摘 要：【目的】汽車雙離合變速箱（Double Clutch Transmission，DCT）的核心零部件換擋轂加工制造精度要求高，針對數(shù)控銑削工藝的非線性問題，通過優(yōu)化切削參數(shù)，以提高生產(chǎn)效率及延長刀具壽命?！痉椒ā恳灾鬏S負載恒功率為約束條件，設(shè)計一種基于模糊控制算法的銑削加工控制系統(tǒng)。采用CP1E N30作為主控制器、CX-programmer開發(fā)下位機程序、Kingview開發(fā)上位機系統(tǒng)，完成基于主軸功率信號反饋的智能控制器的開發(fā)?！窘Y(jié)果】在XHK716加工中心機床上實現(xiàn)銑削工藝的恒功率控制，通過換擋轂粗銑B平面工藝過程的應(yīng)用，可知實時功率保持在目標功率附近。【結(jié)論】該控制系統(tǒng)提高了銑削加工效率，實現(xiàn)了保護刀具的目標，對延長刀具壽命有較好的參考價值。

關(guān)鍵詞：換擋轂；恒功率；模糊控制；數(shù)控銑削

中圖分類號：TP273+.4 " "文獻標志碼：A " " 文章編號：1003-5168（2024）12-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.001

Design and Implementation of CNC Milling Control System for Shift Hub Based on Constant Power Constraint

XU Jinyu ZHAO Yajun CAO Yuncong WEI Shiyi

（School of Electrical and Information Engineering， Hubei University of Automotive Technology，Shiyan "442002，China）

Abstract：[Purposes] The core component of the automobile's dual-clutch transmission （DCT）， the shifting hub， requires high precision in manufacturing.Aiming at the nonlinear problem of CNC milling process， the cutting parameters are optimized to improve the production efficiency and prolong the tool life.[Methods] This paper designs a milling control system based on a fuzzy control algorithm with the constraint of constant power on the spindle load. This paper utilizes CP1E N30 as the main controller， develops the sub-controller program using CX-programmer， and creates the upper-level system using Kingview to achieve the development of an intelligent controller based on spindle power signal feedback.[Findings] This paper implements constant power control for milling processes on the XHK716 machining center machine tool. Through the application of shifting hub rough milling B plane process， it can be seen that the real-time power is maintained near the target power.[Conclusions] This control system has achieved the goal of improving milling process efficiency as well as protecting cutting tools， and provides valuable reference for extending tool life.

Keywords： shifting hub; constant power; fuzzy control; cnc milling

0 引言

隨著汽車市場規(guī)模擴大和全球化采購迅速增長，我國汽車零部件產(chǎn)業(yè)供應(yīng)體系逐步完善，形成了全球規(guī)模最大、品類齊全、配套完整的產(chǎn)業(yè)體系。但是，高附加值的核心零部件仍然較少。如變速箱是汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵之一，其核心零件換擋轂決定了換擋的效率和平順性。換擋轂屬于精密薄壁腔體類零件，加工工藝包含銑削特征及車削特征，加工要求嚴格［1-2］。銑削加工參數(shù)的優(yōu)化有助于延長刀具使用壽命并降低碳排放量。

許鋒立等［3］提出一種基于優(yōu)化灰狼算法的銑削參數(shù)動態(tài)多目標優(yōu)化方法。該方法能夠在整個刀具的壽命周期內(nèi)根據(jù)刀具的壽命衰變程度提供時段內(nèi)最優(yōu)的銑削參數(shù)方案；李超文等［4］提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及NSGA-Ⅱ算法的工藝參數(shù)多目標優(yōu)化方法。該方法能準確預(yù)測數(shù)控銑削刀具壽命及工藝碳排放；李澤亞等［5］設(shè)計了基于邊緣控制器的恒功率切削智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅提高了切削效率，并且減少了刀具損耗；史靠軍等［6］提出基于主軸振動信號功率譜能量的刀具磨損監(jiān)測方法。該方法在鈦合金槽腔結(jié)構(gòu)件上可以準確識別刀具的早期磨損程度。

電參數(shù)相較于切削力、切削扭矩等更加容易獲取，并且可以間接反映出數(shù)控機床加工狀態(tài)。因此，采集電參數(shù)以實現(xiàn)銑削工藝參數(shù)優(yōu)化的方法，對于提高加工精度及延長刀具壽命有明顯優(yōu)勢。本研究以FANUC立式加工中心XHK716為對象，提出一種基于恒功率約束的模糊控制算法。該方法采用系統(tǒng)內(nèi)部PMC及I/O LINK接口實時調(diào)整進給倍率，從而實現(xiàn)數(shù)控機床進給速度的實時調(diào)整，以達到在保護刀具和機床的同時有效地提高加工效率以及工件加工質(zhì)量。

1 換擋轂銑削工藝特點

換擋轂采用圓周方向定位夾緊，共分為兩序加工。其中，工序1負責加工A面特征［7］，包括車削工藝及鉆削工藝；工序2負責加工B面特征，包括銑削工藝及車削工藝。換擋轂B面模型如圖1所示。本研究主要針對銑削加工工藝進行優(yōu)化，加工內(nèi)容包括粗銑基準面B平面及底面、銑軸φ85、粗銑螺旋槽、精細螺旋槽?；诤愎β始s束，采用模糊控制算法實現(xiàn)加工過程的穩(wěn)定性［8-9］。

2 模糊控制器設(shè)計

由于銑削過程的非線性特點，根據(jù)專家經(jīng)驗更易于構(gòu)建模糊控制規(guī)則，其模糊控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，設(shè)定目標切削功率[P]，將其與銑削過程實際測量得到的主軸功率[Po]進行比較，獲得實時誤差[e]；其次，將實時誤差[e]與比例因子[Ke]相乘，得到模糊控制器第一輸入[Ep]；最后，實時誤差[e]經(jīng)過微分運算后再與比例因子[Kc]相乘，得到模糊控制器的第二輸入[EU]。

變量[EU]、[Ep、?u]的模糊集為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，分別對應(yīng)｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，量化模糊論域依次為｛-5，-3，-1，0，1，3，5｝。通過將輸入模糊控制器進行模糊化處理，并根據(jù)工藝工程師和電氣工程師長期以來對車削加工的實踐經(jīng)驗總結(jié)，構(gòu)建模糊規(guī)則見表1。同時，采用三角形隸屬度函數(shù)如圖3所示。采用Mamdani控制規(guī)則進行模糊推理運算，在進行反模糊化后，獲得進給倍率調(diào)整量[?u]，并與實時進給倍率[u]疊加，獲得優(yōu)化后的進給倍率。將優(yōu)化倍率值送入數(shù)控系統(tǒng)，從而改變機床主軸進給速度，實現(xiàn)銑削過程的模糊控制。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，基于立式加工中心XHK716和FANUC數(shù)控系統(tǒng)0i-MD，使用功率傳感器采集有功功率模擬量電流信號；其次，選用歐姆龍CP1E N30主控制器及模擬量模塊MAD11，經(jīng)過模糊控制器運算獲得優(yōu)化進給倍率值，再通過I/O LINK修改進給倍率，以實現(xiàn)調(diào)整進給電機轉(zhuǎn)速的目的。同時，采用TCP/IP通信方式連接Kingview，將采集到的功率曲線實時顯示，實現(xiàn)人機交互。整個控制系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖4所示。

3.2 軟件程序設(shè)計

首先，采用軟件CX-programmer開發(fā)下位機程序?；谀繕斯β收`差為0%，高于目標功率誤差域劃分為四個梯度：+1%至+5%、+5%至+15%、+15%至+25%、高于+25%，與之相應(yīng)的倍率調(diào)整值設(shè)定為-5%、-10%、-20%、-30%。低于目標功率誤差域?qū)ΨQ劃分為四個梯度：-1%至-5%、-5%至-15%，-15%至-25%、高于-25%，與之相應(yīng)的倍率調(diào)整值設(shè)定為+5%、+10%、+20%、+30%。主程序流程如圖5所示。

其次，采用軟件Kingview開發(fā)上位機系統(tǒng)。其中包含歡迎界面、功率曲線監(jiān)控界面、切削參數(shù)界面，上位機位置如圖6所示。功率曲線監(jiān)控界面可以顯示目標功率、當前功率、當前倍率的實時數(shù)值及趨勢圖，并設(shè)置歸檔變量可以導(dǎo)出功率報表；切削參數(shù)界面包括模糊論域、調(diào)整倍率、調(diào)整周期、目標功率設(shè)置及功率切削參數(shù)設(shè)置。

4 試驗驗證與結(jié)果分析

本研究開發(fā)的基于恒功率約束的數(shù)控銑削控制系統(tǒng)在立式加工中心XHK716上進行的試驗驗證如圖7所示。刀具選用直徑20 mm的M2-AL三刃鋁用銑刀。

分別設(shè)計兩個試驗進行驗證：試驗1為預(yù)驗證試驗。采用雙凹槽鋁塊作為待加工零件，進行銑削恒功率控制試驗驗證，并以此作為對比的試驗。試驗2為應(yīng)用驗證試驗。采用汽車雙離合變速箱核心零部件換擋轂作為待加工零件，進行粗銑基準面B平面。兩次試驗所采用的加工材料均一致。

4.1 雙凹槽鋁塊預(yù)驗證試驗

試驗選用的加工工件為50 mm×100 mm×150 mm的鋁合金塊，用于模擬復(fù)雜的工件表面。其表面預(yù)先銑削兩條1.5 mm×30.0 mm×100 mm的凹槽，尺寸如圖8所示。試驗設(shè)定的切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2 000 mm/min、切削深度3.2 mm，切削寬度20 mm。

分別采集傳統(tǒng)加工方式和基于恒功率約束的加工方式的功率數(shù)據(jù)，并繪制功率曲線對比如圖9所示。曲線A是未加入模糊控制的功率曲線，當銑削至凸起時背，吃刀量增大，功率明顯升高；當銑削至雙凹槽時背，吃刀量減小，功率明顯降低。曲線B是加入恒功率約束進行模糊控制的功率曲線，較為平滑，在目標功率附近波動，避免了對銑刀的沖擊及損耗。

試驗運用Matlab將有功功率數(shù)據(jù)進行處理，獲得兩次銑削功耗、效率、比能數(shù)據(jù)見表2。從表2分析可知，基于恒功率約束的加工方式比傳統(tǒng)的加工方式功耗更低、比能更低、時間更短、效率更高。

4.2 換擋轂粗銑平面應(yīng)用驗證試驗

試驗設(shè)定的加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速2 500 mm/min、切削深度1 mm。應(yīng)用驗證試驗功率曲線對比如圖10所示。換擋轂粗銑基準面B平面應(yīng)用試驗在加入模糊控制后，銑削功率基本保持在750 w。

5 結(jié)語

本研究以恒功率為約束條件，設(shè)計了基于模糊控制的銑削加工控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二維模糊控制算法可自動調(diào)整FANUC立式加工中心XHK716主軸的進給倍率。不僅通過雙凹槽鋁合金銑削加工試驗，驗證了該系統(tǒng)具有較好的控制效果。而且通過換擋轂粗銑B平面應(yīng)用驗證試驗，驗證了該系統(tǒng)的實時功率保持在目標功率附近，達到了提高銑削加工效率的目的，對減少刀具損耗，延長刀具壽命具有一定的參考價值。

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