CN109604419A - 一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法 - Google Patents

Abstract

一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法，针对数控裁断加工过程移动压头的实际位置偏离定位位移目标值的问题，建立数控裁断加工过程移动压头位移与动力输入的有效扭矩的动态数学模型，根据移动压头定位位移目标值建立一个等价的移动压头位移与动力输入的有效扭矩的连续时间动态模型，计算数控裁断加工过程移动压头定位自动控制器，实现数控裁断加工过程移动压头的定位自动控制。本发明提供一种设计简单且易于实现、实时性较好、快速性较好和准确性较高的数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法。本方法可以适用于更加复杂多样的裁断加工材料、工艺要求和作业工况，提高数控裁断加工装备的控制水平。

Description

一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法

技术领域

本发明属于数控裁断加工过程自动控制领域，涉及一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法。

背景技术

数控裁断加工过程需要裁断装备连续不断进行冲裁作业，其中，移动压头是裁断装备的核心部件之一，关系着裁断产品的质量和生产效率。因此，移动压头的精确定位自动控制技术是数控裁断加工过程的关键控制技术。采用液压传动装置是目前数控裁断加工过程实现移动压头定位操作的主要工艺途径。通过对现有数控裁断加工过程移动压头定位控制方法的文献的检索发现，目前数控裁断加工过程移动压头定位控制方法主要有：基于经验的人工手调控制方法和基于PID控制器的移动压头定位控制方法，但基于经验的人工手调控制方法依赖操作人员的经验，不能根据裁断加工材料、工艺要求和作业工况变化而改变，存在冲裁过程移动压头定位调节不方便，冲裁高度控制精度不高，极易导致冲裁不彻底，增加不合格产品的数量；同样由于裁断加工材料、工艺要求和作业工况的差异大，基于PID的移动压头定位控制方法需要调整三个控制器参数，很难实现数控裁断加工过程移动压头的精确定位控制，而且多个控制器参数调整操作过程复杂，理解抽象。裁断加工材料、工艺要求和作业工况的差异大，但为提高裁断产品的质量和生产效率，数控裁断加工过程移动压头的定位实时性、快速性和准确性要求高。因此，尽管数控裁断加工过程移动压头定位控制方法研究取得了一些成果，但近年来相关企业和人员对于这个具有挑战性的重要难题仍然进行了大量地研究和探讨，以满足数控裁断加工过程对高品质的移动压头定位控制方法的迫切需要。

发明内容

为了克服现有数控裁断加工过程移动压头定位控制方法的实时性较差、快速性较差和准确性较低的不足，本发明提供一种设计简单且易于实现、实时性较好、快速性较好和准确性较高的数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑数控裁断加工过程移动压头位移与动力输入扭矩的动态数学模型，参见式(1)：

其中，t表示时间变量，s；x表示移动压头的位移变量，m；“·”表示位移变量的一阶导数，即移动压头的速度，m/s；“··”表示位移变量的二阶导数，即移动压头的加速度，m/s²；常数C是阻尼系数，N·s/m；M是移动压头的质量，kg；常数H是传动装置的导程，m；常数J是移动压头的等效转动惯量，kg·m²；常数π＝3.14；u表示动力输入扭矩，N·m；

2)、根据数控裁断加工过程移动压头定位位移的目标值x_r，定义位移转换变量z(t)＝x(t)-x_r，得x(t)＝z(t)+x_r，代入式(1)，整理得到一个等价的数控裁断加工过程移动压头定位动态数学模型，参见式(2)：

3)、给定模型式(2)的一组期望闭环极点(λ₁,λ₂)，参见式(3)：

λ₁＝-a+ja,λ₂＝-a-ja (3)

其中，j表示虚数符号，a表示期望闭环极点的特征参数，a>0；

4)、定义数控裁断加工过程在t时刻计算输入扭矩的一个自动定位控制器，参见式(4)：

其中，控制器增益系数g₁和g₂由式(5)计算确定

5)、在线测量移动压头定位位移的实际值，根据式(4)实时计算动力输入扭矩，数控裁断加工过程移动压头定位控制系统根据计算结果实时调整裁断装备的动力输入扭矩，如此周而复始，实现数控裁断加工过程移动压头对位移目标值x_r的自动定位控制。

本发明的技术构思为：针对数控裁断加工过程移动压头的实际位置偏离定位位移目标值的问题，建立数控裁断加工过程移动压头位移与动力输入的扭矩的动态数学模型，根据移动压头定位位移目标值建立一个等价的移动压头位移与动力输入扭矩的连续时间动态模型，计算数控裁断加工过程移动压头定位自动控制器，实现数控裁断加工过程移动压头的定位自动控制。

本发明主要执行部分在数控裁断装备控制计算机上运行实施。本方法应用过程可以大致分为3个阶段：

1、参数设置，包括模型参数和定位控制器参数：在模型导入界面中，输入模型式(1)中常数C、M、H、J和π的值；在定位控制器参数设置界面中，输入移动压头定位目标值x_r和期望闭环极点特征参数a；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存。

2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，控制系统进入定位控制器调试阶段，以数控裁断加工过程移动压头位移变化1米作为测试量，调整组态界面中的期望闭环极点特征参数a，观察数控裁断加工过程移动压头位移与动力输入扭矩的控制效果，由此确定一个能良好实现数控裁断加工过程移动压头定位控制的闭环极点特征参数；参数a的取值规则：a为正实数；参数a的调整规则：增大a的值将加快数控裁断加工过程移动压头的定位速度，但也会增加动力输入扭矩量；相反，减小a的值将减缓数控裁断加工过程移动压头的定位速度和动力输入扭矩量，但会增加移动压头的定位时间，因此，实际调试参数a时，应权衡数控裁断加工过程移动压头的定位速度、时间和动力输入扭矩量之间的综合性能。

3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，启动数控裁断装备控制计算机的CPU读取数控裁断加工过程移动压头定位数学模型参数、定位目标值和最佳闭环极点特征参数，并执行“数控裁断加工过程移动压头定位控制程序”，通过在线测量数控裁断加工过程移动压头的实际位移值，实时计算动力输入扭矩，数控裁断加工过程移动压头定位控制系统根据扭矩的计算结果实时调整移动压头移动位置，如此周而复始，实现数控裁断加工过程移动压头对定位目标值的自动控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法仅有一个设计参数，设计简单、在线实施简便、实用性强；2、数控裁断加工过程移动压头的实际位置在偏离定位目标值时能自动调节动力输入扭矩量，从而可以适用于更加复杂多样的裁断加工材料、工艺要求和作业工况，提高数控裁断加工装备的控制水平。

附图说明

图1为数控裁断加工过程移动压头定位控制系统原理图；

图2为数控裁断加工过程移动压头定位控制系统控制下的移动压头的位移实时响应曲线；

图3为数控裁断加工过程移动压头定位控制系统计算出的动力输入扭矩实时曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1、图2和图3，一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑数控裁断加工过程移动压头位移与动力输入扭矩的动态数学模型，参见式(1)：

其中，t表示时间变量，s；x表示移动压头的位移变量，m；“·”表示位移变量的一阶导数，即移动压头的速度，m/s；“··”表示位移变量的二阶导数，即移动压头的加速度，m/s²；常数C是阻尼系数，N·s/m；M是移动压头的质量，kg；常数H是传动装置的导程，m；常数J是移动压头的等效转动惯量，kg·m²；常数π＝3.14；u表示动力输入扭矩，N·m；

2)、根据数控裁断加工过程移动压头定位位移的目标值x_r，定义位移转换变量z(t)＝x(t)-x_r，得x(t)＝z(t)+x_r，代入式(1)，整理得到一个等价的数控裁断加工过程移动压头定位动态数学模型，参见式(2)：

3)、给定模型式(2)的一组期望闭环极点(λ₁,λ₂)，参见式(3)：

λ₁＝-a+ja,λ₂＝-a-ja (3)

其中，j表示虚数符号，a表示期望闭环极点的特征参数，a>0；

4)、定义数控裁断加工过程在t时刻计算输入扭矩的一个自动定位控制器，参见式(4)：

其中，控制器增益系数g₁和g₂由式(5)计算确定

5)、在线测量移动压头定位位移的实际值，根据式(4)实时计算动力输入扭矩，数控裁断加工过程移动压头定位控制系统根据计算结果实时调整裁断装备的动力输入扭矩，如此周而复始，实现数控裁断加工过程移动压头对位移目标值x_r的自动定位控制。

本实施例为数控裁断加工过程移动压头自动定位控制过程，具体操作如下：

1、在参数设置界面中，输入数控裁断加工过程移动压头定位过程的常数值C＝2.97×10³、M＝5、H＝0.01、J＝3.85×10^-6和π＝3.14，再输入移动压头定位目标值x_r＝1；输入期望闭环极点特征参数a；

2、在组态界面上点击“调试”按钮进入调试界面，启动数控裁断加工过程移动压头定位控制计算机的CPU调用事先编制好的“控制器增益计算程序”求解控制器增益系数g₁和g₂，具体计算过程如下：

1)根据给定的期望闭环极点特征参数a，利用公式(5)计算定位控制器增益系数g₁和g₂；

2)控制器增益系数g₁和g₂得到动力输入扭矩量计算公式(4)，并以移动压头位移变化1米为测试量，根据特征参数a的取值和调整规则，比较移动压头位移输出结果和扭矩量计算结果，调试特征参数得到a＝0.707，计算控制器增益系数g₁＝0.0104和g₂＝-4.7123，并将计算结果保存到计算机存储单元中；

3、点击组态界面“运行”按钮，启动数控裁断加工过程移动压头定位控制计算机的CPU读取移动压头定位数学模型参数、定位目标值、最佳闭环极点特征参数和控制器增益系数，执行“数控裁断加工过程移动压头定位控制程序”，通过在线测量数控裁断加工过程移动压头的实际位移值，实时计算动力输入扭矩，数控裁断加工过程移动压头定位控制系统根据扭矩的计算结果实时调整压头的移动位置，在下一个调节周期到达时，在线测量移动压头的实际位移，之后重复整个执行过程，如此周而复始，实现数控裁断加工过程移动压头对位移目标值的自动定位控制。

以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出优良性能的数控裁断加工过程移动压头自动定位控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种数控裁断加工过程移动压头自动定位控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑数控裁断加工过程移动压头位移与动力输入扭矩的动态数学模型，参见式(1)：

其中，t表示时间变量，s；x表示移动压头的位移变量，m；“·”表示位移变量的一阶导数，即移动压头的速度，m/s；“··”表示位移变量的二阶导数，即移动压头的加速度，m/s²；常数C是阻尼系数，N·s/m；M是移动压头的质量，kg；常数H是传动装置的导程，m；常数J是移动压头的等效转动惯量，kg·m²；常数π＝3.14；u表示动力输入扭矩，N·m；

2)、根据数控裁断加工过程移动压头定位位移的目标值x_r，定义位移转换变量z(t)＝x(t)-x_r，得x(t)＝z(t)+x_r，代入式(1)，整理得到一个等价的数控裁断加工过程移动压头定位动态数学模型，参见式(2)：

3)、给定模型式(2)的一组期望闭环极点(λ₁,λ₂)，参见式(3)：

λ₁＝-a+ja,λ₂＝-a-ja (3)

其中，j表示虚数符号，a表示期望闭环极点的特征参数，a>0；

4)、定义数控裁断加工过程在t时刻计算输入扭矩的一个自动定位控制器，参见式(4)：

其中，控制器增益系数g₁和g₂由式(5)计算确定

5)、在线测量移动压头定位位移的实际值，根据式(4)实时计算动力输入扭矩，数控裁断加工过程移动压头定位控制系统根据计算结果实时调整裁断装备的动力输入扭矩，如此周而复始，实现数控裁断加工过程移动压头对位移目标值x_r的自动定位控制。