（机械电子工程专业论文）基于伺服电流与切削力关系模型的自适应数控技术研究.pdf

摘要 智能自适应数控加工可根据加工状况的改变，自动调整切削速度、进给速度、 切削深度等加工参数，而大幅度地提高加工质量和加工效率，使得智能自适应数控 技术成为2 1 世纪数控技术发展主流。目前国内外对智能自适应数控加工的研究大 多集中在对转矩变化的控制上，对切削力变化的控制还局限于直接测量切削力来完 成。这种方法存在着许多缺陷，以至于该项技术长期未能推广。 本论文在分析总结国内外在数控机床自适应监控方面的研究动态及趋势的基 础上，借助f a n u c 数控平台，开发了三维数控加工实验系统，对数控机床及交流 伺服电机矢量控制原理进行了系统的分析，提出了进给伺服电流间接监测切削力这 一研究思路。首次对伺服电机的特性进行研究，将伺服电机作为测力仪，通过建立 切削力与伺服电机电流的对应模型，进行三维切削力的测量与分析。主要研究内容 如下： 选取f a n u c 数控平台，深入研究数控系统内部功能结构，对吊挂单元、电柜 单元、伺服单元采用模块化设计思想。开发操作面板、i o 分配板、继电器板、控 制柜等；对电柜单元、电路板单元的电器元件的布局精心设计，达到强弱电分离、 数字地和模拟地分离、系统区域屏蔽的效果；编制p m c 程序，最后进行系统调试。 结合三坐标工作台搭建三轴数控铣削实验平台。 分析了铣削加工过程，依据三相永磁同步交流伺服电机矢量控制原理，提出伺 服电流间接监测切削力的测量方法，提取反映切削力变化的电机电流信号特征参 数。以上述研究为基础，基于转矩模拟平台、霍尔元件，设计并搭建电磁转矩进 给伺服电流实验平台，进行伺服电流与转矩关系测量实验，研究实时监测进给伺服 驱动单元的电流信号。分析研究切削力自适应控制技术，设计基于f a n u c 数控系 统自适应进给速度控制系统，提出了一套数控铣床的自适应控制方案及控制算法。 关键词：自适应，数控，切削力，间接监测，模糊控制 a b s t r a c t b a s e do nt h ed i v e r s i f i c a t i o no fm a c h i n i n gp m c e s s ，i n t e l l i g e n ta d a p t i v en u m e r i c a l c o n t r o lc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt om a c h i n i n gp a r a m e t e r ss u c ha sm a c h i n i n gv e l o c i t y ， f e d e r a t e ，m a c h i n i n gd e p t ha 1 1 d s oo n s o “c a ni m p r o v em a c h i n i n gq u a l i t ya n d p r o d u c t i v i t yd r 帅a t i c a l l ya n dm a k ci tt ob et h e1 e a d e ro fc n ct e c h n o l o g yi nt h e2 1s t c e n t u r y c u r r e n t ly ，d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r sf o c u st h e i rw o r ko nc o n t r o lo ft h e t o r q u e ，b u tt h e i rr e s e a r c ho nc o m r o lo fc u m n gf o r c ea r ec o n f i n e dt od i r e c tm e a s u r e m e m o f c u t t i n gf ( ) r c e t h em e t h o dh a s 】o t so f d r a w b a c k sa n di tb a s n tb e e ne x t e n d e df o ral o n g t i m e o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt l l er e s e a r c hs i t u a t i o n 柚dd e v e l o p i n gt r e n da th o m e a n da b o a r do f t 1 ei n t e l l i g e n ta d a p t i v en c m a c h i n i n gt e c l l l l o i o gy ，m i sp a p e rp u t sf b n a r d an e wi n d i r e c tm e a s u r i n gm e t h o do ft h ec u t t i n gf o r c eb yi n s p e c t i n gt h es e r v om o t o r c u r r e n tb yd i mo ff a n u cn cp l a t f o 珊a 1 1 da 1 1 a l y s e st h em a c h i r l et o o la n dv e 曲0 rc o n t r o l p r i n c i p l eo ft 1 1 ea cs e r v om o t o rs y s t e m a t i c a l l ya n dd e v e l o pt h r e e d i m e n s i o m ln c m a c l l i n j n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m w ed or e s e a r c ho nm es e r v o d r i v em o t o rc h a r a c t e r i s t i c f o rt h ef l r s tt i m ea 1 1 dc o n s i d e rt 1 1 es e r v om o t o ra st l l ed y n a m o m e t e r s t h e ne s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i pb e t 、】旧e nm i l l i n gf o r c ea 1 1 dc u r r e mo ft h es e r v o d r i v em o t o ra n da 1 1 a l y z et h e t h r e e d i m e n s i o n a lc u m n gf o r c em e a s u r e m e n t a b o v ea 1 1w ed or e s e a r c ho ns o m ea s p e c t s a sf b l l o w s ： c h o o s er 气n u cp l a t f o m ，s t u d yt l l ei n n e r 龟n c t i o na 1 1 dc o n f l g u r a t i o no ft h en c s y s t e ma 1 1 da d o p tm o d u l a r i z a t i o nt h o u g h t sf o rt h eh a n gu n i t s ，e l e c t r i c a lc u p b o a r du n i t s a n ds e r v ou n i t s d e v e l o po p e r a t o rp a n e l ，i 0d i s t r i b u t i o np a n e l ，r e l a yp a | 1 e j sa n dc o n t r 0 1 c u p b o a r d ；d e s i g nt h ed i s t d b u t i o ne l e c t r i c a le q u i p m e n to fe l e c t r i c a lc u p b o a r du n i t sa n d c i r c u i tb o a r du n i t sa b o r t i v e l ya 1 1 da c l l i e v es e p a r a t i o nb e t w e e ns t r o n ga 1 1 dw e a ke l e c t r i c i t y ， s e p a r a t i o nb e t 哈e nd i g i t a lg r o u n d i n ga n ds i m u l a t j o ng r o u n d i n ga n da r - e as h i e l do ft h e s y s t e m ；、v o r ko u tp m cp r o g r 啪，c o r u l e c th a r d w a r ew i r i n ga 1 】da 巧u s tt h en cs y s t e m t h e nb u j l dt h r e e - a x i sn c m i l l i n ge x p e r i m e mp l a t f o m lc o m b i n e dw i t ht h r e e d i m e n s i o n a l w o r l a a b l e o n m eb a s i so fm ev e c t o rc o n t r 0 1p r i n c i p l eo fm ep e h n a n e mm a g n e ts y n c l l r o n o u s m o t o ra n da n a l y z i n gt h em i n gp c e s s ，w ep u tf o r w a r dan e wj n d i r e c tm e a s u r i n g m e t h o da 1 1 de s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pm o d e lb e t w e e nc u t t i n gf o r c ea i l ds e r v om o t o r c u r r e n t t h e nf i n do u tc h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r so fm ef e e ds e r v oc u r r e n tr e n e c t i n gt h e c h a n g eo f t h ec u t t i n gf o r g e b a s eo nt 1 et o r q u es i m u l a t i o np l a t f b m la n dh a l lc o m p o n e n t w ed e s i g na 工l db u i l dm ee x p e r i m e n tp l a t f o m lb e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea 1 1 ds e r v o m o t o rc u r r e n tb a s e do nt h er e s e a r c ha b o v ea i l dc o n d u c tt h em e a s l l r e m e n ts u r v e yb e t w e e n t h et o r q u ea 1 1 ds e r v om o t o re u r r e n t a n ds t t l d yt h er e a l t i m ec u 兀1 1 ts i g n a lo ft h ef e e d s e r v od r i v eu n ha n a l y z ea i l ds t u d yt h ea d 印t i v et e c h n 0 1 0 9 yo ft h ec u t t i n gf o r c ea 1 1 d d e s i g na d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mb ya 由u s t i n gt h ef e d e r a t eb a s e do nf a n u cn cs y s t e m i n t h ee n dt h ep 印e r sd e v e i o pac o n t r 0 1s c h e m ea n dac o n t m la l g o r i t h r nw h i c hi su s e do n c n c m i l l i n gm a c h i n e sf o rm a c h i n i n go p e r a t i o n s k e yw o r d s ：a d a p t i v e ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，c u t t i n gf o r c e ，i n d i r e c tm e a s u m m 叨t ，f u z 巧 c o n t r o i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鲻日强；型每目 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名：墨塑鱼日期：竺! ：! ：! ： 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及研究意义 一般数控机床在加工生产中根据编制的加工程序进行工件的切削，加工过程中 的一些参数：切削速度、进给速度、切削深度、切削宽度等是在编程时根据机床加 工手册和操作者的经验确定。在程序编制中往往无法预先考虑实际加工中出现的以 下情况：加工余量的不一致、工件材质的不均匀、刀具的磨损等对加工质量的不良 影响，总是将加工参数设置的较保守，这不利于充分发挥数控机床的加工潜力和 提高切削效率。 为了提高加工效率，操作者往往在加工过程中根据加工状况不断的调整操作面 板上的进给速度、主轴转速这两个修调旋钮，使机床工作在较理想的状态。因此有 必要增强数控机床识别和处理这些情况的实力，提高它在切削加工过程中的适应能 力和智能水平。为此，可将自适应控制技术应用于切削加工过程控制中，使数控机 床具有根据加工状况实时适应性地调整切削参数的能力，在保证系统稳定正常运行 和一定加工质量的条件下，尽量发挥出机床的加工潜力，保护刀具，提高切削效率。 智能控制技术是生产工程的前沿技术，作为其分支技术之一的智能自适应数控 加工则是数控加工技术迈向更高层次的必然选择。作为一种先进的数控加工技术， 智能自适应数控加工具有以下特点及优势： ( 1 ) 提高生产效率 该特点主要体现在粗加工过程的自适应数控系统中。在智能约束自适应( a c c ) 数控加工中，则可根据铣削深度和宽度的变化对切削速度、主轴转速等参数进行调 节，以始终保持最大的进给率( 切除率) ，而且零件形状越复杂、加工余量越大，智 能自适应控制的效果越好。大量分析试验结果表明，较之传统数控系统，智能自适 应数控系统的加工效率有可能提高2 0 4 0 。 ( 2 ) 提高加工精度 该特点主要体现在精加工过程的自适应数控系统中。智能自适应数控系统则可 基于对零件尺寸精度、表面粗糙度等进行直接或间接的在线测量，实时调节切削速 度和进给率，以克服刀具磨损或机床热变形等因素的影响，保证加工精度。 基于伺服电流与剀削力关系模型的自适应数控技术研究 ( 3 ) 降低生产成本 智能优化自适应控制( a c o ) 可以根据对加工参数的实时检测，通过控制系统的 计算优化，使切削用量保持最佳数值，从而将生产成本降至最低。 ( 4 ) 简化数控机床编程工作 智能自适应数控系统具有根据实际工况“自我编程”的能力，它不仅能在给定 的控制目标下自动给定瞬时切削用量，使编程者不必再选择每次走刀路径和切削用 量，而且还能实现空行程的自动转换，具有切入切出识别和转换功能，在空行程时 采用高速进给，接触工件时再及时调整进给速度，从而减少辅助时间，同时还可减 小切入过程造成的冲击。 ( 5 ) 防止过载，保护机床、刀具和工件 智能自适应数控系统可通过约束某些物理量( 如切削力、转矩、功率等) 使刀具 变形保持在规定范围内，防止机床、刀具和工件因过载而被破坏。 综上所述，与传统的数控系统相比，智能自适应数控系统具有突出的工程实用 价值。此外，九十年代出现的开放式数控系统为智能自适应数控的实现创造了良好 的应用环境，加上检测技术和控制技术的迅速发展，特别是基于神经网络、模糊逻 辑和遗传算法等的智能控制方法的研究和应用，也为智能自适应数控的实现提供了 有力保证口】。不难看出，基于智能自适应控制策略的开放式数控系统具有广阔的应 用前景和强大的生命力。 1 2 国内外研究动态及发展趋势 二十世纪六十年代，通过自适应调整切削用量参数来提高数控加工效率的需 要，促进了自适应控制理论在数控技术中的应用和发展，并由此产生自适应数控加 工技术。 自适应数控加工技术按控制目标的不同可分为两种：优化型自适应数控加工技 术( a c 0 ) 、约束性自适应数控加工技术( a c c ) 附】。a c o 由于缺乏可靠的传感器，确 定与实际加工相接近的优化目标模型比较困难，因而发展受到阻碍。目前已有的加 工过程自适应控制系统主要表现为a c c 型。按控制信号的不同，a c c 型自适应数 控加工技术又可分为三类：恒功率自适应控制系统、恒扭矩自适应控制系统和恒切 削力自适应控制系统。 1 9 7 0 年日本丰田公司机床厂在日本国际机床展示会上展出了g o n l 0 0 a c 自适 2 济南大学硕士学位论文 应控制外圆磨床，该系统基于恒功率自适应控制方式以提高磨削精度和砂轮耐用度 9 j ；八十年代中期，美国通用电气公司研究了恒功率自适应控制技术，并推出一台 可在线调整进给量的恒功率自适应加工装备 6 】o 在国内，1 9 7 9 年清华大学、1 9 8 8 年合肥工业大学【7 j 、1 9 9 3 年哈尔滨工业大学等，都相继对钻床、铣床、车床的恒功 率自适应控制系统进行了较系统的研究，但都处于实验室研究阶段。 1 9 6 4 年美国本克迪斯公司最早研制出第一台恒扭矩自适应数控铣床系统；1 9 7 2 年德国西门子公司研制成一台可控制x 、y 轴方向进给速度的约束自适应控制车床， 其扭矩信号可实时测量；随后，日本m a l ( i n o 公司、意大利1 1 1 t 1 0 c e n t i n 公司和r 1 1 m 研究所也都相继研制成功约束自适应控制机床，以实现恒扭矩数控加工。在国内， 1 9 8 0 年上海交通大学对以扭矩为约束目标的数控车削自适应控制进行了试验研究。 1 9 8 9 年西安交通大学研制了用t p 8 0 1 单板机作为自适应控制器的恒功率、恒扭矩 的最优自适应控制系统【”。然而由于在力矩信号的处理和转换方面都作了不同程度 的条件假设，因此限制了机床的实用性。 恒切削力自适应数控加工技术主要应用在车床和铣床中。1 9 8 0 年，0 m a s o r y 吲 在工业二阶阻尼系统的假设条件，利用变增益技术对恒切削力自适应数控车床进行 了研究，并从理论和实验上论证了该技术的可行性。此后，1 9 8 9 年b s c h e n 9 提出 了p i 控制控制方式，其控制器设计是基于小增益理论的；1 9 9 3 年y s t a m 譬【1 0 l 提出 了自学习控制，其控制算法是基于神经网络算法；1 9 9 4 年l h a r d e r 1 1 提出了基于随 机建模、回归辨识及机电配置的随机控制策略。在恒切削力自适应数控铣床方面， y s t a m g 6 】，y = a 1 t i n t a s ，s j r o b e r 1 4 1 分别提出了自校正控制、模型参考自适应控 制、模糊控制等控制策略。国内的一些大学”，1 6 1 也紧随其后，进行了一定的理论研 究，1 9 9 8 年华中理工大学研制成功恒切削力的自适应数控铣削加工系统，该系统充 分利用智能控制理论： 具建模，克服了传统自适应控制理论对时变非线性系统建模 的局限性，为智能自适应数控加工的实用化提供了理论途径【4 】。 与恒功率、恒扭矩相比，恒切削力自适应数控加工技术的发展十分迅速，这主 要因为切削力能精确地反映机床的工作负荷；然而，如前所述，切削力的在线测量 非常困难( 特别是对于刀具旋转的铣削加工过程) ，这使得恒切削力自适应数控加 工技术的工程实用化，还有一定的难度。 基于伺服电流与切削力关系模型的自适应数控技术研究 1 3 电机电流在切削加工中的应用 电机电流( 含主轴电流、进给伺服电流) 在切削加工中的成功应用，目前主要 集中在两个方面：刀具监控与机床颤振识别，但利用电机电流进行切削力间接测量， 目前国内外都进行了尝试性研究。从借鉴的角度来看，刀具监控与机床颤振识别中 的电流分析方法和研究结论，可以引入到切削力间接测量中去，因为不管是刀具监 控、机床颤振还是切削力，都直接或间接地反映了一个共同问题：加工过程的状态 变化特征。 k m a t s u s h i m a 【2 6 】，j l s t e i n 【2 7 ，m a m a n n a n f 2 8 】较早地提出了利用主轴直流电机 的电流信号来测量数控车床加工时的负载转矩，并以转矩作为控制目标进行车刀监 控。b y l e e 【2 9 】，李小俚【2 4 】在上述基础上作了进一步的研究，并利用最新的小波分析 理论对主轴电流信号进行处理。b ，y l e e 偏重于刀具监控实验系统的构建，并通过 大量的台阶实验给出了这样一个结论：主轴电流信号的高频部分对应刀具在切削过 程中的负载转矩，但没有精确给出该低频信号的频带宽。李小俚则偏重于研究电流 信号的小波分析算法，并通过刀具的破损实验得出结论：刀具负载转矩的变化，将导 致主轴电流信号的幅值变化。 j l s t e i n 3 2 ，y a l t i n t a s 删以直流进给伺服电机为研究对象，对进给伺服电流进行 了研究。j l | s t e i n 首先建立了c n c 车床进给伺服系统各中问环节的传递函数，并在 此基础上得到了以负载转矩作为输入、进给伺服电流作为输出的整个伺服闭环控制 系统数学模型。为了能充分利用该数学模型进行车削力的间接检测。 j m l e e 【3 4 ，t y 飚m 和j wk i m 【3 5 ，t y k i m 和j w w o o 【3 6 1 以交流永磁同步进给 伺服电机( p m s m ) 为研究对象，进行了深入的研究。j m l e e 首先利用电机的矢 量控制技术，推导出交轴电枢反应电流的合成模型，并在二阶阻尼系统的假设下， 给出了笛卡儿坐标系上合成电流与切削力之间的实验曲线模型。t y k i m 和j w - w o o 后来立足于数控机床多轴联动时切削力的问接测量，在电流信号的提取与处理、三 向进给轴之间的耦合等方面进行了研究，并分别提出了改进的k a l m a n 滤波器和基 于a n n 的多变量解耦器。r o m e r o n o n c o s o 和r e n ed ej e s u s 4 0 】提出通过估计最能影 响信号的因素对电流信号进行分析阱找出最理想的信号修调参数，并对电流信号进 行提取。 在国内华中数控最早对铣削力剧接检测技术进行研究【4 ”，同时提出了一种通 4 济南大学硕士学位论文 过动态生成模糊聚类，离线建立铣削力与电信号之间的关系模型的新算法 4 2 1 。华南 理工大学研究了进给电机电流与相应的切削分力之间的关系，用最小二乘法建立了 它们之间的数学模型，以进给电机电流为监测切削负载手段，实现了基于模糊芯片 的铣削过程的模糊控制h 引。 由此看来，主轴电流在负载转矩的监测中获得了较好效果，但用于切削力间接 测量方面，还存在较大困难。其原因为：主轴电机只负责刀具的回转而不负责刀具 的进给，因此主轴电流( 或主轴功率) 主要用来克服刀具的回转转矩而非刀具的进 给力，而进给伺服电机才是驱动刀具进给的源动力。上述研究，为基于进给伺服电 流的铣削力间接测量研究，提供了可借鉴的理论方法和开发思路。 1 4 智能自适应数控加工的技术难题及对策分析 1 4 1 技术难题 通过在线调节进给速度实现切削过程的自适应控制是大幅度提高数控机床生 产率有效途径。工程实践表明，进给速度应在机床设计范围内且保证铣削力小于机 床一刀具一工件系统的极限允荷。所以在数控铣削过程中需对进给速度、实际铣削 功率施加约束。在具体控制过程中，尚有以下因素要考虑： ( 1 ) 采用传统方法利用测力仪对铣削力进行监测具有明显缺陷，所以采用间接 方法，将力信号转换为其他可以方便测量的信号是一个正在探索的方向，同时随着 检测技术的发展，多传感器的信息融合技术是一个正在发展的新兴课题。 ( 2 ) 对于数控加工过程来说，能够直接反映切削点或附近小区域加工精度或表 面粗糙度的信号几乎测量不到，要做到实时在线测量是很困难的。 ( 3 ) 信号的不敏感性和滞后性给力信号、功率信号的分析处理带来了一定难度， 这有待于利用时间序列的预报控制理论予以解决。另外，励磁功率及噪声序列的滤 波分析也是项比较棘手的问题。 ( 4 ) 智能控制的范畴包括神经网络技术、模糊控制技术、遗传算法优化技术、 专家控制系统等，可见，设计一种新型的控制算法将涉及到许多方面的内容。其次， 数控机床是高精高效的机床制造、微电子技术和计算机技术三者相结合的复杂被控 对象，具有显著的非线性和不确定性，要想达到理想的控制效果并非易事。 总之，任何一个动态系统描述，都带有一些不确定性，当系统较复杂时，系统 s 基于伺服电流与切削力关系模型的自适应数控技术研究 描述并不是非常准确，因此，般非线性动态分析本来就是一个难题；高维变量优 化问题尚没有很令人满意的结果；已经明确的理论问题，要在理论上有切实的解决 方法，还有很大难度。 1 4 _ 2 对策分析 基于以上分析并经过大量调查研究，我们以为应针对存在的技术难题采取如下 对策： ( 1 ) 应建立数控系统级的恒切削力智能自适应控制的铣削加工系统，实现切削 参数的实时调整，达到使加工过程处处优化的目的。 ( 2 ) 以切削力作为系统的实时检测信号时，要受到测力仪等硬件设施的限制。 为此，可以避开传统铣削力监测手段并不实用的缺陷，从伺服传动机理、智能自适 应预测两个方面入手，以严格的数学手段找出一种非传统的间接监测方法，找出电 机电流与切削力之间的模糊对应关系，然后通过在数控系统中在线检测电机电流， 利用数学模型即可求出对应的转矩。 1 5 本课题研究的主要内容和预期达到的目标 本课题主要以济南大学机械工程学院的f a n u c o 数控系统为研究工具。 本文研究的主要工作：采用f a n u c 数控系统措建三轴数控铣削实验平台，分 析研究铣削力间接测量的方法，设计基于f a n u c 数控系统自适应进给速度控制系 统。目标是：通过理论分析并实验验证，研究铣削力间接测量的方法和相应的自适 应控制技术的规律、原理和可行性，为系统应用提供技术支持。详细工作如下： ( 1 ) 选取数控平台，在深入研究数控系统内部功能结构的基础上，进行数控系 统硬件和软件平台的二次开发。在此系统基础上，开发机床本体、操作面板、i o 分配板、各种大小继电器板、控制柜、强电连接、p m c 程序等。并结合三坐标工作 台搭建三轴数控铣削实验平台。 ( 2 ) 对测力仪直接测量铣削力所存在的不足进行了研究；在此基础上，提出了 进给伺服电流的铣削力间接测量技术；基于永磁交流同步伺服电机系统的矢量控制 原理，给出了铣削间接测量的总体技术方案并就其相关理论与关键技术进行分析。 ( 3 ) 以上述研究为基础，搭建电磁转矩一电流实验平台建立试验平台，并进行 济南大学硕士学位论文 转矩与进给伺服电流测量试验。通过试验验证所提出理论的可行性和正确性。 ( 4 ) 讨论了铣削时伺服电机电流信号的检测方法及信号的处理，分析了要实现 恒功率控制所应选取的控制信号和控制信号应从何处送入，分析了数控加工过程的 非线性，并选取模糊控制作为实现数控加工恒切削力控制的控制算法，在讨论了用 常规模糊控制器实现数控加工恒切削力控制的不足之处后提出了本课题的改进方 案。 ( 5 ) 在比较了目前刀具监控与保护所用到的各种方法的优缺点的同时并制定出 了本课题中刀具的监控与保护方案，最后制定出相应的控制流程。 基于伺服电流与切削力关系模型的自适应数控技术研究 第二章f m 州c 数控实验平台的搭建 f a n u c 数控系统是最畅销的机床控制系统之一，有良好的技术支持，其高可 靠性、先进性也得到了世界同行的认可 1 7 】。目前，在国内使用的f a n u c 数控系统 主要有o 系统和oi 系统。 2 1f a n u c o 数控系统特点 2 1 1 可靠性的品质 常年的工作经验考验证明b e i j i n g f a n u co 系统是最可靠的数控系统之一， 它能在一般车间环境下运行，其工作场地的室温为0 4 5 。，相对湿度7 5 ，短时可 达9 5 ，抗震为o 5 9 ，电网电压波动为1 0 1 5 ，经对使用中系统的实际统计， b e i j i n g f a n u c o 系统的故障率为o 0 0 8 。此外，数字控制、数据的串行传输大大 提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆，使用信号免受外界干扰1 8 1 9 】。 2 1 2 功能全，适用范围广 ( 1 ) f a n u c 系统所配置的系统软件具有比较齐全的功能和选项功能。对于一般 的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。对于某种特殊要求的机床需要增加相 应的功能，这些功能只须将相应的功能参数打开或加相应板卡即可使用，方便可靠。 ( 2 ) 提供丰富的p m c 信号和p m c 功能指令，这些丰富的信号和编程指令便于 编制机床的p m c 控制程序，而且增加了编程的灵活性。 ( 3 ) 具有很强的d n c 功能，系统提供串行r s 2 3 2 传输接口，使p c 和机床之间 的数据传输能够可靠完成，从而实现高速度的d n c 操作。可以非常方便的使得数 控机床组网，为网络制造奠定了基础平台。 ( 4 ) 提供丰富的维修报警和诊断功能。n u c 维修手册提供了大量报警信息， 并且以不同的类别进行分类，每一条维修信息和诊断状态相当于医生的处方一样， 便于用户对故障进行维修。 济南大学硕士学位论文 2 1 3f a 卜兀7 c o 数控系统硬件结构 随着大规模集成电路芯片的发展，b e i j i n g f a n u c 0 系统的硬件结构已经改进 过多次。目前销售的0 一c 和o d ，其硬件结构基本一样，只是控制轴数不同，所配 置的进给轴驱动电机不同。 b e i j i n g f a n u c o 系统的c n c 单元为大板结构。基本配置有主板、存储器板、 i 0 板、伺服轴控制板和电源。各板插在主板上，与c p u 的总线相连。 ( 1 ) 主板主c p u 在该板上。主c p u 用于系统主控，原来用8 0 3 8 6 ，从1 9 9 8 年 起改用8 0 4 8 6 d x 2 。 ( 2 ) 进给伺服控制板b e i j i n g f a n u c 0 系统全部用数字式交流伺服控制。其 控制板装在c n c 单元内，插在主板上，即c n c 单元与进给伺服为一体化设计。伺 服板上有2 个c p u ( t m s 3 2 0 ) ，用于伺服的数字控制。每个c p u 控制2 个轴，一块 板可控制4 个轴。该板接受主c p u 分配的伺服控制指令，输出6 个相位各差6 0 。 的脉宽调制信号( 每轴) ，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。 0 - d 系统为4 轴( 最大配置) 控制，4 轴联动。只用一块伺服板。0 c 最多可控制 6 个轴，控制6 个轴时需用2 块板。 ( 3 ) 电源主要有5 v 直流电，用于各板的供电。2 4 v 直流电，用于单元内各继 电器控制。 ( 4 ) 存储器板该板上有：系统的控制软件r o m ( 共5 片) 。b e i j i n g f a n u c o 系统可控制车床( 0 一t 系统) 、铣床( 镗床，钻床) 及加工中心( o m 系统) 、磨床( 0 一g 系统) 、 冲床( 0 一p 系统) 。不同类型的机床控制软件不同；伺服控制软件r o m l 片；p m c l 的r o m 芯片2 片，用于存储机床的强电控制逻辑程序；r a m 芯片，用于寄存 c p u 的中间运算数据，根据需要安装。c m o sr a m ，用于存储系统和机床参数、 零件加工程序。根据用户要求配置，最大可为1 2 8 k 字节。c m o sr a m 与4 5 v 电 池相连，关机时保存信息。 ( 5 ) i o 板该板是c n c 单元与机床强电柜的接口。接收或输出2 4 v 直流信号， 由p m c 实施输入输出控制。i o 点数可根据机床的复杂程度选择。标准配置为1 0 4 个输入点，7 2 个输出点。 基于伺服电流与切削力关系模型的自适应数控技术研究 2 2 实验平台系统硬件的总体开发与设计 2 2 1 总体布局 f a n u c o 系统是模块化设计的，因此要考虑各模块在控制柜中的布局，控制柜 的总体布局如图2 1 所示，伺服放大器是功放单元，在工作时会产生大量的热量， 除了自身所带的散热片散热外，还要通过风扇进行散热，为了防止伺服放大器的热 量影响其它模块比如存储器单元、伺服反馈单元和i o 接口单元的正常工作。因此 要将伺服放大器置于控制柜最顶层，让热量由上而走。其它模块放在中间部分，大 量的信号线和控制线由这些模块来引出的，放在中间方便引线。输出点控制的继电 器模块，放在下层，这些控制点与强电相关联，放在下方减少对控制系统的噪声干 扰，并且接近电源，减少电源走线长度，也就减少了干扰信号的引入。显示器和操 作面板放在控制柜前门板上是为了操作人员的方便操作口”。 显示器ij 伺服放大器l 操作面板l 伺服放大器2 裂闺阂罔冈 ，o 分配板卜叫机床强电柜 图2 1 总体布局图 伺服电机 伺服电机 伺服电机 为了保证系统的可靠运行，在布置控制柜和电器系统接线时，必须考虑抗干扰 问题。因为噪声的出现有很多不确定的因素，因此防止产生噪声和防止已产生噪声 进入系统是很重要的，所以必须采取预防措施可以提高系统的稳定性。 控制系统部件安装到电器柜中时经常很靠近噪声源，可能进入c n c 的噪声源 来自电容耦合，电磁感应和地线环流，可以采用下述方法来防止噪声。 ( 1 ) 信号线分类将强弱电信号分离； 1 0 ( 2 ) 接地接地系统如图2 2 所示： ( 3 ) 控制单元信号地连接将控制单元电路中的0 v 线通过信号地端子与电 柜接地板相连。 2 2 2 硬件开发设计 2 2 2 1f a n u c 系统的内部结构 图22 接地系统 首先要对整个f a n u c o 系统的结构有所掌握，因为这是对一个系统进行深入剖 析的基础。其次根据f a n u c 系统的内部进行剖析，选择p o w e r a io 4 v a 型的电力 单元。 内部结构另一模块是主c p u 模块，该设计选择了能够控制1 4 轴的c p u ，这 种结构的选择也是根据加工中心的实际要求，较低而实用的配置大大降低了系统的 成本。另一重要的模块便是i oc a r d 也就是f a n u c 系统特有的内置p m c ，它有 很多种型号可以选择，该系统设计选择了d i ，d o 管脚共1 0 4 7 2 的接口。对于系统 功能的进一步扩展还可以扩展d i d o 的数目。采用f a n u c 系统特有的内置式p m c 不仅进一步降低了成本而且还充分利用主c p u 的高速性能，接口电路采用功能模 板开放式结构形式，外部接线采用数据总线管脚集成式的，软件采用扫描方式进行 i o 映射和逻辑运算。这种内置p m c 系统结构紧凑、简单、工作可靠，能够满足大 1 i 基于伺服电流与切削力关系模型的自适应数控技术碍f 究 多数数控系统的应用要求。i oc a i m 扩展的能力还要取决于选取的c p u ，内置p m c 简化了通讯模块的设计，因为通讯在系统的内部执行这也使通讯更容易，更快。其 中i o 口的地址分配在i oc a r d 的地址分配表中有详细说明。这种集成式的管脚 接口方式，可以大大的节省空间方便于逻辑编程，并且更容易重新定义i o 点以适 应新的硬件环境。 2 22 2 键盘和显示器 键盘和显示器的选择是在节约成本并适合实际需求的基础上选取的，本系统设 计选取了9 ”c r t 和m d i 。这种显示器和键盘的特点就是体积小，可靠性较高，适 应工业现场的恶劣环境的能力强。b e ij i n g f a m i c0 系统有图形显示功能：对 编制的加工程序进行加工前的图形模拟，模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形 状；在加工过程中显示刀尖的轨迹，使操作员能够监视切削过程。图形可局部放 大，以便观察细部。 2 2 2 3 伺服放大单元 f a n u c o 数控的伺服单元分别由主c p u 连接伺服放大器s v m 组成，伺服马达 自身反馈到s v m 单元中，主c p u 进行插补运算，从而控制伺服马达的定位，所以 三个伺服单元之间各自要完成不同的动作。所以我们设计在主c p u 板上连接两个 伺服放大器s v m ，分别控制三个伺服电机，这样可以实现伺服放大器之间的抗干 扰，使定位更加准确。为了提供伺服放大单元的抗干扰性，在与主c p u 连接的通 讯电缆要进行接地屏蔽保护。 2 _ 2 24 操作面板和面膜的设计 操作面板单元作为直接与操作者打交道的单元，原则上必须包括控制机床运动 的所有功能，报警以及急停等功能，保证操作者的安全，同时便于理解。 该机床所用的按钮主要有两种：自锁式和非自锁式，而且所有的按钮采用了指 示灯式，可以从控制面板上反馈出机床的工作状态。针对机床系统所能实现的功能 以及操作时的安全性要求，特设定了以下一组按钮： ( 1 ) 按钮类：机床锁定、空运转、单段运行、选择跳跃、选择停止，( 以上为 研甬大学坝士学位论文 白锁控制按钮) ：主轴正转、主轴停止、主轴反转、主轴加速、主轴减速( 以上为 主轴控制按钮) ；+ x 轴运动、+ y 轴运动、+ z 轴运动、一x 轴运动、一y 轴运动、 z 轴运动，( 以上为三轴的手动控制按钮) ；循环停止、循环启动； ( 2 ) 旋钮类：进给倍率旋钮( o 2 0 档) 、快速倍率旋钮( o 一3 档) 、寸动进给率 百分比旋钮( o _ _ 2 0 档) 、主轴速度旋钮( o 一2 0 ) 档、模式旋钮( o 一6 档) 。倍率开关 的编码问题该机床上用到了五只倍率开关，而且每只倍率开关的要求不一样，所以 他们的编码也不一样。如主轴速度的倍率为2 0 档，所以倍率开关必须有五个输出 端，通过如下的编码可以得到2 0 档的输出，系统通过读入的编码和自动识别系统 中人为设定的编码所表达的意义来进行判断所处的档位。倍率开关的输入可通过电 缆连接到i o 板上，并连接在i o 板的一个设定的端口上。通过软件上的设定其 通讯地址和对应的映射字状态表，并通过读该状态表来最终判断其工作状态。同理 可得，两档倍率开关就需要一根输入线，其状态为o 或l ；四档倍率开关就需要两 根输入线，其状态为0 0 ，0 l ，1 0 ，1 1 ；八档倍率开关就需要三根输入线，其状态为 0 0 0 ，0 0 1 ，0 1 0 ，叭1 ，1 0 0 ，1 0 1 ，1 1 0 ，1 1 1 ；以此类推，但所需的档位不可以超 过倍率开关的最大档数。 ( 3 ) 显示钮类：电源灯、系统报警灯； ( 4 ) 其他类：电源锁、急停按钮、手摇脉冲发生器。 根据实际功能的需求，本系统设计了适合于铣削加工各项功能的操作面板。配 合着f a n u c 系统的编辑键盘和显示器，来对整个加工中心进行较为完整的控制。 紧急停止按钮的功能是在加工中心任何一子系统中出现任何一种故障时，则可以按 下此按钮切断了主控c p u 的电源，从而实现了系统及机械设备的急停。此按键是 自锁按键旋转后便可开启。根据铣削加工的要求在加工过程中要产生大量的废屑， 所以设计了排屑器，排屑器的启停按钮在操作面板上。铣削加工区安装了工作照明 灯，这样便于操作者在加工过程中可以随时的看到铣削加工的情况，从而做出相应 的处理。 在右下角的附加栏中，有自动断电和程式中手轮功能。这两种功能也是操作者 在实际操作中如：遇到要用手轮做微调的操作时便可选择程式中的手轮，当要整个 系统在一定执行的动作后或规定的时间内失电停止，则可以使用自动断电功能。附 加栏中还有待于进一步的开发，增加一些相应的功能，上述两种功能的实现也有赖 于软件的二次开发。 22 2 5 硬件接口设计 图2 3 操作面板外观图 接口设计在硬件选择上主要是p m c 可编程序控制器以及外围电路机床电器( 中 间继电器、熔断器、指示灯、按钮等) 。其中应该考虑以下配置：坐标轴点动、循 环启动、进给保持、进给及主轴倍率修调开关、紧急停止按钮、另外还包括手摇脉 冲发生器。接口设计的任务就是要正确处理c n c 指令信号与机床外围电路的逻辑 控制。设计一块