專利名稱：一種基于嵌入式平臺的數控銑削加工智能優化控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于數控加工控制技術領域，涉及的是一種數控加工智能控制技術，特別是數控銑削加工智能優化控制系統。
背景技術：
裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度，數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業(如信息技術及其產業、生物技術及其產業、航空、航天等國防工業產業)的使能技術和最基本的裝備。當今世界各國制造業廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力。進入九十年代，我國數控的年需求量已達到2萬臺以上，如何充分發揮設備效率，創造投資帶來的高回報是企業最為關注的問題。在企業的生產加工過程中，加工變量一般根據經驗以固定參數形式事先設定，數控程序在加工前以手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統進行編制，為避免或減少可能出現的異常，在實際加工時一般都選用較保守的切削工藝參數，在整個加工過程中CNC只是一個專用的開環執行機構，這大大制約了數控機床加工潛力和切削效率的提高。由于數控系統識別和處理切削過程中不可預知的、模糊和不確定性情況的能力較低，在復雜環境以及多變的條件下，加工過程中的工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、加工余量等加工參數，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整，更無法通過反饋控制環節隨機修正設定量。

發明內容
本發明提出一種適用于數控銑削加工過程優化的基于嵌入式平臺的智能控制，系統通過優化計算獲取自適應控制的目標值。應用模糊控制方法，自適應調節進給速率的倍率開關和一定范圍內的主軸轉速倍率開關，實現以主軸電機功率為約束目標的銑削加工過程自適應控制。通過對加工過程的在線按目標約束控制，來提高數控銑削加工效率，降低生產成本。
本發明是通過以下技術方案實現的，它主要包括兩個主要部分參數優化匹配系統和智能模糊控制器，這兩個部分通過RS232通訊口相連組成控制系統，其中，參數優化匹配系統由SQL-SERVER數據庫、優化引擎和人機交互界面組成；智能模糊控制器由AVR-MEGA128嵌入式CPU、地址鎖存器、8255A外圍接口擴展芯片組、數據存儲器(RAM)、功率采樣器件組、輸出調節的固態繼電器組、光電隔離M碼信號采集芯片組、RS232C通訊接口器件組等部分組成，其特征包括所述的參數優化匹配系統是一套運行在Windows 2000 professional操作系統上的軟件，該軟件以遺傳算法為優化引擎，通過調用SQL-SERVER數據庫中材料參數表、刀具參數表、切削速度計算參數表、切削力計算參數表，在優化計算平臺上輸入加工特征的相關數據(包括加工材料、軸向切削深度和徑向深度以及采用的刀具型號)，運用遺傳算法為優化引擎，進行優化計算，獲得對應加工特征優化的自適應目標功率值和NC程序采用的進給速率和主軸轉速推薦值。
所述的參數優化匹配系統給出的參數匹配知識包括自適應目標的功率偏差許可范圍值、主軸轉速度調節倍率許可范圍、調節主軸轉速倍率所需要的功率偏差EP值、FMIN值和主軸轉速倍率的調節知識，這些知識運用產生式規則可描述為IF 進給倍率為最大進給倍率值AND自適應功率值的偏差大于正偏差EPAND主軸轉速度倍率在許可范圍THEN主軸轉速倍率增加一檔IF 進給倍率小于設定的進給FMIN值AND自適應功率值小于負偏差-EPAND主軸轉速度倍率在許可范圍THEN主軸轉速倍率減少一檔所述的AVR-MEGA128嵌入式CPU平臺，通過JTAG通訊口，即通過TCK、TMS、TDO、TDI四個引腳，組成嵌入式調試系統，這四個引腳通過10k的上拉電阻實現通訊電平的匹配，嵌入式系統通過該通訊口實現程序的嵌入式開發，也通過該通訊口實現程序的上傳與下載。
所述的數據存儲器為高速數據存儲器，CPU通過高速的地址鎖存器實現地址鎖存。
顯示可由液晶控制模塊和25鍵鍵盤組成。
所述的8255A外圍擴展I/O芯片組，它的輸出連接進給速度修正開關和主軸轉速修正開關，根據CPU的輸出控制實時在線匹配調節進給速度和主軸轉速。它的輸出還驅動報警燈、電源指示燈和在線調節運行燈，根據程序對過負荷的判定，芯片輸出控制著CNC的緊急停機命令與停止進給命令，根據操作員的需要，芯片輸出方式可實現手動調節與自動調節的切換控制。
所述的8255A外圍擴展I/O芯片組，它的輸入連接M指令碼光電隔離信號采集，M指令碼為數控系統定義的狀態輸出碼，本發明支持BIN碼、BCD碼等8位信號表示的功能編碼。
所述的功率采集功能主要由CS5460A芯片、PT轉換器、電流霍爾傳感器組成。主軸電機的相電壓經過PT及精密電阻的濾波與變換后，接入CS5460Vin+和Vin-兩端，主軸電機相電流經過電流霍爾傳感器濾波與變換后，接入CS5460Iin+和Iin-兩端，嵌入式CPU通過同步通訊與CS5460A實現數據交換。
所述RS232C通訊接口器件組是用來傳輸上述優化匹配系統的自適應目標值和速度調節所需的參考值，通過MAX232A芯片及外圍電阻、電容的匹配實現TTL電平與RS232電平的轉換。
本發明與現有技術相比有如下的技術改進1、通過異步通訊獲取參數優化匹配系統給定自適應目標值，避免了設定自適應目標值盲目性。
2、在嵌入式平臺上開發，使控制器處理數據速度更快，系統結構變的簡單，可靠性得到增強，系統維護更加方便。
3、通過自動調節進給速率和一定范圍內調整切削速度，實現加工效率得到更大的提高，并能對主軸電機、刀具設備進行在線保護，從而有效防止刀具破損，提高刀具使用壽命和產品加工質量，降低制造成本，實現設備保護與銑削過程優化相協同的功能。
本發明的優點在于，通過加工參數優化匹配系統計算，獲取自適應約束目標值，為加工過程的優化奠定基礎，通過加工過程模糊自適應調節進給倍率和按知識規則調節主軸轉速倍率，實現加工效率的得到提高同時，可有效的防止主軸電機過負荷和延長刀具的使用壽命。


圖1是本發明系統結構示意圖。
圖2是本發明的參數優化匹配系統軟件數據流程示意圖。
圖3是本發明的智能控制器結構示意圖。
圖4是本發明的電路原理示意圖。
圖5是本發明的功率采集原理示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示為本發明的系統結構圖，圖中上部分為參數優化匹配系統部分，下部分為智能模糊控制器。參數優化匹配系統是一套運行PC機的Window2000Professional操作系統之上的軟件，該優化系統軟件依據最高加工效率為優化目標，根據加工特征所具有的加工深度、加工材料和對應的刀具和機床參數為約束條件進行優化計算，計算獲得自適應功率目標約束值和NC程序采用主軸轉速與進給速度，軟件進一步提供在線調節主軸轉速倍率的匹配規則參數，該軟件通過RS232通訊口把參數匹配規則和自適應目標值傳給模糊智能控制器。模糊智能控制則根據自適應的目標值和匹配規則，自適應控制調節進給倍率修調開關和主軸轉速倍率開關。當主軸功率超過設定的約束范圍時則對設備進行保護，保護方式有緊急停機、停止進給兩種。
如圖2所示為本發明的參數優化匹配系統數據流程圖，軟件提供輸入參數與實驗數據的人機界面，參數數據庫以SQL-Server2000為DBMS系統。數據庫中提供的數據表單包括刀具參數表、刀具材料表、加工材料表、機床設備表、耐磨度計算表、切削力計算表、運行實例表。對于具體的加工工步，操作人員依據選用的刀具型號及加工材料選擇對應的計算參數，以加工特征和設備為約束，以最少加工時間為優化目標，借用遺傳算法(GA)為優化引擎進行優化計算，計算結果為加工過程自適應目標的約束值、參考采用的進給速度與主軸轉速。軟件優化出的參考主軸轉速與進給速度一方面可推薦給NC程序，使加工過程是在較優的參數下進行；另一方面，操作員結合優化出的結果把轉速變化范圍帶和調整優先等級等參數匹配知識，通過RS232通訊口發送給智能控制器。
圖3所示為本發明的智能控制器硬件結構圖，硬件結構由八個部分組成，主要包括控制核心部分、控制驅動部分、信號采集部分、功率監測部分、工作電源部分、人機交互部分、在線程序調試部分以及通訊接口部分。控制核心由MEGA128 AVR嵌入式CPU組成，負責所有數據處理與模糊控制算法的實現；驅動部分用于實現對數控機床的控制，控制的環節主要包含進給倍率開關的調節、切削速度倍率開關的調節以及過負荷的情況下緊急停機控制；信號采集部分主要是對機床輔助功能碼的信號采集，以便于與數控機床之間形成互動與協調。監測部分是用于實現對主軸功率的數據采集，采集原理主要是通過對主軸電機的電流與電壓進行交流采樣，然后通過專用的功率計算芯片實現功率的采集，核心CPU通過SPI的通訊方式與該芯片進行實時通訊，來實現對功率的采集；電源部分主要是把機床上提供的24V電源轉化為可供控制器工作的電源，其中主要有兩部分的電壓轉換，一個是把24V變換5V供CPU等芯片使用，另一個是24V變換為15V用于給電流傳感器CT使用；人機交互部分由鍵盤和液晶顯示兩部分，鍵盤的功能用來實現對參數設定，液晶顯示用來顯示功能菜單、實時數據以及控制器的工作狀態等。通訊接口部分用來與參數優化匹配系統進行通訊，以利于獲取專家知識，實現對加工過程的優化；JTAG接口部分主要是為在線程序的調試提供方便，利于版本的升級。
圖4為本發明的智能控制器電路原理圖，控制器主要由嵌入式CPU、液晶控制模塊、RS232C電平與TTL電平轉化芯片MAX232A、高速緩存74AHC573、62864RAM、以及接口擴展8255芯片組組成。64k容量的RAM占用CPU的PA和PC口資源，液晶控制模塊占用PE口資源，PG口與功率采樣芯片CS5460接口通訊，實現功率采集，PA口通過高速的地址鎖存器74AHC573實現低8位的地址鎖存，高8位地址通過PC口輸出，8255芯片的PA口做為進給速度修調整倍率開關與主軸轉速修調倍率開關控制輸出，8255的PC口做為二進制信號輸入口，實現對機床M碼信號與鍵盤輸入信號采集，8255的PB口用于輔助信號輸出，如智能控制狀態信號、和緊急事件控制信號的輸出。
圖5為本發明的功率采集原理圖，功率采集是以CS5460芯片為核心的，圖中1、2引腳為機床電機相電壓輸入端，4、5引腳為電壓輸出端，4、5引腳輸出為交流電壓信號，同樣6、7引腳為霍爾電流傳感器的輸出端，6，7引腳輸出的也為交流電壓信號，之后電壓采樣與電流采樣的原理類似，這里以電流采樣原理為例進行說明，R6、R7為精密電阻，用來實現分壓，使輸入功率采樣芯片兩端的電壓控制在150mV左右，R2、R3用來實現限流的作用，R4，R5用來實現下拉電阻的功效，C9電容起濾高頻波形的作用，C10、C11用來拉低高頻信號帶來的電壓勢，功率芯片經過采集的電流信號與電壓信號之后，進行轉換運算獲得功率，經過CPU對SLK端口時鐘信號控制，實現SDO的數據輸出與SDI的訪問命令輸入。
權利要求
1.一種基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于包括參數優化匹配系統和智能模糊控制器，這兩個部分通過通訊口相連。
2.根據權利要求1所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于還包括基于PC運行的參數優化匹配系統軟件、RS232通訊線。
3.根據權利要求1所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于所述的運行參數優化匹配系統軟件的PC機，是裝有Windows2000Professinal、SQL-SERVER數據庫系統軟件和參數優化匹配系統軟件的計算機，支持RS232通訊接口。
4.根據權利要求1所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于所述的智能模糊控制器是一基于嵌入式平臺的模糊控制器，其還包括嵌入式CPU、高速地址緩存器、高速訪問的RAM、功率采樣器，I/0信號采集支持機床的8位M碼按任何方式編碼，控制調節可以同時實現對進給速度和主軸轉速進行控制調節，也可單獨調節進給速度。
5.根據權利要求4所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于數字量控制輸出具有對進給倍率開關和主軸轉速倍率開關同時調節的結構。
6.根據權利要求4所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于所述的功率采樣器其采樣過程通過CS5460芯片實現，與機床的接口為PT變換器與霍爾CT傳感器，配合功率采樣的電路包括電壓變換電路和濾波電路。
7.根據權利要求4所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于所述的外圍信號采樣通過8255芯片實現。
8.根據權利要求4所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于顯示可由液晶控制模塊和25鍵鍵盤組成，所述的液晶顯示部分通過單獨的一組端口PE口實現。
9.根據權利要求4所述的基于嵌入式平臺的數控銑削智能優化控制系統，其特征在于所述的RS232通訊部分由MAX232芯片直接連接嵌入式芯片的UDR接口。
全文摘要
一種銑削加工智能優化控制系統，包括參數優化匹配系統和智能模糊控制器，這兩個部分通過通訊口相連，還包括基于PC運行的參數優化匹配系統軟件、RS232通訊線。系統可用于對數控銑削加工過程進行遞階智能控制，參數優化匹配系統通過優化計算給出NC程序參考的進給速度、主軸轉速和供控制器使用的主軸電機功率約束值及參數之間相互匹配知識，參數優化匹配系統通過異步通訊方式把功率約束值與匹配知識發送給模糊智能控制器，控制器通過模糊自適應控制方法，在線自適應調節進給速率的倍率開關和一定范圍內的主軸轉速倍率開關，實現以主軸電機功率為約束目標的自適應智能控制。可提高刀具使用壽命和產品加工質量，降低制造成本。
文檔編號G05B19/4155GK101025624SQ200610024149
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月24日 優先權日2006年2月24日
發明者李愛平, 林獻坤, 張為民, 劉雪梅, 左文濤, 馮小軍, 蔣昇 申請人:同濟大學