无卡轴旋切机床进刀速度伺服控制

无卡轴旋切机床进刀速度伺服控制 李运华 郭 乙宏 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院 北京 1 0 0 1 9 1 摘要 通过对无卡轴旋切机床的工作原理 传动过程和刀架进给期望速度 函数 的分析 指出旋切控制的关 键在于刀具进给与原木实际转动速度的配合 采用旋转编码器实时检测原木转动线速度 以及刀架 进给速度 使用数字控制器和无速度传感器异步电动机 矢量控制对刀架进给过程进行控制 从而实 现了无卡轴旋切机床进刀速度伺服控制 该控制方法通过引入实际原木转速和 刀架进给速度的反 馈 采用 自适应模糊控制策略有效地提高了系统的精度和抗干扰能力 理论与应用实践证明 该方 法具有 良好的应用价值和市场开发前景 关键词 无卡轴旋切机床伺服控制 变速进给 自适应模糊控制 误差比率 中 图分类 号 T G5 1 T P 2 7 3 文 献标 识码 A S e r v o c o n t r o l f o r f e e d r a t e o f s p i n d l e l e s s v e n e e r l a t h e LI Yu n h ua GU0 Yi h o n g S c h o o l o f A u t o ma t i o n S c i e n c e a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g B e i h a n g U n i v e r s i t y B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 C H N Ab s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e s a n d a n a l y z e s t h e wo r k i n g p ri n c i p l e t r a n s mi s s i o n p r o c e s s o f t h e s p i n d l e l e s s v e n e e r l a t h e a n d t h e e x p e c t e d f e e d r a t e f u n c t i o n t he n c o n c l ud e d t ha t t h e k e y o f p e e l i n g c o n t r o l i s c o o r d i n a t i n g t h e f e e d r a t e o f t h e t o o l p o s t wi t h t h e a c t u a l p e r i p h e r a l s p e e d o f t h e l o g W e a p p l y r o t a r y e n c o de t o d e t e c t t he a c t u al pe r i p he r a l s p e e d o f t h e l o g a n d t h e f e e d r a t e o f t he t o o l p o s t u s e a d i st al c o n t r o l l e r a n d a s y n c h r o n o u s mo t o r wi t h s e n s o r l e s s v e c t o r c o n t r o l t o c o n t r o l the f e e d p r o c e s s o f t h e t o o l p o s t S O t h a t t h e f e e d r a t e s e r v o c o n t r o l f o r s p i n d l e l e s s v e n e e r l a t h e i S r e a l i z e d B y i n t r o d u c i n g a c t u a l f e e d b a c k f r o m t he r o t a t i n g s p e e d o f t h e l o g a n d t h e f e e d r a t e o f t h e t o o l p o s t e mp l o y i n g t he a d a p t i v e f u z z y c o n tro l s t r a t e g y t h i s c o nt r o l me t ho d e f f e c t i v e l y i mp r o v e s t h e p r e c i s i o n a n d a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y o f t h e s y s t e m I t ha s b e e n p r o v e d b y t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n t h a t t h i s me t h o d h a s e x c e l l e n t a p p l i c a t i o n v a l ue a n d ma r k e t d e v e l o p me n t p r o s p e c t Ke y wo r ds S p i n d l e l e s s Ve n e e r L a t h e S e r v o Co nt r o l S p e e d r e g u l a t i n g F e e d Ad a p t i v e F u z z y Co n t r o l Er r o r Ra 一 n 旋切机床是一种木工机床 用于将原木旋切成单 板 是胶合板生产线上的重要设备 其中无卡轴旋切 机床由于采用辊轴外圆夹紧待加工原木 可以大大 减小加工后剩余木芯的直径 提高木材利用率而受到 普遍重视 无 卡轴旋切机床 中一般至少需要3 个辊轴 其 中 P 9 2厚壁无缝钢管挤压毛坯 7结语 3 6万 t 垂直挤压机的成功建设 使北方重工成为 继美国威曼高登之后掌握大型挤压技术 并拥有世界 上最大挤压机的厂家 成为 国内唯一可生产超超临界 P 9 2 大口径厚壁无缝钢管的供应商 在做好大口径厚 壁无缝钢管的同时 积极开展了钛合金 高温合金 的挤 压研究 奠定了进人航天航空用钛合金 高温合金产品 的基础 该垂直挤压大口径厚壁无缝钢管生产线将为 企业发展提供强有力 的支撑 作者 白箴 1 9 5 6年 生 高级工程 师 研 究方向为 锻 压 工 艺及 其设 备 编辑谭 弘颖 收 稿日 期 2 0 1 1 0 7 一 o 4 文章编号 l l 2 o i 0 如果您想发表对本变的看法 请将文章编号填入读者意见调查袭中的相应位置 1 zuI 串 帚l 1朋 2个辊轴旋转 中心 固定 第 3个辊轴与切刀共 同安装 于进给刀架上 实现压尺 的功能 同时做为驱 动辊之 一 刀架 由电动机驱动做直线进 给运动 切刀完成单 板 的旋切 为确保旋切单板厚度均匀 进给速度要随 原木直径变化 因此 刀架进给速度 的控制精度至关 重 要 目前用凸轮进给方式控制刀架进给运动已逐渐 由 电气调速进给方式取代 而且 电气调速控制法 目前 电磁调 速 J 变频调速 和电液 比例 调速 都有应 用 目前国产旋切单板的厚度为 0 2 5 5 5 mm 而国 外旋切机床旋切单板的厚度最厚可达 1 2 m m 精密旋 切机床旋切单板 的厚度精度可达 0 0 2 m m 为了进一 步提高生产效率和产量 J o h n O l d h a m等采用多个小 A C S e r v o电动机来代替传统 的单个 A C电动机或 D C 电动机的方式 在同样功率输出的前提下 减小了电动 机的转动惯量 提高 了辊轴启 动和停止 的速度 J 在 理论研究方面 G u o L J 等研究了旋切速度 旋切角 刀 具安装高度等因素对旋切单板质量 的影响 6 J 蒋身学 等分析 了柔化辊和光滑压辊对单板质量及旋切参数的 影响 本文首先介绍了无卡轴旋切机床的工作原理及其 传 动系统 讨论了刀架进给期望速度函数 设计 了一种 实用的刀架进给速度伺服控制算法 通过高性能 D S P 数字控制实现了高精度 高速度旋切伺服控制 1 工作原理与运 动学分 析 1 1 无卡轴旋切机床工作原理 无卡轴旋切机床工作原理如图 1所示 旋切过程 中的原木 由3个圆辊支撑 其 中辊轴 A和辊轴 B作为 驱动辊用来驱动原木旋转 并提供旋切 时的转矩 2个 驱动辊由电动机带动旋转 转速基本相同 旋切单板所 需的转矩完全来源于驱动辊与原木外表面摩擦所产生 的转矩 从动辊 C 一方 面和2 个 驱动辊一起支 撑旋切 图l 无卡轴旋切机床工作原理示意图 u I I 耳 D e sig n a n d R 黜 a 设计与研究 过程中的原木 另一方面通过同轴安装 的旋转编码器 B检测原木旋转时的实 际线速度 用于刀架进 给速度 的伺服控制 无卡轴旋切机床旋切过程 中 随着被旋 切的原木 直径的减小 刀架要不 断往前进 给 保证驱动辊 A和 切刀的刀尖与原木的外表面始终接触 刀架 的进给速 度决定旋切出单板的厚度 进给运动通过变频 电动机 驱动丝杠螺母来实现 安装于丝杠末端的旋转编码器 A检测刀架的速度与位移 通过 闭环速度伺服控制实 现刀架的进给控制 1 2刀架进给运动学分析 无卡轴旋切机床旋切过程运动学示意 图见 图 2 为了保证旋切出的单板厚度一致 进刀过程 的基本要 求是 原木每旋转 1圈 刀尖点 P 相对于原木 的圆心 0前进的距离为单板厚度 E 当驱动辊与原木两者之 间无相对滑动时 认为原木 的线速度等于驱动辊的线 速度 随着旋切的进行 原木半径逐渐减小 由于线速 度不变 原木旋转 1圈的时间会越来越短 所 以要求刀 架的进给速度越来越快 设两固定辊的对称 中心点为 0 中心距为 两驱动辊与从动辊直径为 D 加工中 的原木直径为 d 旋切单板厚度为 E 由图 2知 L O 0 R O P c 1 而O 0 R o 0 一 0 l o D 2 d 2 M 2 4 所以 L W D d 一 d 2 刀架的进给速度 13 可以表示为 警 丢 3 图2 无卡轴旋切机床旋切过程运动学示意图 设原木 的线速度为 则单位时间内原木横截面 的面积减少值为 V c E 即原木横截面 的面积变化率为 LE 所 以 d 1 订 LE 4 由式 4 可得 75 设计与研究 嘲 n a n d R e se a rc h d I Td 将式 5 代人式 3 可得 5 1 6 一 J 原木的直径在工作过程中不方便直接测量 而 0 P 的长度 则容易测量 由式 2 可得 d与 间的数 学关系为 d 7 2 一D 4 L 将式 7 代入式 6 并进行整理可得无卡轴旋切机床 工作过程 中进给速度与刀架位置 和原木线 速度 的方程如下 一 r 一 叮 T D 2 L 一 4 L 一D 图 3给出了原木线速度不变时刀架进给速度 与 位置 的关系曲线 图 3中 双辊中心距 1 0 2 mm 原木的线速度等于驱动辊 的线速度 驱动辊转速为 9 0 r mi n 求得原木线速度 为 4 7 1 m r n s 辊子直径 D 1 0 0 m i l l 从 图 3可知 刀架进给速度变化率与切削单 板厚度有关 单板厚度越厚 进给速度变化范围越大 越难控制 通过控制刀架进给速度跟随期望进给速度 可 以实现旋切单板的控制 o I 2 5 2 0 蔫 1 5 螽 1 0 5 0 0 1 00 1 5 0 2 00 25 0 30 0 35 0 刀架坐标位置L mm 图3 刀架进 给速度与位 置的关 系曲线 图 2 刀架进给速度伺服控 制方 案 根据式 8 对无卡轴旋切机床 的刀架进 给速度做 伺服控制 无卡轴旋切机床刀架进给伺服系统的结构 示意图如图 4所示 刀架的进给驱动电动机为三相异 步电动机 电动机经减速传动链通过丝杠推动刀架前 进 而编码器 A与进给丝杠同轴 通过编码器 A可以 得到刀架的位置信息 和刀架的实际前进速度 进刀 速度伺服控制器中的电动机驱动环节采用无速度传感 器矢量控制变频驱动 图 5所示为伺服控制器基本功能结构图 控制器 的输入信号是原木外表线速度 和刀架位置坐标 获得原木外表线速度 和刀架位置坐标 后 可根 据 式 8 计算 出刀架的期望进给速度 然后对无卡轴 旋切机床的进刀速度 I 1 做伺服控制 目标是刀架的进 给速度 快速高精度地跟随期望进刀速度 三相交流 异步 电动机 卜 醍 木 卫 墨垡 里 堕 堕 编 码 器 A 恫服控制器I 一 图4 无卡轴旋切机床刀架进给伺服系统结构示意图 图5 伺 服控制器 基本功能 结构 图 数字控制器主要包括期望速度计算 速度前馈控 制 电动机速度 自适应模糊控制算法和感应 电动机 的 矢量控制等 4个环节 2 1 期望速度计算与速度前馈控制 当前刀架位置坐标 通过编码器 A检测获得 编 码器 A与刀架驱动丝杠 同轴联接 根据编码器的脉 冲 累积数可以计算 出刀架 的坐标位置 同时根据采样 时 间内的脉冲数也 可以计算 出刀架 的前进速度 计算公式如下 赫 其 中 为机械零位坐标点 L s 为丝杠螺距 Mo 为编码 器 A的分辨率 即单圈产生的脉冲数 采样模式为四 倍频方式 分母上的数字 4为倍频系数 孔为编码器的 累计脉冲数 T为控制器采样时间 为采样时间内编 码器脉冲数 原木实际旋转线速度 通过编码器 B获得 编码 器 B与从动辊 c同轴安装 从动辊 c为自由辊 其旋 转完全 由与原木外表面的摩擦决定 两者之间无滑动 等 I 一 z u l 1年 寻 I朋 则原木外表线速度计算式如下 1 0 式 中 D为从动辊直径 和 分别为一个采样周期 内编码器 B脉冲数和分辨率 T为采样周期 获得原 木外表线速度 I c 和刀架位置坐标 后 根据式 8 可 求得刀架的期望进给速度 无卡轴旋切机床的工作过程是快速且连续变化 的 随着旋切过程的进行 每个瞬时的期望进给速度都 不一样 由于旋转编码器的采样 时间限制 设定采样 控制周期 2 0 ms 控制器每 2 0 m s 采样两个旋转编 码器 计算 当前 的期望进刀速度 然后根据进刀速 度误差的大小做速度调节 为了加快系统响应过程 让刀架进给速度快速进入 小偏差状态 伺服控制器的 电动机速度控制环节中包含一个速度前馈环节 该前 馈环节取为比例环节 并设计电动机矢量控制的前馈 角速度输入为 1 1 式中 为电动机输 出轴到刀架推进丝杠轴的传动 比 为推进丝杠螺距 2 2自适应模糊控制 无卡轴旋切机床旋切原木过程 复杂 且受原木密 度 硬度和形状等因素的干扰导致切削负载的波动非 常大 这时基于模 型的速度伺服 控制策略难 以奏效 为提高鲁棒性 这里电动机速度控制器采用 自适应模 糊控制算法 川 根据旋切状况 的变化 自适应地修正 控制参数 其具体结构如图 6所示 电动机运行 电流 图6 自适 应模糊控 制器 的具体 结构 基于图 3可知 在整个工作行程中 刀架进给速度 变化范围非常大 若采用常规误差定义方式设计 闭环 控制器 为了满足全速度范围内的准确控制 需要在每 个工作点都要设计相应的误差 与输 出的隶属度 函数 若 以误差 比率代替误差大小作为模糊控制器输入用以 实现对速度的控制 则在全速度范 围内只需要一 张隶 属度函数表 误差比率定义如下 矿 z u 1l 毕 帚I 1 朋 D e s ig n a n d R 黜 a 设计与研究 1 2e 1 其 中 为刀架期望进给速度 为通过传感器反馈 的刀架实际进给速度 在基本模糊控制器 的输 出端 经过模糊推理后给 出的控制量同样为比率形式 该比率形式的控制量 乘 以一个 自适应调节的比例系数 K 如果有空载补偿 时 加上空载补偿系数 然后再乘 以进给速度前馈 量 还原为正常控制量 关于模糊 自适应控 制器的详细设计参见文献 1 2 2 3 空载补偿控制 无卡轴旋切机床初始行程阶段 由于切刀还未接 触原木外表面 进给驱动电动机处于空载阶段 而当切 刀突然接触原木外表面时 负载变化巨大 相当于给系 统突然加了一个阶跃负载 系统若不能及时调整速度 进刀速度会突然减慢 造成 刚开始旋切 的一段单板严 重偏薄 为了补偿这一过程的负载冲击 当电动机还 处于空载阶段时 让进给速度增大一定 比例 即在切刀 没接触原木前 进给速度高于期望进给速度一定 比例 用来补偿切刀突然接触原木时的速度损失 在进给驱动电动机空载阶段 刀架期望进给速度 直接由驱动辊的线速度算 出 而不是 由编码器 B采样 计算获得 因为此时原木与从动辊 c接触 不充分 编 码器 B无法真 实反 映原木 实际旋转线速度 根据实 际应用经验 原木空 载补偿系数 与木材 的硬度有 关 木质软和含水量高的原木例如杨木一般选择 1 0 比较合适 而对于硬度稍大的树种 宜再大一些 3 系统 实现 以及实验对 比分析 在一 台实际的无卡轴旋切机床上进行了控制系统 的相关实验 其驱动辊采用三相异步电动机经减速器 驱动 辊轴长度为 1 4 0 0 m m 直径 1 0 0 m m 恒定工作 转速为 9 0 r ra i n 刀架进给机构采用三相交流电动机 经减速器和丝杠螺母机构驱动 电动机的速度矢量控 制环节通过变频器实现 旋转 编码器 A和旋转 编码 器 B与控制器之 间通过光 电隔离实现 电气保护 伺 服控制器采用 rr I 公司 的 D S P T MS 3 2 0 L F 2 4 0 6 A 其外 设包括 P WM 正交编码器接 口等 非常适合感应电动 机的运动控制 整体系统几何参数如下 双辊中心距 为 1 0 2 mm 驱动辊转速为 9 0 r rai n 机械零位坐标 为 1 0 0 l ri m 丝杠螺距 为 6 m m 传动比 为 1 9 2 1 从动辊的直径 D为 1 0 0 m m 设定单板厚度 E为 1 0 m m 所测刀架实际进给速 度与刀架坐标 L 的关系如图7 所示 从图7中可以看 设计与研究 D e s g n a n d R e s e o rc n 出 实际速度能够很好地跟踪期望速度 吕 置 趟 图7 进 给速度 一 位置 曲线 图 实验原木的直径为 2 8 6 m m 为经过粗加工后的标 准圆形 切削后剩余木芯直径为 3 0 m m 旋切 出的单 板长度为 2 0 2 2 IT I 因为我们最终关心的是旋切 出的 单板的厚度均匀度 所以在单板的长度方向上 用千分 尺按顺序测量了 1 0 0个点 为了检验空载补偿的作用 在前 1 0 c m长度范围内测量了1 O 个点 以后大约每隔 2 0 c l n测量 1 个点 图 8为单板厚度分布 图 横坐标 为测量点的顺序 竖坐标为单板厚度值 从 图 8中可 以得出以下结论 前 1 0个 点为旋切开 始时单板 的前 1 0 c m 从图中可 以看到 前 5个点 的厚度快速逼近设 定厚度 1 r f l m 即旋切单板 的长度在 5 c m 以内就进入 设定单板 的厚度范 围 系统反应非常迅速 这要得益于 空载补偿系数的应用 除去旋切起始阶段的 1 0个点 后面的厚度 值上 限为 1 0 2 m m 下 限值 为 0 9 9 m m 可见通过控制系统对进刀速度的精确控制大大提高了 其切削精度 采样序号 图8 单板厚度一 测量序号折线图 4结语 本文通过对无卡轴旋切机床传动过程的运动学分 析求得了刀架进给期望速度 函数 指 出旋切控制的关 键在于刀具进给与原木真实转动速度的匹配 文 中设 计了一种采用旋转编码器实时检测原木转动实际线速 度以及刀架进给速度 通过数字控制器对刀架进给速 度进行控制的实现方案 基于所提 出的控制器架 构 采用 自适应误差 比率模 糊控制算法 同时引入空载补 偿 可以实现宽范 围速度跟踪并解决 在旋切初始阶段 单板厚度偏薄的问题 从而有效地提高旋切机床 的生 产率和旋切质量 所开发的实际系统已应用于实际生 产 取得 了良好的社会效益和经济效益 参考文献 1 张梢纯 朱孝生 巴兴强 等 单板旋切厚度均匀性分析及改进措施 J 东北林业大学学报 1 9 9 7 2 5 2 7 5 7 7 2 王瑞灿 无卡轴旋切机床 电磁调速智 能数控技 术 的应用 研究 J 林木机械与木工设备 2 0 0 1 2 9 8 1 3 1 4 3 鲁霞 胡国清 无卡轴旋切机床液压系统的设计与研究 J 液压 与气动 2 0 0 9 4 5 3 5 4 4 G u o L J D e s i g n o n v a r i a b l e s p e e d f e e d i n g m o d e l a n d a u t o ma t i c c o n tr o l s y s t e m f o r h y d r a u l i c l o g c o r e v e n e e r l a t h e C P r o c e e d i n g o f t h e S e e an d I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n 2 0 0 9 4 7 3 4 7 7 5 J o h n O l d h a m D e l ta AC s e r v o mo t o r v e n e e r l a t h e d ri v e s y s t e m U S A U S 2 0 0 7 0 1 5 7 9 9 2 A1 P 2 0 0 7 0 7 1 6 G u o L J Mo d e l i n g a n d s i mu l a t io n o f p i t c h ang l e for l o g c o r e v e n e e r l a t h e C P r o c e e d i n g o f t h e S e c o n d I n t e rna t i o n al S y mp o s i u m o n T e s t Au t o ma t i o n a n d I n s t r u me n t 2 0 08 1 3 8 5 1 3 8 8 7 蒋身学 戴春平 王建和 柔化辊和光滑压辊对单板质 量及 旋切参 数 的影 响 J 南京林业大学学报 2 0 0 7 3 1 4 6 1 0 8 C e r r u t o E C o n s o l i A R a c i t i A e t a 1 Ad a p t i v e f u z z y c o n t r o l o f h i g h p e rf o r ma n c e m o t i o n s y s t e ms C P r o c e e d i n g s o f I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n Po we r E l e c t ron i c s a n d Mo t i o n Co n t rol 1 9 9 2 88 9 4 9 Wa h b a M MI MO I n