（机械工程专业论文）基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化.pdf

硕士学位论文 摘要 现代制造业向高精度和高效率方向发展，对数控机床的性能提出了越来越高 的要求。数控机床根据n c 程序进行加工，程序中的工艺参数( 如主轴转速、切削 深度、进给速度等) 通常依据机械加工手册或操作者经验来确定，难以根据实际情 况进行调整，影响了数控机床加工能力的发挥和切削效率的提高。论文针对数控 加工所存在的这种问题，采用基于n c 代码的数控加工过程几何仿真技术，建立 切削力模糊推理系统，对数控铣削加工进给速度进行优化，为进给速度优化技术 探求一条新的途径。主要研究内容和成果如下： 1 设计基于n c 代码的数控加工过程几何仿真方法。在研究数控代码结构和 特点的基础上，利用脚l a b 语言识别n c 代码中的加工参数和几何参数，对数 控加工过程进行几何仿真。分析了几何特征、加工参数与刀具材料去除体积的关 系，为进给速度优化提供依据。 2 建立切削力模糊推理系统。在分析切削深度、进给速度和切削力相互关系 的基础上，设计试验获得切削力经验数据库。引入模糊推理的原理和方法，综合 铣削加工的特点，建立以切削深度和进给速度为输入、以切削力为输出的切削力 模糊推理系统。 3 数控铣削加工进给速度优化研究。运用数控加工过程仿真技术和模糊优化 方法，对任意一包含了基本几何特征的平面轮廓数控加工进给速度进行合理优化 以提高切削效率，加工试验实例验证了该优化方法的效果。 论文对数控加工实现进给速度合理优化、延长刀具使用寿命、减少机床的冲击和 提高加工精度等有积极意义。 关键词：数控加工；进给速度；优化；几何仿真；模糊推理 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化 a b s t r a c t w i t hm o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya d v a n c i n gt o w a r dh i g hp r e c i s i o na n dh i g h e f f i c i e n c y ，i tb r i n g se v e r l a s t i n g l yh i g h e rd e m a n d o nn cm a c h i n et o o l - h o w e v e r ， p r o d u c t i o nc a p a b i l i t y a n de f f i c i e n c yo ft h et o o lh a v eag r e a tc o n n e c t i o n w i t h c o n v e n t i o n a lo p e r a t i o n i nt h em a c h i n i n g p r o c e s s ， n cp r o g r a ma n d m a c h i n i n g p a r a m e t e r s s u c ha s s p i n d l es p e e d ，m a c h i n i n gd e p t h a n df e e dr a t ea r eg e n e r a l l y d e t e r m i n e dw i t ht h eg u i d a n c ef r o mn cm a c h i n i n gh a n d b o o k so ro p e r a t o r se x p e r i e n c e d u r i n go p e r a t i o nt h e s ep a r a m e t e r sa r ed i f f i c u l t t oa d j u s ta c c o r d i n gt o p r a c t i c a l c o n d i t i o n s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so nn cm a c h i n ep r o c e s s e ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ， f u z z yl o g i cs y s t e mo fc u t t i n gf 6 r c e ，t h i sp a p e rs t u d i e so no p t i m i z a t i o nt e c h n i q u eo f f e e dr a t ei nn cm i l l i n gt os o l v et h ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m t h er e s e a r c ht r i e st o g i v ean e wm e t h o df o ro p t i m i z a t i o nt e c h n i q u eo ff e e dr a t e t h em a j o rc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e rd e i g n sam e t h o do fn cm a c h i n g i n gs i m u l a t i o n gb a s e do nn cc o d e b a s e do na n a l y s i st h es t r u c t u r ef e a t u r eo fn cc o d e ，n cm a c h i n i n gs i m u l a t i o nw i t h p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n dc o o r d i n a t ef e a t u r e sg e t t i n gf r o mn cc o d eb ym a t l a b l a n g u a g ea r ee s t a b l i s h e d t h er e l a t i o na m o n gg e o m e t r yf e a t u r e ，m a c h i n i n gp a r a m e t e f s a n dm a t e r i a l r e m o v a lv o l u m ef o rt h eb a s i so fo p t i m i z i n gf e e dr a t ei sa n a l y z e d ，a n di ti s t h eb a s i sf o r0 p t i m i z i n gf e e d r a t e i te s t a b l e saf u z z yl o g i ci n t e r f e n c es y s t e ma b o u tc u t t i n gf o r c e i tg e t se x p e r i e n c e d a t a b a s ea b o u tc u t t i n gf o r c ef r o me x p e r i m e n td e s i g n e db a s i s i n go nt h er e l a t i o n0 ft h e d e p t ho fc u t ，f e e dr a t ea n dc u t t i n gf b r c e a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f f u z z yi n f e r e n c es y s t e ma n dt h em i l l i n gc h a r a c t e r s ，i tr e s e a r c hi nf u z z yi n f e r e n s y s t e m w h i c ht h ed e p t h0 fc u ta n df e e dr a t ea r ei n p u ta n dc u t t i n gf o r c ei so u t p u t t h i sp a p e ro p t i m a z e st h ef e e dr e t ei nap r o n en cm a c h i n i n gt h r o u g hs i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya n df u z z yl o g i cm e t h o d ，p r o c e s s i n ge x p e r i m e n tv e r i f i e st h i sm e t h o di s p r a c t i c a b l ea n de f f i c t i v e t h i st h e s i sh a sp o s i t i v e s i g n i f i c a n c e i no p t i m i z a t i o nt e c h n i q u eo ff e e dr a t e ， p r o l o n g i n gt o o l sl i f e ，r e d u c i n gt h ei m p a c to fm a c h i n ea n di m p r o v i n gm a c h i n i n g a c c u r a c y k e y 、7 b r d s ： n cm a c h i n i n g ；f e e dr a t e ； o p t i m i z a t i o n ；g e o m e t r ys i m u l a t i o n ； f u z z yi n f e r e n c e i 硕十学位论文 插图索引 图2 1 模糊推理的图示法1 3 图2 2 最大隶属度法1 4 图2 3 重心法1 4 图3 1n c 程序刀位点读取流程图2 3 图3 2 二维零件几何轮廓模型2 4 图3 3 三维零件几何模型2 4 图3 4 二维轮廓模型数控刀位点分布图2 5 图3 5 三维模型数控刀位点分布图2 5 图3 6 去除非直接加工刀位点流程图2 6 图3 7 二维模型去除非直接加工点后刀位点分布图2 7 图3 8 三维模型去除非直接加工点后刀位点分布图2 7 图3 9 数控铣削加工示意图2 8 图4 1c n c 轮廓铣削基本模型3 0 图4 2 试验现场和l ( i s t l e r 压电晶体测力仪3 1 图4 - 3d a s y l a b 数据采集与分析系统3 l 图4 4 数控铣削加工中心3 2 图4 5x 向切削受力3 3 图4 6y 向切削受力3 4 图4 7z 向切削受力3 4 图4 8 三向合力3 4 图4 9 模糊推理系统结构3 6 图4 1 0 常用隶属函数3 8 图4 1 1 有效径向切深隶属函数3 9 图4 1 2 进给速度隶属函数4 0 图4 1 3 轴向切削深度隶属函数4 0 图4 1 4 切削力隶属函数4 0 图4 1 5 模糊推理系统推理结果曲面图4 3 图4 1 6 切削力模糊推理系统界面4 4 图5 1 确定较佳进给速度流程图一4 5 图5 2 待加工零件几何模型图4 6 图5 3m a s t e r c a m 加工过程模拟图一4 6 v i 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化 图5 4 去除非直接加工刀位点后刀位点分布图4 6 图5 5 表示表面粗糙度轮廓的平均算术方差4 8 图5 6 影响表面粗糙度的参数鱼骨图4 8 图5 5t v 3 0 0 便携式测振仪5 0 图5 6 加工测试现场5 1 图5 7 加工实例5 2 图5 8 优化前后振动速度对比图5 3 v i i 硕士学位论文 附表索引 表2 1 数值方法描述的隶属函数翟1 l 表2 2n c 程序实例1 6 表4 1 切削力数据库一3 5 表4 2 模糊推理系统规则表4 2 表5 1 不同加工特征上优化后的进给速度一4 7 表5 2 优化前后部分程序单5 l h 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：韵 日期：稍年占月力弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：以，) 3 年，月z 日 日期：沪，智年r 月矽日 硕士学位论文 第1 章绪论 数控加工技术是指高效、优质地实现产品零件特别是复杂形状零件加工的有 关理论、方法与实现技术，它是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基 础与关键技术。 数控加工过程是由给定的零件加工要求( 零件图纸、c a d 数据或实物模型) 进 行加工的全过程，其涉及的主要内容包括：根据零件图纸、c a d 数据实体模型进 行模型建构，对所建模型进行测量和加工过程规划、测量轨迹和刀具轨迹生成、 测量运动指令生成和机床运动指令生成等，经仿真评价优化后得到有效测量代码 和有效加工代码，再经过数控处理系统和数控执行系统完成给定零件数控加工。 数控加工给机械制造业带来新的技术革新，使机械制造业的发展进入了一个 新的阶段，提高了机械制造业的水平，为社会提供了高质量、多品种及高可靠性 的机械产品。 1 1 论文的研究背景及意义 目前，数控加工大多都是由编程技术人员利用软件编写n c 代码程序，再由 数控机床执行代码程序完成零件的加工。常用的商用c a d c a m 软件，如 m a s t e r c a m 、c i m i t r o n 、u g 、p o w e r m i l l 等，编程系统的后置处理器在工艺参数 优化方面具有一定的局限性。虽然数控编程系统具有刀具路径自动生成功能，但 是机床主轴转速、进给速度及加工切削深度等工艺参数都要由编程人员设定。工 艺参数选择的好坏取决于编程人员的经验和水平，它的选择不当会造成不良后果， 如加工费时长、刀具磨损快、机床加工精度下降等。另外，主轴转速和进给速度 等切削参数在一个切削过程中设定为一个固定量，不符合复杂的、渐变的切削情 况。随着高速加工技术的迅猛发展，对数控加工程序的质量提出了更高的要求， 在进给速度优化方面，现有数控编程软件生成的n c 代码已经不能满足实际加工 的要求。 为操机的方便性，根据加工工件材质、选用刀具的尺寸和材料，编程人员必 须给某个加工程序设定一个较安全的进给速度。在实际加工过程中，可以用手工 在n c 机床上优化进给速度。有经验的操作者可以靠耳朵听主轴旋转声音和切削 加工声音来判断切削加工情况，在控制器上手工调整进给速度，但是采用这种方 法存在诸多弊端。首先，并非所有的机床操作人员都有这种有效优化进给速度的 经验。其次，即使对于有经验的操作人员，在加工过程中通过人工方式来改变进 给速度也是一项很冒险的工作。它要求操作者全神贯注，使操作人员易感疲劳莲 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化 极易发生安全事故。再次，操作人员改变进给速度往往是降低进给值，大多数c n c 系统在提高进给速度方面的能力有限。最后，加工过程中每个加工点的切削情况 操作人员并不能全都掌握。如果不知道每段加工特征的具体情况，例如刀具切削 材料的体积，切削深度等，就很难决定较佳的进给速度。 在分析加工过程中的切削情况时，只能获得加工件数学模型，不能了解从毛 坯件到成形件中间模型的加工过程，在刀具切削加工过程中，就很难获得较为准 确的去除材料体积的变化情况。应用n c 代码识别技术，能读取加工过程中的基 本轮廓特征( 直线和圆弧) 、刀位点坐标、进给速度、主轴转速等。根据得到的加 工特征可分析切削加工过程中刀具的材料去除体积、进而分析优化程序中的切削 进给速度。 在数控加工过程中，切削力的大小取决于刀具材料、被加工件材质、机床工 作特性、零件外形轮廓等因素，它与各因素之间的关系非常复杂，获得切削力是 一个非常复杂的过程，然而，对每个加工特征选用一个合理的进给速度，对切削 力的把握是必须的。在不能把握切削力的情况下，对于某一数控加工，编制数控 n c 代码时通常选择一个恒定的进给速度。此时，编程人员只能根据加工区域中 切削条件艰苦的区域，依照以往经验或查表选择一个保守的进给速度，以保证加 工过程中切削力、切削热、颤振以及工件表面质量等都在规定约束范围之内，避 免对刀具、机床造成损害。在这种情况下，对于大多数加工区域来说，给定的进 给速度是一个保守值，刀具在加工过程中处于轻载荷状态，不能充分发挥数控机 床的效能，加工效率低。 针对数控编程中设置恒定进给速度方法的缺陷，通过对n c 代码的识别和处 理，获得每个加工特征段上的几何参数和切削参数，分析数控加工过程中与材料 去除体积有关参数。利用相关试验建立进给速度、轴向切深、径向切深、切削力 之间的数据库，据此建立切削力模糊逻辑推理系统，通过模糊逻辑推理系统来获 得加工过程中刀具所受的切削力，并以该切削力大小不超过合理切削力值作为进 给速度优化的原则，可使整个加工过程中刀具时刻都处于合理切削载荷和有效的 工作状态，提高加工效率和降低生产成本，减少对机床伺服系统造成的冲击，降 低由于切削力变化过大而引起的加工误差。 研究证明，这种以模糊逻辑技术获得加工过程中所受切削力的方法具有很强 的可操作性，基于合理切削力值的进给速度优化技术，对实际生产有非常重要的 指导意义，对提高数控加工中心的加工效率和加工质量，降低工人劳动强度和产 品成本，提升产品竞争力有非常重要的意义。 1 2 相关技术及其研究现状 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业 2 硕士学位论文 化的象征，丽且随着数控技术的不断进步，应用领域已不仅局限于传统制造鲎， 其应用领域不断扩大，对国计民生的一些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发 展起着越来越重要的作用。謦前世界上数控技术主要向以下几个方面发展。 1 数控技术向高速高精度方向发展 速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，矗接关系到加工效率和产品质 量。近年来，高速数控加工已成为图际制造业最热门的话题之一。据有关资料介 绍，国外高档数控机床主轴转速最高已达1 0 0 0 0 0r m i n ，快速迸给最快已达2 0 0 m 细i f l ，进给速度达到6 0m 细i n ，加速度达o 5 2 9 掰s 2 ，换刀时间为0 6 l s 。在 精度方面，普通数控机床的加工精度已由0 0 1 m m 提高到0 0 0 5 m m ，超精度加工 已达o 。0 l 瑟掇，进入到纳米级。国产高速数控机床主轴转速大都在1 0 0 0 0 影撒i n 以 上，最高达到4 0 0 0 0r m i n ，换刀时间为1 5s 。在精度方面，普通数控机床已达到 o 0 堇越越，超精密加工也进入到纳米级，如；北京枫床研究所生产的n a m 一8 0 0 纳 米型数控车床，分辨率为5 n m ，尺寸精度已达1 0 n m 乜 5 1 。 2 。向多轴联动和功能复合方向发展 在零件加工过程中，大量的时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀 和主轴的升降速上，为尽可能地降低这些辅助时间，人们将不同的加工功能整合 在网台机床上，这样，数控系统就向功能复合方向发展。一机多功能的数控系 统，可以最大限度地提高设备利用率，加工精度和效率。同时，数控系统向多轴 联动方向发展，多轴联动的数控机床是莺民经济建设和国防尖端科技的主要设备， 通常被作为战略物资。目前，国外已经在研究6 轴以上联动的数控机床，我国也 已有多家企业能够生产5 轴联动的数控机床疆，。 3 向智能化方向发展 数控系统应用商科技的重要目标就是智能化。主要体现在以下几个方面： 在数控系统中弓l 入融适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 技术，多种参数进行自动测量， 使得在保证产品质量的前提下，加工成本最低或生产率最高。附加入机对话和 自动编程功麓。增设设备故障自诊断功能。弓| 进模式识别技术，应用图像识 别和声控技术，使机器自己识别图样，按照自然语音命令加工h 1 。 4 。向网络化方向发震 网络化数控装备是近几年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网 络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现薪 的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控技术向网络化方 向发展，使得制造业可以利用广泛分布的ln t i e f n e t 网络，将分散在不同地理位置， 具有不同制造资源的企业动态连接起来，从而不受距离和时闻的限制，完成产品 的设计与加工1 。 本论文的数控加工切削迸给速度模糊优化技术研究主要涉及数控加工过程几 3 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化 何仿真技术、模糊逻辑技术两个方面。通过对数控加工过程仿真技术的研究，利 用某种方法对数控加工过程进行几何仿真。在研究相关模糊逻辑技术及其应用的 基础上，把模糊逻辑推理技术应用于切削受力的预测。运用数控加工过程仿真技 术和模糊优化方法，研究基于切削力预测的数控铣削加工进给速度优化技术，对 任意一包含了基本几何特征的平面轮廓数控加工进给速度进行合理优化。 1 2 1 数控加工过程仿真技术 数控仿真技术是指利用计算机图形技术与产品的数控加工技术相结合，通过 动画的形式形象而直观地模拟数控加工的实际过程，并对零件加工结果进行分析 评价的技术。主要采用可视化技术，通过仿真技术和建模软件，模拟实际加工过 程，使工程技术人员能够预先看到加工过程阻1 。 从试制环境的模型特点来看，目前数控切削过程仿真分为几何仿真和力学仿 真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真 刀具一一工件几何体的运动，以验证n c 程序的正确性。它可以减少或消除因程序 错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题。同时可以缩短 从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范 畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削 参数，从而达到优化切削过程的目的。 根据在仿真加工过程中的驱动数据是采用刀位点( c l ：c u t t e rl o c a t i o n ) 数据还 是采用n c 代码，数控加工仿真又可以分为两类：一类是基于后置处理前的数据 ( c l 数据) 所进行的仿真，即基于c l 数据的数控加工过程仿真；另一类是基于后 置处理后所产生的n c 程序进行的仿真，即基于n c 程序的数控加工过程仿真。 前者只有工件刀具的运动，不考虑切削参数、切削力以及物理因素的影响。主要 目的是获得刀具运动轨迹，并检验它的正确性，以保证零件的加工质量。基于n c 代码的仿真主要是检验和优化n c 程序的正确性、操作工加工预览和培训、预防 碰撞。由于驱动数控机床运动的是n c 指令，所以基于n c 程序的加工过程仿真 比基于c l 数据的加工过程仿真更接近于实际，但是由于仿真过程中考虑加工环 境，从而增加了仿真的难度。 按仿真系统具体实现方式不同，数控加工仿真可分为快速仿真和实时仿真。 快速仿真只是对加工过程轨迹动画显示，可以对加工过程进行宏观观察，但是并 不记录加工仿真的几何信息，所以只能定性分析。实时实体仿真不仅可以用动画 显示仿真加工过程而且可以对加工中的数据进行存取、处理等操作，还可以对仿 真中出现的各种情况提取精确的几何数据并对加工结果进行统计分析，为过程控 制和误差检测提供必要条件。实时仿真中的几何模型是动态的，它随着加工过程 的进行不断更新，所以其几何建模成为该方法的核心内容。同时实时性要求仿真 4 硕士学位论文 系统有麓对大量数据的快速操作以及对图形的快速绘制等提供技术支持。随着加 工技术的智能化程度不断提高和计算机运算速度的加快，实体切削仿真系统成为 了数控加工仿真的主要方式和智能加工技术中的核心内容蹭。 国外在上世纪8 0 年代开展数控仿真技术的研究，v o e l c k e r 和h u n t 两人于1 9 8 1 年和王9 8 2 年最早将实体建模技术哆| 入n c 程序检验，并利用c s g o n s l f u c l i v e s o l i dg e o m e t r y ) 模型作了一个试验系统。1 9 8 2 年f r e d s h a l 在g e 公司修改了t i p s 实体模型软件包并将其用于实体仿真n 0 1 。传统实体模型的仿真系统( 如b r e p 或 c s g ) 可以给出模型信息的精确表示，但随着零件复杂度的提高和走刀求交次数n 的增加，计算复杂度为o ( n 4 ) ，图形显示速度较慢，程序运行效率较低n 。 早期由于求交和消隐速度的原因，基于实体数控仿真技术发展缓慢。为了解 决这个问题，1 9 8 6 年r bj e r a r d 和c h a p p e l 将曲面离散技术引入到数控加工几何 仿真，从面解决数控仿真速度闻题秘2 。朝。随着现代计算枫技术发展，3 d 图形加 速技术研究和实现，以及各种造型平台( a c l s 、a m e ) 和图形软件开发包( o p e n g l ) 的接出，再加上实际生产需要f 如需要仿真系统在仿真过程中能够动态改变观察视 角，对仿真的工件进行旋转、平移、剖切、缩放等操作) ，实体数控仿真又得到了 薪的发展。实体仿真意味着更加完整的三维信息，溺薅一直成为数控仿真研究的 重点和重要发展分支。精度和速度的权衡是数控仿真不可网避的矛盾问题，通常 通过降低精度提高速度，由此产生近似实体仿真和精确实体仿真两个研究子分支。 国外数控仿真技术较国内成熟，并已形成了商品化的软件，如法国d e l m i a 公司的v n c 、美国c g t c c h 公司的v e r i c u t 、m a s t e r c a m ，以色列的c i m a t r o n ，英 国d e l c a m 公司的p o w e f m i l l 、n s e e 2 0 0 0 。国外数控仿真基本已能实现三轴至五 轴实体仿真，d e l m i a 的v n c 能够实现任意数目轴的实体仿真，p o w e r m i l l 可对高 速秀嚣工进行实体仿真。国杰虽然还未形成商品化的仿真软件，但也研制了很有价 值的数控仿真原型系统，如清华大学和华中理工大学研制的h m p s ，哈尔滨工业 大学研制的n c m p s ，以及北京联高软件公司和斐克公司合作开发的教学用数控 仿真软件v n c n 4 j 朝。 1 2 2 模糊控制技术 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算机数 字控制。从线性和非线性控制的兔度分类，模獭控制是一种非线性控制。从控制 器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已经成为图前实现智能 控制的一种重要而有效控制，尤其是模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论 等新科学相融合正在显示漱其巨大的应用潜力。 2 0 世纪7 0 年代初，z a d e h 在模糊映射、模糊推理和模糊控制原理等方面进行 了系列的研究工作，特别是模糊知识表示、语言变量、模糊规则( i f t h e | 1 ) 和模 5 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化 糊图等概念的提出和完善，开创了模糊控制新历程，也为模糊建模和模糊控制的 发展奠定了理论基础n 6 17 1 。模糊控制理论研究有以下几个方面。 在自学习、自适应模糊控制理论研究方面，h u n g 全面综述和系统地分析了自 调整模糊控制器的研究动向与发展概况，并给出一种启发式自调整模糊控制算法， 控制级和控制规则调整级采用相同的模糊推理策略，便于模糊控制器的实现n 引。 在模糊推理策略研究方面，目前所采用的的模糊推理策略可以有四种：由相应作 者命名的m a m d a n i 推理、t s u k a m o t o 推理、l a r s e n 推理和t a k a g i 推理方法n9 1 。它 们的模糊性都取决于模糊规则的前提条件和结论部分的语言描述，不同点在于模 糊推理合成算子的选择。在模糊系统稳定性研究方面，早期主要是针对开环模糊 控制系统模型进行稳定性分析，此后有t o n g ，t a n a k a ，s u g e n o 和我国学者陈建勤等 人，针对单变量闭环模糊控制系统模型分析了其稳定性，并给出了系统稳定性条 件瞳卜2 刳。 随着模糊控制理论研究的不断深入，模糊控制作为智能控制的重要分支之一， 它的最大特点是针对各类具有非线性、强耦合、不确定性和时变的多变量复杂系 统，在各个领域中得到广泛应用，并取得良好的控制效果。最早取得应用成果的 是在1 9 7 4 年，由英国伦敦大学教授m a m d a n i 首先利用模糊语句组成的模糊控制 器，应用于锅炉与汽轮机的运行控制，在实验室获得成功。1 9 7 7 年，p a p p i s 等首 先对交通枢纽指挥系统采用模糊控制，使车辆平均等待时间减少了7 乜引。1 9 8 5 年，s u g e n o 等将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车速度的自 动控制，并取得成功，在此后的十几年中都有应用性成果船4 j 。 雷旭，何唤强针对机械加工高精度复杂薄片中出现变形问题，提出一种模糊 控制与展成电解加工相结合的方法，经试验验证不失为电解加工新方法乜引。 武星星，朱喜林，李晓梅等针对机械加工中的误差复映现象，使加工参数的选 择主要依靠操作人员经验的问题。在分析误差复映问题模型的基础上，提出了一 种可同时输入精确值和模糊语言真值的混合输入型模糊系统。利用混合输入型模 糊系统的非线性逼近能力，结合专家经验实现机械加工参数的优化选择。对建立 的模糊系统可以通过选择精确值或模糊语言真值输入加工前毛坯误差、工艺系统 刚度等加工条件，系统能够输出满足加工要求的加工次数和各次加工量等加工参 数。实验验证了用混合输入型模糊逻辑系统实现加工参数优化的可行性乜6 j 。 龚雯论述了用于机械加工误差源诊断的模糊专家系统的设计方法，提出知识库 建造中知识的分类、获取、表达以及知识组织的具体方法，并对系统的推理机制 与策略进行设计，确定模糊推理中系统规则的模糊匹配方法晗”。 1 2 3 进给速度优化技术 数控加工进给速度优化方面，许多学者基于切削受力做了相关研究。 6 硕士学位论文 a 酣毽l l a h i l ，恕e e 氆等给出了一种简化球头铣刀铣削力模型系数的有效方法，给利 用经验铣削力计算公式计算铣削力提供了公式相关系数的计算方法心引。z e “，y a z a r 等基于切削力优化进给速度强9 | 。c h u 等以试验得出进给率与刀具切削特征的关系， 来优化进给速度珏引。 f u s s e l l ，j e f a f d 等人基于离散模型将铣削力学模型和仿真模型相结合来研究进 给速度优化技术口。g u z e l 等基于蹦t i n t a s 的切削力模型研究了离线进给速度优化 技术m 1 。 n k a t a 等提出了将切削模拟系统用于产品可加王性评估的思想秘期。通过对加 工过程的模拟可计算出端铣加工刀具所承受的切削力，进而可估算出刀具变形和 由刀具变形零| 起的加工误差。w e i n e f 进一步提出了用加工模拟的方法估算因切削 力引起的铣削轮廓偏差，并据之优化每一刀具路径的进给速度的思想口引。b a e 建 立了数控加工过程几何仿真模型，研究了端铣削过程材料去除率与刀具路径的关 系，并通过实验建立了铣削力与材料去除率的关系数据库，以此作为迸给速度优 化的依据翮。 j e o n g 开发了一种基于n c 程序的离线进给速度优化系统，这种系统考虑了切。 削力和切削精度对于数控加工的影响口6 1 。对于给定的n c 程序，该系统能有效的 预测数控加工过程中的切削力变化情况，根据切削载荷的变化调整进给速度以达 到较好的表面精度和较高的加工效率。 b 鑫e 提出了用种蔺单的切削力规则化方法来调整“墨袋”数控加工中的进绘 速度口7 1 。首先，介绍了用浸入角来计算x ，y 方向上刀刃的受力，并推导浸入角 和经向切深之间的关系。然后，利用切削试验中刀具测力计获得的切削力，建立 切削力数据模型。最后，运用一种自动调节迸给率的方法来找到合适的进给率。 这种方法能获得更稳定、更精确的切削力。然而没考虑轴向切深，并不能应用到 在c n c 外形轮廓加工中轴向切深不相同的情形。 w 抽g 开发了一种面向金属材料去除率优化的数控端铣实体造型系统，可估 计刃具运动的切削负载和平均切削力，并以此为基础优化进给速度，使其在满足 加工约束条件下达到生产率最大化口8 1 。 y a 珏g 和s i m 分析了球头铣刀加工自由曲面的特点，建立了球头铣刀切削力模 型和曲面误差模型，用于精加工n c 刀位数据文件的模拟，可为每一刀具路径决 定一个合理的进给速度，既保证了加工精度，又提高了加工效率口引。 综上所述，数控仿真技术在数控虚拟加工以及刀具轨迹验证等方面被广泛采 用，但是针对数控加工过程的几何仿真未见具体的实例研究和相关应用，大多数 只建立仿真系统。基于n c 代码的数控加工过程几何仿真技术，能有效地反映实 际数控加工过程，具有良好的仿真效果。进给速度与切削受力有很大关系，切削 受力大时，通过降低进给速度来提高加工精度、延长刀具使用寿命，切削受力小 7 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加工进给速度优化 时，通过提高进给速度来节省加工时间和加工成本、提高加工效率。通过对文献 的研究可以看出对切削力的研究没有基于实际现场加工情况的研究，并且模糊逻 辑技术在现代机械加工方面有较成功的应用，本文以模糊逻辑语言、模糊推理技 术为基础的模糊逻辑技术能克服现场切削力难预测的缺点，获得进给速度优化所 依据的切削受力。 1 3 本文主要研究内容 数控加工过程几何仿真技术能有效地反映数控加工过程中刀具的走刀方式和 加工段的几何特征，以模糊逻辑技术分析加工过程中刀具所受切削力的方法具有 较好的操作性和较好的可靠性，论文针对平面轮廓数控铣削加工进给速度优化， 主要研究内容如下： 在研究数控加工过程仿真、数控n c 代码结构和特点的基础上，利用某种语 言提取n c 代码中的加工参数和位置特征参数，如主轴转速、进给速度、进给方 式、刀位点坐标和刀具直径等。分析所提取的数据，去除一些并非切削加工的内 容( 进刀路径、退刀路径、注释段) ，对数控加工过程进行几何仿真。 针对数控加工过程中切削力的复杂性和获得切削力的困难性，了解与切削力 大小有关的若干因素，通过实验方法获得主要影响因素和切削力之间的经验数据 库，利用模糊逻辑理论建立关于各个因素之间的模糊规则库，根据经验数据，研 究建立了合适的隶属函数和选择合理的模糊控制语言规则，并设计切削力的模糊 逻辑推理系统。 数控铣削加工进给速度优化研究。运用数控加工过程仿真技术和模糊优化方 法，对任意一包含了基本几何特征的平面轮廓数控加工进给速度进行合理优化以 提高切削效率，通过相关试验，验证该优化方法的可行性和优化后加工效果。 1 4 论文结构 本论文的结构安排如下： 第1 章主要介绍数控加工技术及其发展，阐述了本论文的选题背景及意义和 与本论文相关的技术和研究现状，最后给出本论文的主要研究内容。 第2 章主要介绍模糊控制技术及数控基础理论。 第3 章主要研究数控铣削加工的几何仿真及分析。 第4 章主要研究切削力模糊推理系统的设计。 第5 章主要对数控铣削加工进给速度优化进行实例研究。 8 硕士学位论文 第2 章模糊控制技术及数控基础理论 2 1 切削力控制的重要性 数控切削过程是一个复杂的过程，切削力除了与切削用量有关以外，还与切 削刀具本身的材料、被加工工件材料、切削冷却液等因素有关，并且根据被加工 件轮廓特征不同，在其上的切削受力也不相同：加工直线轮廓时刀具去除材料体 积与加工圆弧时的去除材料体积不同，相应的切削受力不同，即使都是加工圆弧 轮廓，内凹圆弧与外凸圆弧以及不同半径的圆弧所受切削力也有所不同。这样， 在切削过程中切削力总是处于变化之中，在其他加工条件相同的前提下，如果进 给速度慢，切削力小，虽然减少了刀具磨损，却影响生产效率，使得数控机床在 生产过程中得不到充分利用。反之，若切削过程中的切削力过大，对于工件的加 工质量将产生不良影响，如增大表面粗糙度，烧伤工件表面，同时也会加剧刀具 的磨损，甚至崩裂刀刃，有的还会危及人身安全。以上这些都是在数控切削的实 际过程中经常出现的问题。 因此，在生产加工过程中就必然要求对切削力进行控制，以保证加工效率、 加工质量和加工过程的安全。一般情况下，切削过程是通过有经验的操作者利用 自己的经验在加工过程中对机床进行实时监控，达到对切削力合理的控制。虽然 这种控制方法是一种有效的措施，但是操作者的经验需要长时间积累，要找到经 验丰富的操作者本身就不是件容易的事情。一个有经验的操作者在加工时只能监 控一台机床，无法顾及其他机床( 尤其在高速切削的情况下，就更要求操作者高度 集中注意力1 ) ，这样就会降低生产率。设想如果在机床当中加入自动控制模块，实 现切削过程中对切削力的控制，就有可能提高切削质量和生产效率。随着计算机、 自动控制技术的发展，再加上数控系统正向着开放式，智能化的方向发展，这自 然会使把计算机技术、自动控制技术与切削力控制联系到一起，去解决切削当中 的实际问题。根据加工材料种类和零件复杂程度的不同，自适应控制系统的生产 率比传统数控系统可提高2 0 - 8 0 。 对切削力实现自适应控制，就必须知道和了解在数控加工过程中，哪些主要 参数会对切削力产生较大的影响。主轴转速、进给速度、切削深度、加工行距与 切削力成正比关系，由于切削过程的复杂性，他们并不成线性或有规律的关系。 在基于现场加工数据下，可以利用模糊技术来建立相关切削力推理模型。 模糊逻辑控制正是一种基于模糊数学逻辑的非线性的智能控制方法，迄今为 止，自动控制技术经过几十年的发展不断完善在工业控制领域发挥了巨大的作用。 9 基于模糊逻辑技术的平面轮廓数控铣削加r t 进给速度优化 模糊逻辑控制不仅对线性定常系统，而且对于一些非线性的、时变的系统都可以 起到良好的控制效果。对于一些很难用数学方程来描述，但人们又有着丰富的手 控经验的系统来说，现代的控制理论就很难达到理想的控制目的，而模糊控制技 术正好为解决这一类问题提供了有效途径。 2 2 模糊控制基础理论 2 2 1 模糊控制中的知识表示 人们在一切社会活动和感情交流、知识传授过程中，都是通过自然语言进行 的。在自然语言中除了有简单采用“是”、“不是”和“对”、“不对”等带有二义性词 汇来构成确定性语句之外，大量的陈述语句是由带模糊性词汇构成，例如“任务很 重”、“气温太高”、“感情很深”等。尽管这种语言具有很大的不确定性，但并不妨 碍人们的理解和信息交流。实际中恰恰相反，正是这样的模糊性使自然语言包含 着更多的信息，沟通的灵活性更强。由于目前计算机逻辑设计都是采用二值逻辑， 因此，它使用的机器语言和种类繁多的算法语言都属于形式语言，而形式语言都 丝毫不具有模糊性，它无法理解人类语言的灵活性和丰富的内涵。要使计算机能 判别与处理带有模糊性的信息，提高计算机的“智能度”。首先要构成一种语言系 统，既能充分体现模糊性，而且又能被计算机所接受。模糊控制中的知识表示方 法能解决这类问题，主要有以下几种语言系统。 1 模糊语言 模糊语言用“文字”作为语言集合的描述，并给定了每个符号所表示的“字义”， 所采用的字和它所包含的意义具有相对应的关系，这种关系就是所谓的“语义”。 2 模糊语句 将含有模糊概念的、按