CN102001042A - 高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统和控制方法属于自动控制理论与工程方向、过程控制技术领域。该系统包括：带动磨削臂运动，支撑液压缸、伺服阀、主泵及油箱的液压压下系统；安装在液压缸上的压力传感器；安装在磨削臂上的位移传感器；安装在伺服阀上的开度传感器；以及与所述多个传感器相连的控制系统。本发明以全数字传感器融合多轴协同混合控制模型实现了高精度液压伺服控制，通过将液压伺服控制模块HLA无缝嵌入数控系统840D的形式，达成了高速、双磨削臂并行磨削方式，实现了最大可达100吨的重载荷、250千瓦大功率、80米/秒高线速度、1吨正压力的随形磨削，对于高铬合金铸造轧辊辊坯的磨削效率可达400～700kg/小时。

Description

高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于自动控制理论与工程方向、过程控制技术领域，主要涉及应用于冶金行业粗加工设备中的重型高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统和控制方法。

背景技术

冶金行业粗加工设备是一类在恶劣工况环境下工作的重型机械装备，液压控制系统是其核心部件。如修磨大型轧制钢坯(管)、离心浇铸高铬合金热轧辊用的荒磨机床、大口径无缝厚壁合金钢管外圆磨床、钢坯热修磨机床等。

钢铁生产中90％的轧制钢坯、100％的不锈钢板坯和大口径无缝厚壁管、特殊钢的电渣重熔自耗电极、大型离心浇铸复合轧辊等，都必须经过荒磨(修磨)工艺。重型荒磨机床是一种用于加工大型铸造辊坯或厚壁管的无心外圆磨床，加工工件直径540～1800mm。荒磨工艺的核心是高线速度强力磨削，在磨削过程中，通过控制磨削臂支撑油缸输出力恒定，让重型砂轮以恒定的正压力做随形磨削。荒磨工艺特性决定了它是一个包含有非线性的过程控制对象，当压力、位置控制精确时，可以达到半精磨工艺水平。但是现在的设备和技术无法达到这一水准。

发明内容

本发明的目的，就是通过非线性控制与过程时变控制组合模式，使强力外圆磨削粗加工达到半精磨工艺水平。

本发明的技术方案为：该高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统，用于控制磨削臂，包括以下几部分：

带动所述磨削臂运动，支撑液压缸、伺服阀、主泵及油箱的液压压下系统；

安装在所述液压缸上的压力传感器；

安装在所述磨削臂上的位移传感器；

安装在所述伺服阀上的开度传感器；

与所述压力传感器、位移传感器以及开度传感器相连的控制系统；

以及各开关量输入输出模块。

所述控制系统包括速度控制器、前馈控制器和时变PI控制器，以及参数检测传感器和模型辨识与参数预测模块，所述三个控制器分别实现对于液压缸中活塞杆的速度控制、干扰抑制和不同工况情况下的良好控制品质。

所述控制系统为840D数控系统，由人机操作界面、NC数控单元、PLC模块、液压驱动模块及控制软件组成。

本发明还提供了一种高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制方法，其特征在于，该方法基于对速度轴、位置轴、以及工件运动及旋转轴的运动模式辨识获得各轴运动模型参数，结合液压实时控制单元，让砂轮以恒定的正压力和线速度对工件表面进行随形强力磨削；

所述各轴运动模型辨识方法具体步骤为：

(1)建立磨削臂液压压下系统函数；

(2)建立磨削臂、砂轮、工件以及驱动滚轮的机械结构模型，由机械结构模型建立磨削臂运动方程，并根据实际测量的磨削臂的位置和液压缸的压力输出值由模型计算获得磨削正压力；

(3)建立荒磨机磨削臂液压压下系统的方框图，进而由该系统方框图获得伺服阀开度到活塞位移之间的开、闭环传递函数；

(4)位置轴的时变模型辨识：液压系统谐振频率ω_r是活塞杆工作点的函数；

(5)速度轴的非线性模型辨识：对不同方向的阀门开度与系统增益关系建立非线性速度拟合模型，磨削时通过该模型自动进行非线性补偿，使得伺服阀开度和活塞杆速度模型的动态响应关于零点对称，保证同一阀芯开度数值时，磨削臂向上和向下两个方向运动的速度可以保持一致；

(6)前馈模型辨识：前馈控制器形式为F_F＝F_c+(1-β)(-ΔF_i)，其中，F_F为前馈调整量，F_c为力控系统的输出量；预测位置偏差的调整系数

R为被加工轧辊的平均半径，R_max为可加工轧辊的最大半径；由于工件不圆度对正压力产生的干扰量ΔF_i＝k′δ_i，k′是试验统计数值，δ是t时段后因辊坯不圆度引起的活塞杆位移增量，δ_i是t时段里第i个轮廓位移增量。

所述速度轴为磨削臂运动速度与伺服阀开度之间的非线性模型；所述位置轴为磨削臂支撑油缸位置与控制系统参数的时变模型；所述工件运动及旋转轴：抑制工件轮廓起伏所带来的干扰的前馈控制模型。

本发明的有益效果为：

(1)本发明实现了最大可达100吨的重载荷、250千瓦大功率、80米/秒高线速度、1吨正压力的随形磨削，对于高铬合金铸造轧辊辊坯的磨削效率可达400～700kg/小时。

(2)本发明是以全数字传感器融合多轴协同混合控制模型实现了高精度液压伺服控制，通过将液压伺服控制模块HLA无缝嵌入数控系统840D的形式，达成了高速、双磨削臂并行磨削方式。

(3)采用本发明方法设计的我国第一台具有自主知识产权，世界先进水平的数控轧辊荒磨机床，于2007年12月在中钢集团邢台机械轧辊有限公司投产，平均每月生产300支各类轧辊，月产值1亿元左右，年总产值14.2亿，荒磨工艺使用户的产能由过去的3万吨/年提升至6万吨/年。

附图说明

图1为所述液压控制系统的系统结构示意图；

图2为磨削臂、砂轮与工件及驱动滚轮的几何关系图；

图3为磨削臂、砂轮、液压缸受力分析图；

图4为荒磨机的磨削臂液压压下系统原理图；

图5为荒磨机磨削臂液压压下系统方框图图；

图6为荒磨机磨削臂液压压下系统频域特性图；

图7为荒磨机磨削臂液压压下系统谐振频率ω_r与活塞杆工作点的时变关系图；

图8为阀芯开度±0.2V时系统的非线性特性图；

图9为速度轴的非线性校正效果图；

图10为磨削辊身、辊颈的实测数据图；

图11为工件椭圆度对活塞杆工作点的影响图；

图12为采用前馈控制的辊身磨削数据图；

图13为高速强力随形外圆磨床的多轴协同混合液压控制系统图；

图14为840D数控系统的各部件连接图；

图15为现场上位机记录数据，采样步长1s；

图2中，201-磨削臂，202-液压油缸，203-磨削砂轮，204-轧辊工件，205-驱动滚轮，206-台车车体。

图3中，各个字母含义如下所示：

X轴：水平轴

Y轴：磨削臂压下轴

O点：磨削臂轴心(原点)

A点：砂轮与工件接触点

B点：油缸上铰链轴心

C点：油缸下铰链轴心

D点：砂轮轴心

E点：工件轴心

G点：磨削臂(不含砂轮)重心

F_n：砂轮法向加载力，计算获得

F_h：油缸推力，实时测量

G：磨削臂重力，由设计及制造过程可以获得

G_w：砂轮重力，砂轮厂方提供

L：磨削臂长度，由设计及制造过程可以获得

L_n：砂轮法向加载力力臂，计算获得

L_w：砂轮重力力臂，计算获得

L_B：OB距离，由设计及制造过程可以获得

L_C：OC距离，由设计及制造过程可以获得

L_G：OG距离，由设计及制造过程可以获得

θ：磨削臂倾角，由设计及制造过程可以获得，但需要实时测量校正

δ：角OCB，由设计及制造过程可以获得

图4中，401-高频响伺服阀，402-保压溢流阀，403-液压油缸，404-活塞杆，各个字母含义如下所示：

A₁：有杆腔内部活塞面积，由设计及制造过程可以获得

A₂：无杆腔内部活塞面积，由设计及制造过程可以获得

P₁：有杆腔内部压力，实时测量

P₂：无杆腔内部压力，实时测量

P_s：液压系统压力，实时测量

Q_s：液压回油量，实时测量

Q_L：负载流量，实时测量

图5中，各个字母含义如下所示：

ΔY：活塞位移，实时测量

ΔU：伺服阀电压输入，实时测量

C_ip：液压缸内部泄漏系数，由设计及制造过程可以获得

K_c：流量-压力系数，由过程参数辨识获得

K_q：伺服阀的流量增益，由过程参数辨识获得

K_u：电压增益，由过程参数辨识获得

J：磨削臂转动惯量，由模型计算获得

F_h油缸推力，实时测量

V₁：有杆腔体积，由设计及制造过程可以获得

K_s：被加工工件的弹性刚度，由实时数据辨识获得

     系统的有效体积弹性模量(包括液体、管道和腔体的机械柔度)，由材料物理性质及计

β_e：

     算获得

图11中，O：辊身轴心；O’：辊颈轴心。

具体实施方式

本发明提供了一种高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统和控制方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该液压控制系统如图1所示，包括：带动所述磨削臂运动，支撑液压缸、伺服阀、主泵及油箱的液压压下系统；安装在所述液压缸上的压力传感器；安装在所述磨削臂上的位移传感器；安装在所述伺服阀上的开度传感器；与所述压力传感器、位移传感器以及开度传感器相连的控制系统；以及各开关量输入输出模块。所述控制系统包括速度控制器、前馈控制器和时变PI控制器，以及参数检测传感器和模型辨识与参数预测模块。

建立附图2所示的磨削臂、砂轮与工件及驱动滚轮的机械结构模型，包括磨削臂201、液压油缸202、磨削砂轮203、轧辊工件204、驱动滚轮205和台车车体206。由图3所示的机械结构模型、受力分析图可以建立磨削臂运动方程，磨削中，根据实际测量的磨削臂的位置和液压缸的压力输出值可由模型计算获得磨削正压力。

由图4所示的磨削臂液压压下系统原理，液压系统压力P_s和液压回油量Q_s分别输入高频响伺服阀401和保压溢流阀402，高频响伺服阀401和保压溢流阀402的输出端分别连接到液压油缸403中活塞杆404的上面入口和下面入口；建立图5所示的荒磨机磨削臂液压压下系统的方框图，进而由系统方框图获得伺服阀开度到活塞位移之间的开、闭环传递函数。

活塞杆负载是磨削臂及其上的磨头、主轴电机及重型砂轮，整体质量约10吨。液压压下系统采用了带背压式的单出杆非对称缸结构。

伺服阀开度到活塞位移之间的传递函数为：

$\frac{\mathrm{\ΔY}\left(s\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(s\right)}=\frac{\frac{K_q{K}_u}{A_1}}{\frac{J{V}_1}{{\mathrm{\β}}_e{A}_1^2{L}_B{L}_C\sin \mathrm{\δ}}{s}^3+\frac{J{K}_{\mathrm{ce}}}{A_1^2{L}_B{L}_C\sin \mathrm{\δ}}{s}^2+(1+\frac{V_1{K}_s{L}_B{L}_n}{{\mathrm{\β}}_e{A}_1^2{L}_B{L}_C\sin \mathrm{\δ}})s+\frac{K_{\mathrm{ce}}{K}_s{L}_B{L}_n}{A_1^2{L}_B{L}_C\sin \mathrm{\δ}}}---\left(1\right)$

式中K_ce＝K_c+C_ip，且K_a、K_u、K_ce和β_e都不能直接测量，要通过系统辨识建立对象模型的方法间接求得。

根据砂轮是否接触工件有所不同，其中：

1)当砂轮未接触工件时(K_s＝0)，伺服阀开度到活塞位移的传递函数为：

$\frac{\mathrm{\ΔY}\left(s\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(s\right)}=\frac{-\frac{K_q{K}_u}{A_1}}{s(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_h^2}{s}^2+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_h}{{\mathrm{\ω}}_h}s+1)}---\left(2\right)$

其中，液压固有频率

等效液压弹簧刚度液压阻尼

2)当砂轮接触工件时(K_s≠0)，伺服阀开度到活塞位移的传递函数为：

$\frac{\mathrm{\ΔY}\left(s\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(s\right)}=\frac{\frac{A_1{L}_C\sin \mathrm{\δ}{K}_q{K}_u}{K_{\mathrm{ce}}{K}_s{L}_n}}{(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_r}s+1)(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}{s}^2+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_0}{{\mathrm{\ω}}_0}s+1)}---\left(3\right)$

由伺服阀开度到液压缸输出力的传递函数为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{F}_h\left(s\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(s\right)}=\frac{\frac{A_1{K}_q{K}_u}{K_{\mathrm{ce}}}(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m^2}{s}^2+1)}{(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_r}s+1)(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0^2}{s}^2+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_0}{{\mathrm{\ω}}_0}s+1)}---\left(4\right)$

其中，负载综合刚度

工件等效固有频率

二阶谐振频率

而一阶转折频率ω_r为：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{K_{\mathrm{ce}}}{A_1^2}/(\frac{1}{{\tilde{K}}_s}+\frac{1}{K_h})---\left(5\right)$

比较传递函数(2)与(3)可知，加上弹性负载后传递函数(3)中出现了一个转角频率为ω_r的低频惯性环节，其大小由液压系统弹簧刚度K_h和负载综合刚度

决定，它远小于ω₀、ω_h和ω_m。因此，有弹性负载的情况下，从伺服阀阀芯开度ΔU到油缸输出力ΔF_h的传递函数的带宽频率远低于无负载情况。

实验表明，公式(4)可以简化为公式(6)作为辨识模型。闭环辨识函数中的工件等效自然频率ω_c1与工件等效的固有频率ω_m相关，但经过了PI控制器调整；ω′_r为闭环辨识函数中的一阶转角频率，ω′₀为闭环辨识函数中的二阶共振频率，同样，参数ω′_r、ω′₀、ζ′₀也都经过了PI控制器的调整，但认为调整前后的这些参数的差异可以忽略。

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{F}_h\left(s\right)}{\mathrm{\ΔU}\left(s\right)}=\frac{K_p(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{c1}}+1)}{(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_r^{\′}}+1)(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_0^{\′2}}+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_0^{\′}}{{\mathrm{\ω}}_0^{\′}}s+1)}---\left(6\right)$

即PI控制器中的比例系数。

附图6和附图7说明了液压系统频域特性与活塞杆位移之间的函数关系。

磨削过程中，台车带着工件沿Z轴方向运动而经过砂轮。辊坯直径沿Z轴方向有大范围的变化，因此活塞杆工作点是时变的，与之相关联的磨削臂液压压下系统频响在磨削过程中是时变的。

将活塞杆工作点分别置于300、800、1000、1100mm，测试各位置上的阶跃响应，并将采集的数据分别对公式(6)进行辨识，用所辨识模型的参数画出一组力控系统频率响应特性如附图6所示。因为磨削臂支撑油缸活塞杆工作区间是300～1100mm，对应工件直径是450～1780mm，工件转速30～6RPM。磨削时，控制系统干扰源主要来自工件不圆度和疤瘤，即系统工作在图5的0.1～1.5Hz区域。由此可见，活塞杆位置不同对系统动态特性影响比较大，在0.6Hz附近，活塞杆位置由800mm变动到300mm时，相位特性相差近30度。

因为活塞杆工作点变化时，油缸上腔体积相应发生变化，从而影响等效液压弹簧刚度K_h，因为它是活塞杆工作点的函数：

$K_h={\mathrm{\β}}_e{A}_1\frac{1}{L-Y}---\left(7\right)$

式中，L：活塞杆长度；y：活塞距无杆腔底部的距离；

当磨削臂压下砂轮接触辊坯后，系统频响特性主要由ω_r决定。因ω_r是负载刚度系数

和K_h的函数(公式5)，为求让静止的砂轮接触并缓慢挤压辊坯，记录油缸输出力F_h与活塞位移y的关系曲线发现，两者在4000N以上区间呈线性关系，斜率就是进而根据一组液压压下系统设计参数，就可以计算得到ω_r与活塞杆工作点的时变关系如附图7所示。

仅ω_r并不能完全说明系统的时变特性。因为公式(6)是磨削臂力控系统传递函数。所以，将附图5中活塞杆工作点位于300、600、800和1000mm时的频响特性曲线-3db点标注在附图7中，观察它的变化趋势(与ω_r相同)可以说明磨削过程中，磨削臂液压压下系统动态特性与活塞杆工作点的相关性。

因为不能在磨削过程中测试系统的动态特性，所以只能选择让砂轮以一恒定的压力值接触工件但不旋转，给油缸输出压力F_h一个激励信号并通过测得实际的油缸输出压力值F_h响应数据，以辨识公式(6)的相关参数。

附图8说明了液压系统在伺服阀小开度(±0.2V)时的非线性特性。

荒磨机液压系统在伺服阀阀芯开度不同的情况下，伺服阀-＞油缸-＞磨削臂构成的液压压下系统的速度响应有明显的非线性特性。尤其是在正常磨削工作时，伺服阀开度是关于零点对称的小区间内，一般为±0.2V，压下系统的非线性特性尤为明显，如附图7所示。

为了辨识这种非线性，由公式(2)微分可得到阀芯开度至活塞杆速度的传递函数如公式(8)所示：

$\frac{V\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{-\frac{K_q{K}_u}{A_1}}{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_h^2}{s}^2+\frac{2{\mathrm{\ζ}}_h}{{\mathrm{\ω}}_h}s+1}---\left(8\right)$

定义：

$K={(-\frac{K_q{K}_u}{A_1})}_{x_p}$

$T_w=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_h}={\sqrt{\left(\frac{J}{K_h{L}_C{L}_B\sin \mathrm{\δ}}\right)}}_{x_p}$

${\mathrm{\ζ}}_h=\frac{K_{\mathrm{ce}}}{A_1^2}\sqrt{\frac{K_{h}J}{L_C{L}_B\sin \mathrm{\δ}}}$

于是：

$\frac{V\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{K}{T_w^2{s}^2+2{\mathrm{\ζ}}_h{T}_{w}s+1}---\left(9\right)$

即，阀门开度与活塞杆速度之间依阀门开度的方向和大小有非线性关系。

附图9说明了速度轴的非线性校正效果。

公式(9)中虽然有K、T_w、ζ_h三个参数，但只有增益K变化最为显著，尤其是在小阀芯开度(0V～1V)情况下，而T_w、ζ_h变化并不明显。因此，可以只对增益K进行阀芯开度与方向的非线性校正。据此，对阀门开度与活塞速度之间建立如下拟合模型：

K(x)＝a₁x²+a₂x+a₃(10)

其中，x为阀门开度，a_i的取值为针对辨识模型参数的拟合结果，如下表所示：

设计非线性校正环节，就是让磨削臂(砂轮)在磨削过程中正负方向的速度一致性。由公式(10)可得到伺服阀开度和模型增益参数之间函数关系。因此，公式(9)参数K的补偿环节形式为：

$G\left(s\right)=\left\{\begin{array}{c}1(-1V<x<0V)\\ -1\&times;\frac{-0.142x^2-0.7212x+2.517}{-0.04242x^2+0.2159x-1.876}(0V<x<1V)---\left(11\right)\end{array}\right.$

经过补偿环节公式(11)之后，伺服阀开度和活塞杆速度模型的动态响应关于零点对称。于是，同一阀芯开度数值(|x₊|＝|x_-|)时，磨削臂向上和向下两个方向运动的速度可以保持一致(|v₊|＝|v_-|)，从而有效地提高了控制品质。

附图10和11说明了磨削辊坯时，辊身的椭圆度、辊颈的铸造偏心所产生干扰实测数据以及产生原因。

荒磨机床是一种无心外圆磨床。4个驱动滚轮托着辊坯，依靠辊坯重量产生的摩擦力矩旋转。因为辊身存在不圆度和表面疤瘤凸起，而辊身与辊颈之间有铸造偏心，所以磨削过程中始终会有一个较大幅值的周期性扰动，频率与工件的旋转周期相关。附图10是一组磨削辊身、辊颈的实测数据。对应工件转速9rpm，压力设定值11000N，采样点数1875，采样频率62.5Hz，采样时长30秒。

从附图9可以看出，无论是辊身还是辊径磨削，活塞位置变化周期与工件转动周期(9rpm，6.67Hz)完全吻合，即干扰来自工件的椭圆度与铸造偏心。

首先考虑椭圆度对辊身磨削的影响。附图10(b)呈周期性变化的活塞位移是由辊身不圆度引起的，幅值约1.5mm。箭头标记的一个周期内数个波峰，是由表面凸起的疤瘤接触左右驱动滚轮、砂轮(如附图11所示)引起的。

磨削时辊坯逆时针转动，表面凸起依次接触左、右驱动滚轮和砂轮，它们都对活塞杆工作点产生一个扰动，即附图10(b)中的三个波峰。根据几何关系和工件转速很容易计算工件从位置a转到位置b、从位置b转到位置c需要的时间，进而对这个缓变的干扰进行抑制。

附图10(a)辊径磨削时，每个周期有2个凸起如箭头a、b所示，这仍然是辊身表面凸起经过2个驱动滚轮时，分别对活塞位置产生的扰动。而近似正弦的周期性波形，是辊径的不圆度使得活塞位置在比较大的范围内振动，当然，这里也叠加了辊身不圆度因素。

附图12的磨削数据说明了采用前馈控制后的辊身磨削效果。

本发明在磨削臂左右侧各180mm处分别设置两个激光位移传感器。用于台车沿Z轴从磨削臂左、或者右方向通过磨削点时，获取旋转辊坯轮廓的变化量。因为辊坯旋转速度v_g(0～30RPM)、台车行进速度v_T(磨削时10～180mm/min)均是变频调速控制量，而激光测量点到砂轮磨削点的几何关系(水平位置、垂直夹角)是设计参数，所以，可以预测到

时段后因辊坯不圆度引起的活塞杆位移增量δ。

实际生产数据统计表明，由辊身不圆度引起的活塞杆位移变化量在2mm以内，铸造偏心叠加辊颈的不圆度引起的活塞杆位移不超过10mm(附图11)。设δ_i是t时段里激光传感器采样序列的第i个轮廓增量，设初始时δ₀＝0(坐落在与工件半径相同的圆上)。前面指出，油缸输出力F_h与活塞位移y在4000N以上区间呈斜率为的线性关系，即，由于工件不圆度对正压力产生的干扰量ΔF_i＝k′δ_i，k′是试验统计数值，它与静态测试有一定的差异。

当轮廓增量产生了正压力波动ΔF_i时，前馈控制器形式为：

F_F＝F_c+(1-β)(-ΔF_i)(12)

F_F：前馈控制量

预测位置偏差的调整系数

R：被加工轧辊的平均半径(mm)

R_max：可加工轧辊的最大半径

力控系统的输出F_c(t)序列按一阶指数形式的参考轨迹逼近压力设定值F_set。它在未来t时刻的值为：

F_r(k+i)＝αⁱF′_c(k)+(1-αⁱ)F_set    i＝1，2，...，t(13)

F_r(k)＝F′_c(k)

其中，F′_c是k时间点的磨削力；α是平滑系数，它确定了压力控制系统对于设定值的跟踪速度。其值与激光位移传感器采样周期、系统时间常数有关。

实际磨削过程中为避免引入的位置调整量过大，力控系统的输出量F_c和前馈调整量F_F有如下叠加关系：

U_c(k)＝0.8F_c(k)+0.2F_F(k)(14)

U_c为阀芯开度控制量，实际的磨削效果数据就如附图11所示。

综上所述，附图13是本发明设计的多轴协同混合控制系统结构。

多轴协同混合控制系统包括三个控制器，如图13中虚线框所示，即速度控制器、前馈控制器和时变PI控制器，以及相应的参数检测传感器和模型辨识与参数预测模块。控制系统的核心目标是控制磨削过程的磨削力。但磨削力是不可以实时测量的，因此图中以虚线表示，但该力可以通过油缸压力间接获得。实际工作过程中，系统通过对于油缸活塞位置的控制，以不同控制模式实现压力控制工作模式与位置工作模式。选择器用来根据NC程序设定进行工作模式切换，并保证切换平稳，从而获得不同的工作效果。

位置控制模式用于控制磨削臂升降。在恒位置控制方式下，采用经典的串级控制系统结构，以得到平稳快速的位置控制响应。即通过测量活塞位置，获得活塞运动速度，然后通过位置控制器和速度控制器构成串级控制模式，并通过非线性补偿环节，使得系统参数的整定相对简单。

选择器的压力阈值设定是防止压力瞬间过大造成砂轮爆碎的安全事故，一旦系统检测到瞬间压力超过阈值后，会自动切换到速度环，快速抬起磨削臂。

在恒压力控制模式下，控制目标是砂轮与工件接触位置的正压力F_n，即磨削力。由于F_n无法实时测量而油缸压力差F_h是可测的，且与F_n成一定比例关系。所以，系统通过控制F_h间接的控制磨削正压力F_n。时变PI控制器根据活塞杆位置即实际工作点的不同，以及目标压力的参考轨迹，在线调整PI参数，跟踪磨削过程中磨削臂液压压下系统的动态特性变化，保证控制系统的一致性。非线性补偿模块对系统的非线性进行修正，使得伺服阀正负开度的响应关于零点对称。

前馈控制回路是用来克服磨削工件上的疤瘤所带来的干扰的。干扰力模型根据激光传感器的实时测量结果，预测工件轮廓的变化对t时刻以后的正压力扰动，以此调整压力控制器的输出值，从而抵消工件不圆度带来的周期性干扰。

本发明的控制系统为840D数控系统，由人机操作界面、NC数控单元、PLC模块、液压驱动模块及控制软件组成；其中NC数控单元和PLC模块为系统核心控制模块，并包含了数据采集功能；液压驱动模块根据控制模块命令，驱动相应的液压系统；人机操作界面是提供人机接口，以控制设备的安全、平稳运行；控制软件保证了系统各个模块的功能实现。各个部分的相互关系如图14所示。

附图15说明了采用前馈控制后的辊身磨削效果。

附图15(a)和(b)分别是辊肩至辊颈(辊坯直径φ1270mm)的磨削数据(11min)、辊身至辊颈(辊坯直径φ1460mm)的磨削数据(75min)。首先从功率数据可以看到恒压力控制效果，辊身磨削进刀量小所以输出功率也小，辊颈磨削材质软而进刀量大，输出功率就大。但无论是辊身还是辊颈磨削，功率输出都很平滑。其次，从附图15中可以看到，活塞杆工作点变化对磨削正压力、或者功率基本都没有影响。尤其附图14(b)，工作点从辊身磨削的720mm下降至540mm的过程中，控制目标仍然非常的稳定。

中钢集团邢台机械轧辊有限公司热轧辊实际生产情况显示，用直径1600mm、厚10mm的切割轮10分钟切断一根直径为800mm辊颈，在变阻尼情况下保持稳定不变的切割压力、根据活塞杆工作点轨迹实时调整控制系统的动态响应，保持匀速的切割进刀量，说明了本发明提出的非线性时变液压系统的多轴协同混合控制方法非常有效。

Claims (5)

1.高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统，用于控制磨削臂，其特征在于，所述系统包括以下几部分：

带动所述磨削臂运动，支撑液压缸、伺服阀、主泵及油箱的液压压下系统；

安装在所述液压缸上的压力传感器；

安装在所述磨削臂上的位移传感器；

安装在所述伺服阀上的开度传感器；

与所述压力传感器、位移传感器以及开度传感器相连的控制系统。

2.根据权利要求1所述的高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统，其特征在于，所述控制系统包括速度控制器、前馈控制器和时变PI控制器，以及参数检测传感器和模型辨识与参数预测模块，所述三个控制器分别实现对于液压缸中活塞杆的速度控制、干扰抑制和不同工况情况下的良好控制品质。

3.根据权利要求2所述的高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制系统，其特征在于，所述控制系统为840D数控系统。

4.一种高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制方法，其特征在于，该方法基于对速度轴、位置轴、以及工件运动及旋转轴的运动模式辨识获得各轴运动模型参数，结合液压实时控制单元，让砂轮以恒定的正压力和线速度对工件表面进行随形强力磨削；

所述各轴运动模型辨识方法具体步骤为：

(1)建立磨削臂液压压下系统函数；

(2)建立磨削臂、砂轮、工件以及驱动滚轮的机械结构模型，由机械结构模型建立磨削臂运动方程，并根据实际测量的磨削臂的位置和液压缸的压力输出值由模型计算获得磨削正压力；

(3)建立荒磨机磨削臂液压压下系统的方框图，进而由该系统方框图获得伺服阀开度到活塞位移之间的开、闭环传递函数；

(4)位置轴的时变模型辨识：液压系统谐振频率ω_r是活塞杆工作点的函数；

(5)速度轴的非线性模型辨识：对不同方向的阀门开度与系统增益关系建立非线性速度拟合模型，磨削时通过该模型自动进行非线性补偿，使得伺服阀开度和活塞杆速度模型的动态响应关于零点对称，保证同一阀芯开度数值时，磨削臂向上和向下两个方向运动的速度可以保持一致；

(6)前馈模型辨识：前馈控制器形式为F_F＝F_c+(1-β)(-ΔF_i)，其中，F_F为前馈调整量，F_c为力控系统的输出量；预测位置偏差的调整系数R为被加工轧辊的平均半径，R_max为可加工轧辊的最大半径；由于工件不圆度对正压力产生的干扰量ΔF_i＝k′δ_i，k′是试验统计数值，δ是t时段后因辊坯不圆度引起的活塞杆位移增量，δ_i是t时段里第i个轮廓位移增量。

5.根据权利要求4所述的高速强力荒磨机床多轴协同混合液压控制方法，其特征在于，所述速度轴为磨削臂运动速度与伺服阀开度之间的非线性模型；所述位置轴为磨削臂支撑油缸位置与控制系统参数的时变模型；所述工件运动及旋转轴：抑制工件轮廓起伏所带来的干扰的前馈控制模型。

Images