付川川

摘 要：本文以監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求為出發(fā)點(diǎn)，提出基于CA的高速數(shù)控車床的動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行模塊劃分，針對(duì)系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理與識(shí)別決策兩個(gè)功能方面，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的預(yù)測(cè)方法。最后，利用本文所設(shè)計(jì)的高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)控車床的空轉(zhuǎn)及切削條件下動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證基于CA的高速數(shù)控車床的動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性能。

關(guān)鍵詞：高速數(shù)控車床；動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.035

0 前言

高速數(shù)控車床的動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)可以確保數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的工作質(zhì)量，人們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)加工情況進(jìn)行管理和分析，并通過(guò)體系的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)工作進(jìn)行一系列的決策工作，為零部件的生產(chǎn)制造工作提供了良好的保障?；诖?，本文利用動(dòng)態(tài)性能的變化規(guī)律構(gòu)建符合實(shí)際應(yīng)用的高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性監(jiān)控系統(tǒng)，并利用自主開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)CK6136S型號(hào)的高速數(shù)控車床進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，結(jié)合實(shí)際工況與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成數(shù)控監(jiān)控領(lǐng)域的研發(fā)工作。

1 高速數(shù)控車床的動(dòng)態(tài)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)作為生產(chǎn)制造過(guò)程中重要的決策手段，在檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段中，不單要在監(jiān)測(cè)與控制的視角下對(duì)監(jiān)控對(duì)象、監(jiān)控參數(shù)和決策算法等監(jiān)控問題進(jìn)行考慮，還要對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多具備的多元化功能進(jìn)行考慮，如監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理、提取、大數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)應(yīng)用。同時(shí)也不能夠忽視軟件與硬件方面的設(shè)計(jì)，如接口、通信以及友好型界面設(shè)計(jì)等問題。由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中所考慮的問題過(guò)多，且并不在同一個(gè)層面上，若想將其結(jié)合在一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)必然會(huì)擾亂設(shè)計(jì)思路，并且也可能無(wú)法在具體應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)?；谝陨纤紤]的設(shè)計(jì)因素，筆者認(rèn)為對(duì)于基于CA模型演化規(guī)律，可以滿足高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要涉及三個(gè)方面：

第一，監(jiān)測(cè)位置及參數(shù)的確定。針對(duì)這個(gè)問題，主要解決方法是將高速數(shù)控車床的主軸的CA模型及其模型仿真規(guī)律應(yīng)用于監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)的確定過(guò)程當(dāng)中，并結(jié)合車床自身的加工特點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行確定；

第二，特征信號(hào)的捕捉和處理。即利用硬件與軟件相結(jié)合的方式，保證收集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)具有一定的可靠性和實(shí)時(shí)性，從而獲得監(jiān)測(cè)特征參數(shù)；

第三，監(jiān)控決策的輸出。結(jié)合此前獲取的特征信號(hào)參數(shù)以及數(shù)控機(jī)床在工況下的工藝參數(shù)，利用“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”輸出監(jiān)控結(jié)果，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，找出影響敏感點(diǎn)振動(dòng)的主要因素，從而完成健康系統(tǒng)決策的輸出。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控決策方案的設(shè)計(jì)思想是：以工藝參數(shù)、振動(dòng)特征量及與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為樣本，對(duì)“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行監(jiān)測(cè)訓(xùn)練，使“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”具有預(yù)測(cè)能力；然后在沒有共振效應(yīng)的前提下，對(duì)高效數(shù)控機(jī)床和“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行加工參數(shù)的設(shè)置，依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”預(yù)測(cè)之間的差異性進(jìn)行判斷和決策。根據(jù)相關(guān)研究表明，“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中存在的誤差一般都會(huì)低于20% ，符合監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本要求，因此其預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息與之進(jìn)行對(duì)比，可以確定高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能狀態(tài)是否屬于正常的工作狀態(tài)，若不是，則立即響起警報(bào)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員的對(duì)工作過(guò)程中的監(jiān)控管理工作，幫助人們完成對(duì)整個(gè)零部件生產(chǎn)再制造的決策工作。

3 基于CA模型動(dòng)態(tài)性能敏感點(diǎn)的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 空轉(zhuǎn)工況下的數(shù)控車床主軸系統(tǒng)敏感點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

經(jīng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，在空轉(zhuǎn)的情況下，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)700 r/min時(shí)，其質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不會(huì)發(fā)生重合，與針對(duì)于加速度的監(jiān)測(cè)信號(hào)顯示的結(jié)果非常接近，因此可以判斷在該轉(zhuǎn)速下，基于CA對(duì)監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)動(dòng)態(tài)性能確定表現(xiàn)非常薄弱，在實(shí)際加工過(guò)程中需要避免在這一轉(zhuǎn)速下進(jìn)行加工作業(yè)，進(jìn)而提高生產(chǎn)工作的質(zhì)量和效率。

3.2 在切削工況下的數(shù)控車床主軸系統(tǒng)敏感點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際過(guò)程中，采用CK6136S數(shù)控車床作為研究對(duì)象實(shí)施監(jiān)控，選用標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)格（直徑為70mm的45#圓鋼，主偏角為75°，材料為YT15 ）的外圓刀作為加工對(duì)象。分析基于CA對(duì)動(dòng)態(tài)性能薄弱點(diǎn)進(jìn)行確定，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)切削刀具轉(zhuǎn)速較低時(shí)，其出現(xiàn)的位移篇幅程度較大，而在空轉(zhuǎn)工況下的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果恰恰與之相反，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而恢復(fù)成為較大的數(shù)值。這種模仿“動(dòng)剛度定義”的監(jiān)測(cè)變化規(guī)律在高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)中具有一定的參考價(jià)值。

4 總結(jié)

綜上所示，本文以監(jiān)控系統(tǒng)功能需求為設(shè)計(jì)思想，對(duì)高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合CA模型與數(shù)字模型仿真的結(jié)果確定監(jiān)控對(duì)象。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)其數(shù)據(jù)收集與分析、預(yù)測(cè)與決策兩個(gè)功能模塊又展開了細(xì)致的研究，設(shè)計(jì)了以“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”為基礎(chǔ)的高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能的預(yù)測(cè)方法。在利用混合編程的方式完成了整個(gè)監(jiān)控體系的軟件編譯工作。最后，以CK6136S高速數(shù)控車床為研究對(duì)象，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在空轉(zhuǎn)及切削兩種工況下的加工性能展開監(jiān)測(cè)研究。研究結(jié)果表明：這種以CA為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)變化規(guī)律在高速數(shù)控車床動(dòng)態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)中具有一定的參考價(jià)值，值得開發(fā)人員進(jìn)行深入研究。

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