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數控加工中的負載自適應控制
閱讀：304 發布時間：2022-7-2 數控（NC）加工技術在現代制造技術中占有非常重要的地位，自50年代問世以來，隨著微電子、計算機等技術的高速發展，現今已取得了長足的進步，對制造業乃至整個國民經濟的發展起著曰益重要的作用。當然不可否認的是，數控技術中還有很多問題有待于進一步芫善激控中的負載自適應控制便是其中之一。負載自適應控制就是在數控加工中當負載出現變化時，系統能夠及時調整刀具的進給速度，以適應負載的變化，并使負載維持在較為恒定的水平。這種技術一方面可以提高數控加工效率，同時還可以起到保護刀具和機床以及保證加工質量等作用。正是基于這一認識，本文提出一種數控加工中負載自適應控制的計算方法，該方法首先通過間接測量的方法獲取數控加工中的負載值然后根據這一負載值，運用模糊邏輯方法計算出此負載下相應的刀具進給速度。
一、負載的測量如前所述，對負載的控制在數控中具有非常重要的意義，故對此研究較多，它們主要都是從怎樣建立數控加工中的負載的數學模型角度進行研究，并提出了多種數控加工中的負載數學模型'）51.這種通過建立包括多種影響因素的負載數學模型對負載進行控制的方法，的確能起到一定的作用。但縱觀這些方法，它們都還存在以下一些問題：數控加工中影響負載的因素比如刀具的進給速度、主軸的轉速、加工刀具的形狀、被加工零件的形狀及材料特征等，且這些因素的影響都具有非線性和相關性等特點，故無法包含所有這些因素進行精確建模，一般只取幾種認為影響較大的因素建立相應的模型，這樣該負載數學模型的精度就會受到一定的限制。
對刀具進行數學描述以建立其與負載的關系這些模型一般只針對具體的刀具（比如球頭刀具）這樣它們只能適用于這些具體類型的刀具，因此這些負載數學模型的通用性就很小，特別是無法適應于具有自動換刀裝置的加工中心中。
負載數學模型負載數學模型中有的需用迭代的方法進行求解，因此非常費時且有時難以保證迭代的收斂。
基于上述分析本文從另一角度獲取負載值，即不是直接建立負載的數學模型來求解負載，而是通過測量主軸受到的扭矩來間接表征負載的大小。該間接測量方法的原理是影響數控加工中負載大小的因素必然反映到主軸扭矩的大小，故主軸扭矩的大小客觀地表征了負載的大小。這種間接測量的方法避免了直接建立負載數學模型的弊端，且主軸扭矩的大小可通過測算主軸電機的輸出功率獲得，故該方法的測量異常簡單。測量了負載的大小以后接下來就是怎樣對此進行自適應控制，BP怎樣由測得的負載值求出此時刀具的進給速度。本文采用模糊邏輯算法進行負載自適應控制。
二、負載的自適應控制如前所述，本文采用模糊邏輯算法進行自適應控制。自扎德（L.A.Zadeh）在1965年提出模糊集合梯形形式隸屬函數系統以及操作存在著不確定的系統。而數控中負載的自適應控制就屬于無法精確建模的系統，故用模糊邏輯控制能取得比較理想的效果。
□負載自適應控制原理本數控加工負載自適應控制原理如所示。
圖中虛線所示的模糊控制器為本文負載自適應控制的邏輯算法部分。
負載自適應控制相關技術的處理從上面的原理圖可以看出，該負載自適應控制運用了模糊邏輯的相關知識，下面對有關的技術進行分析、處理。
（1）輸入、輸出量模糊集的建立建立輸入、輸出量模糊集分以下幾步：輸入、輸出論域的離散化在此數控加工負載自適應控制方法中輸入量為通過間接測量得到的負載值輸出量為刀具的進給速度值。在輸入、輸出論域的離散化的過程中，離散點數的選擇要適當，點數越多，模糊子集的定義越細膩模糊化、模糊推理、解模糊處理也就越細膩，這將使模糊控制器的控制作用和控制效果越精確M度越高，但同時也導致運算量加大，甚至無法用于實時控制。本系統根據實際情況，將輸入、輸出論域都取九個離輸入、輸出論域的模糊劃分同樣，模糊子集劃分的數目也要適當，子集越多，控制動作越細膩1精度相應提高，但過多的模糊子集也會使運算量大得無法接受。根據精度和實時性要求我們將輸入、輸出論域都劃分為五個模糊子集。對于輸入如下子集：很大（A1）、較大（A3）、中等（A3）、較小、很小（A5）。對于輸出有如下子集狠慢、較慢、中等、較快、很快。
建立模糊子集的隸屬函數模糊子集的隸屬度即每個模糊子集在每個離散點的隸屬程度，目前常用的有三角形、梯形及三角函數等形式的隸屬函數。我們按中梯形形式隸屬函數的方法建立模糊子集在相應離散點的隸屬度（W.這樣我們建立如下的輸入模糊子集：（2）模糊推理規則的建立輸入、輸出模糊子集的劃分以后根據數控加工的實際情況我們建立以下五條模糊推理規則（R），設負載的大小為刀具的進給速度應為"：規則規則3（3）模糊推理算法實現當輸入輸出量的模糊集合和推理規則建立以后，我們即可根據模糊集合的有關規則進行推理運算。如R1可表示R1=01x用表1表示如下：輸入數據的模糊化模糊控制中，檢測得到的輸入數據一般是精確數，而模糊控制器中處理的數據是模糊量，因而必須進行輸入數據模糊化，包括量程轉化和量化以及模糊化方法選擇兩步：量程轉換和量化由于輸入信號通過間接測量得到的負載值，必須先轉換為前面所說的論域中的離散點。我們采用比例因子！進行轉化，設根據具體的高速數控加工情況，我們得到允許的負載*大值為/.則=8//這樣，對任一測算得到的負載值/，對應論域中的離散點為=INT（/+！）=INT（/8//.）其中，INT表示取整函數。
模糊化方法的選取本系統采用直接將某一精確點模糊化為一個模糊單點，所謂模糊單點，即是這樣一種模糊子集，該點對它的隸屬度為1，而論域中其它所有點對它的隸屬度為輸出數據的解模糊模糊推理后得到的是模糊量，而執行機構所能接的只能是精確量，所以必須進行解模糊，即將模糊量轉化為精確量。解模糊是模糊化的逆過程，它包括解模糊方法的選擇及量程的轉化兩步。
①解模糊方法的選擇本系統采用加權平均法進行解模糊，即將模糊輸出論域上的點對輸出模糊集的隸屬度為權系數加權平均求解模糊結果。具體做法為設輸出論域上一點，其在輸出模糊子集的隸屬度為/！6（7），則解模糊后得輸出結果為8 =（。+叫（7））A.叫（7）），例如上面的負載值為3時對應的刀具進給速度值是：②量程的轉換經過上面①解模糊得到的數據仍是輸出論域上的點，不是用于控制執行機構動作的物理量所以我們必須再次進行量程的轉換。我們采用比例因子2進行轉換設根據具體的高速數控加工情況，我們得到加工時刀具的*高進給速度為2=./8.這樣，對于任一上面①解模糊得到的數據8，其對應的用于實際控制的物理量速度三、結論本文將模糊邏輯理論用于數控加工中負載的自適應控制。該方法首先采用間接方法測量負載大小，避免了傳統的建立負載數學模型的復雜性和不精確性，然后運用模糊邏輯的方法對測得的負載進行自適應控制。這樣，刀具的進給速度能隨著負載的變化而發生相應的變化，從而使負載在整個加工過程中保持相對的平穩。因此該負載自適應控制方法一方面可以提高加工的質量和效率另一方面可以有效地保護刀具和機床提高它們的使用壽命。