側(cè)的加工厚度效果，如圖9所示。

圖9 厚度對比結(jié)果

當有支撐側(cè)時，厚度加工精度高，薄壁件厚度數(shù)據(jù)在5.56～5.58mm之間跳動。當無支撐側(cè)時，厚度加工精度差，薄壁件厚度數(shù)據(jù)基本上在5.23～5.7之間。

7 結(jié)束語

本文通過PMX采集壓力值，通過PROFINET實時把壓力信號傳給PLC，在STEP7中編寫PID程序。壓力傳感器、PMX和五軸機床的Z軸組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且通過PID控制，可以使支撐側(cè)在加工過程中達到一個穩(wěn)定的壓力。通過對比有支撐側(cè)和無支撐側(cè)的厚度加工效果，證明了支撐側(cè)壓力控制的可行性。