基于传感器的数控加工自适应

1、基于传感器的数控加工自适应一、数控技术概述1二、我国数控技术发展现状1三、 数控发展趋势2（一）、性能发展趋势2（二）、功能发展趋势3（三）、体系结构的发展趋势3四、 自适应控制技术在数控技术中的应用4（一）、自适应切削4（二）、机床加工过程的自适应控制技术5（三）、加工过程中的智能控制技术的发展5五、 基于传感器的数控加工自适应（面向切削）6（一）、数据采集：传感器7（二）、数据记录：数据库8（三）、控制决策：模糊自适应结合神经网络的控制系统8六、结语9七、 参考文献10一、数控技术概述数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），

2、它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是制造业信息化的重要组成部分。数控技术的核心依托于数控机床而实现，目前已有大量的加工机械装备采用了数控技术，其中数控机床是最为典型和应用最多的。数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序

3、，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。其主要机构如下图所示：二、我国数控技术发展现状数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。目前，我国的数控技术发展 的比较快，主

4、要经历了四个阶段：研究数控铣床阶段，研制晶体管数控系统阶段，数控技术的生产和试用阶段，稳定发展阶段。 通过对国外先进技术的引进及研究，促进了我国数控技术的快速发展，现已自行研制了具有工艺处理能力的加工中心，并且还研制开发了三轴、四轴及五轴联动的数控系统等而且数控机床的品种已经超过了500种，金属切削机床品种的数控化率已经达到了20以上。虽然我国在数控技术的研究开发及产业化方面取得 了可观的进步，但是我们也需清醒地认识到，我国高端数控技术尤其是产业化方面的技术水平，与现实需求还存在较大的差距 。3、 数控发展趋势随着出界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用柔性制造系统的迅速发

5、展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床呈现从以下几个发展趋势：（一）、性能发展趋势(1) 高速高精高教化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统和带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化柔性化包含数控系统本身的柔性和群控系统的柔件。数控系统采用模块化设计，功能覆盖耐大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；而群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

6、(3)工艺复合性和多轴化数控技术的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工t数控技术的多轴化是以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。(4)实时智能化科学技术发展到今天，变时系统和工智能相互结合，人工智能正向着旦有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的碰用发展，由此产生了实时智能化控制这一新的领域。（二）、功能发展趋势(1)用户界面图形化当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出更高的要求。图形用户界面极人地方便了非专业用户的使用，人们可阻通过窗口和菜单

7、进行操作，便j。蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形缸示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。(2)科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直按使用图形、图像、动画等可视信息。在数控技术领域，可视化技术用于CADCAM，如自动编程设计，参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。(3)插补和补偿方式多样化插补方式有多种多样，如直线插补、圆弧捕补、圆柱捕补螺纹插补、极坐标插补、螺旋插补、NAN0插补、NURBS插补等。补偿方式存间隙补偿、垂直度补偿、象限

8、误差补偿、螺距和测量系统误差补偿等。(4)内装高性能PLC在CNC系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。用户可在标准PLC用户程序基础的进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。(5)多媒体技术应用多媒体技术是集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，在数控技术领域，应用多媒体技术剐以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。（三）、体系结构的发展趋势(1)集成化采用高度集成化的CPU、RISC芯和大规模的编程集成电路FPGA

9、、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。(2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据小同的功能需求，将基本模块如CPU、存储器、位置伺服、PL C、输入输出接口、通讯等模块制作成为标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。(3)网络化数控机床联网可进行远程控制无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画向可同时显示在每一台机的屏幕上。(4)智能化智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术

10、、CADCAM、伺服控制，自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭坏控制体系。4、 自适应控制技术在数控技术中的应用所谓“自适应”，一般是指系统按照环境的变化，调整其自身使得其行为在新的或者已经改变了的环境下，达到最好或者至少是容许的特性和功能，这种对环境变化具有自适应能力的控制系统称为自适应控制系统。自适应控制最初是由于飞机飞行自动驾驶的需要而发展起来的，它包括模型参考自适应控制和自校正控制两个分支。自适应控制经过40多年的发展，无论是在理论上还是在应用上都取得了很大的进展，特别是近年来，由于计算机技术的迅速发展，超大规模集成、单片微处理器制造

11、技术的快速进步，为自适应控制技术的实际应用创造了有利条件。自适应控制不但在飞机控制、导弹控制、过程控制、电力拖动等方面得到广泛应用，同样也在金属工艺加工过程中得到广泛的应用，并且取得了很好的效果。（一）、自适应切削在图2系统中，由刀具监控仪检测主轴切削力信号和切削声发射信号，经处理得到主轴实际刀具有效功率、破损信息、切削速度修正系数或给出刀具损坏报警信息，利用下述两种方法修正切削条件，改善加工环境；一是切削效能自适应控制，自适应控制器根据刀具监控仪输入的有效功率信息，自动调整刀具切削进给速度，从而使刀具切削状态达到最佳；二是几何适应性控制，自适应控制器除实现恒定切削功率调节外，还能根据道具直径

12、、长度、有效切削功率等参数计算出刀具横向变形，并对插补程序计算出的刀具轨迹进行修正，实现刀具切削变形尺寸误差修正。图2 切削自适应系统（二）、机床加工过程的自适应控制技术世界上第一台加工过程优化与自适应控制系统是60年代初美国的Bendix公司研制成功的自适应控制铣床，从此以后各种应用自适应控制技术的机床不断产生。总的来讲，加工过程适应控制分作三大类：即：自适应控制(AC)、人工适应控制(MAC)、准适应控制(QAC）。 图3 自适应控制(AC) 图4人工适应控制(MAC）图5准适应控制(QAC）（三）、加工过程中的智能控制技术的发展由于传统自适应控制依赖于过程模型，但在机械加工过程中由于加工

13、参数的影响而具有严重的不确定性和时变性，传统的自适应控制难以胜任，而智能控制不依赖过程模型，为处理这一不确定性问题提供了新的途经，应用于加工过程的智能控制技术，主要有三个类型：（1）基于人工智能的专家控制技；（2）基于模糊集理论的模糊控制技；（3）基于神经网络的智能控制技术。图6专家控制系统图7模糊自适应控制系统框图图8 机械加工过程神经网络最优自适应控制系统框图5、 基于传感器的数控加工自适应（面向切削）通常，在传统的数控机床上加工零件时，一般是先编写零件加工程序清单，即用程序规定零件加工的路线和工艺参数(如主轴转速、进给速度等)，数控系统根据加工程序控制机床的运动，将零件加工出来。然而，程

14、序清单中预先给定的工艺参数，通常与编程人员的经验和知识有关，往往不一定是最优的，而且一旦确定下来就不能自动随切削条件变化(如刀具磨损，毛坯的硬度变化，加工余量的不均匀等)而变化，只能采用比较保守的工艺参数，这就大大降低了效率，增加了生产成本，使得数控机床的功能不能得到真正的发挥。为了解决这一问题，我们可以在数控加工过程中采用计算机实时控制技术，这样在数控加工中当负载出现变化时，能够及时调整相应的工艺参数，以适应负载的变化，从而使切削加工过程维持在较为恒定的水平。数控机床加工过程的自适应控制，PID控制，神经网络控制以及现在的专家系统控制正是为了适应不同的加工条件需求而发展起来的，它们的主要思想

15、：在数控加工过程中进行在线检测、自动辨识加工过程的状态参数，并能够根据预定的评价指标(恒切削力，恒切削速度，恒切削功率等)做出“智能”决策，及时自动地修正工艺参数，使切削过程始终存于最佳状态，从而获得更优的切削效益。基于以上的理由，可以采用自使用的方式优化加工，但应用自适应关键问题包括：如何采集数据、如何存储数据、如何进行控制决策。接下来分别对切削加工适用自适应系统几个关键问题进行设计：（一）、数据采集：传感器面向切削加工过程的自适应控制技术需要采用在线或在位的方式对加工过程中的切削力、主轴扭矩、工艺系统振动及刀具磨损等进行实时监测、动态分析、工艺参数优化以及反馈控制。在线监测直接面向加工过程

16、，与具体设备和仪器相联系。因此，适用于加工过程的具有高实时性、高精度和高可靠性的传感器是在线监测的关键。用于加工过程监测的传感器主要有：功率传感器、力传感器、扭矩传感器、振动传感器、摄像头和激光。（1） 、功率传感器加工过程中的机床主轴或者驱动电机的功率可以通过功率传感器获得，根据监测到的功率数据，可对功率变化中出现的起伏、波纹、尖峰及短时下降进行判断和预测从而通过相关算法对功率曲线做平滑处理。（2） 、力传感器为实现对切削加丁过程的可靠监视，需要对金属切屑分离过程所产生的力进行精确地测量和分析，从而识别出切削过程中出现的缺陷，如刀具磨损或断裂，以及加工工件的损伤。（3） 、扭矩传感器相对于有

17、效功率，主轴扭矩能够更准确地表征刀具的切削力。直接测量机床主轴的扭矩以获得更精确的切削力。（4） 、振动传感器在切削过程中掉刀、刀具破坏、机械碰撞等会产生异常的振动。振动传感器可以监测切削过程中机床结构产生的振动，通过分析振动可以监测到掉刀、刀具破坏、工件超差、机械碰撞和严重的过程故障。（5） 、摄像头在多钻头加工中摄像头可以监测每一个钻头的掉刀和破损。记录并存储多钻头的图像在监测过程中通过比较轮廓来监测每一个钻头。（6） 、激光激光光栅可以提供一套可靠的刀具掉刀和破损监测方案；监测机床热变形；通过分析工件的反射光监测工件的粗糙度、颤振、切削的波纹等。（二）、数据记录：数据库数据库技术研究和管

18、理的对象是数据，所以数据库技术所涉及的具体内容主要包括：通过对数据的统一组织和管理，按照指定的结构建立相应的数据库和数据仓库；利用数据库管理系统和数据挖掘系统设计出能够实现对数据库中的数据进行添加、修改、删除、处理、分析、理解、报表和打印等多种功能的数据管理和数据挖掘应用系统；并利用应用管理系统最终实现对数据的处理、分析和理解。因而可以利用数据库对切削加工中收集到的数据进行有效地存储，基于数据库技术的工艺参数库主要包括机床、刀具、工件材料、冷却润滑、加工、匹配、零件特征、切削参数、运行状态等信息，其中机床、刀具、工件、材料、冷却润滑、加工匹配、零件特征给出加工工艺系统的基本信息，切削参数、运行

19、状态描述了工艺系统在不同工艺参数下的运行状态信息。工艺参数库是工程实践中长期积累的经验数据，具有实际应用价值，可以为系统的决策提供工程经验。（三）、控制决策：模糊自适应结合神经网络的控制系统模糊控制是一种智能自动控制系统，它以模糊数学，模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。根据实际测量的车削力与给定的切削力约束值进行比较，获得误差和误差变化率，然后运用自适应模糊控制算法推算出合理的进给速度，实现切削过程的实时调整，从而使得切削过程中切削力维持恒定。整个加工过程自适应模糊控制的实现核心部分是控制器，它主要用来对加工过程进行实时控制，以使得加工过程能够适应不同的切削条件。结合车削加工过程的特点，本文将专家控制和模糊控制结合起来，设计了基于专家系统修调的模糊控制，即自适应模糊控制，融合了专家控制和模糊控制各自的优点，能够很好的适应车削加工过程的控制。控制结构图如下：图9 决策控制器结构结合上图中的控制器结构，其中自适应模糊控制部分可以利用模糊规则控制得到相应的优化后的加工参数。但是其中运算器如何进行还是一个问题，由于神经