中文翻译-采用模糊推理的数控机床的进给率控制论文

采用模糊推理的数控机床的进给率控制 摘要 : 在这篇文章中 ,基于带回转装置的数控机床的 3D 设计和加工系统 ，被首先介绍以 有效的产生有吸引力的油漆滚筒 。 一 个 后处理器 被提出以把被称为 刀位数据（ 的 基本工具路径 改为据，映射 y 方向的拾取饲料的旋转单元 的旋转角度。 有 后 处理器 的 三维加工系统 ， 让我们很容易地 把 平面模型表面的浮雕设计 抄写到 一个圆柱模型表面 。后处理器有另一个作用即：根据每一个设计的曲率调整进给速率以防止加工表面破损。 后置处理器 在 检查边缘的浮雕设计 的同时，运用 模糊推理方法生成 合适的进给速率代码。 实验结果 表明 ，具有 有吸引力的浮雕设计 的 木漆辊 可以被成功加工，而不会产生不良的边缘破损。 接下来，被提出的模糊进给速率发生器进一步被应用 到模具抛光机器人，使抛光时间 比之没有发生器时 减少约 30 。 关键词：进给率控制 模糊推理 带旋转机构的数控机床 模具抛光机器人 1、 引言 在 国内制造业 ，采用简单模式的 油漆滚筒 ，通常被用于把一个设计抄到刚刚粉刷过的墙上。 室内规划者和装饰要使用更具吸引力的涂料辊 ，但是图案的类型仅限于 一些常见的 。 为了有效提供以用户为导向 的 辊设计， 对于 限量生产的各种油漆滚筒 应有 一个新的 3D 设计加工系统。 到现在为止， 虽然 已经 在各种制造业中 开发了 先进的三维加工系统，但有浮雕设计的 辊 在现阶段似乎并没有被成功的制造。 随着数控机床的进给速度的优化，用后处理的方法来为已经被提出的高速轮廓加工，把 控编码转换成非均匀的 B 样条（ 径 。 一种被用于端铣自适应力量控制的模糊策略被提出， 自适应最大限度地提高到工具主体允许的切削力的进给速率。 然而，为了实现木质漆辊或 机器人金属模具抛光 ，为了加工小尖边缘和曲面 和一个稳定的控制抛光力。 应发展一种精巧 和熟练 进给率 的控制 。 在这篇文章中 ,基于带回 转装置的数控机床的 3D 设计和加工系统 ，被首先介绍以 有效的产生有吸引力的油漆滚筒 。 在使用一般的涂料辊有很少或没有吸引力的设计，和他们的设计也仅限于平面或几个简单的模式。本文讨论了如何使具有吸引力的油漆滚筒 更 容易 获得 高收益率。 最重要的一点是 ，为了旋转装置 的控制 直截了当的产生了合适的 据。 为了满足需要，提出 把 一个后处理器用 于带 旋转单元的 床。 后处理器把 称为刀位数据（ 据） 基础的刀具路径转化为 据， 映射 y 方向的拾取饲料的旋转单元 的旋转角度。 有 后处理器 的 三维加工系统 ， 让我们很容易地 把 平面模型表面的浮雕 设计 抄写到 一个圆柱模型表面 。后处理器有另一个作用即：根据每一个设计的曲率调整进给速率以防止加工表面破损，并缩短加工时间。进给速率是指 切向速度 。 后置处理器 在 检查边缘的浮雕设计 的同时，运用 模糊推理方法生成 合适的进给速率代码。 实验结果表明 ，具有 有吸引力的浮雕设计 的 木漆辊 可以被成功加工，而不会产生不良的边缘破损。最后，被提出的模糊进给速率发生器进一步被应用 到 工业 模具抛光机器人，使抛光时间 比之 使用恒定的进料速率 时大幅度降低 。 2、带旋转装置的数控机床的后处理器。 在本节中，一个 带 旋转单元 的 数控机床和它的后处理器被 有效 地引入到机筒状模型 中。 机械加工模型可以被用作精心设计的涂料滚筒的加工模型。 油漆滚筒非常有用并且让我们很方便把 平面模型表面的浮雕设计 抄写到 一个圆柱模型表面 上。 然而，在使用中的涂料辊通常有很少或没有的有吸引力的设计，并且他们的设计被限制为平 面 的或简单的模式。不幸的是，即使是 5 轴联动数控机床 也 是不擅长雕刻设计在圆柱模型 上 的浮雕。 为了解决这个问题，提出了 把 一个后处理器用于 带 旋转单元 的 床 。 后处理器可以 使机床生产 精心设计的涂料滚筒 。 一个画在 平面模型表面上 的吸引人的 3D 设计，可以很容易的被抄录到一个圆柱模型表面。 首先，我们引入一个数控机床 G 提供，如图所示。 1。中的 床的自动换刀 配备 旋转单元 的 床具有四个自由度，即，三个平移和一个旋转 。 为了提供与多种小批量制造 的油漆滚筒，必须实现一种可 以直接 在 圆筒状工件上 雕刻浮雕的加工系统。 接下来，我们讨论有浮雕 设计的圆筒形状 的三维加工问题。 当辊的建模是应用 3D ，一个基础的圆柱形状被提前仿造。 然后，最喜爱的浮雕设计被画在圆柱模型上。 然而，即 使使用 3D 圆筒形状上建立 浮雕设计 模型仍 是一个困难和复杂的任务 。 此外，它的三维加工也比较困难，即使使用 5 轴 械工具，其中从 C 数据 是由 x 轴， -，和 成的 。 本文讨论了如何使油漆滚子与一个有吸引力的浮雕设计很容易 产生 。 最重要的一点是，带旋转装置的数控机床的 据，可以直截了当的产生。 为了满足这种需求， 提出了用 后处理器 以成功地 把设计从平面模型抄写到一个圆柱模型上。 后置处理器允许数控机床直接在圆筒状工件 上雕刻 浮雕设计。 我们在这里描述 后处理器的功能。最喜欢的浮 雕设计 首先实在平面模型上的。 其次， 据产生具有锯齿形的路径，如图所示。 2。 在这种情况下， 坐标系应被设置为与 表中的 床的滑动方向 相平行， 即， y 方向 。 被提议的后处理器把 据变换成 据，旋转单元 的旋转角度 映射的 y 方向 位置。 从组件的 据中可以看出，当所述旋转单元是活动的，表中在 后处理器首先检查在 据中的所有步骤，提取的最小值 在 y 方向上的最大的值 度 a（ i）为所述旋转单元得到从 a（ i） =（ 360*（ y（ i） /（ i）为所述旋转单元从 并容易地获得由 第 i 次步骤 此处多为公式等，略）。 在 y 方向上的长度被翻译成滚子模型 的周长 。 可以预计，在图二中展示的浮雕设计可以被完美的雕刻在圆柱形工件表面上。 建议的系统提供了一个功能，可以轻松地 把 一个有吸引力的设计从平坦的模型转录 到一个 固定到旋转单元 上的圆柱形工件上 3、 利用模糊推理 的进给率控制 糊的进给速率发生器 众所周知， 如 ， 3000 毫米 /分钟）的 F 代码一般是用来设定 床 的进给速率。 进给 速率是控制数控机床顺利运行 ，并降低总的加工时间的最重要的参数之一。 尽管 进给速度应尽可能快， 但是 如果刀具路径的曲率大或 有小的边缘，那么 会发生 不良振动和材料破损 。 这意味着，加工精度趋于下降，我们不能得到 忠实 于 3D 计的模型 的形状。 特别是，当加工 具有浮雕设计的 木制的油漆滚筒 时，边缘碎裂的问题不可 避免。 进给 速率应适当地慢， 以使 模型表面不会被损坏，边缘崩裂。 然而，常规的后置处理器不具 备 系统地调整进给速率，以便抑制不良的边缘碎裂 的功能 。 提出的后处理器具有这样的功能，可以根据每个模型的曲率自动调 节进给速率，不仅 加工的总时间缩短，而且， 可 以防止边缘碎裂。一般来说， 主处理器计算的刀具路径 【此处为一公式】， 使工件的线性近似可以 在 设计模型设定的公差范围内被 加工。 因此曲率 越大，其点密度越 高。 因此，考虑在获取的距离 d（） = P（ +1） - P（ I）的曲率的结果吗？在相邻的两个步骤之间的 据及其增量 D（） =天（ +1） - D（ I）。 作为一个例子， 据的曲率和点密度之间的关系示于图。 3。 在本节中，我们提出了一种模糊的进给速率发生器，用于 根据 d（ i）和 D（）产生的合适的进给速率代码。 模糊的 进给速率发生器由两个简单的模糊推理部分 组成 ，其随之而来的 部分 是恒定值。 当当前位置的 X（ K） =X（ K）， Y（ K）， Z（ k） 的立铣刀在一个离散的时间 k X（ K） 对（），（ +1） ，对模糊规则所描述的 【公式】。 其中， A J（ =1， .， L）和 B J 的第j 个先前的模糊集的两个模糊输入 D（ I）和 D（）分别角 随之而来的常数在第 j 个规则的进给率 F（）和它的补偿量 F（），和 L 是模糊规则数。每个在第 j 个规则的前事件部分的信心是通过以下方式获得 【公式】， 在那里 X（）表示模糊集的信心 标记 X。 因此，进给速度和其补偿的模糊推理结果分别计算 【公式】。 模糊所得到的进给速率 F （ i）是 以【公式】 的形式实现的 。 需要注意的是所使用的模糊集合是下面的高斯隶属函数 【公式】。 其中 p 为隶属函数 的中心并且 q 值 为 标准偏差的倒数。 图 4a 和 4b 示出的 是 分别为 d（ i）和 D（）设计 的前隶属函数。 标准偏差的倒数的值，分别为 在后件部的相应的固定的值列于表 1，其中 进给速率最大的 和最小值的预先估计值， 示的 是 。 一个熟练的操作员的经验的基础上，这些模糊规 则被调谐。请注意，模糊推理部分产生 的值 不仅比 ，而且比 d（ i）和 D（）的组合 小 。 验 实验中使用的建议后处理器进行实际加工圆柱形工件。 图 5显示了 没有意外破损的 涂料辊 的雕刻。 图 6 出示出一个 结果，其中的进给速率的代码 是由 上一节中所描述的 模糊 进给速率发生器产生 的 。 进给速率的最大和最小的值 们分别设置为 2000 毫米 /分钟和 600 毫米 /分钟 。 观察 结果，并根据设计的曲率 适当变化 进给速率 F （ i）。 注意： 600 毫米 /分钟的进给速率出现周期性 ，并且被强制地给 予每个 拾取进给运动，其中所述旋转单元以 一个小的角度 在转动 ，例如， 旋转 。 小角度的数量取决于的 取饲料的比率上，如图所示。 2。如 如图 6 所示的情况， 与 恒定的使用 600 毫米 /分钟 的 进料速率相比，总的加工时间减少约 20 。 正如可以看 到的，模糊的进给速率发生器提供更直观和精细可调的进给速率的函数 。图 7 显示了 应用后处理器雕刻的木漆辊 。 4 模具抛光机器人中的应用 在本节中， 我们 介绍 一种以 吹塑模具的 器人为基础的 抛光系统 。即是：下一步设置 i+1 如何设置 i。作 为 实现平滑进给运动的研 磨工具。 此外，通过实验审查模糊进给率发生器的有效性。 具抛光机器人 图 8 示出了已经提出的 吹塑模具抛光机器人。 基本型机器人是一个开放的体系结构 型 。它 的实时控制系统可以通过使用 的多媒体计时器实现。 一种紧凑的具有球头的研磨工具的力传感器连接到机器人手臂的前端，如图 9 所示。 在抛光 时 ， 研磨力 作用 于研磨工具和工件之间 。 如图 10 所示，抛光力向量 F= 是所得到的力之间的接触力 F =Y 量 擦力 到由平移动作，另一个摩擦力 转运动产生的，其计算 + 8）在基准坐标系是由每个组件的载体。 可以猜到， 独立测量的 f， 造的研磨力是不容易的。然而，合力规范，即， 然而，合力规范，即，抛光力准则，可以 由式（ 9） 得到。其中，下标 S 表示传感器的坐标系中的值，和组分 （ =的 x， y， z）的测量从图 9 中所示的力传感器。 拟议 的 研磨策略的独特特点之一是，该研磨工具是不旋转 的， 其旋转被夹头锁定以抑制不希望的 过度 抛光和噪音。在这种情况下，框架可以被认为是 0。目标模具，如 吹塑模具没有出挑，使下面 的两种策略也可以应用。 1 刀具的定向 始终是固定的在工作坐标系中的 z 轴。 2 研磨工具通过使用机器人的第六轴能使抛光更有效率的进 行。 图 11 示出了在抛光机器人使用的弱耦合，其中点 x（ k）？图 3 是使用关节角度 q（下 K）？ 6 从正向运动学计算的笛卡尔位置矢量的位置 /力控制器的框图和 所需的抛光力。除息（十一）？ 3 和外径（十一）？所需的位置和方向向量，分别通过 据计算出来的。请注意， k 表示离散时间，在每个采样时间更新。 三维 用于实验中的数据，得到的 在 抛 光 时 ，工具的位置 x（ k）和抛光力规范 F（ K） ， 同时被 速度矢量 V（ K） 3 控制 ，其中 V（ K）由【公式】给出。 其中 K）写的是操纵变量【公式】，它 由模糊 进给速率发生器给出，这是由式 6 给出 。 t(i) = p(i + 1) p(i)，使 v（ k）沿切线方向。 此外， k）是由 力反馈控制法 产生的操纵变量，这是考虑 k）所指的正常方向。 此外， k）为 由 位置反馈控制 规 律 计算出的 调节变量 ，该设计用以实现稳定的进给控制， 这是唯一的选择进给方向的进给控制。 L 数据的定时更新 图 12 显 示出了建 议的研磨策略 的 图像 ，可以 有效地利用该工具的轮廓 。 其中 关键 的一 点是该工具不 的超过 情况（ 1）或（ 5）（图 12 中所示） ，以避免不希望的边缘周围的过度抛光。 事 实 上，球头磨具的进给速率率根据 公式 11 而有所调节 。 在这种情况下，当步数 i 需要被更新 时 ，实现平稳的进给运动是非常重要的 。即，如何决定何时读出 下一个步骤 i+1。在此之后， 对 下面的三个条件进行评估。 1。从刀尖的位置 X（ K） 进行判断 。 2。考虑除了条件（ 1）的法线方向的力测量。 3。从操纵变量 k） 的总和 来判断 。 关于条件（ 1）的工具尖端点 x（ k），当出来的 对 （），对第（ i +1） ，即，点 x（ k）在 p 的第（ i +1）， i 被更新。 然而，在（ 1）和（ 5）两种情况下，并不能很好的工作。 原因在于一种由工具轮廓和工件间的接触所引发的约束阻止刀尖接近 p（ i+1）。 例如，即使刀尖通过的情况（ 4） 接近 情况（ 5），它可以不到达 B 点处，但只有 A 点，因此，下一步骤无法 读出。 为了解决这个问题，在情况（ 2）的条件下还应考虑在条件（ 1）的情况下进行力的测量。 换言之，当一个大的 x 方向的力，例如 | k） | 被检测到，则 下一个步骤将被立即读 取。 然而，在这种情况下，容易发生错误的 判断。 这是因为在抛光机器人的力控制系统是如此生硬。 在刀具接触方向 的 刚度 是 120 牛顿 /平方毫米，因此超过不良峰值经常发生。 通过上面提到的试验和错误，条件（ 3）现在采用 。 在条件（ 3）中，如果满足下列方程式，则 i 被更新到 i +1。 【公式】。 其中 离散时进行的最后更新时间。在公式。图 12， 当在切线方向上那个上的控制变量在最后更新时间后被赋予伺服系统，它超越了在 据中相邻步骤之间的距离 t（ i）（ =d（ i）时，i 被更新到 i+1。 由于定时更新是通过图 12 所示的公式来进行判断的，所以即使是在图 12（情况（ 1）和情况（ 5）所示的约束情况下进给运动也可以顺利的进行。 光实验 其次，进行抛光实验 是对 提出的模糊的进给速率发生器的有效性进行评估。 运用在上节描述的数控机床上的相同的方法，图4， a 和 b 则为分别为 d(i)和 d(i)设计的前项成员函数。 相应的抛光机器人的伴随常数则被列在表 2 中。 预估的最大和最小的进给 速率 。 模糊推理部分产生的规范进给率 k）大约为 示 这些模糊规则 是 通过初步的机器人抛光实验 ， 凭经验获得的。 d(i) 和 d(i)的组合，会产生一个比 或比 的值。 图 8 所示的模具抛光机器人被用于实验之中。 图 13 和图 14分别显示出了 示出了实验的场景和进给速率的控制的结果 。 在这种情况下， 别为 为 50 s 和 10s。 可以由结果确定，进给率是根据曲率的变化而优先调整的。 到目前为止，我们不得不设置一个小的进给速度响应的最大曲率。然而，所提出的方法允许机器人，根据在曲率的变化 ， 系统 化的得到高效的进给速率。 另外，在图 13，它也被证实， 相比于 没有模糊的进给速率发生器 的情况 抛光时间可减少 约 30。 5 结论 在这篇文章中， 对 采用模糊推理 进给速率控制器 ，称为模糊的进给速率发生器，进行了审议。 首先，一个 采用 模糊进给速率发生器的后处理器 被提议 用于 一种 具有旋转单元的 床。 后置处理器， 允许 数控机床轻松地 把平面模型表面的浮雕设计 抄写到圆柱形工件的 表面。 模糊的进给速率发生器 根据在简单 设计 中 的曲率和边缘 生成 合适的进给速率的代码 。从而使之相比于不带进给率发生器时的加工时间缩短约 20%。 实验结果表明，设计精美的油漆滚筒可以 在 没有不良的边缘碎裂 的前提下雕刻成功 。 此外，我们进一步应用模糊 进给速率发生器 到 模具抛光机器人 ，以便于 沿着一条由三维 计的自由形成的表面 ，巧妙地 调整该工具的切向速度 。 通过实验也证实 ，相比于没有进给率发生器的