CN105563329A - 数控磨床磨削力自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控磨床磨削力自适应控制系统，其特征在于设有PC机、CNC控制装置、RS232C通讯协议、电流检测装置、自适应控制器和伺服驱动单元，所述伺服驱动单元经CNC控制装置控制，所述CNC控制装置经RS232C通讯协议与PC机相连接，所述自适应控制器嵌入在所述PC机内，所述电流检测装置与伺服驱动单元相连接，本发明由于采用上述结构，显著提高了磨削精度和工作效率，工作效率显著提高了20-40%，具有控制精确、自动化程度高、磨削精度高、避免人为因素干扰等优点。

Description

数控磨床磨削力自适应控制系统

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，具体地说是一种数控磨床磨削力自适应控制系统。

背景技术

数控机床加工领域的发展日新月异，在实际磨削加工过程中，由于余量的不均匀，材料硬度的不一，砂轮的磨损变化等因素，使得实际加工中只能采用保守的磨削进给速度。而依靠操作工人的现场干预，其效果有限，且当速度稍高时，则人工干预难以进行。上述因素，使得数控磨床的应有效能未能发挥，在磨削质量方面，不适当的磨削用量也会使机床工艺系统难以控制在合理范围之内，此外磨削中还应防止磨削过载，避免砂轮、工件和机床因过载而损坏。

自适应磨削加工技术就是解决上述问题的重要途径和方法之一。

经检索，CN2010102308767公开了一种球面数控精密磨削过程自适应控制方法的发明专利，该方法是通过调整磨削过程中的电流值作为加工电流阈值，通过调整加工电流阈值的大小调整砂轮驱动电机的进给深度，其实质性不足是：不能根据加工工件的材料的硬度变化自动控制砂轮驱动电机的进给速度，导致在磨削硬度高的材质工件时，很容易使机床磨削过载，进而导致电机损坏。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种方法新颖、控制精确、自动化程度高、磨削精度高、避免人为因素干扰的数控磨床磨削力自适应控制装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数控磨床磨削力自适应控制系统，其特征在于设有PC机、CNC控制装置、RS232C通讯协议、电流检测装置、自适应控制器和伺服驱动单元，所述伺服驱动单元经CNC控制装置控制，所述CNC控制装置经RS232C通讯协议与PC机相连接，所述自适应控制器嵌入在所述PC机内，所述电流检测装置与伺服驱动单元相连接，所述电流检测装置是由霍尔传感器、A/D转换器和测量电阻组成，所述霍尔传感器实时检测伺服驱动单元的两相定子电流，将测得的电流信号通过测量电阻转化为低压的电压信号，再通过A/D转换器进行变换，将合成电流信号的结果上传至PC机中的自适应控制器,自适应控制器根据矢量合成电流信号所反应出的加工状态，并通过自适应控制器中的自适应模糊控制算法计算出进给速度的修调率，再通过与自适应控制器中设定的进给速度乘运算，自适应控制器将运算好的进给速度修调率结果通过RS232C通讯协议传送至CNC控制装置，CNC控制装置及时将运算结果传递给伺服驱动单元，伺服驱动单元自动控制磨床各轴的进给速度，达到实现不同的磨削力的自适应控制。

本发明所述自适应模糊控制算法包括电流检测、建立数学模型和提取特征三个步骤，通过电流检测装置对影响加工效率和精度的伺服驱动单元的物理量进行检测、建立数学模型和提取特征，自动感知加工系统内部的电压信号状态，以及通过外部的信号传感器的输入输出指令，使系统快速做出智能决策，对伺服驱动单元的进给速度、转速等工艺参数进行实时控制，使磨削过程处于最佳状态，

其中，所述电流检测的步骤为：

由机电运动方程式得知，在稳定磨削加工时，伺服电机的电磁转矩应该与外加负载转矩相平衡，即T_m=T_L,而磨削加工时的磨削力F_C通过丝杆螺母副转化为磨削力矩T_c,成为负载转矩的一部分，机电传动系统中的转矩平衡方程式为：

T_m=T_f+T_c+T₀

T_f----折算到电机轴上的摩擦力矩，

T_c----折算到电机轴上的磨削力矩，

T₀----折算到电机轴上的附加摩擦力矩；

T_f=

F-₀—导轨摩擦力，

L₀—滚珠丝杠导程，

i—传动比，

η—传动链总效益；

T₀=

F_p0—滚珠丝杠预加负荷，

η₀—滚珠丝杠未预紧时的传动效率；

T_c=

F_C--进给方向的最大磨削力，

所以T_m=，

可见，交流伺服电机的电磁转矩与磨削削力之间存在一定的对应关系，当磨削力增大时，电机的电磁转矩也应相应增大，由于电磁转矩与进给伺服电机电流存在一定的线性关系，当磨削力增大时，电流也随之增大，反之亦然。通过测量进给伺服电机的电流大小完全可以实现对实际磨削时磨削削力的间接测量；

所述建立数学模型的具体步骤为：

从理论上建立进给伺服电流与磨削力的数学模型，通过两个霍尔电流传感器检测伺服电机的两相定子电流（，），通过三相平衡电流公式（++=0）得出另外一相定子电流（)，通过矢量变化()实现三相交流向单相直流(,,)的转化，并通过该电流幅值的调整（）实现伺服电机输出电磁转矩与外加负载转矩的平衡（），找出磨削力影响电流的信号，将该特征信号经过矢量运算送往自适应控制器，经过模糊控制算法对进给速度倍率修调实现自动调节，最终达到自适应控制的目的；

所述提取特征的具体步骤为：

（a）以偏差e和偏差的变化为输入量，调节倍数Wk1、Wk2和Wk3为输出变量，再以原始的比例因子K1、K2和K3对偏差e和偏差的变化进行量化并建立调整规划表，将此表存储于PC机的自适应控制器中；

（b）查调整规划表得出调整倍数w_k1、w_k2和w_k3，使比例因子K1、K2和K3调整后形成、和，所述、和；

(c)用调整后的比例因子、和对偏差e和偏差的变化进行重新量化；

（d）用重新量化的e和偏差的变化查控制表，得出控制量；

（e）用比例因子K3乘以电压U即获得新的控制量。

本发明由于采用上述结构和方法，显著提高了磨削精度和工作效率，工作效率显著提高了20-40%，具有结构和方法新颖、控制精确、自动化程度高、磨削精度高、避免人为因素干扰等优点。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明中电流检测装置的原理图。

图3是本发明中自适应控制器的原理图。

附图标记：PC机1、CNC控制装置2、RS232C通讯协议3、电流检测装置4、自适应控制器5、伺服驱动单元6、霍尔传感器7、A/D转换器8、测量电阻9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，一种数控磨床磨削力自适应控制系统，其特征在于设有PC机1、CNC控制装置2、RS232C通讯协议3、电流检测装置4、自适应控制器5和伺服驱动单元6，所述伺服驱动单元6经CNC控制装置控制，所述CNC控制装置经RS232C通讯协议与PC机相连接，所述自适应控制器嵌入在所述PC机内，所述电流检测装置与伺服驱动单元6相连接，所述电流检测装置4是由霍尔传感器7、A/D转换器8和测量电阻9组成，所述霍尔传感器7实时检测伺服驱动单元6的两相定子电流，将测得的电流信号通过测量电阻9转化为0V-5V的电压信号，再通过A/D转换器8进行变换，将合成电流信号的结果上传至PC机1中的自适应控制器5,自适应控制器5根据矢量合成电流信号所反应出的加工状态，并通过自适应控制器5中的自适应模糊控制算法计算出进给速度的修调率，再通过与自适应控制器5中设定的进给速度乘运算，自适应控制器将运算好的进给速度修调率结果通过RS232C通讯协议传送至CNC控制装置，CNC控制装置及时将运算结果传递给伺服驱动单元6，伺服驱动单元自动控制磨床各轴的进给速度，达到实现不同的磨削力的自适应控制。

本发明所述自适应模糊控制算法包括电流检测、建立数学模型和提取特征三个步骤，通过电流检测装置对影响加工效率和精度的伺服驱动单元的物理量进行检测、建立数学模型和提取特征，自动感知加工系统内部的电压信号状态，以及通过外部的信号传感器的输入输出指令，使系统快速做出智能决策，对伺服驱动单元的进给速度、转速等工艺参数进行实时控制，使磨削过程处于最佳状态，

其中，所述电流检测的步骤为：

由机电运动方程式得知，在稳定磨削加工时，伺服电机的电磁转矩应该与外加负载转矩相平衡，即T_m=T_L,而磨削加工时的磨削力F_C通过丝杆螺母副转化为磨削力矩T_c,成为负载转矩的一部分，机电传动系统中的转矩平衡方程式为：

T_m=T_f+T_c+T₀

T_f----折算到电机轴上的摩擦力矩，

T_c----折算到电机轴上的磨削力矩，

T₀----折算到电机轴上的附加摩擦力矩；

T_f=

F-₀—导轨摩擦力，

L₀—滚珠丝杠导程，

i—传动比，

η—传动链总效益；

T₀=

F_p0—滚珠丝杠预加负荷，

η₀—滚珠丝杠未预紧时的传动效率；

T_c=

F_C--进给方向的最大磨削力，

所以T_m=，

可见，交流伺服电机的电磁转矩与磨削削力之间存在一定的对应关系，当磨削力增大时，电机的电磁转矩也应相应增大，由于电磁转矩与进给伺服电机电流存在一定的线性关系，当磨削力增大时，电流也随之增大，反之亦然。通过测量进给伺服电机的电流大小完全可以实现对实际磨削时磨削削力的间接测量；

所述建立数学模型的具体步骤为：

从理论上建立进给伺服电流与磨削力的数学模型，通过两个霍尔电流传感器检测伺服电机的两相定子电流（，），通过三相平衡电流公式（++=0）得出另外一相定子电流（)，通过矢量变化()实现三相交流向单相直流(,,)的转化，并通过该电流幅值的调整（）实现伺服电机输出电磁转矩与外加负载转矩的平衡（），找出磨削力影响电流的信号，将该特征信号经过矢量运算送往自适应控制器，经过模糊控制算法对进给速度倍率修调实现自动调节，最终达到自适应控制的目的；

所述提取特征的具体步骤为：

（a）以偏差e和偏差的变化为输入量，调节倍数Wk1、Wk2和Wk3为输出变量，再以原始的比例因子K1、K2和K3对偏差e和偏差的变化进行量化并建立调整规划表，将此表存储于PC机的自适应控制器中；

（b）查调整规划表得出调整倍数w_k1、w_k2和w_k3，使比例因子K1、K2和K3调整后形成、和，所述、和；

(c)用调整后的比例因子、和对偏差e和偏差的变化进行重新量化；

（d）用重新量化的e和偏差的变化查控制表，得出控制量；

（e）用比例因子K3乘以电压U即获得新的控制量。

实施例：我公司主导生产的国家专项MKW5230A数控龙门导轨磨床，数控系统采用武汉华中848C型数控系统，所述自适应控制器输出的进给速度修调率通过RS232C通讯协议，实现从848C型数控系统的外置PC机内存到CNC控制装置内存的直接传送，在系统工作时，只需按输入的值查询相应的表格，求出调节量Wk1、Wk2和Wk3，CNC控制装置在每一个采样周期内读取一次PC机中的自适应控制器内存区中的进给速度修调率，并通过与设定进给速度乘运算，及时把运算结果通过CNC控制装置传递给伺服驱动单元，通过伺服驱动单元控制各轴的进给速度，来实现磨削力的自适应控制，经验证，机床操作大大降低了人为干扰因素，磨削效率也提高了近40%。

本发明由于采用上述结构和方法，显著提高了磨削精度和工作效率，工作效率显著提高了20-40%，具有结构和方法新颖、控制精确、自动化程度高、磨削精度高、避免人为因素干扰等优点。

Claims (2)

1.一种数控磨床磨削力自适应控制系统，其特征在于设有PC机、CNC控制装置、RS232C通讯协议、电流检测装置、自适应控制器和伺服驱动单元，所述伺服驱动单元经CNC控制装置控制，所述CNC控制装置经RS232C通讯协议与PC机相连接，所述自适应控制器嵌入在所述PC机内，所述电流检测装置与伺服驱动单元相连接，所述电流检测装置是由霍尔传感器、A/D转换器和测量电阻组成，所述霍尔传感器实时检测伺服驱动单元的两相定子电流，将测得的电流信号通过测量电阻转化为低压的电压信号，再通过A/D转换器进行变换，将合成电流信号的结果上传至PC机中的自适应控制器,自适应控制器根据矢量合成电流信号所反应出的加工状态，并通过自适应控制器中的自适应模糊控制算法计算出进给速度的修调率，再通过与自适应控制器中设定的进给速度乘运算，自适应控制器将运算好的进给速度修调率结果通过RS232C通讯协议传送至CNC控制装置，CNC控制装置及时将运算结果传递给伺服驱动单元，伺服驱动单元自动控制磨床各轴的进给速度。

2.根据权利要求1所述的一种数控磨床磨削力自适应控制系统，其特征在于所述自适应模糊控制算法包括电流检测、建立数学模型和提取特征三个步骤，通过电流检测装置对影响加工效率和精度的伺服驱动单元的物理量进行检测、建立数学模型和提取特征，自动感知加工系统内部的电压信号状态，以及通过外部的信号传感器的输入输出指令，使系统快速做出智能决策，对伺服驱动单元的进给速度、转速等工艺参数进行实时控制，

其中，所述电流检测的步骤为：

由机电运动方程式得知，在稳定磨削加工时，伺服电机的电磁转矩应该与外加负载转矩相平衡，即T_m=T_L,而磨削加工时的磨削力F_C通过丝杆螺母副转化为磨削力矩T_c,成为负载转矩的一部分，机电传动系统中的转矩平衡方程式为：

T_m=T_f+T_c+T₀

T_f----折算到电机轴上的摩擦力矩，

T_c----折算到电机轴上的磨削力矩，

T₀----折算到电机轴上的附加摩擦力矩；

T_f=

F-₀—导轨摩擦力，

L₀—滚珠丝杠导程，

i—传动比，

η—传动链总效益；

T₀=

F_p0—滚珠丝杠预加负荷，

η₀—滚珠丝杠未预紧时的传动效率；

T_c=

F_C--进给方向的最大磨削力，

所以T_m=，

可见，交流伺服电机的电磁转矩与磨削削力之间存在一定的对应关系，当磨削力增大时，电机的电磁转矩也应相应增大，由于电磁转矩与进给伺服电机电流存在一定的线性关系，当磨削力增大时，电流也随之增大，当磨削力降低时，电流也随之降低，因此，通过测量进给伺服电机的电流大小完全能实现对实际磨削时磨削削力的间接测量；

所述建立数学模型的具体步骤为：

从理论上建立进给伺服电流与磨削力的数学模型，通过两个霍尔电流传感器检测伺服电机的两相定子电流（，），通过三相平衡电流公式（++=0）得出另外一相定子电流（)，通过矢量变化()实现三相交流向单相直流(,,)的转化，并通过该电流幅值的调整（）实现伺服电机输出电磁转矩与外加负载转矩的平衡（），找出磨削力影响电流的信号，将该特征信号经过矢量运算送往自适应控制器，经过模糊控制算法对进给速度倍率修调实现自动调节，最终达到自适应控制的目的；

所述提取特征的具体步骤为：

（a）以偏差e和偏差的变化为输入量，调节倍数Wk1、Wk2和Wk3为输出变量，再以原始的比例因子K1、K2和K3对偏差e和偏差的变化进行量化并建立调整规划表，将此表存储于PC机的自适应控制器中；

（b）查调整规划表得出调整倍数w_k1、w_k2和w_k3，使比例因子K1、K2和K3调整后形成、和，所述、和；

(c)用调整后的比例因子、和对偏差e和偏差的变化进行重新量化；

（d）用重新量化的e和偏差的变化查控制表，得出控制量；

（e）用比例因子K3乘以电压U即获得新的控制量。