引言
近年來，隨著航空工業的發展，大型薄壁形狀的零件應用越來越廣泛，這類零件不僅形狀復雜，加工精度要求高，而且具有剛度較低的特征。薄壁零件由于重量輕、比強度高等特點，已被廣泛應用于航空航天領域。隨著航空工業的進一步發展，薄壁零件的應用會更加廣泛，質量的需求也會進一步提高。航空薄壁件加工有諸多難點：加工振動、整體加工變形、在線測量等等。在線測量又分為對厚度的在線測量、激光測量、熱補償測量、幾何測量等等。在線測量是實現薄壁件加工后保持位置不變，直接對其測量的技術，其優勢在于減少薄壁件的返修周期，保證航空薄壁件制造過程中質量的穩定，提高其加工效率。
目前，對有曲率工件采用單點測量，即離線測量。離線測量誤差較大，不能滿足高精度的要求。相對于傳統剛性工裝裝配產品離線測量方式，在線測量技術實現了產品裝配、測量和誤差補償的集成，其測量結果直接以實時數字量表征。在線檢測技術的發展為數控加工過程的質量檢測提供了一套行之有效的方法，能夠在零件加工過程中對零件加工的精度進行直接測量，保證加工過程和測量過程同時進行。
為了實時測出薄壁件的厚度，提出了在線測量的方法。壓力閉環控制是在線測量中重要的子系統，是關系到在線測量能否正常進行的一個重要環節，壓力的穩定性對測厚讀數有重大影響，并且恒定的壓力可以保證不劃傷工件。我們通過壓力閉環控制實現測厚裝置和薄壁件之間的壓力恒定，實現壓力恒定的算法有自適應算法、PID算法等。關于壓力的控制系統設計許多學者開展了這方面的研究。尹凱通過壓力傳感器對水壓進行采樣，采入PLC的PID模塊，通過PID模塊進行閉環控制，實現了灌溉系統的節水節能。樊秋實、何樂、夏群生對試驗車進行參數匹配后實現了符合制動需求的壓力閉環控制。蔡智亮、郭立杰、尹玉環采用一種基于電機的扭矩與位移的轉換公式來實現攪拌頭軸向力的閉環控制。周曉娟、剛軼金、賈繼瀕利用應用較為廣泛的PID控制算法，設計實現了恒壓供水的控制。
1壓力閉環控制系統
1.1壓力閉環控制系統的設計
閉環控制是將輸出量直接或間接反饋到輸入端形成閉環、參與控制的控制方式，若由于干擾的存在使系統實際輸出偏離期望輸出，系統自身便利用負反饋產生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系統輸出量恢復到期望值上，這正是反饋的工作原理。由此可見，閉環控制具有較強的抗干擾能力。不管外界有什么干擾，都能夠快速準確地達到期望值。
通過壓力傳感器及信號放大器和五軸機床的Z軸形成一個閉環控制回路，如圖1所示。
壓力閉環控制保證測厚裝置和薄壁件之間有一定的力即可，通過前期實驗得出，當測厚裝置和薄壁件之間的壓力為600N時，可以得到最好的實驗效果。如圖1所示，set為壓力設定值，即set=600N。rea1為實際壓力值。sub為壓力的差值，sub=rea1-set。AZ為Z軸的移動量。壓力閉環控制系統的輸入是set,輸出是rea1。
為了得出最好的控制策略，需對控制環進行建模分析，得出PID參數即可控制AZ和sub的關系。PID控制算法作為經典控制算法中的典型代表，具有結構簡單、參數物理意義明確、易于實現、魯棒性好和可靠性高等優點。然而PID控制算法的難點不是編寫或閱讀控制程序，而是整定控制器的參數。整定P、I、D參數時最重要的是得出系統控制環的傳遞函數。相對于控制環來講，控制環的輸入是sub,輸出是AZ。rea1反饋到輸入端與set作差得出sub,sub通過控制環得出AZ,通過執行環從而達到增大或減小壓力的效果，使測厚裝置與薄壁件表面的壓力維持在600N附近波動。為了得出控制環的傳遞函數，需要知道控制環是幾階系統。先假設控制環是一階系統，一階系統傳遞函數的公式是：K/（Ts+1）。若以一階系統控制壓力效果良好，則可認為該壓力閉環控制系統是一階系統：若效果不好，則把控制環假設成二階系統。
通過實驗得出sub和AZ的關系圖，并且擬合直線，則斜率即傳遞函數的K值。通過sub隨時間的變化和AZ隨時間的變化，并進行歸一化處理，即可得出傳遞函數的T值。得出傳遞函數的K值和T值以后，通過MATLAB仿真，即可得到P、I、D參數。然后通過PLC可編程邏輯控制，驗證所得的P、I、D參數是否可應用于實際的控制過程。
1.2實驗元器件的選型及電氣原理圖的設計
測量環境是雙轉臺五軸數控加工中心，x、y、Z為移動軸，A、C為旋轉軸。薄壁件如圖2所示，其標準厚度是5.56mm。本實驗是對薄壁件進行在線測量，通過測厚儀得到各點的厚度，其精度可以達到0.01mm。
壓力傳感器如圖3所示。壓力傳感器的工作原理：吸附在基體材料上的應變電阻，隨著機械形變而產生阻值的變化。壓力傳感器的量程為0~5kN,壓力傳感器的作用是檢測當前測厚裝置和薄壁件之間的壓力，通過信號放大器放大信號，然后反饋信號給PLC,從而控制五軸機床Z軸的抬升或進給，實現壓力閉環控制。
信號放大器如圖4所示。信號放大器的原理：輸入基礎信號，經過電橋電路，放大輸入信號，提升基礎信號電壓，輸出比原來信號的電壓高出許多倍的放大的基礎信號。因為壓力傳感器的電壓信號只有0~98mV（即檢測的壓力0~5kN對應著0~98mV），這么小的信號PLC是讀取不到的，所以需要信號放大器把0~98mV的信號放大成0~10V。
使用軟件EPLAN設計壓力傳感器和信號放大器的電氣原理圖，如圖5所示。
1.3MATLAB得出P、I、D參數
先隨意使用一個控制，導出數據，通過MATLAB進行數據處理。
通過圖6可知，sub基本上在±200N之間跳動，大部分點在±150N之間，而且可以看出sub的正行程與反行程基本對稱。第一個原因是壓力傳感器本身有誤差，精度不是太好。本實驗所選的壓力傳感器量程是0~5kN,精度是1%,所以會有±50N的跳動。第二個原因是所測量的工件是帶曲率的薄壁件，可能會引入一定的誤差。因為我們假設該壓力閉環控制系統是一階系統，所以通過MATLAB對圖6的散點圖進行了線性擬合，擬合后的曲線如圖6中的藍色直線所示，該系統輸入與輸出的關系式為AZ=0.00001266×sub＋0.2302。通過該關系式，可以算出當實際壓力值是600N時，Z軸的進給量為0.00001266×0＋0.2302=0.2302mm:也可算出傳遞函數的K值即擬合后的曲線的斜率，即K=0.00001266。
為了得出傳遞函數的T值，通過MATLAB畫出sub隨時間變化的曲線及AZ隨時間變化的曲線，并對兩條曲線進行歸一化處理，畫在同一張圖中。選取sub的最大值和AZ的最大值那一段曲線，如圖7所示。
因為采集了1095個點，得出sub的最大值對應AZ的最大值，如圖7所示很明顯有個滯后環節。通過計算，得出T=0.625s。
所以該壓力閉環控制的傳遞函數為0.00001266/（0.625s＋1）。通過MATLAB軟件中的PID調節器，得出壓力閉環控制系統的參數Kp=179、Ki=135300、Kd=0,如圖8所示。
綜上所述，PID參數初步整定完成。
1.4西門子PLC編程
基于西門子s7-300的PLC,用sTEP7對其進行編程。通過壓力傳感器把讀入的壓力信號進行A/D轉化，該電壓信號通過信號放大器放大成0~10V,然后輸送給PLC:PLC執行PID算法后，通過D/A轉化，控制五軸機床的Z軸進給。通過PID算法改變五軸機床的Z軸，從而使薄壁件與測厚裝置之間的壓力維持在600N左右。在硬件組態已經完成的基礎上，調用FC105和FB41。實際壓力值通過壓力傳感器讀取，設定壓力值為600N。PLC流程圖如圖9所示。
Z軸抬升過程：當實際壓力大于設定壓力時，系統通過抬升Z軸減小壓力，使實際壓力達到600N。
Z軸進給過程：當實際壓力小于設定壓力時，系統通過進給Z軸增大壓力，使實際壓力達到600N。
通過變量表設置PID程序中的GAIN（比例環節）、TI（積分環節）、TD（微分環節）參數，該參數由上述計算過程得出，從而得出最佳的壓力閉環控制。
2實驗結果
通過MATLAB仿真得到的Kp、Ki、Kd數據基本接近，但需要做出調整。因為傳遞函數可能會有點誤差，而且系統會受到外界的影響。把Kp改成145,Ki改成115000,即可達到最佳實驗效果，測厚裝置與薄壁件的壓力值維持在600N左右。修改如表1所示。
MATLAB仿真后得出的P、I、D參數根據PLC實際情況修訂后，導出real隨時間變化的數據。通過MATLAB數據處理，得出實際壓力real與時間1之間的關系圖，如圖10所示。厚度如圖
11所示。
通過圖10分析可知，經過五軸機床Z軸的調整，可以使實際壓力大部分在530~680N之間跳動，達到了一個較好的控制效果。壓力閉環控制調節完成后，使用測厚儀測量出薄壁件上各點的厚度，數據在5.56~5.58mm之間跳動，其精度可以精確到0.01mm。
3結語
利用壓力傳感器和五軸加工中心的垂直軸組成一個閉環控制，通過PLC編寫PID對垂直軸進行控制，可以達到一個穩定的壓力值。當外界環境發生變化時，微調P、I、D參數即可。采用本文所述壓力閉環控制系統，滿足了在線測量的條件，進而能夠高精度地測出薄壁件的厚度，使得在線測量薄壁件厚度成為了可能。
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