端銑削自適應(yīng)切削力的模糊控制策略摘要這篇文章討論了在高速端銑削時(shí)的切削力的模糊適應(yīng)的控制策略。這項(xiàng)研究是關(guān)于運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置來憂化金屬切削過程的整合自適應(yīng)性控制。它被設(shè)計(jì)成服務(wù)于允許在刀具上對長時(shí)間復(fù)雜成形加工很有益的切削力時(shí)適應(yīng)性地使切削速度最大化的控制.目的是產(chǎn)生一個(gè)可靠的，強(qiáng)有力的人工神經(jīng)控制器協(xié)助自適應(yīng)協(xié)調(diào)切削速度來防止過分的刀具磨損，即刀具的磨損量和保持高的排屑率。許多的仿真和實(shí)驗(yàn)用來肯定這個(gè)體系的功效。關(guān)鍵詞：端銑；自適應(yīng)力控制；模糊1.諸論一個(gè) CNC 系統(tǒng)遺留下來的缺點(diǎn)是加工參數(shù)，如進(jìn)給速度，切削速度和深度，被離線編程。加工參數(shù)通常在加工前根據(jù)編程者的經(jīng)驗(yàn)和加工手冊被選擇。為了防止損害和避免加工失敗。運(yùn)行的條件通常被設(shè)置的很保守。結(jié)果是，有很多的 CNC 系統(tǒng)運(yùn)行于遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于憂化標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下效率差。即使加工參數(shù)在離線時(shí)通過憂化計(jì)算法憂化了，在加工過程中它們也不能被協(xié)調(diào)起來。為了確保加工產(chǎn)品的質(zhì)量，為了降低加工成本和提高加工的效率，協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)加工的參數(shù)來符合憂化的加工標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。由此，提供在線運(yùn)行下協(xié)調(diào)的自適應(yīng)控制，被有興趣地研究起來。在我們的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，不管是在切削條件下變化時(shí)，進(jìn)給速度總是在線協(xié)調(diào)下來保持一個(gè)常數(shù)切削力。在這篇文章中，一個(gè)簡單的模糊控制策略被在智能系統(tǒng)和一些運(yùn)用模糊控制策略的實(shí)驗(yàn)性的仿真中發(fā)展起來。結(jié)果證明這個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)有效地控制在一般端銑削條件下的峰值切削力。力的控制運(yùn)算法則已經(jīng)被眾多的研究者開發(fā)和評估了。被固定的增加比例積分控制器，先前是為銑削現(xiàn)為了一個(gè)可協(xié)調(diào)的增加比例積分控制器，在那里控制器根據(jù)變化的切削條件被協(xié)調(diào)。完整的自適應(yīng)參考模擬，自適應(yīng)控制裝置方法最初是被 Cusand Balic 研究的。這些控制器被模擬和求解及實(shí)際上地被實(shí)現(xiàn)。兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)全布三參數(shù)自適應(yīng)控制器執(zhí)行得比已固定的遞增積分器要好。關(guān)于模糊控制系統(tǒng)，Huang and Lin 提供了一個(gè)先驅(qū)活動(dòng)的介紹性調(diào)查，另一個(gè)系統(tǒng)性觀念被提出。模糊系統(tǒng)對照比例積分微分控制和模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及管理模糊控制在[3]中反映 .被提到。關(guān)于為銑削的自適應(yīng)切削力控制很多的工作已經(jīng)被做。然而，很多以前的工作把問題簡單化在一個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)上。這次投稿中，我們將考慮到三個(gè)自由度上銑削的切削力。文章的組成如下。第二部分主要描述全面的力控制策略。第三部分包括了 CNC 加工模擬 1.第五部分描述了仿真/實(shí)驗(yàn)和目標(biāo)控制計(jì)劃執(zhí)行的方法。最后，第六和七部分展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論和以后研究的建議。2.自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)一個(gè)新的在線控制計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃被稱作自適應(yīng)模糊控制，是通過使用模糊集合論開發(fā)的。這個(gè)方法的基本思想是合并人操作者在控制設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)。這個(gè)控制策略是用公式表達(dá)成許多的規(guī)則，這些規(guī)則手工執(zhí)行很簡單但是對于用一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則來實(shí)現(xiàn)很困難。基于這個(gè)新的控制策略，很多復(fù)雜的過程能夠標(biāo)準(zhǔn)方法似的更容易地和更精確地被控制。模糊控制的目標(biāo)是保持金屬切除率，能可能的高和保持切削力盡可能地接近一個(gè)給定的參照值。此外，計(jì)算任務(wù)和時(shí)間可能就像金典或者現(xiàn)代控制理論那樣被減少。示意性的控制規(guī)則通過使用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被構(gòu)造出。模糊自適應(yīng)控制確保了連續(xù)地憂化進(jìn)給速度的控制。這個(gè)控制是自動(dòng)被協(xié)調(diào)到每一個(gè)特殊的切削情況。當(dāng)軸的負(fù)載低的時(shí)候，系統(tǒng)增加切削進(jìn)給到或者超過預(yù)先編程的進(jìn)給速度，直接導(dǎo)致循環(huán)周期和產(chǎn)品成本相當(dāng)大的減少。當(dāng)軸的負(fù)載高時(shí)，進(jìn)給速度就被降低，以保護(hù)工作母機(jī)不損害和損壞。當(dāng)系統(tǒng)偵測到極端的切削力時(shí)，它會(huì)自動(dòng)停機(jī)來保護(hù)切削工具。它減少了一定的操作者的監(jiān)督管理。在線銑削憂化的步驟次序如下：1.預(yù)編程進(jìn)給速度被送到銑床 CNC 控制器。2.測量出的切削力被送到模糊控制器。3.模糊控制器使用輸入的規(guī)則來找到（協(xié)調(diào)）憂化的進(jìn)給速度，將它送回到機(jī)器。4.第一步和第三步被重復(fù)直到加工結(jié)束。自適應(yīng)切削力控制器協(xié)調(diào)進(jìn)給速度是基于一個(gè)測量出的峰值切削力通過布置一個(gè)進(jìn)給速度超過 CNC 控制器在四軸上的百分比， 真實(shí)的切削速度是超過部分和已編程的進(jìn)給速度。如果進(jìn)給速度憂化模擬是完美的，憂化的進(jìn)給速度也將總是等于參照的峰值力。在這種情況下，超出部分的正確率將是 100%。為了控制器調(diào)整峰值力，力的信息必須在每個(gè)采樣時(shí)間對控制運(yùn)算法則是有用的。一個(gè)探測軟件被用來提供這些信息。2.1 一個(gè)模糊控制器的結(jié)構(gòu)在模糊過程控制中，專門技術(shù)被壓縮成一個(gè)根據(jù)關(guān)于人操作標(biāo)準(zhǔn)和輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)。運(yùn)算法則是基于操作者的知識(shí)但考慮到過程編輯通過改寫誤差，它也包括了控制理論。 從而，控制器有輸入切削力誤差 F 和第一次不同誤差2F，輸出變化的進(jìn)給速度 f。模糊控制變化和規(guī)則創(chuàng)基礎(chǔ)創(chuàng)建從專家操作者那帶走。切削力誤差和第一次誤差的差異被計(jì)算，在每一個(gè)采樣時(shí)間 k，如 _F(k) = Fref ?F(k)和 _2F(k) =_F(k)?_F(k?1),這里 F 是測量的切削力， Fref 是力的設(shè)定點(diǎn)。3.CNC 加工模擬在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試之前，一個(gè) CNC 加工模擬模擬器被用來估算控制者的設(shè)計(jì)。過程模擬由人工神經(jīng)力模擬和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬。人工神經(jīng)力模擬基于切削條件和已描述的形狀切削估算切削力。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬模擬機(jī)器對已指定進(jìn)給速度變化的反應(yīng)。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬通過檢查步的已指定速度的改變被決定。最好的模擬被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)頻率為 3Hz 和節(jié)拍時(shí)間為 0.4s 的二級命令系統(tǒng)。對比實(shí)驗(yàn)和仿真從7 到 22mm/s 圖 3 顯示的速度步調(diào)改變結(jié)果。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和人工神經(jīng)力模擬被結(jié)合形成 CNC 加工模擬。模擬輸入是已指定的進(jìn)給速度，輸出是 X、Y 合成的切削力。切削形狀在人工神經(jīng)力模擬中被定義。模擬器通過比較實(shí)驗(yàn)和模擬仿真結(jié)果被修改。伴隨進(jìn)給速度改變的各種切削被確定。從 0.05 到 2mm/tooth 每一步改變，實(shí)驗(yàn)和仿真合力展現(xiàn)如圖 4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在平均和峰值力方面模擬結(jié)果聯(lián)系的很好。明顯的差異可能是因?yàn)槿斯ど窠?jīng)模擬和沒有模擬的系統(tǒng)編輯器的錯(cuò)誤。3.1 切削力模擬為明白在線切削力模擬，基于流行的反饋原理，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）被提出在預(yù)備實(shí)驗(yàn)期間，它被證明是很有可能直接從實(shí)驗(yàn)加工數(shù)據(jù)提取力模擬。它被用來模擬切削過程。用來模擬的 NN 需要為進(jìn)給速度 f，切削速度 vc 切削軸向深度 AD 和切削徑向深度 RD 4 個(gè)輸入人工神經(jīng)元。 NN 的輸出是切削力的要素，因此需要兩個(gè)輸出神經(jīng)元。帶優(yōu)化參數(shù)使用的 NN 詳細(xì)的布局和神經(jīng)元的數(shù)學(xué)原理如圖 5 所示。最好的 NN 配置包含 5，3 和 7 在隱藏層隱藏的神經(jīng)元。3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的布局和其模擬問題的自適應(yīng)性布局的效果也通過考慮不同的情況而被研究。通過改變在隱藏層的人工神經(jīng)元的個(gè)數(shù)來改變布局。為估計(jì)個(gè)別與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能有關(guān)程序參數(shù)的效果，40個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練，測試和分析。網(wǎng)絡(luò)性能使用 ETstMax, ETst, ETrn, and ETrnMax 四個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)和程序周期數(shù)來估計(jì)。在輸入輸出層的神經(jīng)元數(shù)通過輸入輸出參數(shù)的數(shù)量來決定。由結(jié)果得到的如下所述結(jié)論：? 0.3 比率給出可接受的預(yù)期誤差而掌握比率必須在 0.01 到 0.2 之間來最小化程序周期數(shù)。?為了最小化判斷誤差，比率在 0.001 到 0.005 之間是好的。然而，如果程序周期數(shù)也是最小化，掌握比率應(yīng)該不超過 0.004 ?最佳的隱蔽層節(jié)點(diǎn)數(shù)是 3 或 6.節(jié)點(diǎn)數(shù)在 2 到 12 或不是 3 或 6 的網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)的好但是導(dǎo)致更高的程序周期。?用正弦函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)需要最低的程序周期數(shù)，緊跟的是正切函數(shù)而用雙曲線切線那些需要更高的程序周期。4.數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備用在這個(gè)獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取設(shè)備由測力計(jì)，固定模塊，硬件和軟件如圖1 所示。切削力使用安在工件和工作臺(tái)壓電測力計(jì)測量。當(dāng)?shù)毒哒谇邢鞴ぜr(shí)，力將通過刀具施加到測力計(jì)。在測力計(jì)上的壓電石英產(chǎn)生形變，電荷將會(huì)產(chǎn)生。電荷然后通過連接電纜傳遞到多通道電荷放大器。電荷然后使用多通路放大器放大。在多通路電放大器中，不同參數(shù)能被調(diào)整以完成必需解決的。在放大器的輸出端，電壓將對應(yīng)于取決于設(shè)置在放大器中參數(shù)的力。接口硬件模塊由連接設(shè)計(jì)塊，模擬信號(hào)協(xié)調(diào)模塊和一個(gè) 16 通道 A/D 接口板(PC-MIO-16E-4)。在 A/D 板里，模擬信號(hào)將轉(zhuǎn)變成數(shù)了信號(hào)，以使 LabVIEW 軟件能讀和接收數(shù)據(jù)。用 LabVIEW 電壓將轉(zhuǎn)變成在 X，Y 和 Z 方向的力。用這個(gè)程序，三個(gè)軸向力要素能同時(shí)獲得，并能為分析力的變化而顯示在屏幕上。選 R216-16B20-040 型直徑 16mm10 度螺旋角帶雙刃可互換球狀端立銑刀來加工。前角 12 度R216-1603 M-M 型立銑刀被選。立銑刀的材料是 P10-P20 涂上 TiC/TiN ，GC4040。冷卻液 RENUS FFM 用來冷卻。模糊控制被智能操縱器模塊（Labview），修正進(jìn)給速度被遞到力控制軟件和 NC 機(jī)床之間 CNC 通信設(shè)備?？刂破髂芡ㄟ^存儲(chǔ)器共享。在頻率 1KHz 時(shí)，超出部分的進(jìn)給速度，可變DNCFRO 對分配力控制軟件有用。5.模擬和模糊控制銑實(shí)驗(yàn)為檢查自適應(yīng)模糊控制策略的穩(wěn)定性和耐用度，通過用 Simulink and Labview fuzzy Toolset 模擬來檢查系統(tǒng)。然后，通過在一個(gè) CNC 銑床的對 Ck45和 Ck45 鋼工件改變切削深度的不同實(shí)驗(yàn)來改變系統(tǒng)（如圖 6）R216-16B20-040型直徑 16mm10 度螺旋角帶雙刃可互換球狀端立銑刀被選來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。切削條件為：銑削寬度 RD = 3 mm，銑削深度 AD = 2mm 和切削速度 vc = 80m/min.模糊控制的參數(shù)相同于對傳統(tǒng)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)。用模糊控制結(jié)構(gòu)如圖 1，憂化進(jìn)給速度，想要的切削力是[Fref] = 280 N,預(yù)編程的進(jìn)給是 0.05mm/teech，允許調(diào)整率為[0 –150%]。當(dāng)切削深度改變時(shí)，圖 7 是切削力和進(jìn)給速度的反映。它顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果中進(jìn)給速度在線調(diào)整來保持切削力在最大想要值。模擬控制器響應(yīng)在軸向深度一步改變，顯示如圖 8.模擬代表了一個(gè) 16mm，兩面銑刀，在 2000rpm 時(shí),正遇到一步從軸向深度從 3 到 4.2mm 的改變。這步改變發(fā)生在 2s，在 0.5s 內(nèi)控制器返回峰值成參考峰值力在這項(xiàng)研究中模糊控制器的穩(wěn)定性通過模擬被估算。用在過程增益中小和大步改變測試模擬是為確保系統(tǒng)穩(wěn)定在一定范圍條件內(nèi)。小的過程增益改變用一個(gè)在 2000rpm 轉(zhuǎn)速下從 3 到4.2mm 軸向深度改度來模擬。大的增益改變用一個(gè)軸向深度在 2000rpm 時(shí)從 3到 6mm 改變來模擬。伴隨很少的性能降低系統(tǒng)在全布模擬仿真中保持穩(wěn)定。6.結(jié)果和討論在用不變進(jìn)給速度（常用切削，如圖 7a）的第一次實(shí)驗(yàn)中,MRR 僅僅在最后一步時(shí)達(dá)到它的固有值。然而，在第二次測試中，使用模糊控制加工相同的工件，平均完成的 MRR 很接近固有的 MRR 值。對比圖 7a 和 b，人工神經(jīng)控制銑削系的在切削力是保持在 240N 左右，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)的進(jìn)給速度接近于傳統(tǒng) CNC 銑削系統(tǒng)從 C 點(diǎn)到 D 點(diǎn)。從 A 點(diǎn)到 C 點(diǎn)，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)的進(jìn)給速度高于正統(tǒng) CNC 系統(tǒng)，因此 ，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)銑削效率提高了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出 MRR 可能提高高到 27%。相比于大多數(shù)的現(xiàn)有端銑削控制系統(tǒng)，目標(biāo)模糊控制系統(tǒng)有下列優(yōu)勢：1.多參數(shù)調(diào)整。2.對工件形狀、刀具形狀和工件材料的改變敏感；3.合算和容易實(shí)現(xiàn)；4.數(shù)學(xué)建模方便模擬仿真結(jié)果顯示使用設(shè)計(jì)的模糊控制器的銑削過程耐用度、穩(wěn)定性，比標(biāo)準(zhǔn)的控制器有更高加工效率。實(shí)驗(yàn)顯示模糊控制器比傳統(tǒng)控制器有重大的優(yōu)勢。主要的優(yōu)勢是一個(gè)控制器快速響應(yīng)復(fù)雜傳感輸入而在傳統(tǒng)控制器上老的控制運(yùn)算法則下運(yùn)行速度受限制。當(dāng)前研究顯示模糊控制比傳統(tǒng)控制器有很大的優(yōu)勢。第一個(gè)優(yōu)勢是一個(gè)模糊控制器能有效率地利用在計(jì)劃和執(zhí)行一個(gè)控制動(dòng)作方面比一個(gè)工人更巨大的感官信息。第二個(gè)優(yōu)勢是模糊控制器快速響應(yīng)復(fù)雜的傳感輸入而在傳統(tǒng)控制器的傳統(tǒng)控制法則下的執(zhí)行速度受到嚴(yán)格的限制。7.結(jié)論這次投稿的目的是為介紹一輔助自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)給速度來防止過度刀具磨損，刀具破損和保持高的金屬去除率的可靠而耐用的模糊力控制器。帶自適應(yīng)控制策略的智能銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊控制器有高的耐用度和完全穩(wěn)定性。方法成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn) Heller 銑削加工中。目標(biāo)在線最佳切削條件決定系統(tǒng)在這篇文章中應(yīng)用于球端銑削，但顯然此系統(tǒng)也可延伸到其它的機(jī)床上來提高切削效率。