XK6125數(shù)控銑床總體及橫向進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

XK6125數(shù)控銑床總體及橫向進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計,XK6125數(shù)控銑床總體及橫向進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計,xk6125,數(shù)控,銑床,總體,整體,橫向,進(jìn)給,傳動,機(jī)構(gòu),設(shè)計 先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)在加工過程中的進(jìn)給率優(yōu)化 Firman Riidwan, Xun Xu 摘要：嚴(yán)格的質(zhì)量要求和嚴(yán)格的客戶需求是更普遍的，是適應(yīng)性強(qiáng)的和可互操作的新一代機(jī)床控制器 的發(fā)展背后的主要推力。一些國際標(biāo)準(zhǔn)，如 STEP 和 STEP-NC 的發(fā)展，為智能數(shù)控加工提出了一個原 景。本文提出了 STEP-NC 的功能的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（MCM）的實施。該系統(tǒng)允許在加工過程中的優(yōu)化， 以縮短加工時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在系統(tǒng)中，optiSTEP NC，AECopt 的控制器和基于知識的評估模塊 （KBE）已經(jīng)制定出來的 optiSTEP-NC 系統(tǒng)的目的是執(zhí)行最初的進(jìn)給速率優(yōu)化基于 STEP-NC 的數(shù)據(jù)， 以協(xié)助工藝人員在分配適當(dāng)?shù)募庸?shù)。 AECopt 作為打算提供自適應(yīng)和自動優(yōu)化工序加工過程中的 策劃者和加工環(huán)境之間的連接。KBE MTConnect 負(fù)責(zé)獲得加工在。優(yōu)化之前進(jìn)行加工操作過程中或之 后，收集數(shù)據(jù)和監(jiān)測如機(jī)械振動，加速度和加加速度，切割功率和進(jìn)給速率。 關(guān)鍵詞：數(shù)控（CNC），STEP-NC 的進(jìn)給率優(yōu)化，監(jiān)測 1 介紹 多年來，計算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC）已經(jīng)開發(fā)到加工高精密產(chǎn)品的能力。支持?jǐn)?shù)控發(fā)展的技術(shù)之一 是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（MCM）。在這樣做時，機(jī)床通過傳感元件，信號調(diào)節(jié)器件，信號處理算法和信號解 釋的監(jiān)督。數(shù)控機(jī)床的實時監(jiān)控，各種智能功能，如自適應(yīng)控制，重新生成優(yōu)化的數(shù)據(jù)集和先進(jìn)的優(yōu) 化模型已經(jīng)開發(fā)和實施。以這種方式，不同的加工過程中的異?？梢栽谠缙陔A段檢測到，保證了更安 全的加工環(huán)境。 動用 MCM 機(jī)床在加工過程中減少了需要人為干預(yù)和允許的機(jī)床的自動監(jiān)督。然而，挑戰(zhàn)依然存在， 在應(yīng)對頻繁的設(shè)計修改，市場需求的產(chǎn)品如質(zhì)量和更短的時間更嚴(yán)格。此外，加工一直以客戶為中心， 而不是制造商驅(qū)動。要在加工過程中的對質(zhì)量控制，最好的加工參數(shù)監(jiān)視和控制，使機(jī)床的行為分析 在適當(dāng)時間采取適當(dāng)行動。正在進(jìn)行的進(jìn)程的監(jiān)測和控制主要關(guān)注的是記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此，機(jī)床 的特點(diǎn)是反饋的實時反應(yīng)。例如，在加工領(lǐng)域，保持最佳的加工參數(shù)，以避免過度主軸加載過度，這 需要適當(dāng)?shù)慕M合和持續(xù)機(jī)床的性能。了解這些特點(diǎn)，要求精確的實證模型和系統(tǒng)控制機(jī)床之間的一個 權(quán)衡。 為了應(yīng)對這個問題，MCM 可以自動監(jiān)測技術(shù)集成與決策程序。其目的是產(chǎn)生自我調(diào)節(jié)的智能系 統(tǒng)，能夠適應(yīng)千變?nèi)f化的加工環(huán)境。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前也有授權(quán) CNC 用更先進(jìn)的功能， 如適應(yīng)性，敏捷性，可重構(gòu)性和互操作性的要求和新的前景。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，有多個障礙。首先， 盡管技術(shù)成就偉大，但當(dāng)代數(shù)控程序仍在執(zhí)行基于一組連續(xù)的 NC 編程語言，又稱 G 代碼。這些代碼 很少，如果有的話，至少超過 50 年前。代碼的最初設(shè)計是進(jìn)行低級別的數(shù)據(jù)集，大多是一步一步的指 示，以推動機(jī)床最早的模型。 G 代碼雖然過時，但仍然被廣泛使用，只能容納一個子集的信息，這已 經(jīng)成為一個障礙，不能實現(xiàn)一個完整的，智能化和優(yōu)化的加工環(huán)境。舉例來說，雖然各項工作一直致 力于提高優(yōu)化模型，一系列的功能不能被利用并納入代碼。 其次，只有有限的控制程序的允許在加工過程中執(zhí)行，使得它難以改變車間的方案。最后一分鐘 的變化是不允許的。加工操作主要由預(yù)定的 NC 代碼，并在大多數(shù)情況下，機(jī)床不能夠改變?nèi)魏吻? 削條件和加工操作時的加工順序。此外，因為它只支持單向信息流從設(shè)計到制造，到生產(chǎn)過程中的任 何急劇的改變不能很容易地保存和直接反饋給設(shè)計師。 最后，G 代碼中的信息流是單向的設(shè)計，即從 CAD 到車間，并且不會啟用反饋，。其結(jié)果是，這 種傳統(tǒng)方式 NC 編程被認(rèn)為是實現(xiàn)一個智能的加工環(huán)境的瓶頸。 2 STEP-NC 的啟用 MCM 框架 G 代碼剝奪急需的信息，如工件的特點(diǎn)，工具屬性和優(yōu)化切削參數(shù)，往往是由經(jīng)驗豐富的運(yùn)營商 提供的加工工藝。開發(fā)的 STEP-NC 的啟用 MCM 系統(tǒng)包括（一）離線優(yōu)化模塊，（二）數(shù)據(jù)模型支持 流程的優(yōu)化，（三）過程監(jiān)測和控制的功能要求。下面對這些功能的要求進(jìn)行了說明： （a）離線優(yōu)化的最佳加工參數(shù)的初步測定。 （b）開始，分配適當(dāng)?shù)娜魏螜C(jī)加工操作的加工參數(shù)是必要的?？捎糜谀M最佳的加工參數(shù)的工具， 以確定最佳的加工參數(shù)。 （c）數(shù)據(jù)模型，支持流程的優(yōu)化。 （d）智能加工需要一個全面的數(shù)據(jù)支持自適應(yīng)控制和監(jiān)測過程中的加工以及優(yōu)化加工操作的監(jiān)督 自治模式。在這方面，STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展，以滿足用于數(shù)據(jù)建模的優(yōu)化。 (e)連續(xù)加工過程的監(jiān)控和優(yōu)化。 加工過程涉及刀具工件議案，加工參數(shù)和機(jī)床功能之間復(fù)雜的相互作用。連續(xù)監(jiān)測這些活動的一 種重要方法是跟蹤加工中出現(xiàn)的任何異常。處理后的數(shù)據(jù)可以被饋送到用于自適應(yīng)控制算法。 3 開發(fā)的系統(tǒng) 已開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)，是支持一個智能的，可互操作的，知識性和創(chuàng)新的制造平臺。在加工領(lǐng)域， 它被廣泛地視為過載的主軸，切削力過大，刀具磨損等方面的限制可能導(dǎo)致的重大問題，如刀具破損， 產(chǎn)品質(zhì)量惡化，甚至更糟糕的機(jī)器故障。因此，連續(xù)監(jiān)測機(jī)器的行為，實時優(yōu)化和系統(tǒng)保留的加工知 識進(jìn)行了整合，從而引發(fā)全面的架構(gòu)稱為 STEP-NC 的啟用 MCM 框架（如圖 3-1）。 如圖 3-1 STEP-NC 使 MCM 系統(tǒng)架構(gòu) 該系統(tǒng)支持三個層次的信息流：高層次的數(shù)據(jù)，工藝規(guī)劃，用于控制機(jī)器的動作和知識數(shù)據(jù)評估， 1 為后續(xù)加工操作的機(jī)器控制數(shù)據(jù)。這些信息流發(fā)生在三個獨(dú)立的子系統(tǒng)：optiSTEP-NC 子系統(tǒng)，AECopt 控制器和以知識為基礎(chǔ)的評估子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)是在下面的章節(jié)中討論。 3.1 opttiSTEP-NC optiSTEP-NC 以執(zhí)行初始的進(jìn)給率優(yōu)化為目的，協(xié)助工藝人員，生產(chǎn) NC 零件程序，分配適當(dāng)?shù)? 加工參數(shù)。它是于兩個標(biāo)準(zhǔn)，最小加工時間和最佳的表面質(zhì)量。有四個參與開發(fā) optiSTEP-NC 的任務(wù)。 3.1.1 流程規(guī)劃 工藝規(guī)劃的目的是豐富加工功能，AP-224 與必要的語言信息，形成由 ISO14649 中定義的實體代 表。這種實體是那些含有額外的加工參數(shù)的通用信息，切削刀具和工作計劃。此外，可以使用附加信 息，如材料性質(zhì)和表面狀況的要求，以支持所需的最終部分?？捎玫男畔⒃诖烁袷较聦⒈３制渫ㄓ眯裕? 直到此刻 CAM 系統(tǒng)時，填充的過程中計劃與本地制造業(yè)信息化，以產(chǎn)生一個特定的或本地進(jìn)程計劃。 3.1.2 的離線優(yōu)化器發(fā)展 優(yōu)化模塊是負(fù)責(zé)優(yōu)化加工參數(shù)，模擬特定的加工功能，這是有關(guān)的信息的基礎(chǔ)上在此模塊中的機(jī) 床能力等，獲得切削力切削功率計算尤其是進(jìn)給速率是獲得適當(dāng)?shù)那邢鬟M(jìn)給速率，主軸轉(zhuǎn)速和切削深 度等參數(shù)。此模塊也可以使用從 KBE 切削力信息來計算加工參數(shù)。 時效性的（TC）和品質(zhì)的關(guān)鍵（QC）的優(yōu)化算法已被開發(fā)，對應(yīng)于最小加工時間和最佳的表面 質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，分別。 TC 加工業(yè)務(wù)往往是粗加工的目的，從而增加材料去除率是主要制約因素切削功 率的主要目標(biāo)之一。另一方面，QC 加工操作通常用于精加工表面質(zhì)量的目的是主要關(guān)注的問題。 在開發(fā)的優(yōu)化算法，利用模糊邏輯處理不精確的數(shù)據(jù)。輸出實現(xiàn)是關(guān)鍵時間或質(zhì)量的關(guān)鍵目標(biāo)是 優(yōu)化加工參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果的列在一個圖形用戶界面。該模擬器開發(fā)使用 LabWindows / CVI 的虛擬儀器 （C）軟件根據(jù)國家儀器（圖 3-2）。為了驗證系統(tǒng)的性能和算法，在測試情況下進(jìn)行顯示加工參數(shù)的 行為。為了模擬在實際的情況下，切削力波動，目標(biāo)范圍內(nèi)的隨機(jī)噪聲添加到理論的切削力也已開發(fā) 的表面粗糙度的預(yù)測模型。很顯然，從實際加工的切斷力獲得的值也可以被使用作為輸入到仿真器。 這可以通過在加工過程中切削力的實際值，以驗證。參數(shù)方程納入發(fā)展 optiSTEP-NC。 圖 3-2 optiSTEP-NC 模擬器 該接口具有四個窗格和繪圖區(qū)。輸入的數(shù)據(jù)窗格中包含的信息，如不同類型的銑削操作，工件和 刀具材料的屬性，機(jī)械效率和芯片負(fù)載。用戶有選項來設(shè)置這些數(shù)據(jù)所需的值。為了計算信息，如允 許在切割深度的基礎(chǔ)上對加工能力和主機(jī)的電源功率和切割力預(yù)先設(shè)定。機(jī)床數(shù)據(jù)窗格中顯示有關(guān)機(jī) 2 床的功能，比如機(jī)床的電機(jī)功率和最大切削深度的信息。該窗格還提供了兩個開關(guān)，開/關(guān)和 TC/ QC。 例如 TC 屬性“窗格中顯示預(yù)測功耗，切削力預(yù)測，目前的每齒進(jìn)給，進(jìn)給速率和材料去除率。它還包 括功率限制的警告，指示安全限制和超出限度的功耗。 圖 3-2 所示的進(jìn)給速率，切削力和材料去除率，這是通過計算輸入的機(jī)械效率，不同類型的銑削 過程中，刀具材料，工件材料，刀具幾何形狀，每齒的最大進(jìn)給深度切割機(jī)動力都不同。根據(jù)切削力 變化，從計算的結(jié)果給出了一個優(yōu)化的進(jìn)給速率。例如，如果計算出的切削功率大于機(jī)器的電源，進(jìn) 料將計算出的切削功率降低，直到達(dá)到允許值，即，小于機(jī)器的電源。這樣做，可避免過大的切削力。 3.1.3 發(fā)展翻譯 該解釋器（在圖 3-3 中所示）將 STEP-NC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工命令。 STEP-NC 數(shù)據(jù)定義的部件 10， 11 和 111 的 ISO14649，以及新開發(fā)的優(yōu)化數(shù)據(jù)模型。這種新開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為 STEP-NC 的數(shù)據(jù)和實 際加工的優(yōu)化過程之間的接口。以前的解釋是能夠翻譯基本銑削功能。因此，額外的功能是需要處理 的機(jī)器執(zhí)行的優(yōu)化數(shù)據(jù)。 圖 3-3 ISO14649 解釋 該解釋主要有三個數(shù)據(jù)功能：輸入文件，工具的文件名和錯誤文件。一旦開始處理一個 STEP 文 件，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一組加工特性和工步在典型加工指令（CMC）的形式執(zhí)行。此 CMC 輸 出得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，允許在加工過程中進(jìn)行流程優(yōu)化。 3.1.4 刀具路徑執(zhí)行加工的解釋 CMC 碼的一組執(zhí)行由 CNC 控制器名為 AECopt 的。以這種方式，集成過程中的籌辦，優(yōu)化策略 和機(jī)床能力之間的鏈路。 3.2 AECoptt 機(jī)床控制器已重新設(shè)計，可支持流程優(yōu)化，持續(xù)監(jiān)測和控制。這項研究演示了如何利用 CMC 啟 用自適應(yīng)執(zhí)行 STEP-NC 的數(shù)據(jù)，這被稱為 AECopt。 AECopt 本質(zhì)上是一個開放和自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)， 提供了三個功能：（一）通過 MCM 了解機(jī)床的行為和能力，（二）優(yōu)化機(jī)器參數(shù)的自適應(yīng)控制（三） CMC 一部分的程序執(zhí)行，即模糊推理系統(tǒng)（FIS）的開發(fā)和集成 CMC 零件程序。圖 3-4 示出的進(jìn)給 速率的優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)流。一個最佳的進(jìn)給速率被定義為一個進(jìn)給速率的加工時間很短的一段不超 過銑床的額定最大功率，并不會導(dǎo)致多余的振動。通常情況下，每臺機(jī)器工具都有其自己的最大額定 功率。這可以被用來作為基準(zhǔn)設(shè)定的機(jī)床能力的限制?？紤]機(jī)床的額定功率，工作切削功率保持在低 于主電機(jī)功率，以保持加工操作過程中的安全區(qū)。以這種方式，如主軸過載，過多的切削力，顫振， 刀具磨損，產(chǎn)品質(zhì)量的惡化，并連機(jī)刀具破損的問題是可以避免的。 3 圖 3-4 基于模糊邏輯的進(jìn)給速率優(yōu)化算法 為獲得最佳的進(jìn)給速率，參考切削功率（NREF）被設(shè)置為一個值的正下方的最大功率（Nmax 時）， 考慮參考切削功率的電源，可能過沖。優(yōu)化過程的簡要說明如下，使用圖中的相應(yīng)編號 4。在粗加工 過程開始于一個最大切削深度。開始進(jìn)給率是從先前計算的數(shù)據(jù)得到。該值被分配至 SET_FEED_RATE 的命令。其目的是實現(xiàn)縮短加工時間。在加工過程中，刀具可能需要直線或圓弧插補(bǔ)。這是使用 STRAIGHT_FEED，ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的命令來實現(xiàn)。切削力傳感器檢測的基礎(chǔ)上計算 切削功率的切削力。使用電機(jī)功率為參照，切削功率誤差（ENC）和切削功率變化（CNC）。在數(shù)學(xué) 上，這兩個錯誤表示為： EN c(i) = N cref ? N cn (i) （3-1） CN (i) = N cn (i) ? N cn (i ?1) （3-2） opt 1/ 2 這兩個錯誤作為模糊控制的輸入。模糊推理系統(tǒng)由一個基本的輸入模糊化，模糊推理引擎，模糊 規(guī)則庫，隸屬函數(shù)和模糊化?？刂菩盘柺沁M(jìn)給速率。模糊規(guī)則是用于優(yōu)化分配給軸致動器⑤的進(jìn)給速 率。對于粗加工操作，進(jìn)給率優(yōu)化表達(dá)式（3-3）和（3-4）。 f s1 = Maxf z ( f ≥ 8rRa ) ,amax x(t ) （3-3） t opt si = M int m ( f opt si 4 , amax , dsi ) （3-4） 1/ 2 在精加工操作的情況下，進(jìn)給速率優(yōu)化式表示（3-5）。在這種情況下，系統(tǒng)切換到正常的 CMC。 fs 2 = Minfz ( f ≤ (8rt Ra ) , amin ) （3-5） 實現(xiàn)此算法是為每一個工具沿 X，Y 和 Z 軸的移動。本程序適用于機(jī)器的所有功能包含進(jìn)給命令， 如 ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的。這樣的結(jié)果與優(yōu)化的進(jìn)給速率變化的平穩(wěn)過渡，這是不可能的 基于 G 代碼執(zhí)行刀具運(yùn)動。結(jié)束操作中，進(jìn)給速率進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到所要求的表面質(zhì)量。 該程序利用數(shù)據(jù)采集卡的電壓的輸入和輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成的值是由計算機(jī)可解釋的，反之亦 然。美國國家儀器公司計算機(jī)（ PXI-1031）作為它的機(jī)載數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，可用的軟件開發(fā)的 LabWindows / CVI9.0 編程環(huán)境，如。 LabWindows / CVI 的數(shù)據(jù)采集庫，其中包含閱讀和發(fā)送信號的 功能。機(jī)床采用的是 2010 年 Sherline 數(shù)控銑床。示于圖 3-5 的 AECopt 控制器系統(tǒng)的接口。 圖 3-5 AECopt 控制器 GUI 該接口提供了兩種類型的控件：手動（自動）控制。手動功能提供 X，Y，Z 軸進(jìn)給倍率，速度 倍率為順時針（CW）和逆時針（CCW）旋轉(zhuǎn)?？刂乒δ芴峁┴?fù)載，運(yùn)行和線路的運(yùn)行選項。 LOAD 選項加載一個 CMC 的程序已經(jīng)從 STEP-NC 的文件解釋。 “運(yùn)行”選項，執(zhí)行系統(tǒng)的文件，命令行顯 示。最后，線路運(yùn)行提供了一個選項，用于顯示由用戶選擇的特定命令的 CMC 的輸出。利用視覺顯 示一組由兩個控制功能。 START/ STOP 按鈕是用來執(zhí)行 optiCMCs 和系統(tǒng)分別為。 START（開始）“選 項也可以用來開始獲取由切削力的數(shù)據(jù)，這是用來作為 optiCMC 輸入。在同一時間，一個加速度傳感 5 器的信號被收購為脫機(jī)數(shù)據(jù)分析。 3.3 以知識為基礎(chǔ)的評價 提供基于機(jī)器狀況的優(yōu)化和更新的參數(shù)，效率和生產(chǎn)力的加工性能是關(guān)鍵。實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法 之一是賦予整個產(chǎn)品開發(fā)過程控制器與智能知識。這是通過知識評價系統(tǒng)，車間更新的數(shù)據(jù)信息記錄 和評估。可以做到通過直接記錄或網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議，如 MTConnect 記錄。在加工過程中直接錄制的方 法是一個簡單的數(shù)據(jù)節(jié)電方法。網(wǎng)絡(luò)記錄需要一個開放的架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在記錄過程中，可包括如 實際的進(jìn)給速率，加速度，加加速度，加工時間，實際的切割力和振動，然后再評估，以確保不超過 允許的切削功率的機(jī)床的加工參數(shù)。此信息被用于更新 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中的 最后一個動作就是以知識為基礎(chǔ)的評估記錄實際的進(jìn)給速率。 然后，所記錄的信息，以對更新的機(jī)器狀態(tài)與最新特性 STEP 文件進(jìn)行評估。因此，加工參數(shù)的 調(diào)整，可以在稍后的時間進(jìn)行。 3.3.1 MTConneect MTConnect STEP-NC 的集 成使一 個可 互操作 的方 法在不 同的 地點(diǎn)訪 問和 處理加 工數(shù) 據(jù)。 MTConnect 是一個開放的協(xié)議和基于 XML 的標(biāo)準(zhǔn)更高水平的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，它可以作為一個推 動者。它的體系結(jié)構(gòu)可以很容易地部署和加裝到現(xiàn)有的機(jī)器，因此各種類型的加工環(huán)境中提供靈活性 和便攜性的功能。 MTConnect 有四個組成部分：設(shè)備，適配器，代理和客戶端。他們共同作為骨干通信標(biāo)準(zhǔn)。該裝 置被稱為是負(fù)責(zé)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的組件，如控制器，傳感器和機(jī)床。這些數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的 適配器。適配器是負(fù)責(zé)通信和流媒體的代理。設(shè)備的應(yīng)用程序編程接口（API）與該適配器將溝通作 為數(shù)據(jù)采集過程。代理，然后接受數(shù)據(jù)請求從客戶端應(yīng)用程序，然后返回 XML 格式的數(shù)據(jù)。然后， 客戶端可以從文檔中提取數(shù)據(jù)，并顯示給用戶。這些數(shù)據(jù)可用于更有意義的輸出，通過機(jī)床的當(dāng)前狀 態(tài)的評估。 3.3.2 數(shù)據(jù)采集和分析 由于 STEP-NC 提供了豐富的數(shù)據(jù)建模方法用于描述加工數(shù)據(jù)，相比與傳統(tǒng)的 NC 代碼結(jié)構(gòu)，因此 可以被保存加工知道如何根據(jù) STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)的整個產(chǎn)品開發(fā)周期。 STEP-NC 是一個高層次的數(shù) 據(jù)模型和它的執(zhí)行也需要更具體的加工數(shù)據(jù)。 KBE 系統(tǒng)負(fù)責(zé)三項任務(wù)：數(shù)據(jù)記錄，可視化和評估。首先，數(shù)據(jù)流式傳輸，通過 MTConnect 被 記錄在一個數(shù)據(jù)庫中，可以在不同的地點(diǎn)訪問。動態(tài)記錄的加工參數(shù)，包括實際進(jìn)給速度，加速度， 挺舉，切削功率和最大振幅。其次，該系統(tǒng)提供了一個用戶界面，用于可視化的目的。該接口由一個 樹形視圖，表和圖形表示所收購的動態(tài)加工參數(shù)。在圖 3-6 所示的用戶界面的快照。第三，加工參數(shù) 進(jìn)行評估，其目的獲得另一組隨后的機(jī)械加工操作的最佳參數(shù)。這些措施包括： （a）實際切削功率值來計算最佳的進(jìn)給速率， （b）加速度和加加速度值進(jìn)行評估，以獲得平滑的運(yùn)動， （c）分析得出通過觀察振動信號短時傅立葉變換（STFT），在切割過程中，以避免過多的數(shù)落。 6 圖 3-6 KBE 系統(tǒng)的接口 所有這些評價參數(shù)，幫助提供適當(dāng)?shù)陌踩庸げ僮鞯倪M(jìn)給速率。這些進(jìn)給速率，然后分配更新 STEP-NC 的數(shù)據(jù)存儲在 STEP-NC 文件。以這種方式，可以利用的知識，在執(zhí)行卓越的加工操作。 3.3.3 數(shù)據(jù)評估 數(shù)據(jù)流通過連續(xù)記錄到一個數(shù)據(jù)庫 MTConnect。所記錄的數(shù)據(jù)的一部分示于表 1。在表中可以看 出，對于每一個時間增加，可以觀察到的機(jī)器行為的變化。清晰可見的是逐步改變進(jìn)給速率為每一個 時間增量。這些進(jìn)給速率的動態(tài)行為，可取得進(jìn)一步分化加速性能。在加工過程中，機(jī)械元件的振動 的激發(fā)可能導(dǎo)致過度增加加速度，這可能會導(dǎo)致加速刀具的磨損，提高加工噪聲和大的輪廓加工誤差。 因此，急動度可以作為一個指標(biāo)為光滑的加工操作標(biāo)準(zhǔn)。 表 1 中 記錄數(shù)據(jù)通過 MTConnect 7 T 時間（s）。CP-切割功率（千瓦）、FR-進(jìn)給率（毫米/分鐘）、A-的加速度（mm/sec2）、J-急動度 （mm/sec3）MVA 最大振動幅度（1000-1）。 從時域的數(shù)據(jù)需要被記錄，另外，由于大量的時域數(shù)據(jù)（在 10,000 Hz 的采樣速率），時域振動信 號處理使用 STFT 技術(shù)的。圖 3-7 是從所記錄的數(shù)據(jù)的一部分的時間間隔 8 秒的短時傅立葉變換得到 的視圖的一個例子。短時傅立葉變換，可以執(zhí)行頻率的變化隨時間的持續(xù)時間。從這種變化中，可以 發(fā)現(xiàn)，任何重大的喋喋不休，這將決定在那個時候進(jìn)給速率值。例如，大量發(fā)生的在喋喋不休頻率為 185.5 赫茲振幅在 3.8 s。所記錄的數(shù)據(jù)表明，該控制器產(chǎn)生的進(jìn)料速率為 127 毫米/分鐘，約 3.8 s 的加 工。其結(jié)果是，進(jìn)給速率為 127mm/分鐘，可確認(rèn)為過速的機(jī)床工作臺的移動。應(yīng)避免在后續(xù)加工操 作更新的 STEP 文件。這種實時的進(jìn)給速率值可以控制，使其不超過允許的顫振頻率的振幅的值，通 過設(shè)置在調(diào)諧系統(tǒng)中的進(jìn)給速率的上限。因此，改進(jìn)的進(jìn)給速率可以被分配到控制器。 圖 3-7 STFT 代表性的振動分析 4 結(jié)論 使用 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合并為各種應(yīng)用提供了一個有前途的平臺。它 帶來了設(shè)計數(shù)據(jù)，如幾何尺寸，公差和材料到加工操作過程的控制和監(jiān)測，成為一個強(qiáng)大的控制機(jī)制。 出于這樣做的好處，新開發(fā)的架構(gòu)優(yōu)化的目的是擴(kuò)充現(xiàn)有的 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型。為一體的綜合環(huán) 境中，高層次的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測行使優(yōu)化加工流程是必要的。開發(fā)的 Express 數(shù)據(jù)模型提供了必要的數(shù) 據(jù)進(jìn)行加工優(yōu)化。 STEP-NC 的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成。第一個子系統(tǒng)， optiSTEP-NC，是負(fù)責(zé)早期階 段優(yōu)化。目的是為了協(xié)助過程規(guī)劃者產(chǎn)生最佳的加工參數(shù)為 STEP-NC 的文件。這是兩種不同的情況： （一）最大限度地提高進(jìn)給率和切削深度的關(guān)鍵加工（例如，粗加工工序）及（二）最大化的加工質(zhì) 量，質(zhì)量的關(guān)鍵加工操作（例如，精加工業(yè)務(wù)）。模擬器已經(jīng)開發(fā)的最優(yōu)化算法，實時的過程控制和監(jiān) 測算法來驗證。 8 第二子系統(tǒng)：一種自適應(yīng)的進(jìn)給速率優(yōu)化（AECopt）控制器 CMC 程序執(zhí)行第 2 副系統(tǒng)的框架。 控制器允許一個模糊的進(jìn)給率優(yōu)化模塊規(guī)范的機(jī)器要執(zhí)行的命令?？棺h的 NC 程序執(zhí)行的主要特點(diǎn)是 機(jī)床工具的能力范圍內(nèi)保持恒定的負(fù)載能力進(jìn)行自適應(yīng)進(jìn)給率優(yōu)化。此外，還可以幫助優(yōu)化算法減少 喋喋不休幅度。因此，過多的顫振的發(fā)生是可以避免的。這保證了一個更健康的加工操作環(huán)境。實驗 結(jié)果通過建議的進(jìn)給速率優(yōu)化模塊的有效性。 第三子系統(tǒng)（被稱為以知識為基礎(chǔ)的評價體系）的開發(fā)。內(nèi)容準(zhǔn)確詳實，更新加工訣竅是用于實 現(xiàn)自動化和智能化加工操作。通過有效地監(jiān)測和記錄加工過程中的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的 STEP-NC 和 MT Connect 訣竅可以應(yīng)用在任何時間點(diǎn)，一個完整的加工利用。 KBE 系統(tǒng)展示了寶貴的加工訣竅有助于 確定最佳的進(jìn)給速率，以便可避免顫振的發(fā)作。該系統(tǒng)還可以記錄的加工參數(shù)，如切割功率，加速度， 加加速度和最大振動振幅的努力，以獲得最佳的機(jī)械加工性能，進(jìn)一步評估這些數(shù)據(jù)?？傮w而言，需 要機(jī)械師 NC 代碼來操作和調(diào)整的最小化。工程師制定有效的流程計劃所花費(fèi)的時間減少，最終的決 策由高層經(jīng)理甚至可以遠(yuǎn)程決策。 參考文獻(xiàn) [1] Elbestawi MA, Dumitrescu M, E-G 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International Journal of Machine Tools and Manufacture 2007;47:1941–1955 10 先 進(jìn) 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 在 加 工 過 程 中 的 進(jìn) 給 率 優(yōu) 化FirmanRidwan,XunXu摘 要：嚴(yán)格的質(zhì)量要求和嚴(yán)格的客戶需求是更普遍的，是適應(yīng)性強(qiáng)的和可互操作的新一代機(jī)床控制器 的發(fā)展背后的主要推力。一些國際標(biāo)準(zhǔn)，如STEP和STEP-NC的發(fā)展，為智能數(shù)控加工提出了一個原景。本文提出了STEP-NC的功能的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（MC）的實施。該系統(tǒng)允許在加工過程中的優(yōu)化，以縮短加工時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在系統(tǒng)中，optiSTEPN，AECopt的控制器和基于知識的評估模塊（KBE）已經(jīng)制定出來的optiSTEP-NC系統(tǒng)的目的是執(zhí)行最初的進(jìn)給速率優(yōu)化基于STEP-NC的數(shù)據(jù)，以協(xié)助工藝人員在分配適當(dāng)?shù)募庸?shù)。AECopt作為打算提供自適應(yīng)和自動優(yōu)化工序加工過程中的 策劃者和加工環(huán)境之間的連接。KBEMTConect負(fù)責(zé)獲得加工在。優(yōu)化之前進(jìn)行加工操作過程中或之后，收集數(shù)據(jù)和監(jiān)測如機(jī)械振動，加速度和加加速度，切割功率和進(jìn)給速率。關(guān) 鍵 詞 ：數(shù)控（CN），STEP-NC的進(jìn)給率優(yōu)化，監(jiān)測1介 紹 多年來，計算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CN）已經(jīng)開發(fā)到加工高精密產(chǎn)品的能力。支持?jǐn)?shù)控發(fā)展的技術(shù)之一是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控（MC）。在這樣做時，機(jī)床通過傳感元件，信號調(diào)節(jié)器件，信號處理算法和信號解釋的監(jiān)督。數(shù)控機(jī)床的實時監(jiān)控，各種智能功能，如自適應(yīng)控制，重新生成優(yōu)化的數(shù)據(jù)集和先進(jìn)的優(yōu)化模型已經(jīng)開發(fā)和實施。以這種方式，不同的加工過程中的異常可以在早期階段檢測到，保證了更安全的加工環(huán)境。 動用MC機(jī)床在加工過程中減少了需要人為干預(yù)和允許的機(jī)床的自動監(jiān)督。然而，挑戰(zhàn)依然存在，在應(yīng)對頻繁的設(shè)計修改，市場需求的產(chǎn)品如質(zhì)量和更短的時間更嚴(yán)格。此外，加工一直以客戶為中心，而不是制造商驅(qū)動。要在加工過程中的對質(zhì)量控制，最好的加工參數(shù)監(jiān)視和控制，使機(jī)床的行為分析在適當(dāng)時間采取適當(dāng)行動。正在進(jìn)行的進(jìn)程的監(jiān)測和控制主要關(guān)注的是記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此，機(jī)床的特點(diǎn)是反饋的實時反應(yīng)。例如，在加工領(lǐng)域，保持最佳的加工參數(shù)，以避免過度主軸加載過度，這 需要適當(dāng)?shù)慕M合和持續(xù)機(jī)床的性能。了解這些特點(diǎn)，要求精確的實證模型和系統(tǒng)控制機(jī)床之間的一個權(quán)衡。為了應(yīng)對這個問題，MC可以自動監(jiān)測技術(shù)集成與決策程序。其目的是產(chǎn)生自我調(diào)節(jié)的智能系統(tǒng)，能夠適應(yīng)千變?nèi)f化的加工環(huán)境。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前也有授權(quán)CN用更先進(jìn)的功能，如適應(yīng)性，敏捷性，可重構(gòu)性和互操作性的要求和新的前景。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，有多個障礙。首先， 盡管技術(shù)成就偉大，但當(dāng)代數(shù)控程序仍在執(zhí)行基于一組連續(xù)的NC編程語言，又稱G代碼。這些代碼很少，如果有的話，至少超過50年前。代碼的最初設(shè)計是進(jìn)行低級別的數(shù)據(jù)集，大多是一步一步的指示，以推動機(jī)床最早的模型。G代碼雖然過時，但仍然被廣泛使用，只能容納一個子集的信息，這已經(jīng)成為一個障礙，不能實現(xiàn)一個完整的，智能化和優(yōu)化的加工環(huán)境。舉例來說，雖然各項工作一直致力于提高優(yōu)化模型，一系列的功能不能被利用并納入代碼。 其次，只有有限的控制程序的允許在加工過程中執(zhí)行，使得它難以改變車間的方案。最后一分鐘的變化是不允許的。加工操作主要由預(yù)定的NC代碼，并在大多數(shù)情況下，機(jī)床不能夠改變?nèi)魏吻?1 削條件和加工操作時的加工順序。此外，因為它只支持單向信息流從設(shè)計到制造，到生產(chǎn)過程中的任何急劇的改變不能很容易地保存和直接反饋給設(shè)計師。最后，G代碼中的信息流是單向的設(shè)計，即從CAD到車間，并且不會啟用反饋，。其結(jié)果是，這種傳統(tǒng)方式NC編程被認(rèn)為是實現(xiàn)一個智能的加工環(huán)境的瓶頸。2STEP-NC的 啟 用 的 啟 用 的 啟 用 的 啟 用 MC框 架 框 架 框 架 框 架 G代碼剝奪急需的信息，如工件的特點(diǎn)，工具屬性和優(yōu)化切削參數(shù)，往往是由經(jīng)驗豐富的運(yùn)營商提供的加工工藝。開發(fā)的STEP-NC的啟用MC系統(tǒng)包括（一）離線優(yōu)化模塊，（二）數(shù)據(jù)模型支持流程的優(yōu)化，（三）過程監(jiān)測和控制的功能要求。下面對這些功能的要求進(jìn)行了說明：（a）離線優(yōu)化的最佳加工參數(shù)的初步測定。（b）開始，分配適當(dāng)?shù)娜魏螜C(jī)加工操作的加工參數(shù)是必要的?？捎糜谀M最佳的加工參數(shù)的工具， 以確定最佳的加工參數(shù)。（c）數(shù)據(jù)模型，支持流程的優(yōu)化。（d）智能加工需要一個全面的數(shù)據(jù)支持自適應(yīng)控制和監(jiān)測過程中的加工以及優(yōu)化加工操作的監(jiān)督自治模式。在這方面，STEP-NC的數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展，以滿足用于數(shù)據(jù)建模的優(yōu)化。(e)連續(xù)加工過程的監(jiān)控和優(yōu)化。 加工過程涉及刀具工件議案，加工參數(shù)和機(jī)床功能之間復(fù)雜的相互作用。連續(xù)監(jiān)測這些活動的一種重要方法是跟蹤加工中出現(xiàn)的任何異常。處理后的數(shù)據(jù)可以被饋送到用于自適應(yīng)控制算法。3開 發(fā) 的 系 統(tǒng) 已開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)，是支持一個智能的，可互操作的，知識性和創(chuàng)新的制造平臺。在加工領(lǐng)域，它被廣泛地視為過載的主軸，切削力過大，刀具磨損等方面的限制可能導(dǎo)致的重大問題，如刀具破損，產(chǎn)品質(zhì)量惡化，甚至更糟糕的機(jī)器故障。因此，連續(xù)監(jiān)測機(jī)器的行為，實時優(yōu)化和系統(tǒng)保留的加工知識進(jìn)行了整合，從而引發(fā)全面的架構(gòu)稱為STEP-NC的啟用MC框架（如圖3-1）。 如圖3-1STEP-NC使MC系統(tǒng)架構(gòu)該系統(tǒng)支持三個層次的信息流：高層次的數(shù)據(jù)，工藝規(guī)劃，用于控制機(jī)器的動作和知識數(shù)據(jù)評估， 2 為后續(xù)加工操作的機(jī)器控制數(shù)據(jù)。這些信息流發(fā)生在三個獨(dú)立的子系統(tǒng)：optiSTEP-NC子系統(tǒng)，AECopt控制器和以知識為基礎(chǔ)的評估子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)是在下面的章節(jié)中討論。3.1optiSTEP-NCoptiSTEP-NC以執(zhí)行初始的進(jìn)給率優(yōu)化為目的，協(xié)助工藝人員，生產(chǎn)NC零件程序，分配適當(dāng)?shù)?加工參數(shù)。它是于兩個標(biāo)準(zhǔn)，最小加工時間和最佳的表面質(zhì)量。有四個參與開發(fā)optiSTEP-NC的任務(wù)。3.1流 程 規(guī) 劃工藝規(guī)劃的目的是豐富加工功能，AP-24與必要的語言信息，形成由ISO1469中定義的實體代表。這種實體是那些含有額外的加工參數(shù)的通用信息，切削刀具和工作計劃。此外，可以使用附加信息，如材料性質(zhì)和表面狀況的要求，以支持所需的最終部分?？捎玫男畔⒃诖烁袷较聦⒈３制渫ㄓ眯?， 直到此刻CAM系統(tǒng)時，填充的過程中計劃與本地制造業(yè)信息化，以產(chǎn)生一個特定的或本地進(jìn)程計劃。3.12的 離 線 優(yōu) 化 器 發(fā) 展優(yōu)化模塊是負(fù)責(zé)優(yōu)化加工參數(shù)，模擬特定的加工功能，這是有關(guān)的信息的基礎(chǔ)上在此模塊中的機(jī)床能力等，獲得切削力切削功率計算尤其是進(jìn)給速率是獲得適當(dāng)?shù)那邢鬟M(jìn)給速率，主軸轉(zhuǎn)速和切削深度等參數(shù)。此模塊也可以使用從KBE切削力信息來計算加工參數(shù)。 時效性的（TC）和品質(zhì)的關(guān)鍵（QC）的優(yōu)化算法已被開發(fā)，對應(yīng)于最小加工時間和最佳的表面質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，分別。TC加工業(yè)務(wù)往往是粗加工的目的，從而增加材料去除率是主要制約因素切削功率的主要目標(biāo)之一。另一方面，QC加工操作通常用于精加工表面質(zhì)量的目的是主要關(guān)注的問題。在開發(fā)的優(yōu)化算法，利用模糊邏輯處理不精確的數(shù)據(jù)。輸出實現(xiàn)是關(guān)鍵時間或質(zhì)量的關(guān)鍵目標(biāo)是優(yōu)化加工參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果的列在一個圖形用戶界面。該模擬器開發(fā)使用LabWindows/CVI的虛擬儀器 （C）軟件根據(jù)國家儀器（圖3-2）。為了驗證系統(tǒng)的性能和算法，在測試情況下進(jìn)行顯示加工參數(shù)的行為。為了模擬在實際的情況下，切削力波動，目標(biāo)范圍內(nèi)的隨機(jī)噪聲添加到理論的切削力也已開發(fā)的表面粗糙度的預(yù)測模型。很顯然，從實際加工的切斷力獲得的值也可以被使用作為輸入到仿真器。這可以通過在加工過程中切削力的實際值，以驗證。參數(shù)方程納入發(fā)展optiSTEP-NC。 圖3-2optiSTEP-NC模擬器該接口具有四個窗格和繪圖區(qū)。輸入的數(shù)據(jù)窗格中包含的信息，如不同類型的銑削操作，工件和刀具材料的屬性，機(jī)械效率和芯片負(fù)載。用戶有選項來設(shè)置這些數(shù)據(jù)所需的值。為了計算信息，如允許在切割深度的基礎(chǔ)上對加工能力和主機(jī)的電源功率和切割力預(yù)先設(shè)定。機(jī)床數(shù)據(jù)窗格中顯示有關(guān)機(jī) 3 床的功能，比如機(jī)床的電機(jī)功率和最大切削深度的信息。該窗格還提供了兩個開關(guān)，開/關(guān)和TC/QC。例如TC屬性“窗格中顯示預(yù)測功耗，切削力預(yù)測，目前的每齒進(jìn)給，進(jìn)給速率和材料去除率。它還包括功率限制的警告，指示安全限制和超出限度的功耗。圖3-2所示的進(jìn)給速率，切削力和材料去除率，這是通過計算輸入的機(jī)械效率，不同類型的銑削過程中，刀具材料，工件材料，刀具幾何形狀，每齒的最大進(jìn)給深度切割機(jī)動力都不同。根據(jù)切削力 變化，從計算的結(jié)果給出了一個優(yōu)化的進(jìn)給速率。例如，如果計算出的切削功率大于機(jī)器的電源，進(jìn)料將計算出的切削功率降低，直到達(dá)到允許值，即，小于機(jī)器的電源。這樣做，可避免過大的切削力。3.13發(fā) 展 翻 譯該解釋器（在圖3-中所示）將STEP-NC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工命令。STEP-NC數(shù)據(jù)定義的部件10，1和1的ISO1469，以及新開發(fā)的優(yōu)化數(shù)據(jù)模型。這種新開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為STEP-NC的數(shù)據(jù)和實 際加工的優(yōu)化過程之間的接口。以前的解釋是能夠翻譯基本銑削功能。因此，額外的功能是需要處理的機(jī)器執(zhí)行的優(yōu)化數(shù)據(jù)。 圖3-ISO1469解釋該解釋主要有三個數(shù)據(jù)功能：輸入文件，工具的文件名和錯誤文件。一旦開始處理一個STEP文件，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一組加工特性和工步在典型加工指令（CM）的形式執(zhí)行。此CM輸出得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，允許在加工過程中進(jìn)行流程優(yōu)化。3.14刀 具 路 徑 執(zhí) 行 加 工 的 解 釋 CM碼的一組執(zhí)行由CN控制器名為AECopt的。以這種方式，集成過程中的籌辦，優(yōu)化策略和機(jī)床能力之間的鏈路。3.2AECopt機(jī)床控制器已重新設(shè)計，可支持流程優(yōu)化，持續(xù)監(jiān)測和控制。這項研究演示了如何利用CM啟 用自適應(yīng)執(zhí)行STEP-NC的數(shù)據(jù)，這被稱為AECopt。AECopt本質(zhì)上是一個開放和自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)，提供了三個功能：（一）通過MC了解機(jī)床的行為和能力，（二）優(yōu)化機(jī)器參數(shù)的自適應(yīng)控制（三）CM一部分的程序執(zhí)行，即模糊推理系統(tǒng)（FIS）的開發(fā)和集成CM零件程序。圖3-4示出的進(jìn)給速率的優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)流。一個最佳的進(jìn)給速率被定義為一個進(jìn)給速率的加工時間很短的一段不超過銑床的額定最大功率，并不會導(dǎo)致多余的振動。通常情況下，每臺機(jī)器工具都有其自己的最大額定 功率。這可以被用來作為基準(zhǔn)設(shè)定的機(jī)床能力的限制?？紤]機(jī)床的額定功率，工作切削功率保持在低于主電機(jī)功率，以保持加工操作過程中的安全區(qū)。以這種方式，如主軸過載，過多的切削力，顫振，刀具磨損，產(chǎn)品質(zhì)量的惡化，并連機(jī)刀具破損的問題是可以避免的。 4 圖3-4基于模糊邏輯的進(jìn)給速率優(yōu)化算法為獲得最佳的進(jìn)給速率，參考切削功率（NREF）被設(shè)置為一個值的正下方的最大功率（Nm ax時），考慮參考切削功率的電源，可能過沖。優(yōu)化過程的簡要說明如下，使用圖中的相應(yīng)編號4。在粗加工過程開始于一個最大切削深度。開始進(jìn)給率是從先前計算的數(shù)據(jù)得到。該值被分配至SET_FED_RATE的命令。其目的是實現(xiàn)縮短加工時間。在加工過程中，刀具可能需要直線或圓弧插補(bǔ)。這是使用 STRAIGHT_FED，ARC_FED和ELIPSE_FED的命令來實現(xiàn)。切削力傳感器檢測的基礎(chǔ)上計算切削功率的切削力。使用電機(jī)功率為參照，切削功率誤差（ENC）和切削功率變化（CN）。在數(shù)學(xué)上，這兩個錯誤表示為：() ()iNNiEN cncrefc =（3-1）() () ()1= iNiNiCN cncn（3-2）這兩個錯誤作為模糊控制的輸入。模糊推理系統(tǒng)由一個基本的輸入模糊化，模糊推理引擎，模糊規(guī)則庫，隸屬函數(shù)和模糊化?？刂菩盘柺沁M(jìn)給速率。模糊規(guī)則是用于優(yōu)化分配給軸致動器的進(jìn)給速 率。對于粗加工操作，進(jìn)給率優(yōu)化表達(dá)式（3-）和（3-4）。()txarRfMaxff azopts m x2/11 ,)8(=（3-）( ) sioptsimoptsi dafMt ,intm x=（3-4） 5 在精加工操作的情況下，進(jìn)給速率優(yōu)化式表示（3-5）。在這種情況下，系統(tǒng)切換到正常的CM。()( )m in2/12 ,8n aRrffMif atzopts =（3-5）實現(xiàn)此算法是為每一個工具沿X，Y和Z軸的移動。本程序適用于機(jī)器的所有功能包含進(jìn)給命令，如ARC_FED和ELIPSE_FED的。這樣的結(jié)果與優(yōu)化的進(jìn)給速率變化的平穩(wěn)過渡，這是不可能的 基于G代碼執(zhí)行刀具運(yùn)動。結(jié)束操作中，進(jìn)給速率進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到所要求的表面質(zhì)量。該程序利用數(shù)據(jù)采集卡的電壓的輸入和輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成的值是由計算機(jī)可解釋的，反之亦然。美國國家儀器公司計算機(jī)（PXI-1031）作為它的機(jī)載數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，可用的軟件開發(fā)的LabWindows/CVI9.0編程環(huán)境，如。LabWindows/CVI的數(shù)據(jù)采集庫，其中包含閱讀和發(fā)送信號的功能。機(jī)床采用的是201年Sherline數(shù)控銑床。示于圖3-5的AECopt控制器系統(tǒng)的接口。 圖3-5AECopt控制器GUI該接口提供了兩種類型的控件：手動（自動）控制。手動功能提供X，Y，Z軸進(jìn)給倍率，速度倍率為順時針（CW）和逆時針（CW）旋轉(zhuǎn)。控制功能提供負(fù)載，運(yùn)行和線路的運(yùn)行選項。LOAD選項加載一個M的程序已經(jīng)從STEP-NC的文件解釋?！斑\(yùn)行”選項，執(zhí)行系統(tǒng)的文件，命令行顯示。最后，線路運(yùn)行提供了一個選項，用于顯示由用戶選擇的特定命令的CM的輸出。利用視覺顯 示一組由兩個控制功能。START/SOP按鈕是用來執(zhí)行optiCMs和系統(tǒng)分別為。START（開始）“選項也可以用來開始獲取由切削力的數(shù)據(jù)，這是用來作為opti輸入。在同一時間，一個加速度傳感 6 器的信號被收購為脫機(jī)數(shù)據(jù)分析。3.以 知 識 為 基 礎(chǔ) 的 評 價提供基于機(jī)器狀況的優(yōu)化和更新的參數(shù)，效率和生產(chǎn)力的加工性能是關(guān)鍵。實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是賦予整個產(chǎn)品開發(fā)過程控制器與智能知識。這是通過知識評價系統(tǒng)，車間更新的數(shù)據(jù)信息記錄 和評估?？梢宰龅酵ㄟ^直接記錄或網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議，如MTConect記錄。在加工過程中直接錄制的方法是一個簡單的數(shù)據(jù)節(jié)電方法。網(wǎng)絡(luò)記錄需要一個開放的架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在記錄過程中，可包括如實際的進(jìn)給速率，加速度，加加速度，加工時間，實際的切割力和振動，然后再評估，以確保不超過允許的切削功率的機(jī)床的加工參數(shù)。此信息被用于更新STEP-NC的數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中的最后一個動作就是以知識為基礎(chǔ)的評估記錄實際的進(jìn)給速率。 然后，所記錄的信息，以對更新的機(jī)器狀態(tài)與最新特性STEP文件進(jìn)行評估。因此，加工參數(shù)的調(diào)整，可以在稍后的時間進(jìn)行。3.1MTConectonectSTEP-NC的集成使一個可互操作的方法在不同的地點(diǎn)訪問和處理加工數(shù)據(jù)。MTConect是一個開放的協(xié)議和基于XML的標(biāo)準(zhǔn)更高水平的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，它可以作為一個推 動者。它的體系結(jié)構(gòu)可以很容易地部署和加裝到現(xiàn)有的機(jī)器，因此各種類型的加工環(huán)境中提供靈活性和便攜性的功能。MTConect有四個組成部分：設(shè)備，適配器，代理和客戶端。他們共同作為骨干通信標(biāo)準(zhǔn)。該裝置被稱為是負(fù)責(zé)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的組件，如控制器，傳感器和機(jī)床。這些數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的適配器。適配器是負(fù)責(zé)通信和流媒體的代理。設(shè)備的應(yīng)用程序編程接口（API）與該適配器將溝通作 為數(shù)據(jù)采集過程。代理，然后接受數(shù)據(jù)請求從客戶端應(yīng)用程序，然后返回XML格式的數(shù)據(jù)。然后，客戶端可以從文檔中提取數(shù)據(jù)，并顯示給用戶。這些數(shù)據(jù)可用于更有意義的輸出，通過機(jī)床的當(dāng)前狀態(tài)的評估。3.2數(shù) 據(jù) 采 集 和 分 析由于STEP-NC提供了豐富的數(shù)據(jù)建模方法用于描述加工數(shù)據(jù)，相比與傳統(tǒng)的NC代碼結(jié)構(gòu)，因此 可以被保存加工知道如何根據(jù)STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)的整個產(chǎn)品開發(fā)周期。STEP-是一個高層次的數(shù)據(jù)模型和它的執(zhí)行也需要更具體的加工數(shù)據(jù)。KBE系統(tǒng)負(fù)責(zé)三項任務(wù)：數(shù)據(jù)記錄，可視化和評估。首先，數(shù)據(jù)流式傳輸，通過MTConect被記錄在一個數(shù)據(jù)庫中，可以在不同的地點(diǎn)訪問。動態(tài)記錄的加工參數(shù)，包括實際進(jìn)給速度，加速度，挺舉，切削功率和最大振幅。其次，該系統(tǒng)提供了一個用戶界面，用于可視化的目的。該接口由一個 樹形視圖，表和圖形表示所收購的動態(tài)加工參數(shù)。在圖3-6所示的用戶界面的快照。第三，加工參數(shù)進(jìn)行評估，其目的獲得另一組隨后的機(jī)械加工操作的最佳參數(shù)。這些措施包括：（a）實際切削功率值來計算最佳的進(jìn)給速率，（b）加速度和加加速度值進(jìn)行評估，以獲得平滑的運(yùn)動，（c）分析得出通過觀察振動信號短時傅立葉變換（STF），在切割過程中，以避免過多的數(shù)落。 7 圖3-6KBE系統(tǒng)的接口所有這些評價參數(shù)，幫助提供適當(dāng)?shù)陌踩庸げ僮鞯倪M(jìn)給速率。這些進(jìn)給速率，然后分配更新STEP-NC的數(shù)據(jù)存儲在STEP-NC文件。以這種方式，可以利用的知識，在執(zhí)行卓越的加工操作。3.3數(shù) 據(jù) 評 估數(shù)據(jù)流通過連續(xù)記錄到一個數(shù)據(jù)庫MTConect。所記錄的數(shù)據(jù)的一部分示于表1。在表中可以看 出，對于每一個時間增加，可以觀察到的機(jī)器行為的變化。清晰可見的是逐步改變進(jìn)給速率為每一個時間增量。這些進(jìn)給速率的動態(tài)行為，可取得進(jìn)一步分化加速性能。在加工過程中，機(jī)械元件的振動的激發(fā)可能導(dǎo)致過度增加加速度，這可能會導(dǎo)致加速刀具的磨損，提高加工噪聲和大的輪廓加工誤差。因此，急動度可以作為一個指標(biāo)為光滑的加工操作標(biāo)準(zhǔn)。表1中記錄數(shù)據(jù)通過MTConect 8 T時間（s）。CP-切割功率（千瓦）、FR-進(jìn)給率（毫米/分鐘）、A-的加速度（m m /sec2）、J-急動度（m m /sec3）MVA最大振動幅度（10-1）。從時域的數(shù)據(jù)需要被記錄，另外，由于大量的時域數(shù)據(jù)（在10,0Hz的采樣速率），時域振動信號處理使用STF技術(shù)的。圖3-7是從所記錄的數(shù)據(jù)的一部分的時間間隔8秒的短時傅立葉變換得到的視圖的一個例子。短時傅立葉變換，可以執(zhí)行頻率的變化隨時間的持續(xù)時間。從這種變化中，可以 發(fā)現(xiàn)，任何重大的喋喋不休，這將決定在那個時候進(jìn)給速率值。例如，大量發(fā)生的在喋喋不休頻率為185.赫茲振幅在3.8s。所記錄的數(shù)據(jù)表明，該控制器產(chǎn)生的進(jìn)料速率為127毫米/分鐘，約3.8s的加工。其結(jié)果是，進(jìn)給速率為127m m /分鐘，可確認(rèn)為過速的機(jī)床工作臺的移動。應(yīng)避免在后續(xù)加工操作更新的STEP文件。這種實時的進(jìn)給速率值可以控制，使其不超過允許的顫振頻率的振幅的值，通過設(shè)置在調(diào)諧系統(tǒng)中的進(jìn)給速率的上限。因此，改進(jìn)的進(jìn)給速率可以被分配到控制器。 圖3-7STF代表性的振動分析4結(jié) 論使用STEP-NC的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合并為各種應(yīng)用提供了一個有前途的平臺。它 帶來了設(shè)計數(shù)據(jù)，如幾何尺寸，公差和材料到加工操作過程的控制和監(jiān)測，成為一個強(qiáng)大的控制機(jī)制。出于這樣做的好處，新開發(fā)的架構(gòu)優(yōu)化的目的是擴(kuò)充現(xiàn)有的STEP-NC的數(shù)據(jù)模型。為一體的綜合環(huán)境中，高層次的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測行使優(yōu)化加工流程是必要的。開發(fā)的Expres數(shù)據(jù)模型提供了必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工優(yōu)化。STEP-NC的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成。第一個子系統(tǒng)，optiSTEP-NC，是負(fù)責(zé)早期階 段優(yōu)化。目的是為了協(xié)助過程規(guī)劃者產(chǎn)生最佳的加工參數(shù)為STEP-NC的文件。這是兩種不同的情況：（一）最大限度地提高進(jìn)給率和切削深度的關(guān)鍵加工（例如，粗加工工序）及（二）最大化的加工質(zhì)量，質(zhì)量的關(guān)鍵加工操作（例如，精加工業(yè)務(wù)）。模擬器已經(jīng)開發(fā)的最優(yōu)化算法，實時的過程控制和監(jiān)測算法來驗證。 9 第二子系統(tǒng)：一種自適應(yīng)的進(jìn)給速率優(yōu)化（AECopt）控制器CM程序執(zhí)行第2副系統(tǒng)的框架?？刂破髟试S一個模糊的進(jìn)給率優(yōu)化模塊規(guī)范的機(jī)器要執(zhí)行的命令?？棺h的NC程序執(zhí)行的主要特點(diǎn)是機(jī)床工具的能力范圍內(nèi)保持恒定的負(fù)載能力進(jìn)行自適應(yīng)進(jìn)給率優(yōu)化。此外，還可以幫助優(yōu)化算法減少喋喋不休幅度。因此，過多的顫振的發(fā)生是可以避免的。這保證了一個更健康的加工操作環(huán)境。實驗結(jié)果通過建議的進(jìn)給速率優(yōu)化模塊的有效性。 第三子系統(tǒng)（被稱為以知識為基礎(chǔ)的評價體系）的開發(fā)。內(nèi)容準(zhǔn)確詳實，更新加工訣竅是用于實現(xiàn)自動化和智能化加工操作。通過有效地監(jiān)測和記錄加工過程中的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境的STEP-NC和MTConect訣竅可以應(yīng)用在任何時間點(diǎn)，一個完整的加工利用。KBE系統(tǒng)展示了寶貴的加工訣竅有助于確定最佳的進(jìn)給速率，以便可避免顫振的發(fā)作。該系統(tǒng)還可以記錄的加工參數(shù)，如切割功率，加速度，加加速度和最大振動振幅的努力，以獲得最佳的機(jī)械加工性能，進(jìn)一步評估這些數(shù)據(jù)?？傮w而言，需 要機(jī)械師NC代碼來操作和調(diào)整的最小化。工程師制定有效的流程計劃所花費(fèi)的時間減少，最終的決策由高層經(jīng)理甚至可以遠(yuǎn)程決策。參 考 文 獻(xiàn) 1ElbestawiMA,Dum itrescuM,E-GN.Tolconditonm itoringinm aching,in:SpringerSerisinAdvancedanufacturingWang,Lihui;ao,Robertx(eds.)1stediton.,Hardcoverisbn:978-184628-68-3(206)582.2ZhaoF,HabeS,Xu.Resarchintointegratedesignadm 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