專(zhuān)利名稱(chēng)：一種可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工領(lǐng)域，涉及控制方法，特別是數(shù)控銑削加工過(guò)程的模糊控制方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，我國(guó)數(shù)控的年需求量已達(dá)到2萬(wàn)臺(tái)以上，如何充分發(fā)揮設(shè)備效率，是企業(yè)關(guān)注一個(gè)重要的問(wèn)題。在實(shí)際加工過(guò)程中，加工變量一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，數(shù)控程序在加工前以手工方式或通過(guò)CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制，為了防止加工過(guò)程不可預(yù)測(cè)性，往往采取保守的切削用量，這種做法導(dǎo)致較低的金屬切削率，而選擇合適的切削用量又要花費(fèi)較多時(shí)間來(lái)進(jìn)行用量計(jì)算，另外有突發(fā)事件，如刀具破損、主軸電機(jī)過(guò)負(fù)荷又缺乏有效的實(shí)時(shí)反饋。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，加工過(guò)程的自適應(yīng)模糊控制主要有兩種方法1.Xifan Yao在2003年3月《ASME通訊》上提出在模糊芯片上實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的模糊控制方法，該方法通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)給速率，以切削力為目標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)控制。
2.給出了一種中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?2226532，專(zhuān)利名稱(chēng)為數(shù)控加工實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置。該專(zhuān)利申請(qǐng)一種數(shù)控加工實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，該發(fā)明提出通過(guò)測(cè)量主軸電機(jī)電流，把電機(jī)電流為自適應(yīng)目標(biāo)，應(yīng)用模糊自適應(yīng)控制的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高加工的效率，有效保護(hù)了加工設(shè)備和提高了加工質(zhì)量。
方法1以切削力為自適應(yīng)目標(biāo)需要安裝測(cè)力計(jì)，測(cè)力計(jì)過(guò)于昂貴、它的安裝影響加工零件的固定精度，而且在干擾比較嚴(yán)重的加工環(huán)境下測(cè)力計(jì)的運(yùn)行可靠性得不到保證。方法2中的控制系統(tǒng)卻存在這些問(wèn)題(1)應(yīng)用的主軸電機(jī)電流為自適應(yīng)目標(biāo)判定電機(jī)過(guò)負(fù)荷，條件過(guò)于單一；(2)只是單一調(diào)節(jié)進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)，可能帶來(lái)主軸速度與進(jìn)給速率的不匹配，固定的轉(zhuǎn)速和過(guò)高的進(jìn)給速率會(huì)使刀具磨損加??；過(guò)高的進(jìn)給會(huì)使切削片過(guò)厚，從而帶來(lái)機(jī)床震動(dòng)；固定的轉(zhuǎn)速和過(guò)低的進(jìn)給速率又會(huì)使金屬切削率過(guò)低。(3)單一調(diào)節(jié)進(jìn)給分檔倍率開(kāi)關(guān)，改善穩(wěn)態(tài)誤差性能有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于功率約束的數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，使其解決背景技術(shù)中存在的不足，實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑削加工過(guò)程的智能遞階控制。通過(guò)功率傳感器測(cè)量主軸電機(jī)功率，把主軸電機(jī)功率做為反饋信號(hào)，在線自適應(yīng)模糊調(diào)節(jié)進(jìn)給速率倍率和主軸轉(zhuǎn)速倍率開(kāi)關(guān)，使加工效率和加工質(zhì)量得到顯著提高，也使加工設(shè)備得到在線保護(hù)。
本發(fā)明的目的還在于，通過(guò)數(shù)控銑削加工過(guò)程的遞階模糊自適應(yīng)控制方法，使進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)與主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)協(xié)同，降低由于倍率分檔帶來(lái)的控制性能的穩(wěn)態(tài)誤差。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于功率約束的數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，它通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，設(shè)置主軸功率的傳感器、模糊控制器、進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)控制接口、主軸轉(zhuǎn)速倍率開(kāi)關(guān)控制接口和數(shù)控系統(tǒng)中輔助M功能碼的開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口。所述主軸功率傳感器的功率采集用于作為控制器的反饋信號(hào)，所述模糊控制器的輸出，連接數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)和主軸轉(zhuǎn)速倍率開(kāi)關(guān)。通過(guò)設(shè)定主軸功率參考值，模糊控制器依據(jù)該參考值，通過(guò)測(cè)量主軸電機(jī)功率實(shí)時(shí)值形成閉環(huán)控制，倍率開(kāi)關(guān)聯(lián)合NC程序中銑削用量，在線調(diào)節(jié)進(jìn)給速度倍率開(kāi)關(guān)和主軸轉(zhuǎn)速倍率開(kāi)關(guān)，然后進(jìn)一步作用在CNC-PLC上，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給和主軸轉(zhuǎn)速的在線調(diào)節(jié)。所述M功能碼信號(hào)接口用來(lái)保證模糊控制器的控制過(guò)程與CNC-PLC的控制過(guò)程相互協(xié)調(diào)，形成加工過(guò)程的遞階控制。
所述的分級(jí)模糊控制器是這樣實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)主軸功率參考值與采集的功率值比較，獲得功率偏差量，然后把功率偏差量和偏差的變化量做為I級(jí)模糊控制器的輸入，控制器的輸出為進(jìn)給倍率調(diào)節(jié)的變化值；II級(jí)模糊控制器以功率偏差和進(jìn)給速度調(diào)節(jié)的倍率變化值為輸入，通過(guò)模糊推理輸出主軸轉(zhuǎn)速變化值，進(jìn)給速度的倍率變化值和主軸轉(zhuǎn)速倍率變化值經(jīng)過(guò)積分和取整后，做為倍率開(kāi)關(guān)編碼值輸出。
所述的分級(jí)模糊控制器的I級(jí)模糊控制器輸入的變量功率偏差與偏差變化值的隸屬函數(shù)是等腰梯形結(jié)構(gòu)；輸出的進(jìn)給速率增量的隸屬函數(shù)是等腰三角型結(jié)構(gòu)。II級(jí)模糊控制器輸入的變量功率偏差與進(jìn)給速率增量的隸屬函數(shù)是等腰三角型結(jié)構(gòu)；輸出的主軸轉(zhuǎn)速增量的隸屬函數(shù)是等腰三角型結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的模糊控制器的推理知識(shí)描述如下I級(jí)模糊控制器主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，是保持控制系統(tǒng)穩(wěn)定的主要環(huán)節(jié)，推理知識(shí)主要實(shí)現(xiàn)保持控制目標(biāo)穩(wěn)定，因此模糊控制的知識(shí)描述如下把功率誤差EP、誤差變化量ECP和進(jìn)給速率調(diào)節(jié)ΔUf輸出的模糊論域指定為[-7，7]，定義模糊語(yǔ)言{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，則用規(guī)則表表示為下表所示，它和一般模糊控制規(guī)則表類(lèi)似，控制的規(guī)則是為了減少誤差和加快控制的穩(wěn)定速度。

II級(jí)模糊控制器主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，是保持控制系統(tǒng)穩(wěn)定的輔助環(huán)節(jié)，它主要是對(duì)加工過(guò)程參數(shù)的匹配起調(diào)節(jié)作用，推理知識(shí)主要實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)匹配并保持控制系統(tǒng)穩(wěn)定，因此模糊控制知識(shí)的描述如下把功率誤差EP、進(jìn)給調(diào)節(jié)量和主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出量ΔUv的模糊論域指定為[-7，7]，定義模糊語(yǔ)言{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，則主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給的調(diào)節(jié)關(guān)系如下表所示

表中的調(diào)節(jié)規(guī)則遵循的規(guī)則是，在主軸功率約束的條件下，當(dāng)EP有較大超調(diào)，進(jìn)給有較大降低時(shí)，適當(dāng)降低主軸轉(zhuǎn)速度有利于保持較高的金屬切削率；當(dāng)EP有較大超調(diào)時(shí)，如果進(jìn)給仍然有大增，則降低轉(zhuǎn)速加快系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)EP調(diào)節(jié)不足時(shí)，如果進(jìn)給增大，則轉(zhuǎn)速保持恒定，當(dāng)進(jìn)給調(diào)節(jié)飽和時(shí)，如果EP仍然有誤差，則調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，降低穩(wěn)態(tài)誤差。
由于加工過(guò)程本身就是一個(gè)高度非線性的過(guò)程，單純依靠控制規(guī)則保證控制系統(tǒng)的性能是很難的，因此，本發(fā)明模糊控制器采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的量化因子Ke、Kce和比例因子Kv、Kf，在模糊控制器中，量化因子Ke、Kce和比例因子Kv、Kf對(duì)控制器的性能有很大的影響，在不同階段調(diào)整它們的大小可提高控制系統(tǒng)的性能。自適應(yīng)調(diào)整Ke、Kce和Kv、Kf的原則是當(dāng)偏差EP和偏差變化ECP較大時(shí)主要考慮系統(tǒng)響應(yīng)問(wèn)題，采用“粗調(diào)”的方法，即降低量化因子Ke和Kce的方法來(lái)降低對(duì)EP和ECP輸入量的分辨率，同時(shí)加大比例因子Kv、Kf，從而可獲得較大的控制量，使響應(yīng)加快。當(dāng)偏差e和偏差變化ec較小時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)接近穩(wěn)態(tài)，此時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題是系統(tǒng)精度，減少超調(diào)量，因而采用“細(xì)調(diào)”的方法，即增大量化因子Ke和Kce的方法來(lái)提高對(duì)輸入變化的分辨率，同時(shí)減小比例因子Kv、Kf，以減小超調(diào)量，提高穩(wěn)態(tài)精度，在不影響控制效果的前提下，取Ke和Kce增加的倍數(shù)與輸出比例因子Kf減小相同的倍數(shù)。根據(jù)上述原則建立自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)控制器輸出量化因子的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。如果把放大和縮小的論域定義為N＝{1/8，1/4，1/2，1，2，4，8}，對(duì)應(yīng)的模糊子集表示為N＝{CB，CM，CS，HD，AS，AM，AB}，則Kv、Kf的自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)則為



圖1為本發(fā)明控制原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的控制流程示意圖。
圖3為本發(fā)明的控制性能效果示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示為本發(fā)明的分級(jí)模糊遞階控制的原理圖，圖中的Pref為設(shè)定參考主軸功率值，圖中表示出了I級(jí)和II級(jí)模糊控制器的輸入與輸出關(guān)系，I級(jí)模糊控制器以功率偏差值EP和偏差的變化值ECP為輸入，經(jīng)過(guò)量化因子Ke、和Kce變換論域變換與模糊處理后，輸入模糊推理機(jī)，依據(jù)給定的知識(shí)規(guī)則應(yīng)用Mamdani推理方法進(jìn)行推理，得到的模糊量經(jīng)過(guò)重心法進(jìn)行解模糊，經(jīng)過(guò)I級(jí)模糊器的輸出為進(jìn)給倍率的模糊論域內(nèi)調(diào)節(jié)變化量ΔUf，II級(jí)模糊控制器以功率偏差值EP和ΔUf為輸入，輸入模糊推理機(jī)，依據(jù)給定的知識(shí)規(guī)則應(yīng)用Mamdani推理方法進(jìn)行推理，得到的模糊量經(jīng)過(guò)重心法進(jìn)行解模糊，經(jīng)過(guò)II級(jí)模糊控制器的輸出為主軸轉(zhuǎn)速倍率ΔUv調(diào)節(jié)變化量，由于加工過(guò)程的是一個(gè)高度非線性的過(guò)程，圖中采用自適應(yīng)控制的策略，自適應(yīng)環(huán)節(jié)以e和ce為輸入，經(jīng)過(guò)上述調(diào)節(jié)策略對(duì)量化因子Ke、Kce和比例因子Kf、Kv行在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)?？刂破鬏敵龅摩f、ΔUv經(jīng)過(guò)積分環(huán)節(jié)和倍率分檔取整，輸出倍率開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)百份比調(diào)節(jié)值，該百份比的調(diào)節(jié)值，以開(kāi)關(guān)編碼方式輸入CNC-PLC，匯合NC程序中設(shè)定的進(jìn)給值和主軸轉(zhuǎn)速，獲得實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的電壓值，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給電機(jī)和主軸電機(jī)的實(shí)時(shí)遞階控制。
圖2所示為本發(fā)明控制算法的流程圖，控制在開(kāi)始時(shí)必須對(duì)自適應(yīng)的功率值進(jìn)行設(shè)定，一般以主軸額定功率的百份比進(jìn)行設(shè)定。然后對(duì)NC控制器的M功能碼的NC程序開(kāi)始信號(hào)進(jìn)行采集，當(dāng)采集到NC程序開(kāi)始信號(hào)后，模糊控制器的在線自適應(yīng)控制功能就可以投入。首先從功率傳感器上采集瞬時(shí)主軸功率數(shù)據(jù)，計(jì)算功率的偏差值e和功率偏差變化值ec，依據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法計(jì)算量化因子Ke、Kec和比例因子Kf、Kv，然后把功率偏差值與功率偏差變化值量化到模糊論域空間內(nèi)，通過(guò)給定的規(guī)則進(jìn)行推理與解模糊處理，獲得瞬時(shí)倍率調(diào)節(jié)的變化值，經(jīng)過(guò)積分和取整計(jì)算得到倍率開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)倍率值，由于功率采樣周期要比倍率開(kāi)關(guān)控制輸出動(dòng)作時(shí)間要快的多，因此當(dāng)滿(mǎn)足倍率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)的時(shí)間時(shí)，對(duì)倍率開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出，在非調(diào)節(jié)輸出時(shí)間內(nèi)，則保持上次調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)該控制過(guò)程中采集到NC程序結(jié)束信號(hào)時(shí)則結(jié)束模糊控制。
圖3所示的是本發(fā)明的控制效果仿真圖，仿真采用的被控對(duì)象為進(jìn)給伺服環(huán)節(jié)和主軸變頻率轉(zhuǎn)速伺服環(huán)節(jié)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)近似用帶有極點(diǎn)的二階系統(tǒng)表示，圖A、B表示的是應(yīng)用同樣刀具銑削同樣加工特征(同樣的長(zhǎng)度、軸向深度、徑向深度)模糊控制的仿真效果，圖A表示的是主軸轉(zhuǎn)速倍率同時(shí)配合進(jìn)給調(diào)節(jié)的控制效果，圖B為單純調(diào)節(jié)進(jìn)給倍率的控制效果，從兩圖的比較看出，A圖的加工時(shí)間小于B圖的加工時(shí)間，這說(shuō)明采用分級(jí)模糊控制方法，可使加工效率得到更大的提高；A圖中的穩(wěn)態(tài)誤差比B圖中要?。粓DA中，進(jìn)給和轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)得到匹配，降低進(jìn)給速率時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速也得到降低，這樣控制方式下的加工刀具每齒進(jìn)給量的變化，比在固定轉(zhuǎn)速下要小，保證了加工過(guò)程切削片的厚度不會(huì)過(guò)厚也不會(huì)過(guò)薄，提高了加工質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于加工過(guò)程的模糊自適應(yīng)控制是以主軸電機(jī)功率為自適應(yīng)目標(biāo)的，調(diào)節(jié)控制的對(duì)象包括進(jìn)給速度倍率開(kāi)關(guān)和主軸轉(zhuǎn)速倍率開(kāi)關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于自適應(yīng)目標(biāo)量的采集可以通過(guò)測(cè)量主軸電機(jī)的單相或三相功率獲得，或從數(shù)控機(jī)床上NC控制器對(duì)外數(shù)據(jù)服務(wù)的通訊口上獲取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于方法中的模糊控制器的推理關(guān)系包含I級(jí)的進(jìn)給速度模糊推理與II級(jí)的主軸轉(zhuǎn)速模糊推理，這兩個(gè)推理呈遞階關(guān)系，I級(jí)模糊推理的輸入為功率偏差和偏差變化量，II級(jí)模糊推理的輸入為偏差與進(jìn)給速度的調(diào)整變化量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于該模糊控制器，I級(jí)模糊推理的輸出為進(jìn)給倍率的增量，II級(jí)模糊推理的輸出為主軸轉(zhuǎn)速倍率的增量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于該模糊控制器輸入的變量功率偏差與偏差變化值的量化因子是自適應(yīng)調(diào)節(jié)的；進(jìn)給速率輸出的量化因子和主軸轉(zhuǎn)速的量化因子也是自適應(yīng)調(diào)節(jié)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于II級(jí)模糊控制器的控制規(guī)則包含了進(jìn)給速率和主軸轉(zhuǎn)速相互匹配知識(shí)，也包含促進(jìn)控制系統(tǒng)加速穩(wěn)定的知識(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于模糊控制方法是在數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)NC程序設(shè)定的進(jìn)給速率和主軸轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，進(jìn)行復(fù)合遞階控制實(shí)現(xiàn)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于數(shù)控銑削加工過(guò)程的分級(jí)模糊遞階控制方法，其特征在于其通過(guò)單片微機(jī)加外圍接口電路實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明通過(guò)采集主軸功率，應(yīng)用分級(jí)模糊自適應(yīng)控制方法，即進(jìn)給速度的模糊推理與主軸轉(zhuǎn)速的模糊推理是呈遞階關(guān)系的，將前者的模糊推理的輸入為功率偏差和偏差的變化量，后者模糊推理的輸入為偏差與進(jìn)給速度的調(diào)整變化量，前者的輸出為后者的輸入。在線控制調(diào)節(jié)機(jī)床的進(jìn)給倍率和主軸轉(zhuǎn)速倍率，匯合NC程序設(shè)定銑削用量，復(fù)合作用在CNC－PLC的伺服環(huán)節(jié)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給倍率的在線調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)主軸功率約束為目標(biāo)的銑削加工過(guò)程的智能遞階控制。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給倍率開(kāi)關(guān)和主軸轉(zhuǎn)速倍率開(kāi)關(guān)按專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能更好分清主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與進(jìn)給速度調(diào)節(jié)的之間匹配關(guān)系，從而更有效提高加工效率和加工質(zhì)量。
文檔編號(hào)G05B19/4155GK101025620SQ200610024148
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者李?lèi)?ài)平, 林獻(xiàn)坤, 張為民, 劉雪梅, 馮小軍, 左文濤 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)