自動(dòng)化方法“學(xué)習(xí)功能_learning function_”在金屬磨削加工中的應(yīng)用

1、本文由gracexujing貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。自動(dòng)化方法“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”在金屬磨削加工中的應(yīng)用王瑋江德國勇克機(jī)器制造有限公司上海代表處摘要：本文目的是研究通過智能控制技術(shù)在高精度金屬加工外圓磨削中的運(yùn)用，利用自動(dòng)化方法“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”提高加工精度。闡述學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、專家控制和模糊邏輯控制的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)

2、合各自的優(yōu)點(diǎn)提出混合的精加工機(jī)床自動(dòng)化控制模塊“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”，避免各自缺陷，更有效的為金屬加工中的外圓磨削提高精度，以及由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和布局等原因?qū)ψ詣?dòng)化控制所產(chǎn)生的局限性。關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)控制；自適應(yīng)控制；專家控制；高精度外圓磨床；模糊邏輯控制1引言隨著當(dāng)今加金屬工工藝的不斷提高以及大批大量生產(chǎn)的需求對(duì)機(jī)床設(shè)備的在線率提出了更高的要求。在金屬加工中要求毛坯在一次裝夾過程中完成全部加工工序無需操作人員的任何干

3、預(yù)。外圓磨床要求在精加工后工件的圓度達(dá)到0.002mm，機(jī)床通過“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”自動(dòng)控制模塊，在第一圈磨削中采集數(shù)據(jù)，通過傳感器、控制器等電子電器元件形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)從而在第二圈磨削中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償并通過多次磨削達(dá)到越磨越圓的目的，實(shí)現(xiàn)一次性在線加工完成，從而取代傳統(tǒng)的（下線測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)導(dǎo)入再修磨）過程。“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”自動(dòng)控制模塊的使用使整機(jī)的利用率從原來的70%左右提

4、高到90%以上，降低了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。在“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”自動(dòng)控制模塊中集合了學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、專家控制和模糊邏輯控制等智能控制原理。學(xué)習(xí)控制通過與控制對(duì)象和環(huán)境的閉環(huán)交互作用，根據(jù)上一次磨削所獲得的經(jīng)驗(yàn)信息，逐步改進(jìn)系統(tǒng)磨削方式改善磨削效果。專家控制提供多年來所積累的磨削經(jīng)驗(yàn)值，即所謂的加工工藝經(jīng)驗(yàn)的累積。模糊邏輯控制為智能化設(shè)備設(shè)定了規(guī)則，如磨削所達(dá)到的精度，即工件圓度小于0.002mm等。圖

5、一2原理德國勇克公司的外圓磨床“學(xué)習(xí)功能(learningfunction)”自動(dòng)控制模塊主要是基于FANUC控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的，目前最新的產(chǎn)品是以GEFanucSeries18M控制系統(tǒng)為核心，由聲音傳感器、靜壓導(dǎo)軌、數(shù)字顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、速度調(diào)節(jié)控制、電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)以及通過控制系統(tǒng)自身的各個(gè)數(shù)控軸的軸向和徑向定位組成。圖二GEFanucSeries18M該系統(tǒng)的工作原理是：首先機(jī)床對(duì)毛坯件進(jìn)行第一圈的磨削，在砂輪與被磨工件接觸時(shí)，

6、控制器通過對(duì)噪音傳感器傳來的噪音信號(hào)與控制系統(tǒng)自身對(duì)各個(gè)數(shù)控軸的軸向和徑向的定位，應(yīng)用模糊控制原理確定被加工區(qū)域工件的圓度如圖三所示，F(xiàn)ANUC控制系統(tǒng)完成對(duì)該信號(hào)的采集處理工作，并判別其是否在工差范圍內(nèi)，并采用V／f控制方式即在改變頻率的同時(shí)控制逆變器的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁道保持一致，在大范圍內(nèi)調(diào)速，而電動(dòng)機(jī)效率、功率因素不下降。圖三控制器通過專家系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)出信號(hào)對(duì)第二圈的磨削軸的各個(gè)位置及砂輪轉(zhuǎn)速和力度進(jìn)行調(diào)整。在電機(jī)

7、運(yùn)行過程中，控制器檢測(cè)蓄電池電壓、電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速，一旦其參數(shù)超過設(shè)定值，控制器將使其SPWM輸出減小，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。而目前應(yīng)用較少。后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，研制代價(jià)明顯低于前者，性能又能滿足工業(yè)過程控制的一般要求，因而獲得了日益廣泛的應(yīng)用。下面主要以專家控制器為例來說明專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、性能、設(shè)計(jì)原則等。專家控制器的特點(diǎn)及模型結(jié)構(gòu)專家控制器的特點(diǎn)包括模型設(shè)計(jì)的多樣性、在線處理的靈活性、控制策略的靈活性、決策機(jī)構(gòu)的遞階性及推理與決策的實(shí)時(shí)性

8、等。模型設(shè)計(jì)的多樣性具體是指在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)被控對(duì)象和控制器的模型采用多樣化的描述形式，不應(yīng)拘泥于單純的解析模型。這些描述模型主要有：解析模型、Fuzzy模型和規(guī)則模型等。產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式為：IF〈條件〉THEN〈操作或結(jié)論〉這種基于規(guī)則的符號(hào)化模型特別適于描述過程的因果關(guān)系和非解析的映射關(guān)系等?；谝?guī)則的描述方式具有較強(qiáng)的靈活性，可方便地對(duì)規(guī)則加以補(bǔ)充或修改。本文采用產(chǎn)生式規(guī)則來描述控制器模型。專家控制器一般模型可用如下形式表示：

9、U＝f（E，K，I）其中，f為智能算子，其基本形式為：IFEKTHEN（IFITHENU）其中：E為控制器的輸入集；K為知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與事實(shí)集；I為推理機(jī)構(gòu)的輸出集；U為控制器輸出集。智能算子的基本含義是：根據(jù)輸入信息和知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)則進(jìn)行推理，然后根據(jù)推理結(jié)果I，輸出相應(yīng)的控制行為U。智能算子的具體實(shí)現(xiàn)方式可采用前面介紹的各種方式。由于專家控制器在模型的描述上采用多種形式，就必然導(dǎo)致其實(shí)現(xiàn)方法的多樣性。雖然構(gòu)造專家控制器的

10、具體方法各不相同，但歸結(jié)起來，其實(shí)現(xiàn)方法可分為兩類：一類是保留控制專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，但其知識(shí)庫的規(guī)模小，推理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；另一類是以某種控制算法（例如PID算法）為基礎(chǔ)，引入專家系統(tǒng)技術(shù)，以提高原控制器的決策水平。專家控制器雖然功能不如專家系統(tǒng)完善，但結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，研制周期短，實(shí)用性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。專家控制器的結(jié)構(gòu)圖八給出了一種工業(yè)專家控制器的結(jié)構(gòu)框圖。圖八專家控制器（EC）的基礎(chǔ)是知識(shí)庫（KB），存放工業(yè)過程控制的領(lǐng)域知識(shí)，由經(jīng)驗(yàn)

11、數(shù)據(jù)庫（DB）和學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置（LA）組成，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)；學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置的功能就是根據(jù)在線獲取的信息，補(bǔ)充或修改知識(shí)庫內(nèi)容，改進(jìn)系統(tǒng)性能，以便提高問題求解能力。建立知識(shí)庫的主要問題是如何表達(dá)已獲取的知識(shí)。EC的知識(shí)庫用產(chǎn)生式規(guī)則來建立，這種表達(dá)方式具有較高的靈活性，每條產(chǎn)生式規(guī)則都可獨(dú)立增刪、修改，使知識(shí)庫的內(nèi)容便于更新?？刂埔?guī)則集（CRS）是對(duì)被控過程模式和經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)。用于規(guī)則條數(shù)不多，搜索空間很小，推理機(jī)構(gòu)（I

12、E）就十分簡(jiǎn)單，采用向前推理方法逐次判別各種規(guī)則的條件，滿足則執(zhí)行，否則繼續(xù)搜索。特征識(shí)別與信息處理（FR＆ZP）部分的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的提取和加工，為控制和學(xué)習(xí)適應(yīng)提供依據(jù)。它主要包括提取動(dòng)態(tài)過程的特征信息，識(shí)別系統(tǒng)的特征狀態(tài)，并對(duì)特征信息作必要的加工。EC的輸入集為E＝（R，e，Y，U）為特征信息輸出集，K為經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫，，SG為規(guī)則修改命令，I為推理機(jī)構(gòu)輸出集，U為EC的輸出集。其中EC的模型如上節(jié)所示。智能算子為幾個(gè)算子的復(fù)合運(yùn)算

13、：f＝g＊h＊p其中：g：E－S；h：S＊K－I；p：I－Ug、h、p均為智能算子，其形式為：IFATHENB其中：A為前提或條件；B為結(jié)論。A與B之間的關(guān)系還可以包括解析表達(dá)式、Fuzzy表達(dá)式、因果關(guān)系和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則等多種形式，還可以是一個(gè)子規(guī)則集。4.3學(xué)習(xí)控制(1)遺傳算法學(xué)習(xí)控制智能控制是通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制因此控制技術(shù)離不開優(yōu)化技術(shù)?？焖佟⒏咝?、全局化的優(yōu)化算法是實(shí)現(xiàn)智能控制的重要手段。遺傳算法是模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的一