CN106365433A - 一种光纤预制棒精密延伸数控机床及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤预制棒精密延伸数控机床及其控制方法，该机床主体为光纤预制棒精密延伸数控机床，主要由机械部分、电气控制部分、加热装置气路控制部分组成。机床机械部分采用伦茨电机与精密行星齿轮减速机配合调速、花键轴传动，以满足传动精度及工艺设计要求；电气控制部分采用了基于规则修改的自适应模糊控制算法来控制移动夹具速度的稳定和位置的准确；加热装置气路控制部分采用氮气、氢气以及氧气三种控制气体以保证设备安全并实现自动化控制。运用该装置可提高光纤预制棒的延伸效率，同时可以保证预制棒延伸后直径波动很好的控制在0.5mm以内。

Description

一种光纤预制棒精密延伸数控机床及其控制方法

技术领域

本发明属于机床设计及控制领域，更具体地，涉及一种光纤预制棒精密延伸的装置及其控制方法。

背景技术

随着现代社会的高速发展，互联网和通信技术的应用越来越广泛，宽带走进千家万户，对光纤的需求量也越来越大。光纤预制棒就是制造光纤时先熔制出的合适的玻璃棒。光纤预制棒的精密延伸是VAD芯棒沉积与OVD包层沉积之间的过渡工艺，根据后道拉丝的需要或者为了剔除已制好预制棒上的瑕疵，将大尺寸棒延伸为较小尺寸的棒。尽管延伸只是光纤预制棒制造工艺中的一道辅助工序，却是决定预制棒质量及成本的一道重要工序。

由于受专利约束国内光纤制造的延伸设备基本都是依靠进口，国内很多光纤制造厂家早期所购买的进口横向机床采用的是人工控制移动夹具的位移，喷灯的火焰也是人工调整的，存在生产效率低下，产品质量较低等问题。虽然近些年企业在早期购买的机床上进行改造，但仍然存在问题。

如申请号201420517428.9，名称为“一种PID模糊控制玻璃车床”的专利，该方法使用PID模糊控制策略，虽然取代了人工控制移动夹具的移动，但在实际控制过程中整定参数较困难，而且模糊控制规则表一旦确定就不可以修改，不能完全实现自动化，加工精度也不高。

发明内容

本发明的目的，是为了解决现有光纤预制棒玻璃车床右端卡盘运行速度不稳定、定位不精确等问题；同时，克服了现有PID模糊控制方案中整定参数困难、控制规则表确定就不可修改的缺点，实现自动化控制。

针对上述现有技术存在的不足，改进现有光纤预制棒玻璃车床，并提出了一种基于规则修改的自适应模糊控制方法，使右端移动夹具按要求的速度运行，满足实际控制效果。

本发明的技术方案如下：

光纤预制棒精密延伸数控机床由左端卡盘1、移动喷灯台2、右端卡盘3、测径仪、气体流量控制器、石墨拖辊6、伺服电机组成。不同于普通玻璃车床，该机床左右两卡盘和移动喷灯台位置可通过床身后的一根导轨进行调节，保证了加工位置的准确。测径仪固定在移动喷灯台2上，加工前先通过移动喷灯台2测出预制棒直径。气体流量控制器安装在喷灯台2上，主要控制氮气、氢气及氧气。传统设备上的气缸以及普通气动元器件的控制都是采用压缩空气，该机床采用氮气，保证了设备安全。通过质量流量计控制氢气及氧气的流量，保证氢气与氧气的充分燃烧和大小火的切换，此外还在氢气的管路上配备了阻火器，保证了气体燃烧的安全性。石墨托辊6位于左端卡盘1和移动喷灯台2之间，用于支撑玻璃棒，调整跳动。伺服电机有三个，分别是移动主轴驱动电机4、喷灯台平移驱动电机5和主旋转电机7，主轴驱动电机4固定安装于右端卡盘座上，驱动轴连接卡盘以控制卡盘移动，喷灯台平移驱动电机5固定安装于喷灯台座上，驱动轴连接喷灯台以控制喷灯台移动，主轴驱动电机7固定安装于左端卡盘座上，控制卡盘旋转。

光纤预制棒精密延伸数控机床分为三个部分，实现模块化设计。机床机械部分采用伦茨电机与精密行星齿轮减速机配合调速、花键轴传动，以满足传动精度及工艺设计要求；电气控制都采用西门子PLC S7-300和伦茨伺服系统，根据工艺流程实现自动化智能化控制，右端卡盘的控制采用基于规则修改的自适应模糊控制策略；加热装置气路控制部分采用氮气、氢气以及氧气三种控制气体以保证设备安全并实现自动化控制。设计了一种能够在PLC控制系统上实现的基于规则修改的自适应模糊控制器。该控制器以修正因子为寻优参数，性能指标为目标函数，自寻优过程根据目标函数不断推算出新的修正因子，逐渐逼近最小目标函数值，达到了自寻优调整模糊控制规则、改善系统品质的目的。

机床控制方法具体步骤如下：

步骤1)、加工时，先将待加工预制棒固定在卡盘上，将预制棒均匀分成n段，测径仪从左往右测出每段中点的预制棒直径，根据直径数据确定每段所对应的喷灯移速。

步骤2)、根据预制棒延伸过程中体积不变的定律建立数学模型

A_iV₀＝A₀(V₀-V_i)

化简得：

式中：A₀：光纤预制棒变形前断面面积；

V₀：氢氧焰喷灯移动速度；

V_i：右端移动卡盘拉伸速度；

α：光纤预制棒延伸过程中半锥角；

C：常数；

步骤3)、根据以上数学模型，由喷灯移速确定右端移动夹具移动速度，制定在线自动修改控制规则，并得出关系式：

$\tilde{U}=\mathrm{\α}\tilde{E}+\mathrm{\β}\tilde{C}$

式中：输出控制量的模糊集合；

偏差；

偏差变化率；

α、β为[0,1]之间的数；

为了参数寻优过程的简便，可以得出下面带修正因子的控制规则表达式

$\tilde{U}=<\mathrm{\&alpha;}\tilde{E}+(1-\mathrm{\&alpha;})\tilde{C}>,\mathrm{\&alpha;}\&Element;(0,1)$

步骤4)、通过此带修正因子的控制规则表达式来控制右端卡盘的运行，既达到了自寻优调整模糊控制规则、改善系统品质的目的，也使预制棒延伸后的直径波动控制在了0.5mm以内。

有益效果

本发明将光纤预制棒精密延伸数控机床分为机械部分，电气控制部分，加热装置气路控制部分，实现模块化设计。机床机械部分采用伦茨电机与精密行星齿轮减速机的配合并采用花键轴传动，既满足了定位准确和速度稳定，也保证两端组件无滑动和转动角度无偏差；电气控制部分采用了基于规则修改的自适应模糊控制算法来控制移动夹具运行，不仅满足控制要求，还提高了延伸效率实现自动化；加热装置气路控制部分采用氮气、氢气以及氧气三种控制气体，传统设备上的气缸以及普通气动元器件都是采用压缩空气，而光纤预制棒精密延伸数控机床都是采用氮气，保证了设备的安全。为了保证氢气与氧气的充分燃烧和大小火的切换，采用了质量流量计进行精确控制，并且从安全角度考虑，也在氢气的管路上配备了阻火器。这三部分缺一不可，实现了对光纤预制棒的精密延伸。在对右端卡盘的控制方面，采用基于规则修改的自适应模糊控制算法。相比PID模糊控制算法，省去整定PID参数环节，也没有模糊控制规则表不可修改的弊端。与人工手动调节相比，自适应模糊控制算法实现了自动化控制。经实验验证，该方法不仅可以提高预制棒延伸效率，而且可以很好地控制直径波动在0.5mm以内。

附图说明

图1为光纤预制棒延伸装置的结构示意图；

1-固定主轴箱、2-移动喷灯台、3-移动主轴箱、4-移动主轴驱动电机、5-喷灯台平移驱动电机、6-石墨托辊、7-主旋转电机。

图2为自适应模糊控制算法中寻优算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本实例是将一根长1500mm左右，直径约48mm左右的预制棒经过延伸操作后变为直径40mm。经延伸操作后，可去除光纤预制棒上的杂质并为后续拉丝操作做准备。

光纤预制棒精密延伸数控机床由左端卡盘1、移动喷灯台2、右端卡盘3、测径仪、气体流量控制器、石墨拖辊6、伺服电机组成。不同于普通玻璃车床，该机床左右两卡盘和移动喷灯台位置可通过床身后的一根导轨进行调节，保证了加工位置的准确。机床左右两卡盘之间最大距离为3000mm，确保1500mm的光纤预制棒可以装夹上。测径仪固定在移动喷灯台2上，喷灯台2长300mm，宽480mm，在加工前先通过移动喷灯台2测出预制棒直径。气体流量控制器安装在喷灯台2上，主要控制氮气、氢气及氧气。传统设备上的气缸以及普通气动元器件的控制都是采用压缩空气，该机床采用氮气，保证了设备安全。通过质量流量计控制氢气及氧气的流量，保证氢气与氧气的充分燃烧和大小火的切换，此外还在氢气的管路上配备了阻火器，保证了气体燃烧的安全性。石墨托辊6长150mm，宽480mm，位于左端卡盘1和移动喷灯台2之间，用于支撑玻璃棒，调整跳动。伺服电机有三个，分别是移动主轴驱动电机4、喷灯台平移驱动电机5和主旋转电机7，主轴驱动电机4固定安装于右端卡盘座上，驱动轴连接卡盘以控制卡盘移动，喷灯台平移驱动电机5固定安装于喷灯台座上，驱动轴连接喷灯台以控制喷灯台移动，主轴驱动电机7固定安装于左端卡盘座上，控制卡盘旋转。

具体步骤如下：

步骤1)、经延伸前的接柄工序后，在1500mm两端加上柄。然后将待延伸预制棒固定在左右卡盘上，将预制棒均匀分成20段，测径仪从左往右测出每段中点的预制棒直径，根据直径数据确定每段所对应的喷灯移速。

步骤2)、根据预制棒延伸过程中体积不变的定律建立数学模型

A_iV₀＝A₀(V₀-V_i)

化简得：

式中：A₀：光纤预制棒变形前断面面积；

V₀：氢氧焰喷灯移动速度；

V_i：右端移动卡盘拉伸速度；

α：光纤预制棒延伸过程中半锥角；

C：常数；

步骤3)、根据以上数学模型，可由喷灯移速确定右端移动夹具移动速度。为更好的控制右端夹具移速按要求运行，设计了一种能够在PLC控制系统上实现的基于规则修改的自适应模糊控制器。该控制器以修正因子α、β为寻优参数，性能指标为目标函数，自寻优过程根据目标函数不断推算出新的修正因子，逐渐逼近最小目标函数值，达到了自寻优调整模糊控制规则。制定在线自动修改控制规则，并得出关系式：

$\tilde{U}=\mathrm{\&alpha;}\tilde{E}+\mathrm{\&beta;}\tilde{C}$

式中：输出控制量的模糊集合；

偏差；

偏差变化率；

α、β为[0,1]之间的数；

为了参数寻优过程的简便，可以得出下面带修正因子的控制规则表达式

$\tilde{U}=<\mathrm{\&alpha;}\tilde{E}+(1-\mathrm{\&alpha;})\tilde{C}>,\mathrm{\&alpha;}\&Element;(0,1)$

式中＜X＞表示一个与X符号相同但其绝对值是大于或等于|X|的最小整数。

寻优算法采用工程上常用的黄金分割法，该方法简单实用，原理简单，而且收敛速度也较快，如图2所示为自寻优过程。

步骤4)、通过此自适应模糊控制算法来控制右端卡盘的运行，既达到了自寻优调整模糊控制规则、改善系统品质的目的，也使预制棒延伸后的直径波动控制在了0.5mm以内。

Claims (2)

1.一种光纤预制棒精密延伸数控机床，包括左端卡盘(1)、移动喷灯台(2)、右端卡盘(3)、测径仪、气体流量控制器、石墨拖辊(6)、伺服电机，其特征在于，该机床左右两卡盘和移动喷灯台位置可通过床身后的一根导轨进行调节，测径仪固定在移动喷灯台(2)上；气体流量控制器安装在喷灯台(2)上，控制氮气、氢气及氧气；石墨托辊(6)位于左端卡盘(1)和移动喷灯台(2)之间，用于支撑玻璃棒，调整跳动；所述伺服电机有3个，分别是移动主轴驱动电机(4)、喷灯台平移驱动电机(5)和主旋转电机(7)，主轴驱动电机(4)固定安装于右端卡盘座上，驱动轴连接卡盘以控制卡盘移动，喷灯台平移驱动电机(5)固定安装于喷灯台座上，驱动轴连接喷灯台以控制喷灯台移动，主轴驱动电机(7)固定安装于左端卡盘座上，控制卡盘旋转。

2.如权利要求1所述机床的控制方法，其特征在于，在PLC控制系统上实现的基于规则修改的自适应模糊控制器控制卡盘移动，具体步骤如下：

步骤1)、加工时，先将待加工预制棒固定在卡盘上，将预制棒均匀分成n段，测径仪从左往右测出每段中点的预制棒直径，根据直径数据确定每段所对应的喷灯移速；

步骤2)、根据预制棒延伸过程中体积不变的定律建立数学模型A_iV₀＝A₀(V₀-V_i)

化简得：

式中：A₀：光纤预制棒变形前断面面积；

V₀：氢氧焰喷灯移动速度；

V_i：右端移动卡盘拉伸速度；

α：光纤预制棒延伸过程中半锥角；

C：常数；

步骤3)、根据以上数学模型，由喷灯移速确定右端移动夹具移动速度，制定在线自动修改控制规则，并得出关系式：

$\tilde{U}=\mathrm{\&alpha;}\tilde{E}+\mathrm{\&beta;}\tilde{C}$

式中：输出控制量的模糊集合；

偏差；

偏差变化率；

α、β为[0,1]之间的数；

为了参数寻优过程的简便，可以得出下面带修正因子的控制规则表达式

$\tilde{U}=<\mathrm{\&alpha;}\tilde{E}+(1-\mathrm{\&alpha;})\tilde{C}>,\mathrm{\&alpha;}\&Element;(0,1)$

步骤4)、通过此带修正因子的控制规则表达式来控制右端卡盘的运行，使预制棒延伸后的直径波动控制在了0.5mm以内。