基于正交试验的加工过程伺服系统参数优选.pdf

四 论 文 基于正交试验的加工过程伺服系统参数优选 陈耿新林若波 揭阳职业技术学院 摘要 针对加工过程伺服系统参数优选问题 提出一种基于正交试验的伺服系统参数优选方法 在分析 建立加工过程模型的基础上 选取伺服系统参数优选正交试验的因素与水平 指标 进而搭建伺服系统仿真平台 并进行仿真试验 通过数据分析 参数优选得到伺服系统的最优参数 以改善系统动态性能和稳定性能 结果表 明 对于 n 6 0 0 r mi n 1 mr n V s Ks 1 6 7 0 N ra m2 2 r n l T l p l 的加工系统 其伺服系统 的最优参 数是 指数 m O 6 阻尼系数 0 8 自然频 率 0 9 3 0 r a d s 关键词 加工过程 伺服系统 正交试验 参数优选 O 引言 随着计算机仿真技术的发展及应用的推广 其 己 成为改变世界的第三种方法 在传统制造业的工艺计 划 设备评估 新产品设计等领域引入仿真技术 以 提高生产工艺及技术 加工过程的仿真 可综合评估 切削参数 切削力等因素的影响 也可以仿真刀具一 工件几何体 验证数控 n u me r ica l co n t r o l NC 程 序的正确性及加工零件的状况 更高层次地仿真还可 以建立加工环境模型 包括夹具 工作台和虚拟机床 等 1 在虚拟制造技术的研究中 建立虚拟机床设 计模型 研究基于系统的机床仿真 具有重要意义 伺服系统是加工系统不可缺少的组成部分 可有 效控制加工过程 加工过程 中伺服系统参数是否合 理 关系到系统运行的稳定和加工质量 近年 国内 外学者开展 了伺服系统参数优选的研 究 2 9 郑世祺 2 0 1 3 等提出一种基于结合遗传算法和最d 乘法 的伺服系统参数优化算法 该算法具有较好的稳定性 和正确性 较优的控制性能 刘成颖 2 0 1 2 等建 立直线电机伺服系统矢量控制仿真模型 构建速度环 整定目标函数 利用遗传算法对伺服系统各环控制器 各种参数进行优化整定 系统有较好动态特性 3 S a y e d 2 0 1 2 等提出一种基于改进型生物地理分布 优化算法 mo d i fie d b io g e o g r a p h y b a s e d o p t imiz a t i o n MB B o 的液压伺服控制系统 P I D参数优化方法 通 过 Ma t l a b进行仿真验证其有效性与优越性 6 1 L u o 6 Ic 基金项 目 2 0 1 2年度广东省教育科学 十二五 规划 项 目 2 0 1 2 J K2 6 7 Y o u x i n 2 0 1 0 等利用混合进化算法优化液压伺服控 制系统P ID控制参数 通过仿真验证该方法是有效的 优化策略 并具有 良好性能 7 本文建立 分析加工过程尤其是伺服系统的模 型 对影响加工过程伺服系统动态性能与稳定性的各 因素和水平进行探讨 利用 Ma t la b搭建仿真平台 通过正交试验法对伺服系统指数 m 阻尼系数 自 然频率 进行试验 以上升时间 稳定时间 最 大超调量 口 组成的综合指标进行参数优选分析 得 到最优参数 1 系统模型 加工过程模型框图如图 I 所示 该模型由伺服机 构 切削过程和检测装置等环节组成 图 I 加 工 过 程 模 型 框 图 设 进 给 速 度 为 V mm s 伺 服 增 益 为 mm V s 伺服系统的自然频率为 r a d s 连续 系统复域中的复数 即拉氏变换的算子 为 S 阻尼 系数为 伺服输入为 U V 则模型中伺服机构的二 阶系统可表示为 s2 虫 2 co s c o 2 1 设主轴转速为 n r mi n 切削时铣刀刀具齿数为 P 车削及钻削时p l 则进给量 f mm r 表示为 6 0 一 v l 2 p n 设切削力比为 K s N ram2 指数为 m 一般 m R c R A 则各因素对加工过 程伺服系统性能影响程度由主到次依次为 C 为主要影响因素 2 C O l 0 3 3 O 2 B C O 1 口 C O 3 c C O 2 c C O 1 c 可断定 A 2 B 3 c3 分别为 C因素的优水平 其中 表示 因素的 f 水平 2 0 1 4 年 第 3 5 卷 第 1 期 自动化与信息工程 9 因此 A 2 B 3 C 3 为本试验的最优水平组合 即指数 m为 0 6 阻尼系数 为 O 8 自然频率 O n 为 3 0 删 s 时 加工过程伺服系统稳定性能在本试验中最优 3 2 参数优选 上述正交试验是简便 快速得到试验中最优水平 组合的方法 能快速趋近于最优方案 但仍有可能漏 掉最优方案 下面结合正交试验与因素一 效应关系图 进行加工过程伺服系统的参数优选 找出真正最优因 素水平组合 根据表 3和表 8做出图4所示的因素一 效应图 趋 势图 从因素一 效应 图可以看出 2 C 3 分别为 C 因素的优水平 组合 B 3 C 3总效应最大 即 3 C 3 为趋势最优水平组合 但是 此趋势最优水平 组合与表 3的试验最优水平组合 3 C 2 不同 这是因 为该组合不在既定的 9次正交试验中 可见 尽管正 交试验是获得较优方案的简便方法 但仍有可能漏掉 最优方案 通过正交试验可快速趋近最优方案 通过正交试验和数据处理 分析后 需对趋势最 优水平组合 3 C 3 和试验最优水平组合 3 C 2 进一 步试验 评估 找出加工过程伺服系统最优参数 对 趋 势最优 水平 组合 A 2 B 3 C 3和 试验 最优 水平组合 3 重新试验的结果如表 9 所示 可以看出 3 G 在 和 口 两项指标上均明显优于 A 3 c 2 在 上与 3 相 同 所以 3 为伺服系统最优参数 即 指数 m为 0 6 阻尼系数 为 0 8 自然频率 0 3 为 3 0 r a d s 时 伺服系统性能最优 使加工系统动态性能 稳定性能最好 提高切削质量 1 0 Al 水 一 I l 图 4 a A因素效应 一 l l l B因素效应 c C因素效应 图 4因素 效应 图 表 9 A 幽 C 3 和 A 3 B 3 C 2 试验结果 试验 结果 t s t J s A 2 B 3 c 3 O 0 7 0 5 3 7 2 8 A3 B3 c 2 0 0 7 O 5 6 9 9 6 4 结论 1 正交试验是加工过程伺服系统参数优选的简 便 快速 有效方法 该参数优选过程需结合趋势最 优水平组合和试验最优水平组合 选择最优参数 2 1利用正交试验法对加工过程伺服系统参数进 陈耿新 林若波 基于正交试验的加工过程伺服系统参数优选 行优选 对于 n 6 0 0 r min K I mm V K s 1 6 7 0 N mm2 Ke 2 i n in l 的加工系统 其伺服系统的 最优参数是指数 m O 6 阻尼系数 8 自然频率 3 O r a d s 3 加工过程伺服系统各因素对其性能影响程度 由主到次依次为阻尼系数 自然频率 0 9 指数 m 阻尼系数 为主要影响因素 参考文献 1 杜云汉 基于虚拟制造的焊接工艺计算机仿真技术研究 D 南京 南京理工大学 2 0 1 0 2 郑世祺 唐小琦 卢少武 等 P MS M 伺服系统参数自整定研究 J 电气传动 2 0 1 3 4 3 3 1 0 1 3 1 7 3 刘成颖 刘龙飞 孟凡伟 等 基于遗传算法的永磁直线同步 电机伺服系统参数设计 J 清华大学学报 自然科学版 2 0 1 2 5 2 1 2 1 7 5 1 1 7 5 7 4 卢少武 永磁同步直线伺服系统的参数 自整定与抗扰动策 略研究 D 武汉 华中科技大学 2 0 1 3 5 邓耀华 刘桂雄 吴黎 明 等 数控加工过程柔性工件变形预测 与误差补偿方法的研究 J 机械科学与技术 2 0 1 0 2 9 7 8 4 6 8 5 1 6 S a y e dM M S a a dM S E ma r a HM e t a 1 An o v e lme t h o df o r t u n in g the P I D p a rame t e r s b a s e d o n the mo d ifi e d Bio g e o g r a p h y b a s e d o p ti mi z a t i o n for h y d r a u l i c s e r v o co n t r o l s y s t e m C P E MD 2 0 1 2 2 0 1 2 1 5 7 7 L u o Yo u x i n C h e n Z h a o g u o O p tim iz a t i o n for P I D co n tr o l p a rame t e r s o n h y d r a u lic s e r v o co n tr o l s y s t e m b ased o n the n o v e l c om p o u n d e v o l u tio n a r y al g o rit h m C C o m p u t e r Mo d e l i n g a n d S imul a tio n 2 01 0 4 0 43 8 Yu J u e Z h u a n g J i a n Y u D e h o n g P a r a me t e r o p tim iz a tio n o f P I D co n t r o lle rb a s e d o nc o mp le x s y s t e m g e n e t ic a lg o r it h m i n e le ct r o h y d rau l ic s e r v o co n tr o l s y s t e m C I n t e l l i g e n t C o n tr o l a n d Au t o ma ti o n 2 01 2 3 0 3 5 9 C h e n Ya n w e H u iY i n Z h a n g H u i d a P I Dc on tr o ll e r p ar am e t e r s tu n in g in s e r v o s y s t e m b a s e d o n ch a o ti c p a r t ic le s wa r m o p t i mi z a t i o n C I T i n Me d i ci ne E d u ca tio n 2 0 0 9 2 7 6 2 8 0 S e r v o S ys t e m Pa r a m e t e r s Op t im iz a t ion Ba s e d o n Or t ho g o na l Ex pe r ime nt f o r M a chin in g Pr o ce s s Ch e n Ge ng xin Lin Ruo bo J ie y a n g Vo ca t io n a l T e ch n ica l C o lle g e Abs t r act Th i s p a p e r p r e s e n t s a s e r v o s y s t e m p a r a me t e r s o p t imi z a t i o n me t h o d b a s e d o n o h o g o n a l e x p e r i me n t Th e ma ch in in g p r o ce s s mo d e l is b u ilt a n d an a ly z e d T h e o h o g o n a l e x p e r ime n t f a ct o r s le v e ls an d e v a lu a t io n in d e x e s are s e le ct e d Th e s y s t e m o p t i ma l p ara me t e r s a r e o b mi n e d b y me an s o f d a t a ana ly s is a n d p ara me t e r s o p t i miz a t io n t o imp r o v e d y n a mic p r o p e r t y a n d s t a b i li t y p e r f o r ma n ce o f t h e s y s t e m I f t h e p a r am e t e r s o f t h e ma ch in i ng s y s t e m a r e n 6 0 0 r rai n lmm V s Ks 1 6 7 0 N mm2 2 Ir u T I p l the o p t ima l p aram e t e r s o f t h e s e r v o s y s t e m is a s f o llo ws I t s in d e x n u mb e r m is 0 6 I t s d a mp in g f a ct o r is 0 8 I t s n a t u r a l fre q u e n cy is 3 0 r