數(shù)控(NC)加工技術(shù)在現(xiàn)代制造技術(shù)中占有非常重要的地位,自50年代問世以來,隨著微電子、計算機等技術(shù)的高速發(fā)展,現(xiàn)今已取得了長足的進(jìn)步,對制造業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟的發(fā)展起著曰益重要的作用。當(dāng)然不可否認(rèn)的是,數(shù)控技術(shù)中還有很多問題有待于進(jìn)一步芫善激控中的負(fù)載自適應(yīng)控制便是其中之一。負(fù)載自適應(yīng)控制就是在數(shù)控加工中當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)變化時,系統(tǒng)能夠及時調(diào)整刀具的進(jìn)給速度,以適應(yīng)負(fù)載的變化,并使負(fù)載維持在較為恒定的水平。這種技術(shù)一方面可以提高數(shù)控加工效率,同時還可以起到保護(hù)刀具和機床以及保證加工質(zhì)量等作用。正是基于這一認(rèn)識,本文提出一種數(shù)控加工中負(fù)載自適應(yīng)控制的計算方法,該方法首先通過間接測量的方法獲取數(shù)控加工中的負(fù)載值然后根據(jù)這一負(fù)載值,運用模糊邏輯方法計算出此負(fù)載下相應(yīng)的刀具進(jìn)給速度。
一、負(fù)載的測量如前所述,對負(fù)載的控制在數(shù)控中具有非常重要的意義,故對此研究較多,它們主要都是從怎樣建立數(shù)控加工中的負(fù)載的數(shù)學(xué)模型角度進(jìn)行研究,并提出了多種數(shù)控加工中的負(fù)載數(shù)學(xué)模型')51.這種通過建立包括多種影響因素的負(fù)載數(shù)學(xué)模型對負(fù)載進(jìn)行控制的方法,的確能起到一定的作用。但縱觀這些方法,它們都還存在以下一些問題:數(shù)控加工中影響負(fù)載的因素比如刀具的進(jìn)給速度、主軸的轉(zhuǎn)速、加工刀具的形狀、被加工零件的形狀及材料特征等,且這些因素的影響都具有非線性和相關(guān)性等特點,故無法包含所有這些因素進(jìn)行精確建模,一般只取幾種認(rèn)為影響較大的因素建立相應(yīng)的模型,這樣該負(fù)載數(shù)學(xué)模型的精度就會受到一定的限制。
對刀具進(jìn)行數(shù)學(xué)描述以建立其與負(fù)載的關(guān)系這些模型一般只針對具體的刀具(比如球頭刀具)這樣它們只能適用于這些具體類型的刀具,因此這些負(fù)載數(shù)學(xué)模型的通用性就很小,特別是無法適應(yīng)于具有自動換刀裝置的加工中心中。
負(fù)載數(shù)學(xué)模型負(fù)載數(shù)學(xué)模型中有的需用迭代的方法進(jìn)行求解,因此非常費時且有時難以保證迭代的收斂。
基于上述分析本文從另一角度獲取負(fù)載值,即不是直接建立負(fù)載的數(shù)學(xué)模型來求解負(fù)載,而是通過測量主軸受到的扭矩來間接表征負(fù)載的大小。該間接測量方法的原理是影響數(shù)控加工中負(fù)載大小的因素必然反映到主軸扭矩的大小,故主軸扭矩的大小客觀地表征了負(fù)載的大小。這種間接測量的方法避免了直接建立負(fù)載數(shù)學(xué)模型的弊端,且主軸扭矩的大小可通過測算主軸電機的輸出功率獲得,故該方法的測量異常簡單。測量了負(fù)載的大小以后接下來就是怎樣對此進(jìn)行自適應(yīng)控制,BP怎樣由測得的負(fù)載值求出此時刀具的進(jìn)給速度。本文采用模糊邏輯算法進(jìn)行負(fù)載自適應(yīng)控制。
二、負(fù)載的自適應(yīng)控制如前所述,本文采用模糊邏輯算法進(jìn)行自適應(yīng)控制。自扎德(L.A.Zadeh)在1965年提出模糊集合梯形形式隸屬函數(shù)系統(tǒng)以及操作存在著不確定的系統(tǒng)。而數(shù)控中負(fù)載的自適應(yīng)控制就屬于無法精確建模的系統(tǒng),故用模糊邏輯控制能取得比較理想的效果。
□負(fù)載自適應(yīng)控制原理本數(shù)控加工負(fù)載自適應(yīng)控制原理如所示。
圖中虛線所示的模糊控制器為本文負(fù)載自適應(yīng)控制的邏輯算法部分。
負(fù)載自適應(yīng)控制相關(guān)技術(shù)的處理從上面的原理圖可以看出,該負(fù)載自適應(yīng)控制運用了模糊邏輯的相關(guān)知識,下面對有關(guān)的技術(shù)進(jìn)行分析、處理。
(1)輸入、輸出量模糊集的建立建立輸入、輸出量模糊集分以下幾步:輸入、輸出論域的離散化在此數(shù)控加工負(fù)載自適應(yīng)控制方法中輸入量為通過間接測量得到的負(fù)載值輸出量為刀具的進(jìn)給速度值。在輸入、輸出論域的離散化的過程中,離散點數(shù)的選擇要適當(dāng),點數(shù)越多,模糊子集的定義越細(xì)膩模糊化、模糊推理、解模糊處理也就越細(xì)膩,這將使模糊控制器的控制作用和控制效果越精確M度越高,但同時也導(dǎo)致運算量加大,甚至無法用于實時控制。本系統(tǒng)根據(jù)實際情況,將輸入、輸出論域都取九個離輸入、輸出論域的模糊劃分同樣,模糊子集劃分的數(shù)目也要適當(dāng),子集越多,控制動作越細(xì)膩1精度相應(yīng)提高,但過多的模糊子集也會使運算量大得無法接受。根據(jù)精度和實時性要求我們將輸入、輸出論域都劃分為五個模糊子集。對于輸入如下子集:很大(A1)、較大(A3)、中等(A3)、較小、很小(A5)。對于輸出有如下子集狠慢、較慢、中等、較快、很快。
建立模糊子集的隸屬函數(shù)模糊子集的隸屬度即每個模糊子集在每個離散點的隸屬程度,目前常用的有三角形、梯形及三角函數(shù)等形式的隸屬函數(shù)。我們按中梯形形式隸屬函數(shù)的方法建立模糊子集在相應(yīng)離散點的隸屬度(W.這樣我們建立如下的輸入模糊子集:(2)模糊推理規(guī)則的建立輸入、輸出模糊子集的劃分以后根據(jù)數(shù)控加工的實際情況我們建立以下五條模糊推理規(guī)則(R),設(shè)負(fù)載的大小為刀具的進(jìn)給速度應(yīng)為":規(guī)則規(guī)則3(3)模糊推理算法實現(xiàn)當(dāng)輸入輸出量的模糊集合和推理規(guī)則建立以后,我們即可根據(jù)模糊集合的有關(guān)規(guī)則進(jìn)行推理運算。如R1可表示R1=01x用表1表示如下:輸入數(shù)據(jù)的模糊化模糊控制中,檢測得到的輸入數(shù)據(jù)一般是精確數(shù),而模糊控制器中處理的數(shù)據(jù)是模糊量,因而必須進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)模糊化,包括量程轉(zhuǎn)化和量化以及模糊化方法選擇兩步:量程轉(zhuǎn)換和量化由于輸入信號通過間接測量得到的負(fù)載值,必須先轉(zhuǎn)換為前面所說的論域中的離散點。我們采用比例因子!進(jìn)行轉(zhuǎn)化,設(shè)根據(jù)具體的高速數(shù)控加工情況,我們得到允許的負(fù)載最大值為/.則=8//這樣,對任一測算得到的負(fù)載值/,對應(yīng)論域中的離散點為=INT(/+!)=INT(/8//.)其中,INT表示取整函數(shù)。
模糊化方法的選取本系統(tǒng)采用直接將某一精確點模糊化為一個模糊單點,所謂模糊單點,即是這樣一種模糊子集,該點對它的隸屬度為1,而論域中其它所有點對它的隸屬度為輸出數(shù)據(jù)的解模糊模糊推理后得到的是模糊量,而執(zhí)行機構(gòu)所能接的只能是精確量,所以必須進(jìn)行解模糊,即將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。解模糊是模糊化的逆過程,它包括解模糊方法的選擇及量程的轉(zhuǎn)化兩步。
①解模糊方法的選擇本系統(tǒng)采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊,即將模糊輸出論域上的點對輸出模糊集的隸屬度為權(quán)系數(shù)加權(quán)平均求解模糊結(jié)果。具體做法為設(shè)輸出論域上一點,其在輸出模糊子集的隸屬度為/!6(7),則解模糊后得輸出結(jié)果為8 =(。+叫(7))A.叫(7)),例如上面的負(fù)載值為3時對應(yīng)的刀具進(jìn)給速度值是:②量程的轉(zhuǎn)換經(jīng)過上面①解模糊得到的數(shù)據(jù)仍是輸出論域上的點,不是用于控制執(zhí)行機構(gòu)動作的物理量所以我們必須再次進(jìn)行量程的轉(zhuǎn)換。我們采用比例因子2進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)根據(jù)具體的高速數(shù)控加工情況,我們得到加工時刀具的最高進(jìn)給速度為2=./8.這樣,對于任一上面①解模糊得到的數(shù)據(jù)8,其對應(yīng)的用于實際控制的物理量速度三、結(jié)論本文將模糊邏輯理論用于數(shù)控加工中負(fù)載的自適應(yīng)控制。該方法首先采用間接方法測量負(fù)載大小,避免了傳統(tǒng)的建立負(fù)載數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性和不精確性,然后運用模糊邏輯的方法對測得的負(fù)載進(jìn)行自適應(yīng)控制。這樣,刀具的進(jìn)給速度能隨著負(fù)載的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化,從而使負(fù)載在整個加工過程中保持相對的平穩(wěn)。因此該負(fù)載自適應(yīng)控制方法一方面可以提高加工的質(zhì)量和效率另一方面可以有效地保護(hù)刀具和機床提高它們的使用壽命。