CN101025620B - 一种可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过采集主轴功率，应用分级模糊自适应控制方法，即进给速率的模糊推理与主轴转速的模糊推理是呈递阶关系的，将前者的模糊推理的输入为功率偏差和偏差的变化量，后者模糊推理的输入为偏差与进给速率的调整变化量，前者的输出为后者的输入。在线控制调节机床的进给倍率和主轴转速倍率，汇合NC程序设定铣削用量，复合作用在CNC-PLC的伺服环节上，实现对主轴转速和进给倍率的在线调节，从而实现主轴功率约束为目标的铣削加工过程的智能递阶控制。本发明能实现进给倍率开关和主轴转速倍率开关按专家知识进行调节，能更好分清主轴转速调节与进给速率调节的之间匹配关系，从而更有效提高加工效率和加工质量。

Description

一种可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，涉及控制方法，特别是数控铣削加工过程的模糊控制方法。

背景技术

进入上个世纪九十年代以来，我国数控的年需求量已达到2万台以上，如何充分发挥设备效率，是企业关注一个重要的问题。在实际加工过程中，加工变量一般根据经验以固定参数形式事先设定，数控程序在加工前以手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制，为了防止加工过程不可预测性，往往采取保守的切削用量，这种做法导致较低的金属切削率，而选择合适的切削用量又要花费较多时间来进行用量计算，另外有突发事件，如刀具破损、主轴电机过负荷又缺乏有效的实时反馈。

经对现有技术的文献检索发现，加工过程的自适应模糊控制主要有两种方法：

1.Xifan Yao在2003年3月《ASME通讯》上提出在模糊芯片上实现加工过程的模糊控制方法，该方法通过调节进给速率，以切削力为目标进行自适应控制。

2.给出了一种中国专利申请号为：02226532，专利名称为：数控加工实时监控装置。该专利申请一种数控加工实时监控装置，该发明提出通过测量主轴电机电流，把电机电流为自适应目标，应用模糊自适应控制的方法，实现对进给速率进行调节，提高加工的效率，有效保护了加工设备和提高了加工质量。

方法1以切削力为自适应目标需要安装测力计，测力计过于昂贵、它的安装影响加工零件的固定精度，而且在干扰比较严重的加工环境下测力计的运行可靠性得不到保证。方法2中的控制系统却存在这些问题：(1)应用的主轴电机电流为自适应目标判定电机过负荷，条件过于单一；(2)只是单一调节进给倍率开关，可能带来主轴速度与进给速率的不匹配，固定的转速和过高的进给速率会使刀具磨损加剧；过高的进给会使切削片过厚，从而带来机床震动；固定的转速和过低的进给速率又会使金属切削率过低。(3)单一调节进给分档倍率开关，改善稳态误差性能有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于功率约束的数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，使其解决背景技术中存在的不足，实现数控铣削加工过程的智能递阶控制。通过功率传感器测量主轴电机功率，把主轴电机功率做为反馈信号，在线自适应模糊调节进给速率倍率和主轴转速倍率开关，使加工效率和加工质量得到显著提高，也使加工设备得到在线保护。

本发明的目的还在于，通过数控铣削加工过程的递阶模糊自适应控制方法，使进给速度的调节与主轴转速的调节实现协同，降低由于倍率分档带来的控制性能的稳态误差。

本发明的目的是这样实现的：一种基于功率约束的数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，它通过以下技术方案实现的，设置主轴功率的传感器、模糊控制器、进给倍率开关控制接口、主轴转速倍率开关控制接口和数控系统中辅助M功能码的开关量信号接口。所述主轴功率传感器的功率采集用于作为控制器的反馈信号，所述模糊控制器的输出，连接数控系统的进给倍率开关和主轴转速倍率开关。通过设定主轴功率参考值，模糊控制器依据该参考值，通过测量主轴电机功率实时值形成闭环控制，倍率开关联合NC程序中铣削用量，在线调节进给速度倍率开关和主轴转速倍率开关，然后进一步作用在CNC-PLC上，实现进给和主轴转速的在线调节。所述M功能码信号接口用来保证模糊控制器的控制过程与CNC-PLC的控制过程相互协调，形成加工过程的递阶控制。

所述的分级模糊控制器是这样实现的，根据主轴功率参考值与采集的功率值比较，获得功率偏差量，然后把功率偏差量和偏差的变化量做为I级模糊控制器的输入，控制器的输出为进给倍率调节的变化值；II级模糊控制器以功率偏差和进给速度调节的倍率变化值为输入，通过模糊推理输出主轴转速变化值，进给速度的倍率变化值和主轴转速倍率变化值经过积分和取整后，做为倍率开关编码值输出。

所述的分级模糊控制器的I级模糊控制器输入的变量功率偏差与偏差变化值的隶属函数是等腰梯形结构；输出的进给速率增量的隶属函数是等腰三角型结构。II级模糊控制器输入的变量功率偏差与进给速率增量的隶属函数是等腰三角型结构；输出的主轴转速增量的隶属函数是等腰三角型结构。

本发明所述的模糊控制器的推理知识描述如下：

I级模糊控制器主要用于实现对进给速度进行调节，是保持控制系统稳定的主要环节，推理知识主要实现保持控制目标稳定，因此模糊控制的知识描述如下：

把功率误差EP、误差变化量ECP和进给速率调节ΔU_f输出的模糊论域指定为[-7，7]，定义模糊语言{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，则用规则表表示为下表所示，它和一般模糊控制规则表类似，控制的规则是为了减少误差和加快控制的稳定速度。

II级模糊控制器主要用于实现对主轴转速度进行调节，是保持控制系统稳定的辅助环节，它主要是对加工过程参数的匹配起调节作用，推理知识主要实现加工参数实现匹配并保持控制系统稳定，因此模糊控制知识的描述如下：

把功率误差EP、进给调节量和主轴转速调节输出量ΔU_v的模糊论域指定为[-7，7]，定义模糊语言{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}，则主轴转速与进给的调节关系如下表所示：

表中的调节规则遵循的规则是，在主轴功率约束的条件下，当EP有较大超调，进给有较大降低时，适当降低主轴转速度有利于保持较高的金属切削率；当EP有较大超调时，如果进给仍然有大增，则降低转速加快系统稳定；当EP调节不足时，如果进给增大，则转速保持恒定，当进给调节饱和时，如果EP仍然有误差，则调节转速，降低稳态误差。

由于加工过程本身就是一个高度非线性的过程，单纯依靠控制规则保证控制系统的性能是很难的，因此，本发明模糊控制器采用自适应调节的量化因子Ke、Kce和比例因子Kv、Kf，在模糊控制器中，量化因子Ke、Kce和比例因子Kv、Kf对控制器的性能有很大的影响，在不同阶段调整它们的大小可提高控制系统的性能。自适应调整Ke、Kce和Kv、Kf的原则是：当偏差EP和偏差变化ECP较大时主要考虑系统响应问题，采用“粗调”的方法，即降低量化因子Ke和Kce的方法来降低对EP和ECP输入量的分辨率，同时加大比例因子Kv、Kf，从而可获得较大的控制量，使响应加快。当偏差e和偏差变化ec较小时，说明系统已经接近稳态，此时应考虑的问题是系统精度，减少超调量，因而采用“细调”的方法，即增大量化因子Ke和Kce的方法来提高对输入变化的分辨率，同时减小比例因子Kv、Kf，以减小超调量，提高稳态精度，在不影响控制效果的前提下，取Ke和Kce增加的倍数与输出比例因子Kf减小相同的倍数。根据上述原则建立自适应调节规则库，实现控制器输出量化因子的自适应调节。如果把放大和缩小的论域定义为：N＝{1/8，1/4，1/2，1，2，4，8}，对应的模糊子集表示为：N＝{CB，CM，CS，HD，AS，AM，AB}，则Kv、Kf的自适应调节规则为：

附图说明

图1为本发明控制原理示意图。

图2为本发明的控制流程示意图。

图3为本发明的控制性能效果示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的分级模糊递阶控制的原理图，图中的P_ref为设定参考主轴功率值，图中表示出了I级和II级模糊控制器的输入与输出关系，I级模糊控制器以功率偏差值EP和偏差的变化值ECP为输入，经过量化因子Ke、和Kce变换论域变换与模糊处理后，输入模糊推理机，依据给定的知识规则应用Mamdani推理方法进行推理，得到的模糊量经过重心法进行解模糊，经过I级模糊器的输出为进给倍率的模糊论域内调节变化量ΔU_f，II级模糊控制器以功率偏差值EP和ΔU_f输入，输入模糊推理机，依据给定的知识规则应用Mamdani推理方法进行推理，得到的模糊量经过重心法进行解模糊，经过II级模糊控制器的输出为主轴转速倍率ΔU_v调节变化量，由于加工过程的是一个高度非线性的过程，图中采用自适应控制的策略，自适应环节以e和ce为输入，经过上述调节策略对量化因子Ke、Kce和比例因子Kf、Kv进行在线自适应调节。控制器输出的ΔUf、ΔUv经过积分环节和倍率分档取整，输出倍率开关的实时百份比调节值，该百份比的调节值，以开关编码方式输入CNC-PLC，汇合NC程序中设定的进给值和主轴转速，获得实时调节的电压值，经过伺服驱动，实现进给电机和主轴电机的实时递阶控制。

图2所示为本发明控制算法的流程图，控制在开始时必须对自适应的功率值进行设定，一般以主轴额定功率的百份比进行设定。然后对NC控制器的M功能码的NC程序开始信号进行采集，当采集到NC程序开始信号后，模糊控制器的在线自适应控制功能就可以投入。首先从功率传感器上采集瞬时主轴功率数据，计算功率的偏差值e和功率偏差变化值ec，依据自适应调节算法计算量化因子Ke、Kec和比例因子Kf、Kv，然后把功率偏差值与功率偏差变化值量化到模糊论域空间内，通过给定的规则进行推理与解模糊处理，获得瞬时倍率调节的变化值，经过积分和取整计算得到倍率开关的调节倍率值，由于功率采样周期要比倍率开关控制输出动作时间要快的多，因此当满足倍率开关调节的时间时，对倍率开关进行调节输出，在非调节输出时间内，则保持上次调节的开关状态。当该控制过程中采集到NC程序结束信号时则结束模糊控制。

图3所示的是本发明的控制效果仿真图，仿真采用的被控对象为进给伺服环节和主轴变频率转速伺服环节，这两个环节近似用带有极点的二阶系统表示，图A、B表示的是应用同样刀具铣削同样加工特征(同样的长度、轴向深度、径向深度)模糊控制的仿真效果，图A表示的是主轴转速倍率同时配合进给调节的控制效果，图B为单纯调节进给倍率的控制效果，从两图的比较看出，A图的加工时间小于B图的加工时间，这说明采用分级模糊控制方法，可使加工效率得到更大的提高；A图中的稳态误差比B图中要小；图A中，进给和转速的自适应调节得到匹配，降低进给速率时，主轴转速也得到降低，这样控制方式下的加工刀具每齿进给量的变化，比在固定转速下要小，保证了加工过程切削片的厚度不会过厚也不会过薄，提高了加工质量。

Claims (5)

1.一种可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，其特征在于：加工过程的模糊自适应控制是以主轴电机功率为自适应目标的，调节控制的对象包括进给速率倍率开关和主轴转速倍率开关；

方法中的模糊控制器的推理关系包含I级的进给速率模糊推理与II级的主轴转速模糊推理，这两个推理呈递阶关系，I级模糊推理的输入为功率偏差和偏差变化量，II级模糊推理的输入为功率偏差与进给速率的调整变化量；

该模糊控制器，I级模糊推理的输出为进给速率的调整变化量，II级模糊推理的输出为主轴转速倍率的增量。

2.根据权利要求1所述的可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，其特征在于：自适应目标量的采集通过测量主轴电机的单相或三相功率获得。

3.根据权利要求1所述的可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，其特征在于：该模糊控制器输入的变量是功率偏差与偏差变化量，它们的量化因子是自适应调节的；输出的变量是进给速率和主轴转速，它们的量化因子也是自适应调节的。

4.根据权利要求1所述的可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，其特征在于：II级模糊控制器对加工过程的进给速率和主轴转速参数的匹配具有调节作用。

5.根据权利要求1所述的可用于数控铣削加工过程的分级模糊递阶控制方法，其特征在于：模糊控制方法是在数控系统根据NC程序设定的进给速率和主轴转速的基础上，进行复合递阶控制实现的。

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