珩磨机自适应控制方法研究
口赵家黎 口杨宁都 口孙珍菊 口龚俊
兰州理工大学机电工程学院兰州７３００５０ 米
摘要：针对珩磨加工过程多参数耦合程度高、动态实时性强的特点，通过分析珩磨机的加工原理和控制要求，建立珩
磨机往复运动和进给运动的数学模型，提出自适应控制策略，并采用ＳＩＭＵＬＩＮＫ对所建立模型和控制策略进行仿真验证。
关键词：珩磨 自适应控制 ＳＩＭＵＵＮＫ 中图分类号：ＴＧ５８０．６７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１２）０６—００４３－０３
珩磨加￣／－＇Ｖ为一种提高工件尺寸、几何形状精度
和表面粗糙度的有效加工方法，广泛应用在汽车制造、
航天航空等领域…。随着珩磨速度、加速度不断提高和
对珩磨工艺机理研究的不断深入，对珩磨机控制技术
提出更高的要求，而现在珩磨加工过程中高精度的网
纹参数工艺设计与诊断完全由操作人员把握和控制调
节。珩磨网纹的加工质量很大程度上取决于操作人员
技能高低［ 。 为此，本文开展珩磨机自适应控制方法的研究，使
得珩磨加工中控制系统能根据孔径的大小、工件材质
的差异、珩磨参数等的变化，自动地做出合适的调整，
减少人为影响因素，提高发动机气缸套、气缸体孔以
及工程机械中重要的液压缸等精密偶件的加工质量。
１ 珩磨机的控制要求
珩磨加工通常采用一组装配在珩磨头体上的油
石，油石沿径向对工件施加一定的压力，并通过旋转运
动和往复运动进行加工。 １．１ 珩磨头往复运动控制系统 珩磨机主轴往复换向运动是珩磨机控制的关键控
制环节。珩磨机的主轴往复运动速度、换向位置精度、
往复速度的恒定、换向加速度的大小、自适应区域修磨
以及多级液压双进给机构对磨削力的优化给定和精确 调节等，决定了珩磨机的加工精度、表面质量（粗糙度、
网纹质量）、加工效率，也决定了珩磨机的技术水平和
档次。图１为珩磨机往复位置控制系统原理框图，图中
执行器的输出由反馈传感器连续测量，并与指令输人
国家重大科技专项（编号：２０１０ＺＸ０４０００１—１８１） 收稿日期：２０１１年１２月
机械制造５０卷第５７４期 信号进行比较。两者之差即误差信号被放大器放大，产
生的信号加给伺服阀，使执行器产生纠正动作［３］。 １＿２珩磨头进给运动控制系统 进给系统采用多级液压双进给机构，避免了单级
进给机构划伤工件表面的缺点，还可以满足平顶网纹 珩磨工艺的要求。分别利用粗磨油缸和精磨油缸驱动
粗珩连杆和精珩连杆的方式控制油石对工件的压力、
挤压进给．通过调整液压比例系统压力的方法对磨削
力精确给定和实时调整，挤压进给与控速进给的自动
转换可实现提高珩磨效率和加工精度的目的。
２控制系统的数学模型
２．１ 珩磨头往复运动控制系统的数学模型
如图ｌ所示，根据各环节的传递函数，可获得向下
运动伺服阀控制液压缸位置反馈控制系统的传递函数 框图如图２所示 ４＿。
其中， 。为伺服放大器增益，０９ 为伺服阀固有频
率， 为伺服阀阻尼系数， 为伺服阀的静态流量增
益，０３＾为液压缸的固有频率， 为液压缸阻尼系数， ＾
２０１２／６ 为液压缸增益，后，为传感器位移／电压转换系数，Ｍ为输
入量，ｙ（ｓ）为输出量。
２．２珩磨机进给系统阀控缸数学模型
在珩磨机进给系统中，其控制系统框图与珩磨机
往复位置控制系统框图相同，在得知各模块的数学模
型的前提下，可以得到如图３所示的比例阀控液压缸
传递函数框图…。
其中，（ｃ， 为比例减压阀的固有频率， 为比例减压 阀阻尼系数，Ａ。为液压缸活塞有效面积，ｍ为外负载
质量， 为流量一压力系数，ｋ 为传感器的位移／电压转
换系数，ｋ。 为位移放大器增益，ｋ 为电压放大器增益。
ｋ 为系统开环增益，Ｂ。为外负载刚度，ｒ为输入量，ｙ为
输出量。
３智能模糊控制分析
将上述数学模型在ＳＩＭＵＬＩＮＫ中仿真，所得曲线
如图５、６所示。从图可知，在往复运动系统中，仿真曲 线有振荡。为消除振荡，本文采用模糊控制对原系统作
校正。模糊控制是基于模糊集合理论、模糊逻辑，并同 传统的控制理论相结合，模拟人的思维方式，对难以建
立数学模型的对象实施的一种控制方法［ 。在模糊控
制中，不需要建立精确的数学模型就可以实现控制，由
于液压控制系统存在非线性和外负载干扰等对其影响
较大的因素，建立其精确的数学模型比较困难，而模糊
控制的优点正好可以应用在液压控制系统中。智能模
糊控制的基本结构如图４所示，它是模糊系统辩识和
模糊控制的结合．具有一定的适应变化的能力。
模糊控制得以实际应用的关键在于模糊控制器的
设计．而模糊控制器设计的关键又在于模糊控制规则。
在本系统的模糊控制中，选取模糊控制器为二维的，即
误差信号 和误差变化信号 作为模糊控制器的输
入变量．输出变量为伺服放大器的控制变量 。一般
地．模糊变量取值７个，是模糊控制大都采用的标准形 式 Ｍａｍｄａｎｉ在最初的试验中使用的是离散的变量，取
了１３个数值作为变量的论域＿６］。所以在该模糊控制系
统中取Ｅ、 的论域均为［一６，６］，其模糊子集都为｛ＮＬ，
ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ， ， ， ｝。Ｕ的论域为［一６，６］，模糊子集
为｛ＮＬ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＯ，Ｐ５，ＰＭ，咒｝。由于三角形函数的表
示和计算简单明了，同时它也能很好地满足控制系统
２０１２／６ 的性能要求．因此输入和输出量的隶属函数采用单值
对称交迭的三角形函数（ｔｒｉｍｆ）。去模糊化方法选用“面
积中心法”，同时将采用Ｍａｍｄａｎｉ方法进行仿真推理
运算。模糊控制规则如表１所示 。 表１模糊控制规则表
Ｅ、Ｅｓ ＮＬ ＮＭ ＮＳ ＰＳ ｆ 舭 兕 咒 咒 ， Ｚ０ ＺｒＪ ＮＭ 尼 咒● 咒 删 ＺＤ Ｎｓ ＰＭ ｆ 只Ｍ ｆ ＺＤ ＮＳ Ｎｓ ｚｏ ｍｆ ｆ ＰＳ Ｚ０ Ｎｓ ＮＭ ＮＭ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ｚ０ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ｆ Ｚ０ Ｚ０ ＮＭ Ｌ 舭 ＮＬ Ｚ０ ｚＤ ＮＭ 舭 脱 舭 ＮＬ
由模糊控制校正后的往复运动系统仿真曲线如图
７所示。
机械制造５０卷第５７４期 自增强复合 ＿－－ Ｃｊ 同 压缸的参数优化设计
口汤多良・ 口周庆宏： 口梁海珍ｚ
１．淮南职业技术学院安徽淮南２３２００１
２．安徽理工大学 安徽淮南２３２００１
摘要：基于水切割机自增强多层复合高压缸的结构、制造工艺及设备特点的分析与研究，得出影响其性能和质量的
主要因素为复合层数及过盈量，借助有限元软件的运算仿真功能，探索出不同工作条件下具有最佳使用性能的多层复合 高压缸的优化方法。
关键词：水切割机 自增强 复合高压缸ＡＮＳＹＳ软件 有限元优化
中圈分类号：ＴＨ１２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１２）０６—００４５－０３
近年来，伴随着我国经济的飞速发展，能源的消耗
量日益剧增，不仅破坏了环境，而且影响到国民经济的
可持续性发展。因此，如何利用环保、低耗、可再生的方
式来代替传统的生产方式，一直是摆在科研技术人员
面前需要解决的迫切问题。水射流作为近３Ｏ年来发展 起来的新技术，具有成本低、清洁、环境友好、被加工材
料无热损伤等优点．且是唯一一种冷切割加工工艺…，
因此到目前为止被大家认为是最具开发和利用、替代
传统生产方式的加工方法之一。主要用途是对物料进
收稿日期：２０１２年３月 行切割、破碎和清洗等。根据水射流切割的工作原理可
知，其工作效率与施加的工作压力有着密切的关系．因
此，为了获得高切割效率和稳定、可靠的使用寿命，水
射流切割技术发展趋势必然是高压强、长寿命。高压缸
作为水射流高压生成系统的核心部件，其性能的好坏，
直接影响着水射流切割的能力和使用寿命。针对目前
市场上使用的单层结构高压缸，提高其工作压力的方 法多为增加壁厚或选用高性能材料．这不仅增加了制
造和使用成本，而且还受到结构上的限制（外内径比不
超过５）［２－３ ３。如何降低成本，提高高压缸使用寿命，就必
４仿真分析
在ＳＩＭＵＬＩＮＫ中，根据往复运动系统和进给系统 的数学模型建立各仿真模块图。在往复运动系统和进
给运动系统的仿真中．各参数数值如表２所示。
表２仿真参数
Ａ。 ， 。 ５００ Ｏ．８５ ２．４６８ ５４４．７ ０．１５ １．４ １．５ ５ ０．６
仿真曲线如图５、６、７所示。从图５、６所示的曲线
图中得知，在这两个控制系统中，振动较小，响应较快，
输出信号平稳，系统性能较好。如图７所示，往复运动
原系统的输出信号在达到稳定之前．在期望值附近会
有微幅振荡，应用模糊控制策略校正。系统的输出信号 在达到期望值之前曲线较平缓；如图６所示，进给运动
系统的输出信号在达到其期望值的过程中比较平缓。
５结论
本文研究了珩磨机主轴往复运动控制系统和进给
运动控制系统的控制原理，由控制原理框图得出两系
机械制造５０卷第５７４期 统的数学模型，最后在ＳＩＭＵＬＩＮＫ下建立仿真模型，得
出仿真曲线。对存在振荡的曲线应用模糊控制校正．使
输出信号在达到期望值之前尽量平缓。从图６、７的仿
真曲线可以看出，在正常情况下，系统的启动平稳，工
作过程稳定，因此，系统的工作性能满足设计要求。
参考文献
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［２］ 电气工程手册编辑委员会．机械工程手册第８卷［Ｍ］．北 京：机械工业出版社．１９８２．
［３］ 吴振顺．自适应控制理论液压力控制系统中的应用研究
［Ｊ］．机床与液压，２０００（６）：５９—６０． ［４］ 廉小亲．模糊控制技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００３．
［５］单冬．模糊控制原理与应用［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，
１９９５． ［６］ 石辛民，郝整清．模糊控制及其ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：北
京交通大学出版社．２００８．
△ （编辑 丁 罡）
２０１２／６