（机械电子工程专业论文）cimsmas中的加工误差自适应补偿控制研究.pdf

中文摘要 摘要 动态监控技术( d m c ) 是c i m s m a s 系统的重要研究内容之一，而误差补偿控制技 术是d m c 的重要内容之一。该文以外圆切入磨削加工为研究对象，研制了双环嵌套 式误差自适应预报补偿控制( a e f c c ) 系统。内环控制中，用最优预报和最小方差白适 应控制原理，寻求进给磨削到光磨的最佳转换时刻，以降低批量生产工件的尺寸分 散度，外环通过机尾测量，建模并预报误差，把误差反馈到内环修正磨削余量，进 一步降低尺寸分散度，从而降低磨削加工产品的废品率和返修率。 该文阐述了a e f c c 系统的基本原理，包括内环c a r 模型、外环a r 模型、最优预 报律和最小方差自适应控制律。设计了该系统的硬件和软件程序，硬件设计包括数 据采集系统、接口和伺服驱动电路。阐述了模块化软件的结构、开发平台和使用环 境及工作流程。利用v c 十+ 作为开发工具，在w i n d o w s 平台下开发了该控制系统的监 控界面，利用v x d 技术和多线程技术解决了w i n d o w s 平台下的硬件控制和多任务处 理的问蹶。对该系统进行的仿真试验表明，a e f c c 能够降低批量生产工件的尺寸分 散度，对设计的控制系统进行了可行性论证。 为了将d m c 技术的实验研究成果( 包括该文的研究结果) 用于生产实际，必须开 发新一代开放式数控系统，实现d m c 与n c 系统的物理集成，为此，该文探讨了面向 d m c 一类的高级应用程序开放的开放式控制系统应解决的问题，提出了以c o m 技术 组建高级应用程序的软件模块，以o p c 规范制定软件模块接口的解决方案。 关键词：动态监控技术( d m c ) ，误差自适应预报补偿控制，最小方差控制律，开放 式数控系统，c o m 技术 英文摘要 a b s t r a c t d y n a m i cm o n i t o rc o n t r o lt e c h n i q u e ( d m c ) i so n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ti n c i m s m a ss y s t e m , a n de r r o rc o m p e n s a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u ei so n eo fi m p o r t a n t c o n t e n to fd m c m a k i n gu s eo fo u t e r - r o u n d i t e s sf e e dg r i n d i n gm a c h i n i n ga sr e s e a r c h o b j e c t ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h ed u a l r i n gn e s t e da d a p t i v ee r r o rf o r e c a s t i n gc o m p e n s a t i o n c o n t r o l ( a e f c c ) s y s t e m i ni n n e r - r i n gc o n t r o l ，t h es y s t e ms o u g h t f o rt h e o p t i m u m c o n v e r s i o nt i m et h r o u g ho p t i m i z a t i o n f o r e c a s t i n ga n dm i n i n l u r f ld e v i a t i o na d a p t i v e c o n t r o lp r i n c i p l ei no r d e rt or e d u c eab a t c hp r o d u c t i o n sd i m e n s i o nd i s p e r s i o n a n di n o u t e r - r i n gc o n t r o l ，t h em o d e l i n ga n de r r o r - f o r e c a s t i n gw a sm a d eb a s e do nt h eo f f i i n e m e a s u r i n g t h ee r r o rs h o u l db ef e db a c kt oi n n e r - r i n gt oc o r r e c tt h eg r i n d i n ga l l o w a n c es o a st or e d u c et h ed i m e n s i o nd i s p e r s i o n ，a c c o r d i n g l yr e d u c et h eg r i n d i n gp r o c e s s w o r k p i e c e sr a t i oo f w a s t ep r o d u c t sa n dr e p r o c e s s i n gr a t i o n 心b a s i cp r i n c i p l eo f a e f c cs y s t e mt h a ti n c l u d e di n n e r - r i n gc a p m o d e l 、o u t e r - r i n g a rm o d e l 、o p t i m i z a t i o nf o r e c a s t i n gl a wa n di l l i n i l n u t i ld e v i a t i o na d a p t i v ec o n t r o l p r i n c i p l ew e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h es o f t w a r ep r o g r a ma n dt h es y s t e m sh a r d w a r e i n c l u d i n gd a t a - c o l l e c t i n gs y s t e m 、i n t e r f a c ea n ds e r v od r i v ec i r c u i tw e r ed e s i g n e d ，a n dt h e s o f t w a r e sb l o c k i n g f r a m e w o r k 、d e v e l o p i n g - p l a t f o r m 、u s a g ee n v i r o n m e n ta n dw o r kf l o w w e l ed i s c u s s e di nt h es y s t e m u s i n gv c + + a st h ed e v e l o p m e n tt 0 0 1 t h i sp a p e rd e v e l o p e d t h ec o n t r o ls y s t e m sm o n i t o rc o n t r o li n t e r f a c ew h i c hb a s e do nt h ew i n d o w s ，a n ds e t t l e d t h eq u e s t i o no fh a r d w a r ec o n t r o la n dm u l t i t a s kd i s p o s a li nt h ew i n d o w st h r o u g h i n t r o d u c i n gt h ev x dt e c h n i q u ea n dm u l t i - t h r e a dt e c h n i q u e t h es i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sh a v es h o w nt h a ta e f c cc a nr e d u c e ab a t c hp r o d u c t i o n sd i m e n s i o n d i s p e r s i o n ，s ot h ef e a s i b i l i t yo f t h ea e f c cs y s t e mw a sd e m o n s t r a t e d i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h el a t e s to p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h es a k eo f a p p l y i n gt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hf r u i to fd m ct e c h n i q u et op r o d u c ep r a c t i c ea n d i n t e g r a t i n gd m cw i mn cs y s t e m sf u n c t i o n h e n c e t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h eq u e s t i o n t h a to p e nt ot h ea d v a n c e da p p l i c a t i o ns u c ha st h et y p eo fd m c o p e n c o n t r o ls y s t e m ，a n d b r o u g h tf o m lt h es e t t l i n gs c h e m et h r o u g hc o m p o s i n gt h es o f t w a r em o d u l eo fa d v a n c e d a p p l i c a t i o nw i t hc o mt e c h n i q u ea n dc u s t o m - t a i l o r i n gt h ei n t e r f a c eo fs o f t w a r em o d u l e w i t h0 p cc r i t e r i o i l k e yw o r d ：d y n a m i cm o n i t o rc o n t r o lt e c h n i q u e ( d m c ) ，a d a p t i v ee r r o rf o r e c a s t i n g c o m p e n s a t i o nc o n t r o l ( a e f c c ) ，m i n i m u md e v i a t i o na d a p t i v ec o n t r o l p r i n c i p l e ，o p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，c o mt e c h n i q u e i i i l 概论 1 概论 1 1 c i m s 环境下制造自动化系统( c i m s m a s ) d p 的误差补偿 控制技术 c i m s 是制造业发展的一个重要阶段，我国政府十分重视发展c i m s 相关技术， 在l 雾家八五、九五和十五规划中都制定了c i m s 发展的研究和应用规划，其中八五和 九五规划中的研究内容主要是企业的信息化，此阶段c i m s 的主要含义是指计算机信 息管理系统( c o m p u t e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，旨在用企业信息化带动 企业现代化。在十五规划中，c i m s 的研究内容则增加了制造工艺现代化方面的内容， 构成了现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) “1 。 在现代集成制造系统的制造自动化分系统( c i m s m a s ) 中，除了进一步实现和完善 m a s 分系统的信息集成和生产管理外，还应加强对系统的动态监控技术( d m c ) 的研 究，以提高制造工艺水平和产品质量。d m c 的理论和技术基础是动态信号分析和系 统建模技术，其主要研究内容是0 3 ： 1 以提高加工精度为目的的机床运动和加工误差的计算机补偿控制技术： 2 以提高加工表面质量为目的的机械加工系统工况识别和自适应控制技术； 3 以提高设备完好率和制造质量稳定性为目的的设备动态监测和故障诊断技 术，刀具破、磨损监测技术； 4 以降低批量加工尺寸分散度和废品率，提高经济效益为目的的加工质量预 报与控制技术； 本课题研究的是上述d m c 研究内容的第一项，即机床运动和加工误差的计算机 补偿控制技术。众所周知，提高机床的运动加工精度有误差避免法和误差补偿法 两种途径”。误差避免法是用精密的测试仪器，严格控制的工作环境( 如恒温、恒湿、 隔振等) ，加上高超手艺的技工，用“硬技术”制造出高精度的基准件和母机来加工 出所需精度的零件。这种方法技术难度大，耗资大，且在机床精度丧失后难以通过 维修恢复其原有精度。误差补偿法则是根据实测机床运动误差或工件的加工误差， 采取一定的措施对误差进行补偿以提高加工精度。这种方法代价相对低廉，技术上 较易实现，能收到较好的效果。 误差补偿法有机械补偿和计算机补偿两种方式。机械补偿是将机床运动误差的 测量结果记录在“硬台质”即补偿元件上，通过改变机床的加工刀具与工件的相对 重庆大学硕士学位论文 位置达到误差补偿的目的。机械补偿灵活性差，当补偿量改变时，需要重新制作补 偿装置，或者是重新调整，很不方便；同时，它只能补偿系统误差，对于局部误差( 短 周期误差) 及其它随机误差不能补偿。 计算机补偿是根据对机床的运动部件或加工工件的测量误差，用计算机软件计 算补偿量，对伺服驱动系统进行控制以实现加工误差的补偿。这种方法克服了机械 补偿的缺点，在目前机床制造行业中得到了应用。它可以在不对机床的机械部分作 任何改变的情况下，使其总体精度和加工精度得以提高；而且它具有很好的柔性， 可以根据需要对补偿误差做出修正。现在采用的计算机误差补偿方法有三种方式： 1 在线测量一反馈补偿控制 现有闭环数控机床即采用此类控制，它通过位置传感器实测机床位移，与指令 位移进行比较后，通过校正器进行补偿控制。这种方式只能对运动误差进行补偿控 制，对工艺系统的加工误差不能补偿。 2 离线测量一在线补偿控制 它采用离线检测的方式得到误差补偿量，然后编入程序进行在线定点( 定程) 补偿。这种方式检测精度较高，不受加工条件的限制，但是它不能反映加工时的实 际情况，也不能连续检测加工过程的变化，因此不能实时地补偿误差，也不能对随 机误差进行控制。 3 误差预报补偿控制( f o r e c a s ti n gc o m p e n s a t o r yc o n t r o ，f c c ) 这是一种更积极的误差补偿控制方式，其工作路线为：在线测量误差建立 误差时序模型预报误差在线预报补偿控制。f c c 具有以下优点： a 在建立误差时序模型后，能以预报补偿代替反馈补偿，控制作用更积极； b 能同时补偿系统误差和随机误差； f c c 是建立在在线系统辨识的基础上的，它又被称为以提高精度为目的的几何 适应性控制( g a c ) 。f c c 是一种积极的控制方式，机械制造学者们多年来在f c c 方面 作了许多研究工作，取得了多项成功的实验研究成果。这些成果目前尚未广泛用于 商品机床和工业生产，其主要原因是：一方面，由于f c c 本身的复杂性，其理论和 实践研究尚须进一步提高和完善；另一方面，f c c 技术尚未与现有封闭式数控系统 实现物理( 功能) 集成。因此，在十五期间的c i m s m a s 系统中，我认为应进一步加强 对f c c 的理论和实践研究，并努力开发面向f c c 高级应用程序的现代开放式数控系 统，使f c c 技术尽早进入生产实践领域中去。 1 2 国内外运动力口工误差预报补偿控制( f c c ) 的研究概况 机械加工是一个复杂的动态过程，影响加工精度的随机因素很多。f c c 是一种 2 1 概论 适用于动态加工过程的误差补偿控制方式，8 0 年代以来，它吸引了众多学者的兴趣， 对其开展了多项理论和实验研究，取得了多项实验成果，有的己用于生产实际，本 文对此作一简要介绍。 参考文献 3 进行了“丝杆运动误差的预报补偿与控制”的研究，其控制系统 如图1 1 所示。系统采用数控铣床作为试验研究对象，用激光干涉仪测量工作台的 线位移作为基准量，用旋转变压器测量丝杆转动的角位移，两者之差构成丝杆运动 误差时间序列，对其建立运动误差的a r 模型并作一步预报，再根据误差规律复现原 理通过液压伺服系统进行误差预报补偿控制以提高丝杆运动精度。 p 妇一一卫油向参考速度： 咯( 1 ) 一一胤向预报速度 出i - - 一工作台线位移变化量 4 妒f 一一丝杆角位移变化量： 图1 1 丝杆一螺母运动误差的在线f c c 系统 f i g1 1 f e e ds c r e wn u tm o v e m e n te r r o r so n l i n ef c cs y s z e m 在机床导轨误差的预报补偿控制方面，参考文献 4 作了“镗床导轨几何误差 及其预报控制的计算机模拟”的研究。该试验系统采用激光测量装置测量滑台一导 轨副在不同运动位置的横向( y 向和z 向) 摆动误差，通过建立误差的a r 模型在线预 报加工误差，对预报的误差值进行补偿，这样即可提高被镗孔轴线赢线度。计算机 仿真结果表明，预报补偿控制可以补偿7 0 5 的误差。 在对外圆磨床加工的圆度误差预报补偿控制方面，参考文献 5 在对多因素方 差分析的基础上确认影响工件圆度误差的主要原因是机床主轴的径向回转误差运动 ( s p i n d l er a d i a le r r o rm o t i o n ，s r e m ) 。s r e m 是由于机床主轴部件( 轴、轴承) 在 加工及装配时的几何误差和磨女0 过程中的动力因素，使主轴轴线不断改变其空间位 置而产生的。s r b m 在刀具敏感方向上最大，因此，对刀具敏感方向上的主轴径向回 转误差建立a r 模型并对其作预报补偿控制，就可以大大减小工件的圆度误差。仿真 3 重庆大学硕士学位论文 试验表明误差预报补偿控制可以减小工件的圜度误差7 5 。外圆磨削s r e m 的f c c 系 统见图1 2 。 图1 2 外圆磨削s e r m 的f c c 系统 f i g1 2 o u t e rr o u n d n e s sg r i n d i n gs r 酬sf c cs y s t e m 以上三例是对机床三种主要运动部件的一步运动误差预报补偿控制，随着计算 机技术的发展，自动化技术中的自适应控制技术在机床误差补偿控制系统中的应用 研究也得到了重视。参考文献 2 作了“数控铣床工作台运动广义最小方差自适应控 制的研究”。最小方差自适应控制的原理为：在确定性的系统误差和随机干扰的作 用下，系统输出与期望值之间存在偏差，对系统输出进行处理后，产生控制作用施 加于被控对象，使得系统的输出值与期望值在样本范围内的偏差方差最小。根据这 一原理，作者在数控铣床工作台的运动过程，通过建立运动误差的a r v 模型，采用 广义最小方差自适应控制使工作台每一微进给量的期望值与实际值的偏差方差最小 以提高机床的定位精度和轮廓精度。对x k 一5 1 6 数控铣床工作台运动误差最小方差 自适应控制系统的仿真结果表明，工作台运动误差的相对位移偏差比没有自适应控 制时减小了2 6 ，提高了一个程序段的定位精度和轮廓跟随精度。x k 一5 1 6 数控铣床 的误差自适应控制系统如图1 3 所示。 4 1 概论 图1 3x k 一5 1 6 数控铣床控制系统 f i g1 3x k 一5 1 6n u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n e 7 sc o n t r o ls y s t e m 参考文献 6 作了“提高多轴联动数控系统轮廓跟随精度的自适应控制研究”。 由于在多轴联动的数控机床上进行轮廓加工时，各轴伺服驱动系统的动态特性以及 各轴间动态特性的匹配状况直接影响整个系统运动的轮廓跟随精度。因此，作者通 过系统辨识，得到了) ( i ( 一5 0 4 0 数控铣床伺服系统二轴的二阶模型，对此二阶模型用 p i d 控制器进行优化，得到共同的参考模型，从而设计了模型参考自适应控制系统。 对该模型参考自适应控制系统的直线和圆弧运动仿真试验表明，由于二轴动特性趋 向匹配状态，且始终保持较好的动特性，从而提高了多轴联动伺服系统的轮廓跟随 精度。其实验系统见图1 4 。 图1 4x k 一5 0 4 0 实验系统 f i gi 4x k - - 5 0 4 0e x p e r i m e n ts y s t e m 5 重庆大学硕士学位论文 以上诸例是对机床运动误差的补偿控制，在加工尺寸精度的自适应控制方面， 参考文献 7 作了切入式外圆磨削“加工精度的自适应预报控制”的研究。该文在分 析外圆磨削加3 - _ 过程的基础上，认为可以通过对磨削中工件实际尺寸的不断测量， 从测得的工件尺寸辨识和估计磨削过程，建立磨削过程模型，利用这个模型不断对 光磨后工件尺寸进行预报，根据预报值来控制砂轮由进给磨削到光磨的转换时间， 以提高尺寸加工精度和减小批量工件尺寸分散度。作者应用该方法于洛阳轴承厂内 圈滚道磨床的技术改造中，成功地降低了圆锥滚子轴承内圈滚道的尺寸分散度。 1 3 课题来源及目的意义 如1 1 节中所述，鉴于制造系统中的动态监控技术是现代集成制造系统中制造 自动化中需要加强研究的技术，而机床运动加工误差的自适应补偿控制技术是具有 前沿性的课题，为此，我们向重庆市科委申请并获准承担“c i m s 淞s 中的加工误差 自适应补偿控制研究”课题。 课题以外圆切入磨削加工的尺寸误差补偿技术为研究对象，提出了一个双环嵌 套式外圆磨削误差自适应预报补偿控制系统。系统内环旨在对单个零件的加工误差 进行最小方差自适应控制以提高单件加工的精度和降低批量尺寸分散度；外环旨在 对一批零件进行尺寸误差自适应质量控制以降低尺寸分散度，从而减少废品率，提 高经济效益。课题的研究内容具有重要的理论意义和一定的应用前景。 1 4 论文内容安排 本论文共分七章。 第一章概论阐述了课题的背景意义及任务来源； 第二章阐述了外圆切入式磨削双环嵌套f c c 的控制原理和技术方案； 第三章介绍了自适应f c c 的数学模型和算法： 第四章进行了补偿系统的软件设计； 第五章阐述了数据采集系统硬件设计； 第六章介绍了系统仿真试验及结果； 第七章对开发面向误差自适应补偿控制等动态监控技术( d k l c ) 的新一代开放式 数控系统进行了初步的探讨。 6 2 切入磨削尺寸加工误差自适应控制系统原理 2 切入磨削尺寸加工误差自适应控制系统原理 2 1 问题的提出 磨削加工作为一种精密加工方法，往往是机械产品的终极加工工序，其加工质 量的优劣直接影响到产品的最终质量和性能。一般说来，磨削加工磨后精度可达 i t 6 i t 4 ，表面粗糙度也值为o 0 2 p r o 一1 2 5 p r o ，因此它的加工精度要求较高。随 着现代机械对零件质量要求的不断提高，磨削加工在金属切削加工中所占的比重还 会不断上升。 磨削加工是一个切削、刻划和摩擦抛光的综合作用过程，它不同于一般的切削 加工，其加工机理比较复杂，袭现为以下特点【8 ： 1 背向磨削力大 背向磨削力作用于砂轮切入方向，砂轮以很大的力推压工件，加速砂轮钝化， 使砂轮轴和工件均产生弯曲变形。 2 磨削温度高 磨削属于高速切削，切屑与工件分离时间短，砂轮导热性又差，切屑热瞬时聚 集在工件表层，使工件表面热变形，甚至烧伤。 3 表面变形强化和残余应力严重 表面变形强化和残余应力使零件磨削后变形，丧失已获得的加工精度。 上述三种因素是影响磨削加工尺寸精度、形状精度和工件表面质量的主要原因， 是提高磨削加工工艺水平的主要障碍。本文拟以切入式磨削为对象研究提高磨削加 工尺寸精度的途径。 图2 1 所示为切入磨削尺寸变化规律图吼由图可见，由于砂轮磨损、工艺系 统弹性变形以及热膨胀等因素的影响，磨削中工件实际尺寸的变化d ( f ) 与砂轮名义 进给量d ( f ) 之间存在差异。在进给磨削阶段，砂轮头架以恒定速度进给，工件大部 分余量在进给磨削阶段被去除；而在光磨阶段，砂轮停止进给，但仍有一定的磨削 作用，在光磨阶段后期砂轮基本上不起切削作用，工件光磨后可获得最终尺寸。 目前，工厂对切入磨削加工尺寸精度控制有定程控制和主动测量控制两种方法。 定程控制是采用刚性凸轮控制砂轮架进给行程，加工每个工件时砂轮架的进给量保 持不变。主动测量控制是用电感测头进行在线测量，当被加工工件尺寸达到要求时 即停止进给，转入光磨。这两种方法其实都是靠控制由进给磨削到光磨的转换来控 7 重庆大学硕士学位论文 制工件尺寸的，但由于传动机构和测试系统的误差以及磨削过程的动态随机因素等 的影响，使得这两种方法的转换难以实现在最佳点转换，从而影响最终尺寸精度。 因此，为了进一步提高磨削加工的尺寸精度，必须在主动测量控制的基础上，从分 析磨削加工的动态性质入手研究提高磨削加工尺寸精度的途径。自适应预报补偿控 制就是一种新的途径。 f f m i s h i n 启e d g r i n d i n g m a n c l 蕊 d ( f ) = d o 一2 f ( t ) t ot jt 2t 盛一一工件毛坯尺寸 d ( f ) 一一工件实际尺寸 d ( r ) 一一工件名义尺寸 ，( r ) 一一名义进给量 图2 1 切入磨削尺寸变化规律图 f i g2 1 f e e dg r i n d i n gd i m e n s i o nv a r i e t yr u l ec h a r t 2 2 自适应控制的一般原理 自适应控制作为一种先进的控制方法，在飞行控制、卫星跟踪望远镜的控制、 电力拖动、造纸等方面的控制中得到了成功的应用。然而，它在机械加工中的应用 还不广泛。近年来，由于计算机技术的迅速发展，特别是微处理机的广泛普及，为 自适应控制在机械制造中的实际应用创造了有利条件。 自适应控制是指在被控系统工作过程中，系统本身能不断地检测被控变量( 即系 统输出变量) ，根据系统的输入( 控制变量) 和输出数据建立系统数学模型( 系统动力学 模型) ，综合模型参数和系统输出观测值与参考值在各离散点处的偏差方差最小的目 标，即可求得新的输入控制变量。这样系统就能逐渐地自适应地进入最佳工作状态， 而其输出被控变量也能逼近其理想参考值【l0 】。 自适应控制的研究始于上世纪5 0 年代，目前从理论研究和实际应用的角度看， 8 2 切入磨削尺寸加工误差自适应控制系统原理 比较成熟的自适应控制系统有两大类：参考模型自适应控制系统和具有被控对象数 学模型在线辨识的自适应控制系统1 1 1 。具有被控对象数学模型在线辨识的自适应控 制系统能根据被控对象的输入输出数据建立数学模型，不必了解每一具体影响因素 对被控对象的影响，使得我们对系统的分析变得更加简单。图2 2 为具有被控对象 数学模型在线辨识的自适应控制系统方块图。 ( t ) 一l v ( k ) 丛叫n t r o 1 1 ls y s t e r l l + !“t ) “砷呱焉r u l e 硅l a c l l 兰坚型 y ，( 女) 一一被控变量参考值 ( 女) 一一输入控制作用 ( 七) 一一系统的随机扰动 y ( k ) 一一对象的观测输出值 占( 女) 一对象的参数估计 v ( k ) 一一系统的量测噪声 图2 2自适应控制系统方块图 f i g2 2a d a p t i r ec o n t r o ls y s t e md i a m o n d sc h a r t 在图2 2 所示的自适应控制系统中，由系统输出y ( | 】 ) 的时间序列( y 。) 建立模 型对系统进行辨识，最小方差自适应控制律利用辨识得到的参数进行综合运算，产 生新的输入变量“( 七) 取代模型参考输入值y ，( 七) 。经过不断的辨识，系统的模型会 越来越准确，越来越接近于实际，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断 改进，最终系统的性能指标将渐近地趋于最优，系统的输出也会趋近于参考值。 由上面的叙述我们知道，自适应控制依靠的先验知识少，只需要被控对象的输 入输出数据就可以建立数学模型，这非常适合于加工机理复杂的加工系统。另外， 自适应控制具有“自适应”的能力，当系统内部特性或外部扰动的变化幅度很大时， 系统可以逐渐适应，并使系统的性能指标渐近地趋于最优，而此时常规反馈控制系 统的性能指标不仅不可能保持最优，而且常常要大幅度下降，甚至会引起系统的不 稳定。因此，自适应控制优于一般的控制方式。 2 3 切入磨削加工尺寸误差自适应预报补偿控制( a e f c c ) 切入磨削加工误差自适应预报补偿控制的基本出发点仍然是控制磨削由进给磨 削阶段到光磨阶段的转换，即用自适应控制的原理寻求最佳的转换点( 转换时刻) 。 在进给磨削阶段，实际进给 y ( t ) 的动态变化对最终尺寸精度没有影响，因此我们 9 重庆大学硕士学位论文 并不关心进给阶段y ( t ) 的变化，也不用上节对自适应控制系统的一般原理所述设计 自适应律去调节磨削系统的输入控制变量“( f ) 。本文研究的关键是确定最佳转换点， 即名义尺寸u ( k ) 达到何值时转入光磨，能使工件光磨后的尺寸最接近于要求尺寸。 磨削系统输入输出模型见图2 3 。 羔叮焉瑟1 业掣螺 ( ”一输入控制变量 y ( k + ) 一一光磨，步后的工件尺寸 九u ) 一一光磨时刻预擐，步的尺寸 以u ) 一一预报误差 图2 3 磨削系统输入输出模型 f i g2 3g r i n d i n gs y s t e m si n p u ta n do u t p u tm o d e l 设光磨起始时刻为k ，转入光磨时的名义尺寸为“( i ) ，光磨后尺寸为y ( k + ，) 。 取系统的输入时间序列( 。) 和输出时间序列( y 。) 用系统辨识方法建立单输入、 单输出二元时序模型c a r 模型，问题就是如何由输出的理想值( 即要求的尺寸y ，) 和光磨系统模型参数反求最佳的输入“( 七) 。 因为要控制的是由进给磨削阶段到光磨阶段的转换时刻，而此时尚未进入光磨 阶段，因此y ( k + j ) 只能由预报值兵和预报误差( ，) 来表达。图2 4 是切入磨 削a e f c c 系统方块图。 d n k 赢磊磷郫孽慧司掣垒! 厂i 愿 从砷 图2 4 切入磨削误差自适应预报补偿控制系统( a e f c c ) 方块图 f i g2 4 f e e dg r i n d i n ga e f c cs y s t e md i a m o n d se h a r t 埘 谚 图中d 是工件毛坯尺寸，2 k s 是砂轮的进给量，s 是一个采样周期的名义避给量 1 0 2 切入磨削尺寸加工误差自适应控制系统原理 u ( k ) 是k 时刻工件的名义尺寸，o j ( k ) 、v ( k ) 分别为系统的过程干扰和测试噪声。 按 。) 和( y 。) 序列建立c a r 模型，可产生模型参数( 口。) ，( b ) 。图中的 最优预报律是按在光磨过程中各采样点处的预报误差方差最小的原则来预报光磨后 尺寸y ( k + j ) ，即y ( k + l ，) = 歹i ( j ) + 以( j ) ，九( _ ，) 表示在k 时刻的j 步预报值，矗( _ ，) 是预报误差，且呈正态分布( 见图2 5 中的曲线a ) 。在极限最佳情况，曲线a 收缩为 y ( k + ，) = 歹。( j ) 直线，即工件最终尺寸与最佳预报值相同。 在批量工件磨削中，图2 4 中的最小方差自适应控制律的作用是使一批零件光 磨后的尺寸y ( k + ，) 尽量接近于要求的理想尺寸y ，则必须满足这两个呈正态分布 概率曲线的方差极小化，即曲线a 与b 收缩为两根重合的直线。这就是系统中最优 预报律和最小方差自适应控制律的作用，将这两者的算法结合c a r 模型参数，即可 反求系统的最佳输入“( i ) ( 推导过程见下章) ，即系统转入光磨时刻k 的名义进给量。 当实际进给量与名义进给量一致时，立即转入光磨。 曲线a 一一实际尺寸分布曲线 曲线b 一理想尺寸分布曲线 图2 5 工件尺寸分布关系图 利用上述基本相同的自适应尺寸预报补偿控制系统，参考文献 7 的作者在洛阳 轴承厂对一批圆锥滚子轴承套圈进行加工实验的结果表明，用定程控制方法控制时 工件的尺寸分散度为3 8 , u r n ，用主动测量控制方法控制时为2 2 , u r n ，用自适应尺寸 预报补偿控制时则降为1 0 o n ，可见自适应预报补偿控制的控制效果非常显著。 考虑到工件热变形、冷却液中的砂粒以及振动等因素的影响，工件尺寸的在线 测量值与离线( 机尾) 测量结果有差异，如图2 6 所示，离线测量尺寸是以y 。为中心 呈正态分布，它与尺寸期望值之间有一偏差占( 占= y 。一y ，) ，它将降低零件尺寸精度 重庆大学硕士学位论文 和加大批件尺寸分散度，不利于工件的分组装配和加工效率的提高。然而在线控制 方式不能补偿控制这种偏差，必须另觅途径。 嘛 ，。l 西，n e ，j 。 y a 。 曲线口一一理想尺寸分布曲线 曲线6 一一离线测量尺寸分布曲线 图2 6 离线测量尺寸与尺寸期望值的关系 f i g2 6 t h er e l a t i o n s h i po fo f f l i n em e a s u r ed i m e n s i o n a n dd i m e n s i o ne x p e c t a t i o n 本文解决这个问题的思路是：离线测量工件尺寸建立a k 模型一步预 报误差修正毛坯磨自0 余量返回在线加工控制以降低由上述尺寸差异所导致 的尺寸分散度。为此，本文提出了精密切入磨削双环嵌套式尺寸加工误差自适应预 报补偿控制系统( a d a p t i v ee r r o rf o r e c a s t i n gc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls y s t c x n ，a e f c c ) 。 a e f c c 系统对磨削加工尺寸精度进行双环控制，内环主要用于控制单件尺寸加工猜 度和降低批量生产尺寸分散度，外环主要用于补偿在线、离线测量误差，进一步降 低尺寸分散度。内、外环控制相结合，共同实现对工件尺寸精度的控制。 双环嵌套控制系统框图见图2 4 ，其内环采取上述的自适应预报控制，系统的外 环控制采用离线建模预报控制的方式，即以一批工件的离线有序测量尺寸与其光磨 后尺寸的差值序列( p k p 。) 建立a r ( a u t o r e g r e s s i v em o d e l ) 模型，经最小预报 误差方差预报律( 即最优预报律) 一步预报工件离线测量尺寸与光磨后尺寸的差值 d ( 1 ) ，并修正工件的毛坯磨削余量，由此可得修正后的工件毛坯尺寸d ，。加工时， 在线控制系统按照修正后的毛坯尺寸调整磨削进给量，对工件由进给磨削阶段转换 为光磨阶段的名义迸给量进行调整，即改变砂轮的进给时间，这样工件的离线测量 误差也可以得到补偿，减小了一批零件的尺寸分散度，从而实现了批量工件尺寸加 工精度的外环闭环控制。a e f c c 系统控制流程见第三章图3 1 所示。 1 2 ! 翌堑塑壁型堡茎宴重些墼型篁兰 3 双环切入磨削误差自适应控制算法 双环切入磨削误差自适应预报补偿控制( a e f c c ) 流程见图3 1 。a e f c c 由内环 和外环嵌套控制，其控制算法如下。 1 n n e r r l n g c o n t r 0 1 图3 1 双环a e l 日c c 控制流程图 f i g3 1 d u a l r i n ga e f c cc o n t r o lf l o wc h a r t 0 u t e r r l n g c o n t r 0 1 重庆大学硕士学位论文 3 1 内环误差自适应控制算法 3 1 1 模型参数的辨识 实验分析表明，切入磨削过程的模型可以用一阶c a r 模型表示【7 】： y ( k ) = a y ( k 一1 ) + b u ( k 1 ) + e ( k ) ( 3 1 ) 式中y ( k ) 为工件k 时刻的实际磨除量，u ( k 一1 ) 为砂轮k 一1 时刻的名义进给量， e ( k ) 为误差值。 在磨削加工中，由于工件毛坯尺寸、工件磨损以及砂轮钝化等条件不断发生变 化，使得式( 3 1 ) 中的参数a 、b 也相应发生变化。在一个工件的磨削中，参数a 、b 可看作常数( 变化很小) ，但在磨削不同的工件时，参数a 、b 一般是不同的，因此 每加工一个工件时，都必须在线实时辨识参数a 、b 。参数辨识采用最小二乘法，其 原理为： 设被辨识的系统有如下的模型： y k = 一口l y t l a 2 y l 一2 一一日 y 一。+ b l “i l + + b u 女一。+ e t 记录一组输出值及控制值： y l 附，y 洲 其中n 2 n ， “1 ，“2 ，一j n 十v 十1 则可以写出由y 。到j ，。+ 。共n 个方程 2 1 只- a z v 科一。吲屿+ 如十+ 巨嵋托h 2 - a l y n d 嘲哪柏坞9 - + b n v - 1 + e n + 2 ；( 3 2 ) 坛+ 5 只+ 州一a z y + u - 2 一哪均“，州坞“肿肛2 + 。+ b u n + e n 令 口= ( 一a l a 2 一口。b i b 2 - b n ) x ：= ( y yl y 1 “。m 1 ) 则方程组( 3 2 ) 可写为 f 以+ l = k t “岛+ l i 咒+ 2 = 吒t + l “巳+ 2 11 ( 3 _ 3 ) 【咒“一- - n t + n _ l 冉q + 写成矩阵形式y = 妒n 口+ e n( 3 4 ) 1 4 3 双环切入磨削误差自适应控制算法 其中 y 。= ( 只+ 。 妒= x j x n t + t y 。+ 2 y 。+ v ) 。 y 。 y 1 y l“ y + 1y h y 2“ “ “1 u 2 y + 一1y _ + n 2 + y u n + n 一1 。 “ v ( 3 ，5 ) e n = ( e e m e n + n ) 。 ，= 己= f | e l i( 3 6 ) 最小二乘辨识就是使，最小； 由式( 3 4 ) 有 e 。= y 。一妒，代入式( 3 6 ) ， 令竺= 0 ，得 疗= ( 伊：妒_ v ) _ 1 妒：j ，。( 3 7 ) 一次辨识计算不仅速度慢，而且占用的内存较多，在线参数估计一般采用递推 辨识的方法f 。递推辨识的原理如下： 若已知n 时的辨识结果为 氏= ( p ：妒n ) 一妒n tj ，= r 妒n t ，( 3 8 ) 式中p = r 尹：钒厂( 3 9 ) 则n + 1 时的关系为 氏+ 。= ( 妒：。伊。+ 。) 。伊：+ 。y n + ，= p + 。伊：+ 。y 。 又 j ，。+ l * i 鲰 ， i _ y n + n + ij + t 一慨j 所以有 氏+ ，= p 。( 妒j x 。+ 。) ly ”i ：p u + t ( 妒n tj 。+ x n + n y + 2 v + t )( 3 1 0 ) l y 一+ n - r - ij r + ，可表示为 尸“= ( p ：伊n + x n + n x 。t + n ) = ( 巧1 + x n + n x 。t + n ) 一 贿 1 ：2 ：芝芝_ 即r 1 矗” b 取 k + i = p x 。+ n ( 1 + x ：+ n 尸x 。+ n ) “( 3 1 2 ) 将式( 3 1 2 ) 、( 3 1 1 ) 代入式( 3 1 0 ) 得 目+ 。= 氏+ j “( j ，。+ l x l n 氏)( 3 1 3 ) 令n = 0 时，初值巧= 口2 ，( 口2 取1 0 ”) ，口：= 0 ，则由式( 3 1 1 ) 、( 3 ，1 2 ) 、( 3 1 3 ) 可辨识得到参数0 。 1 5 重庆大学硕士学位论文 3 1 2 切入磨削加工尺寸自适应预报 一个随机过程的输入输出关n , - i n 差分方程表示如下： 爿( g 。) y ( 七) = q 。b ( q 一1 ) “( 七) + c ( g 一1 ) e ( 七) ( 3 1 4 ) 其中 4 ( g - 1 ) = 1 + a l q 1 + d2 鼋_ 2 + - + 口。q 一“， b ( q 一1 ) = 6 0 + 6 l q 一+ 6 2 q t + + 6 。q ， c ( q 一1 ) = 1 + c f q 一1 +