加工參數(shù)智能控制系統(tǒng)開發(fā)

廖小平，甘文智，黃 兵，魯 娟

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

隨著中國(guó)加入WTO，全球化的進(jìn)程迅速加快，在國(guó)際市場(chǎng)上，中國(guó)制造的各種產(chǎn)品在國(guó)際上受到了來(lái)自其它國(guó)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(guó)外企業(yè)手中，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)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(jìng)爭(zhēng)力。因此在先進(jìn)機(jī)床加工技術(shù)領(lǐng)域，還有很多的工作需要我們來(lái)完成。加工過(guò)程中保持產(chǎn)品質(zhì)量是其中一項(xiàng)重要的工作，由于產(chǎn)品的質(zhì)量變化對(duì)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(duì)加工過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展給機(jī)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(guò)程中，可以利用各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中產(chǎn)生的各種信號(hào)，例如主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)床主軸震動(dòng)、刀具加工切削力、聲發(fā)射信號(hào)、加工溫度等。基于這些數(shù)據(jù)，通過(guò)智能算法動(dòng)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(shí)現(xiàn)這一目的，建立一個(gè)高質(zhì)量的控制系統(tǒng)就顯得十分必要。

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

2 智能控制方法及流程分析

分析產(chǎn)品加工過(guò)程控制的具體流程及控制方法是實(shí)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，通過(guò)智能算法對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。當(dāng)質(zhì)量即將偏離合格范圍時(shí)，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(hào)數(shù)據(jù)，采用合適的智能算法對(duì)刀具實(shí)時(shí)磨損值進(jìn)行間接預(yù)測(cè)，然后以預(yù)測(cè)的磨損值為依據(jù)，采用合適的智能算法動(dòng)態(tài)的對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；若需要換刀，則進(jìn)行換刀，重新開始加工過(guò)程，以此達(dá)到保持產(chǎn)品質(zhì)量的目的。具體過(guò)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(hào)

隨著加工的進(jìn)行，機(jī)床加工的條件也會(huì)不斷的變化，例如：機(jī)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(shí)時(shí)的測(cè)量、采集切削過(guò)程中的各種信號(hào)，通過(guò)加工信號(hào)從側(cè)面來(lái)反應(yīng)加工條件的改變[4]。常用的信號(hào)包括：切削力信號(hào)、震動(dòng)信號(hào)以及聲發(fā)射信號(hào)[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(hào)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中只采集三個(gè)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(cè)

在加工過(guò)程中，刀具的結(jié)構(gòu)及參數(shù)會(huì)對(duì)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響最為顯著，國(guó)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(hào)數(shù)據(jù)與相應(yīng)的刀具后刀面磨損值，通過(guò)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(shí)時(shí)采集的切削力信號(hào)獲得刀具的實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)，所以加工參數(shù)主要有四個(gè)：切削速度（Vc）、進(jìn)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(lái)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后根據(jù)刀具磨損的程度就可以實(shí)時(shí)的對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控

在產(chǎn)品的加工過(guò)程中，需要對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，從而對(duì)應(yīng)該采取的措施和采取措施的時(shí)機(jī)做出判斷。除了參數(shù)調(diào)整，當(dāng)?shù)毒吣p嚴(yán)重后還需要進(jìn)行換刀操作。判斷刀具磨損量是通過(guò)第二節(jié)中的刀具磨損值預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)測(cè)值大于閾值時(shí)，進(jìn)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(jìn)行的過(guò)于頻繁，此時(shí)也應(yīng)該進(jìn)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(jì)為三個(gè)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(duì)應(yīng)的操作界面，這樣可以對(duì)不同用戶所能訪問(wèn)的功能以及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行化分；系統(tǒng)功能層實(shí)現(xiàn)了不同的功能需求，不同功能之間相互獨(dú)立，方便后續(xù)改進(jìn)、完善；數(shù)據(jù)資源層中針對(duì)不同的系統(tǒng)功能需求，建立不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)功能的實(shí)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(guò)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(fù)責(zé)完善系統(tǒng)中的模塊化程序，包括刀具磨損預(yù)測(cè)模型函數(shù)、加工質(zhì)量預(yù)測(cè)函數(shù)、加工參數(shù)優(yōu)化模型和產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)；監(jiān)控人員主要負(fù)責(zé)管理加工過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，包括加工信號(hào)、刀具磨損數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對(duì)信號(hào)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(fù)責(zé)采集、反饋產(chǎn)生的各種信號(hào)和數(shù)據(jù)，并執(zhí)行監(jiān)控人員做出的行動(dòng)決策。

3.3 系統(tǒng)用例建模

UML建模語(yǔ)言中的用例圖從用戶的角度對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)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(gè)模塊：

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

（1）加工信號(hào)管理：該模塊的功能主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和查看。信號(hào)查看功能需要對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)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(cè)模型和預(yù)測(cè)刀具實(shí)時(shí)的磨損值。

（3）加工參數(shù)管理：該模塊主要用來(lái)建立產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)模型并對(duì)加工參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)態(tài)建模

動(dòng)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(shí)序狀態(tài)和交互關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述，從系統(tǒng)的角度反映系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系[10]。

3.4.1 加工信號(hào)管理模塊

加工信號(hào)是軟件系統(tǒng)中的基礎(chǔ)模塊，為系統(tǒng)的正常運(yùn)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(guò)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(hào)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(duì)加工質(zhì)量有著十分重要的影響，因此它是對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行智能控制的重要依據(jù)，如何對(duì)其數(shù)值進(jìn)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(guò)參數(shù)優(yōu)化模塊來(lái)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)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(lái)顯示產(chǎn)品加工的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)產(chǎn)品加工中的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)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(shí)現(xiàn)

由于MATLAB中的GUI的模塊對(duì)每一個(gè)圖形對(duì)象都有詳細(xì)的預(yù)設(shè)屬性，可以十分方便的按照需求定制；同時(shí)MATLAB環(huán)境下有豐富的庫(kù)，很多復(fù)雜的算法都可以直接調(diào)用已有庫(kù)函數(shù)實(shí)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(jìn)行構(gòu)建。

4.1 加工信號(hào)管理面板實(shí)現(xiàn)

“在線測(cè)量”區(qū)域功能是設(shè)置采集信號(hào)的參數(shù)，控制信號(hào)采集過(guò)程，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)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(duì)已采集的信號(hào)進(jìn)行查看和管理。相應(yīng)數(shù)據(jù)可以在坐標(biāo)軸上進(jìn)行查看。通過(guò)選擇不同的信號(hào)通道，還可以對(duì)不同方向的切削力信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)的詳細(xì)查看。

圖8 加工信號(hào)管理面板Fig.8 Processing Signal Management Panel

4.2 刀具磨損管理面板實(shí)現(xiàn)

“刀具磨損預(yù)測(cè)模型”區(qū)域主要用來(lái)建立不同條件下的預(yù)測(cè)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(shí)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(huì)在提示框內(nèi)提示相關(guān)信息?！暗毒吣p預(yù)測(cè)”區(qū)域主要利用采集到的信號(hào)，通過(guò)建立好的模型得到刀具磨損值的預(yù)測(cè)值。同時(shí)，計(jì)算過(guò)程中的信號(hào)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(shí)現(xiàn)

右上角的“質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)模型”主要用來(lái)建立不同加工條件下的質(zhì)量預(yù)測(cè)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(cè)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(huì)尋找相應(yīng)數(shù)據(jù)利用選擇的算法建立相對(duì)應(yīng)的模型，建模過(guò)程結(jié)束后會(huì)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(gè)功能，對(duì)于不同的加工條件，選用不同的優(yōu)化算法來(lái)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)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(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化過(guò)程。優(yōu)化后的結(jié)果將會(huì)顯示在右下角的四個(gè)對(duì)應(yīng)文本框中，而優(yōu)化過(guò)程中的種群最優(yōu)個(gè)體信息將會(huì)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(huì)被保存到刀具行為痕跡表中，方便對(duì)加工過(guò)程的監(jiān)控，同時(shí)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(shí)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(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，并對(duì)已經(jīng)建立的指標(biāo)進(jìn)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(duì)已經(jīng)輸入的參數(shù)，可以通過(guò)單擊“查看∕修改數(shù)據(jù)”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。選擇列表框中的一項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)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(duì)接下來(lái)的多個(gè)個(gè)質(zhì)量指標(biāo)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷質(zhì)量的變化。左上角區(qū)域的坐標(biāo)軸用來(lái)顯示刀具行為痕跡，即刀具使用過(guò)程中每一次對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)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(gè)點(diǎn)表示一次加工參數(shù)的調(diào)整，點(diǎn)擊任意一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)所代表的加工參數(shù)數(shù)值就會(huì)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(yǔ)

通過(guò)研究加工中產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，開發(fā)了一套加工參數(shù)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)收集加工信號(hào)，判斷加工環(huán)境的變化，從而調(diào)整加工參數(shù)來(lái)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行干預(yù)，最終實(shí)現(xiàn)保持產(chǎn)品加工質(zhì)量的目的。主要完成了以下三個(gè)方面的工作：

（1）通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的分析，了解了產(chǎn)品質(zhì)量控制的邏輯過(guò)程，將其按照順序分為四個(gè)部分：信號(hào)采集過(guò)程、刀具磨損預(yù)測(cè)過(guò)程，加工參數(shù)優(yōu)化過(guò)程以及產(chǎn)品質(zhì)量管理過(guò)程。

（2）基于UML建模語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體的建模。通過(guò)用例圖對(duì)參與者與不同用例之間的交互關(guān)系進(jìn)行了梳理；通過(guò)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(yùn)作的邏輯過(guò)程。

（3）利用MATLAB∕GUI對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，將系統(tǒng)分為了信號(hào)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(xiàng)所需的系統(tǒng)功能都得到了實(shí)現(xiàn)。