模糊控制下的數(shù)控機(jī)床幾何誤差研究

摘要：隨著信息化以及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)控技術(shù)也在不斷的發(fā)生著變化，提高數(shù)控機(jī)床的加工深度以及精度是該行業(yè)永恒的發(fā)展主題。同時(shí)，檢測數(shù)控機(jī)床狀況的重要內(nèi)容也在于機(jī)床加工精度指標(biāo)工作的完善程度。由于機(jī)床在國民經(jīng)濟(jì)中獨(dú)特的地位，人們越來越重視這一行業(yè)的發(fā)展以及技術(shù)的革新。在新的背景以及人們新的需求下，本文主要探討目前數(shù)控機(jī)床在控制中所產(chǎn)生的幾何誤差以及模糊技術(shù)是什么，最后結(jié)合兩者，探討模糊控制技術(shù)下，機(jī)床中所產(chǎn)生的幾何誤差是怎樣減少的。因此，該研究對于后期的工作開展具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)床;幾何誤差;模糊控制;數(shù)控技術(shù)

0 ?引言

機(jī)械制造業(yè)從我國剛成立初期就產(chǎn)生了，在新中國逐漸壯大的路上，機(jī)械制造業(yè)起了主要作用，但是隨著科技的不斷發(fā)展，該行業(yè)開始面臨著危機(jī)，現(xiàn)代人注重科學(xué)技術(shù)、軟件、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等等，注重技術(shù)的創(chuàng)新，但是卻忽略最基本的東西，忽略了機(jī)床在我國的重要性。機(jī)械制造業(yè)屬于實(shí)體經(jīng)濟(jì)，而實(shí)體經(jīng)濟(jì)是我國經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，其作用不可小覷。機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的其中一種設(shè)備，經(jīng)常會出現(xiàn)一些問題，產(chǎn)生一些誤差，機(jī)床加工的精度一直沒有達(dá)到國家的標(biāo)準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)有效的生產(chǎn)。目前，在機(jī)床的幾何誤差上，眾多專家進(jìn)行大量的研究，該行業(yè)得到了進(jìn)一步發(fā)展。雖然有眾多的學(xué)者都進(jìn)行研究，但大多數(shù)都是在機(jī)床的幾何誤差方面選擇使用數(shù)學(xué)模型的方式來進(jìn)行補(bǔ)償，而在模糊控制的補(bǔ)償方式上，相關(guān)研究不足。因此，該研究的主要目的在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)上，填補(bǔ)幾何誤差在機(jī)床上控制上的不足。在研究過程中，考慮到機(jī)床有多種體系，本研究從模糊的控制理論出發(fā)，提出幾何誤差模型，實(shí)踐證明，模糊控制對于機(jī)床幾何誤差的分析更加精確，并且得到了事實(shí)支撐。故本文具有重要的指導(dǎo)意義以及現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?幾何誤差

1.1 模型

機(jī)床的組成部分并不多，主要由刀具、主軸以及其它的部件組成，屬于一種典型的多體系統(tǒng)。機(jī)床的類型多種多樣，所以用于描繪機(jī)床的幾何模型也多種多樣。每種類型的機(jī)床都存在獨(dú)特性，所以我們不能補(bǔ)償機(jī)床的綜合誤差。而是要建立一個(gè)模糊控制理論下的幾何誤差模型，有效的補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床的幾何誤差。

1.2 方法研究

在誤差測量技術(shù)中，辨識誤差以及測量誤差是重要的組成部分，測量誤差技術(shù)作為誤差補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)，可以用來評定數(shù)控機(jī)床的加工精度，主要分為直接測量以及間接測量兩種方式。兩種不同的方法，直接測量結(jié)果可靠、測各自的優(yōu)缺點(diǎn)不同，直接測量的精度高，結(jié)果可靠，但價(jià)格昂貴，所需要的儀器多，并且花費(fèi)時(shí)間長。間接測量主要用于無法直接測量的部分誤差上，在一些施工現(xiàn)場，由于場地以及設(shè)備的各種限制，只能通過誤差辨識模型測定部分參數(shù)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)的程序獲得誤差量。

2 ?建模分析

2.1 數(shù)控機(jī)床的誤差來源

機(jī)床的誤差源多種多樣，包括熱誤差、幾何誤差、力誤差以及數(shù)控機(jī)床上的控制誤差等等。本文主要討論的是幾何誤差，影響該誤差的主要因素包括機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組成機(jī)床各個(gè)零部件的制造以及安裝的工藝水平等等。該誤差屬于一種靜態(tài)誤差，指的是機(jī)床在加工的過程中，工作臺實(shí)際的運(yùn)動軌跡與理論軌跡產(chǎn)生了偏差，在這一具體的過程中，主要由包含了定位誤差、轉(zhuǎn)角誤差、直線角度誤差以及垂直角度誤差，這些誤差都屬于幾何誤差。有時(shí)即使測量誤差方案成熟，但也極易受到外部因素的影響。因此，一個(gè)完善的誤差辨識模型在幾個(gè)幾何誤差的研究中涉及到許多復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及理論推導(dǎo)。

2.2 幾種誤差元素

以經(jīng)典的三軸數(shù)控機(jī)床的單軸運(yùn)動為例，6種幾何誤差會在機(jī)床中產(chǎn)生，其中定位誤差、轉(zhuǎn)角誤差、直線角度誤差比例分別是1∶3∶2的分布比例。將不同的誤差按照三軸來劃分，X軸Y軸Z軸。詳細(xì)的分布如表1所示。

3 ?模糊控制

3.1 重要性

隨著科技的發(fā)展，智能系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域上，比如航天航空、煤炭的集中以及油田的開采等等，如果能將其應(yīng)用在機(jī)床上是一次重要?jiǎng)?chuàng)新。由于智能系統(tǒng)本身的優(yōu)越性以及科學(xué)性。并且該技術(shù)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合相應(yīng)的算法，對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。諸多的優(yōu)勢使得智能控制系統(tǒng)有望成為機(jī)械制造業(yè)的主攻方向。對于機(jī)床而言，減小機(jī)床的幾何誤差，提高機(jī)床的控制性能，保持機(jī)床的正常運(yùn)行，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

3.2 模糊控制體系

從目前的調(diào)查研究來看，模糊控制技術(shù)擁有完整的理論體系，并且應(yīng)用技術(shù)較為成熟，諸多領(lǐng)域都有涉及。該技術(shù)主要的應(yīng)用在電力領(lǐng)域的控制上，幫助電機(jī)更好的進(jìn)行調(diào)速工作，但是在其它領(lǐng)域也有涉及，比如機(jī)床的誤差控制以及液壓伺服的系統(tǒng)中。一般來說，想要達(dá)到一個(gè)理想的輸出環(huán)境，需要在電機(jī)發(fā)電的過程中，進(jìn)行邏輯運(yùn)算以達(dá)到對某些辨識的參數(shù)進(jìn)行控制的效果。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型可以建立在模糊控制的基礎(chǔ)上，該模型則為實(shí)際的工作提供了可靠的數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過分析該數(shù)據(jù)，又可以在確定的控制系統(tǒng)下，對可能發(fā)生變化的因素以及不確定因素進(jìn)行篩選，故模糊控制有著十分強(qiáng)的辨識能力，在識別幾何誤差的誤差種類方面，也具有較大的優(yōu)勢。因此，模糊控制系統(tǒng)是一個(gè)精確度高的系統(tǒng)。

3.3 理論概述

模糊控制建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用控制語言，根據(jù)相應(yīng)的模糊控制進(jìn)行理論上的推理，通常來說，想要達(dá)到相應(yīng)的控制效果，就需要使用相應(yīng)的控制器。

使用模式控制前，需要弄清楚幾個(gè)問題：第一，模糊控制需要對幾何誤差進(jìn)行采集分析處理，由于模糊控制只接受數(shù)字編碼，所以采集分析的目的是將電信號通過數(shù)字化技術(shù)轉(zhuǎn)化為模糊控制可接受的編碼形式。第二，將采集到的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化之后，就需要進(jìn)行推理演變，也就是說模糊控制會根據(jù)具體的誤差變量情況選擇相應(yīng)的控制規(guī)則以及控制邏輯原理來進(jìn)行推理演變，從而計(jì)算出模糊控制下的數(shù)字集合。第三，數(shù)字輸出之后，進(jìn)行分析以及判斷，轉(zhuǎn)化輸出的數(shù)值，得到最終精確的輸出值，可在輸出機(jī)構(gòu)中執(zhí)行該操作。

PID的控制模塊可以整合處理。最后精確的輸出值會通過PID的處理之后，得到確定，使輸出值更為精準(zhǔn)。因此，PID這一模塊就是模糊控制系統(tǒng)開始正常運(yùn)行的最后防線，它為整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的順利運(yùn)行提供了安全、高效的環(huán)境。

3.4 基于模糊控制的機(jī)床幾何誤差研究

采用模糊控制系統(tǒng)對機(jī)床進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)器中的參數(shù)就要在運(yùn)行的過程中進(jìn)行調(diào)整，控制好機(jī)床的制動系統(tǒng)以及調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)對突發(fā)的情況。

前期需要轉(zhuǎn)化信號，進(jìn)行推演，然后通過PID模型得到精確的輸出值。在這一工作完成之后，開始進(jìn)入下一部分的工作。由于在機(jī)床的結(jié)構(gòu)中，主體部分主要分為邏輯算數(shù)單元以及單片機(jī)。其中的反饋回路被添加在控制系統(tǒng)中，而該回路基于模糊邏輯控制理論而建立，主要的儀器是模糊控制器。由于幾何誤差在不同矩陣中都有誤差存在，為了減少其誤差，增加其精度，需要使用仿真技術(shù)，將主要的方向放在不同矩陣中的平均幾何誤差上。同時(shí)，還需要比較X軸Y軸Z軸的輸出以及輸入值，通過比較模糊控制下三個(gè)軸的不同誤差，可以得到精確的幾何誤差數(shù)值，從而為機(jī)床的實(shí)際工作開展提供重要的數(shù)據(jù)以及參數(shù)。

4 ?總結(jié)

總而言之，在模糊控制之下，機(jī)床誤差的補(bǔ)償控制系統(tǒng)有效減小了幾何誤差，通過我們的分析和發(fā)現(xiàn)這一誤差是由于運(yùn)動位置的變化而導(dǎo)致。這就證明本文從模糊控制這一角度出發(fā)，對數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生的幾何誤差進(jìn)行控制補(bǔ)償，有著重要的理論意義，同時(shí)也為機(jī)械制造業(yè)提供了重要的方法，對于該行業(yè)來說是一次重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]栗江，張慧，曾祥蘋.基于模糊控制的數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償控制研究[J].機(jī)械制造與自動化，2018，47（05）：33-35，91.

[2]任勇聰.自適應(yīng)磨拋機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)及誤差分析[D].吉林大學(xué)，2018.

[3]林新然，王力杰，劉峰，張兆中.數(shù)控系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)壓縮算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2017，38（10）：2202-2206.

[4]盧林，于東，胡毅，彭鵬，陸小虎，劉韻.開放式數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2015，36（3）：621-626.

[5]劉峰，張孟豪，鄭飂默，韓旭.一種正多邊形零件連續(xù)車削加工的方法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2015，36（2）：381-384.