廖小平，甘文智，黃 兵，魯 娟

（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

隨著中國加入WTO，全球化的進程迅速加快，在國際市場上，中國制造的各種產(chǎn)品在國際上受到了來自其它國家的挑戰(zhàn)。尤其是在高端制造領(lǐng)域，由于核心的制造技術(shù)掌握在少數(shù)國外企業(yè)手中，國產(chǎn)的數(shù)控機床難以突破技術(shù)壁壘，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量不高，缺乏商業(yè)競爭力。因此在先進機床加工技術(shù)領(lǐng)域，還有很多的工作需要我們來完成。加工過程中保持產(chǎn)品質(zhì)量是其中一項重要的工作，由于產(chǎn)品的質(zhì)量變化對加工參數(shù)的改變十分敏感，構(gòu)建產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)，對加工過程進行控制，對于產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及生產(chǎn)成本的控制就具有十分重要的意義。

計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展給機床技術(shù)帶了新的技術(shù)變革，使得數(shù)控技術(shù)得以朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。在產(chǎn)品的加工過程中，可以利用各種傳感器來監(jiān)測加工過程中產(chǎn)生的各種信號，例如主軸轉(zhuǎn)速、機床主軸震動、刀具加工切削力、聲發(fā)射信號、加工溫度等?；谶@些數(shù)據(jù)，通過智能算法動態(tài)地調(diào)整加工參數(shù)，使產(chǎn)品的加工質(zhì)量處于最佳狀態(tài)。要實現(xiàn)這一目的，建立一個高質(zhì)量的控制系統(tǒng)就顯得十分必要。

UML建模語言是一種常見的軟件建模語言[1]，它定義良好、易于表達，可以對大部分具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的系統(tǒng)進行建模，在分析和設(shè)計方法描述上相對于其他方法具有一些突出的優(yōu)勢[2]，因而適用于系統(tǒng)開發(fā)過程中的不同階段。它所包含有的9種圖：類圖、對象圖、用例圖、順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖、活動圖、成分圖以及展開圖可以從多個方面對系統(tǒng)進行描述，使得軟件開發(fā)過程更加易于實施[3]。

2 智能控制方法及流程分析

分析產(chǎn)品加工過程控制的具體流程及控制方法是實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制的必要途徑。本章將探索一種加工參數(shù)智能控制流程。對產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控，通過智能算法對質(zhì)量數(shù)據(jù)的變化趨勢做出預(yù)測。當(dāng)質(zhì)量即將偏離合格范圍時，決策需要采取的措施，若需要調(diào)整加工參數(shù)，則利用傳感器采集到的加工信號數(shù)據(jù)，采用合適的智能算法對刀具實時磨損值進行間接預(yù)測，然后以預(yù)測的磨損值為依據(jù)，采用合適的智能算法動態(tài)的對加工參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整；若需要換刀，則進行換刀，重新開始加工過程，以此達到保持產(chǎn)品質(zhì)量的目的。具體過程如圖1所示。

圖1 加工參數(shù)智能控制流程圖Fig.1 Processing Parameter Intelligent Control Flow Chart

2.1 采集加工信號

隨著加工的進行，機床加工的條件也會不斷的變化，例如：機床性能、工藝參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)等。想要直接獲得這些變化的參數(shù)比較困難，通常采用傳感器實時的測量、采集切削過程中的各種信號，通過加工信號從側(cè)面來反應(yīng)加工條件的改變[4]。常用的信號包括：切削力信號、震動信號以及聲發(fā)射信號[5]。在MATLAB中可以利用相關(guān)函數(shù)從電腦串口中讀取利用傳感器和采集卡采集到的各種切削信號數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中只采集三個坐標(biāo)方向（X、Y、Z）切削力數(shù)據(jù)，將其作為后續(xù)方法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 刀具磨損預(yù)測

在加工過程中，刀具的結(jié)構(gòu)及參數(shù)會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生最直接的影響，因此監(jiān)控刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變可以為優(yōu)化加工參數(shù)提供可靠依據(jù)。刀具的磨損量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響最為顯著，國際上通常將后刀面1∕2切深處的磨損量作為后刀面的磨損值[6]。利用歷史切削力信號數(shù)據(jù)與相應(yīng)的刀具后刀面磨損值，通過混合灰狼優(yōu)化算法（HGWO）建立兩者之間的關(guān)系模型，從而利用實時采集的切削力信號獲得刀具的實時磨損量。

2.3 參數(shù)優(yōu)化控制

本課題組采用的是立式銑削加工實驗，所以加工參數(shù)主要有四個：切削速度（Vc）、進給量（f）、背吃刀量（ap）和切削寬度（ae）。切削要素與加工質(zhì)量之間關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的建模方法存在一定的局限性，往往難以反映他們之間精確的相關(guān)關(guān)系[7]。而智能算法給我們提供了另一種更合適的方法，采用粒子群優(yōu)化算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合應(yīng)用，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立切削參數(shù)和刀具磨損量與加工質(zhì)量之間的關(guān)系模型，將該模型作為粒子群優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)來對加工參數(shù)進行優(yōu)化，最后根據(jù)刀具磨損的程度就可以實時的對加工參數(shù)進行調(diào)整。

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控

在產(chǎn)品的加工過程中，需要對產(chǎn)品的各項質(zhì)量指標(biāo)進行監(jiān)控，從而對應(yīng)該采取的措施和采取措施的時機做出判斷。除了參數(shù)調(diào)整，當(dāng)?shù)毒吣p嚴重后還需要進行換刀操作。判斷刀具磨損量是通過第二節(jié)中的刀具磨損值預(yù)測來實現(xiàn)，當(dāng)預(yù)測值大于閾值時，進行換刀操作；另一種判斷方式是兩次參數(shù)優(yōu)化的間隔是否小于閾值，當(dāng)參數(shù)的優(yōu)化進行的過于頻繁，此時也應(yīng)該進行換刀。

3 系統(tǒng)建模

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模

按照系統(tǒng)的構(gòu)建需求，將系統(tǒng)框架設(shè)計為三個層次[8]：用戶層、系統(tǒng)功能層以及數(shù)據(jù)資源層，具體框架，如圖2所示。用戶層主要為不同的使用者提供相對應(yīng)的操作界面，這樣可以對不同用戶所能訪問的功能以及數(shù)據(jù)庫進行化分；系統(tǒng)功能層實現(xiàn)了不同的功能需求，不同功能之間相互獨立，方便后續(xù)改進、完善；數(shù)據(jù)資源層中針對不同的系統(tǒng)功能需求，建立不同的數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供必要的數(shù)據(jù)支持。

圖2 加工參數(shù)智能控制系統(tǒng)框架Fig.2 Processing Parameter Intelligent Control System Framework

3.2 參與者分析

在系統(tǒng)的使用過程中，主要考慮三類參與者：工程師、監(jiān)控人員和操作人員。工程師主要負責(zé)完善系統(tǒng)中的模塊化程序，包括刀具磨損預(yù)測模型函數(shù)、加工質(zhì)量預(yù)測函數(shù)、加工參數(shù)優(yōu)化模型和產(chǎn)品質(zhì)量評價函數(shù)；監(jiān)控人員主要負責(zé)管理加工過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，包括加工信號、刀具磨損數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對信號的變化做出反應(yīng)，判斷應(yīng)該采取的措施；最后還有操作人員，他們負責(zé)采集、反饋產(chǎn)生的各種信號和數(shù)據(jù)，并執(zhí)行監(jiān)控人員做出的行動決策。

3.3 系統(tǒng)用例建模

UML建模語言中的用例圖從用戶的角度對系統(tǒng)功能進行分析[9]。系統(tǒng)用例圖，如圖3所示，本系統(tǒng)主要分為四個模塊：

圖3 系統(tǒng)用例圖Fig.3 System Use Case Diagram

（1）加工信號管理：該模塊的功能主要對信號進行采集和查看。信號查看功能需要對不同的數(shù)據(jù)進行個性化的可視化。

（2）刀具磨損管理：該模塊的主要功能是建立刀具磨損值預(yù)測模型和預(yù)測刀具實時的磨損值。

（3）加工參數(shù)管理：該模塊主要用來建立產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測模型并對加工參數(shù)進行智能優(yōu)化，最終輸出優(yōu)化后的加工四要素。

（4）產(chǎn)品質(zhì)量管理：該模塊主要實現(xiàn)對產(chǎn)品加工質(zhì)量的記錄與修改，監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的變化，將刀具的行為痕跡可視化。

3.4 系統(tǒng)動態(tài)建模

動態(tài)建模的主要任務(wù)是在用例建模的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)中各種行為發(fā)生的時序狀態(tài)和交互關(guān)系，對系統(tǒng)行為進行動態(tài)描述，從系統(tǒng)的角度反映系統(tǒng)內(nèi)部對象之間的動態(tài)關(guān)系[10]。

3.4.1 加工信號管理模塊

加工信號是軟件系統(tǒng)中的基礎(chǔ)模塊，為系統(tǒng)的正常運行提供了必要的數(shù)據(jù)采集和查看功能，為最終的加工過程控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。該模塊的順序圖，如圖4所示。

圖4 加工信號管理模塊順序圖Fig.4 Processing Signal Management Module Sequence Diagram

3.4.2 刀具磨損管理模塊

刀具的磨損對加工質(zhì)量有著十分重要的影響，因此它是對加工過程進行智能控制的重要依據(jù)，如何對其數(shù)值進行分析、管理就顯得十分重要。該模塊的順序圖，如圖5所示。

圖5 刀具磨損管理模塊順序圖Fig.5 Tool Wear Management Module Sequence Diagram

3.4.3 加工參數(shù)優(yōu)化模塊

該模塊是系統(tǒng)中最核心的部分，當(dāng)加工環(huán)境變化之后，需要通過參數(shù)優(yōu)化模塊來對加工參數(shù)進行優(yōu)化，使得加工產(chǎn)品的質(zhì)量得以保持。該模塊的順序圖，如圖6所示。

圖6 加工參數(shù)優(yōu)化模塊順序圖Fig.6 Processing Parameter Optimization Module Sequence Diagram

3.4.4 產(chǎn)品質(zhì)量管理模塊

該模塊主要用來顯示產(chǎn)品加工的動態(tài)過程，對產(chǎn)品加工中的質(zhì)量指標(biāo)進行監(jiān)控，反應(yīng)產(chǎn)品的加工狀態(tài)。該模塊的順序圖，如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品質(zhì)量管理模塊順序圖Fig.7 Product Quality Management Module Sequence Diagram

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

由于MATLAB中的GUI的模塊對每一個圖形對象都有詳細的預(yù)設(shè)屬性，可以十分方便的按照需求定制；同時MATLAB環(huán)境下有豐富的庫，很多復(fù)雜的算法都可以直接調(diào)用已有庫函數(shù)實現(xiàn)，大大便利了我們的系統(tǒng)構(gòu)建工作，所以本系統(tǒng)在MATLAB／GUI的框架下進行構(gòu)建。

4.1 加工信號管理面板實現(xiàn)

“在線測量”區(qū)域功能是設(shè)置采集信號的參數(shù)，控制信號采集過程，對采集的信號進行相應(yīng)的處理，如圖8所示?！半x線數(shù)據(jù)”區(qū)域可以根據(jù)用戶輸入的不同信息，對已采集的信號進行查看和管理。相應(yīng)數(shù)據(jù)可以在坐標(biāo)軸上進行查看。通過選擇不同的信號通道，還可以對不同方向的切削力信號進行單獨的詳細查看。

圖8 加工信號管理面板Fig.8 Processing Signal Management Panel

4.2 刀具磨損管理面板實現(xiàn)

“刀具磨損預(yù)測模型”區(qū)域主要用來建立不同條件下的預(yù)測模型，如圖9所示。在“加工條件”中輸入相應(yīng)的參數(shù)，建立模型時就將該加工條件下的海量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，依據(jù)“算法選擇”中的建模方法建立最終模型。在模型建立好之后，會在提示框內(nèi)提示相關(guān)信息。“刀具磨損預(yù)測”區(qū)域主要利用采集到的信號，通過建立好的模型得到刀具磨損值的預(yù)測值。同時，計算過程中的信號特征值及分析數(shù)據(jù)也將顯示在左邊的圖表區(qū)域。

圖9 刀具磨損管理面板Fig.9 Tool Wear Management Panel

4.3 加工參數(shù)管理面板實現(xiàn)

右上角的“質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測模型”主要用來建立不同加工條件下的質(zhì)量預(yù)測模型，如圖10所示。在“加工條件”中輸入需要建立模型的加工條件，在“預(yù)測方法”中選擇較為合適的建模方法，單擊“生成模型”按鈕之后，程序會尋找相應(yīng)數(shù)據(jù)利用選擇的算法建立相對應(yīng)的模型，建模過程結(jié)束后會在下方的文本框中顯示相關(guān)信息。右下角的“參數(shù)優(yōu)化”模塊是系統(tǒng)中比較核心的一個功能，對于不同的加工條件，選用不同的優(yōu)化算法來對加工參數(shù)進行優(yōu)化。算法中將獲取左下角區(qū)域中設(shè)定好的初始模型參數(shù)，進行加工參數(shù)優(yōu)化過程。優(yōu)化后的結(jié)果將會顯示在右下角的四個對應(yīng)文本框中，而優(yōu)化過程中的種群最優(yōu)個體信息將會顯示在左上角的坐標(biāo)軸中。優(yōu)化結(jié)果和刀具狀態(tài)等數(shù)據(jù)會被保存到刀具行為痕跡表中，方便對加工過程的監(jiān)控，同時為之后的參數(shù)優(yōu)化提供參照。

圖10 加工參數(shù)管理面板Fig.10 Processing Parameter Management Panel

4.4 產(chǎn)品質(zhì)量管理面板實現(xiàn)

右下角的“質(zhì)量指標(biāo)”區(qū)域主要功能是創(chuàng)建產(chǎn)品的各項質(zhì)量指標(biāo)，并對已經(jīng)建立的指標(biāo)進行管理，如圖11所示。建立好質(zhì)量指標(biāo)后可以在下方文本框輸入相應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)。對已經(jīng)輸入的參數(shù)，可以通過單擊“查看∕修改數(shù)據(jù)”按鈕進行數(shù)據(jù)管理。選擇列表框中的一項質(zhì)量指標(biāo)，系統(tǒng)會將該質(zhì)量指標(biāo)中已有的數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)顯示在左下角的坐標(biāo)軸上，而且可對接下來的多個個質(zhì)量指標(biāo)值進行預(yù)測，判斷質(zhì)量的變化。左上角區(qū)域的坐標(biāo)軸用來顯示刀具行為痕跡，即刀具使用過程中每一次對參數(shù)進行優(yōu)化時的刀具狀態(tài)。其橫坐標(biāo)表示已加工零件數(shù)，縱坐標(biāo)表示刀具的磨損量，坐標(biāo)中每一個點表示一次加工參數(shù)的調(diào)整，點擊任意一個點，該點所代表的加工參數(shù)數(shù)值就會顯示在右邊的“行為痕跡”區(qū)域中。

圖11 產(chǎn)品質(zhì)量管理面板Fig.11 Product Quality Management Panel

5 結(jié)語

通過研究加工中產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，開發(fā)了一套加工參數(shù)智能控制系統(tǒng)，通過收集加工信號，判斷加工環(huán)境的變化，從而調(diào)整加工參數(shù)來對加工過程進行干預(yù)，最終實現(xiàn)保持產(chǎn)品加工質(zhì)量的目的。主要完成了以下三個方面的工作：

（1）通過對加工過程的分析，了解了產(chǎn)品質(zhì)量控制的邏輯過程，將其按照順序分為四個部分：信號采集過程、刀具磨損預(yù)測過程，加工參數(shù)優(yōu)化過程以及產(chǎn)品質(zhì)量管理過程。

（2）基于UML建模語言對系統(tǒng)進行了整體的建模。通過用例圖對參與者與不同用例之間的交互關(guān)系進行了梳理；通過順序圖從系統(tǒng)的角度展示了智能控制流程，建立了系統(tǒng)運作的邏輯過程。

（3）利用MATLAB∕GUI對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。按照系統(tǒng)設(shè)計要求，將系統(tǒng)分為了信號管理模塊、磨損管理模塊，參數(shù)管理模塊以及質(zhì)量管理模塊。結(jié)果表明各項所需的系統(tǒng)功能都得到了實現(xiàn)。