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譯文：
端銑削自適應(yīng)切削力的模糊控制策略
U. Zuperl ?, F. Cus, M. Milfelner
Faculty of Mechanical Engineering, University of Maribor, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenia
摘要
這篇文章討論了在高速端銑削時(shí)的切削力的模糊適應(yīng)的控制策略。這項(xiàng)研究是關(guān)于運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置來(lái)憂(yōu)化金屬切削過(guò)程的整合自適應(yīng)性控制。它被設(shè)計(jì)成服務(wù)于允許在刀具上對(duì)長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜成形加工很有益的切削力時(shí)適應(yīng)性地使切削速度最大化的控制.目的是產(chǎn)生一個(gè)可靠的，強(qiáng)有力的人工神經(jīng)控制器協(xié)助自適應(yīng)協(xié)調(diào)切削速度來(lái)防止過(guò)分的刀具磨損，即刀具的磨損量和保持高的排屑率。許多的仿真和實(shí)驗(yàn)用來(lái)肯定這個(gè)體系的功效。
關(guān)鍵詞：端銑；自適應(yīng)力控制；模糊
1.諸論
一個(gè)CNC系統(tǒng)遺留下來(lái)的缺點(diǎn)是加工參數(shù)，如進(jìn)給速度，切削速度和深度，被離線編程。加工參數(shù)通常在加工前根據(jù)編程者的經(jīng)驗(yàn)和加工手冊(cè)被選擇。為了防止損害和避免加工失敗。運(yùn)行的條件通常被設(shè)置的很保守。結(jié)果是，有很多的CNC系統(tǒng)運(yùn)行于遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于憂(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下效率差。即使加工參數(shù)在離線時(shí)通過(guò)憂(yōu)化計(jì)算法憂(yōu)化了，在加工過(guò)程中它們也不能被協(xié)調(diào)起來(lái)。為了確保加工產(chǎn)品的質(zhì)量，為了降低加工成本和提高加工的效率，協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)加工的參數(shù)來(lái)符合憂(yōu)化的加工標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。由此，提供在線運(yùn)行下協(xié)調(diào)的自適應(yīng)控制，被有興趣地研究起來(lái)。在我們的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，不管是在切削條件下變化時(shí)，進(jìn)給速度總是在線協(xié)調(diào)下來(lái)保持一個(gè)常數(shù)切削力。在這篇文章中，一個(gè)簡(jiǎn)單的模糊控制策略被在智能系統(tǒng)和一些運(yùn)用模糊控制策略的實(shí)驗(yàn)性的仿真中發(fā)展起來(lái)。結(jié)果證明這個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)有效地控制在一般端銑削條件下的峰值切削力。力的控制運(yùn)算法則已經(jīng)被眾多的研究者開(kāi)發(fā)和評(píng)估了。被固定的增加比例積分控制器，先前是為銑削現(xiàn)為了一個(gè)可協(xié)調(diào)的增加比例積分控制器，在那里控制器根據(jù)變化的切削條件被協(xié)調(diào)。完整的自適應(yīng)參考模擬，自適應(yīng)控制裝置方法最初是被Cusand Balic研究的。這些控制器被模擬和求解及實(shí)際上地被實(shí)現(xiàn)。兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)全布三參數(shù)自適應(yīng)控制器執(zhí)行得比已固定的遞增積分器要好。關(guān)于模糊控制系統(tǒng)，Huang and Lin提供了一個(gè)先驅(qū)活動(dòng)的介紹性調(diào)查，另一個(gè)系統(tǒng)性觀念被提出。模糊系統(tǒng)對(duì)照比例積分微分控制和模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及管理模糊控制在[3]中反映.被提到。關(guān)于為銑削的自適應(yīng)切削力控制很多的工作已經(jīng)被做。然而，很多以前的工作把問(wèn)題簡(jiǎn)單化在一個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)上。這次投稿中，我們將考慮到三個(gè)自由度上銑削的切削力。文章的組成如下。第二部分主要描述全面的力控制策略。第三部分包括了CNC加工模擬1.第五部分描述了仿真/實(shí)驗(yàn)和目標(biāo)控制計(jì)劃執(zhí)行的方法。最后，第六和七部分展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論和以后研究的建議。
2.自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)
一個(gè)新的在線控制計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃被稱(chēng)作自適應(yīng)模糊控制，是通過(guò)使用模糊集合論開(kāi)發(fā)的。這個(gè)方法的基本思想是合并人操作者在控制設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)。這個(gè)控制策略是用公式表達(dá)成許多的規(guī)則，這些規(guī)則手工執(zhí)行很簡(jiǎn)單但是對(duì)于用一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則來(lái)實(shí)現(xiàn)很困難?；谶@個(gè)新的控制策略，很多復(fù)雜的過(guò)程能夠標(biāo)準(zhǔn)方法似的更容易地和更精確地被控制。模糊控制的目標(biāo)是保持金屬切除率，能可能的高和保持切削力盡可能地接近一個(gè)給定的參照值。此外，計(jì)算任務(wù)和時(shí)間可能就像金典或者現(xiàn)代控制理論那樣被減少。示意性的控制規(guī)則通過(guò)使用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被構(gòu)造出。模糊自適應(yīng)控制確保了連續(xù)地憂(yōu)化進(jìn)給速度的控制。這個(gè)控制是自動(dòng)被協(xié)調(diào)到每一個(gè)特殊的切削情況。當(dāng)軸的負(fù)載低的時(shí)候，系統(tǒng)增加切削進(jìn)給到或者超過(guò)預(yù)先編程的進(jìn)給速度，直接導(dǎo)致循環(huán)周期和產(chǎn)品成本相當(dāng)大的減少。當(dāng)軸的負(fù)載高時(shí)，進(jìn)給速度就被降低，以保護(hù)工作母機(jī)不損害和損壞。當(dāng)系統(tǒng)偵測(cè)到極端的切削力時(shí)，它會(huì)自動(dòng)停機(jī)來(lái)保護(hù)切削工具。它減少了一定的操作者的監(jiān)督管理。在線銑削憂(yōu)化的步驟次序如下：
1.預(yù)編程進(jìn)給速度被送到銑床CNC控制器。
2.測(cè)量出的切削力被送到模糊控制器。
3.模糊控制器使用輸入的規(guī)則來(lái)找到（協(xié)調(diào)）憂(yōu)化的進(jìn)給速度，將它送回到機(jī)器。
4.第一步和第三步被重復(fù)直到加工結(jié)束。
自適應(yīng)切削力控制器協(xié)調(diào)進(jìn)給速度是基于一個(gè)測(cè)量出的峰值切削力通過(guò)布置一個(gè)進(jìn)給速度超過(guò)CNC控制器在四軸上的百分比， 真實(shí)的切削速度是超過(guò)部分和已編程的進(jìn)給速度。如果進(jìn)給速度憂(yōu)化模擬是完美的，憂(yōu)化的進(jìn)給速度也將總是等于參照的峰值力。在這種情況下，超出部分的正確率將是100%。為了控制器調(diào)整峰值力，力的信息必須在每個(gè)采樣時(shí)間對(duì)控制運(yùn)算法則是有用的。一個(gè)探測(cè)軟件被用來(lái)提供這些信息。
2.1一個(gè)模糊控制器的結(jié)構(gòu)
在模糊過(guò)程控制中，專(zhuān)門(mén)技術(shù)被壓縮成一個(gè)根據(jù)關(guān)于人操作標(biāo)準(zhǔn)和輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)。運(yùn)算法則是基于操作者的知識(shí)但考慮到過(guò)程編輯通過(guò)改寫(xiě)誤差，它也包括了控制理論。 從而，控制器有輸入切削力誤差F和第一次不同誤差2F，輸出變化的進(jìn)給速度f(wàn)。模糊控制變化和規(guī)則創(chuàng)基礎(chǔ)創(chuàng)建從專(zhuān)家操作者那帶走。切削力誤差和第一次誤差的差異被計(jì)算，在每一個(gè)采樣時(shí)間k，如_F(k) = Fref ?F(k)和_2F(k) =_F(k)?_F(k?1),這里F是測(cè)量的切削力，F(xiàn)ref是力的設(shè)定點(diǎn)。
3.CNC加工模擬
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，一個(gè)CNC加工模擬模擬器被用來(lái)估算控制者的設(shè)計(jì)。
過(guò)程模擬由人工神經(jīng)力模擬和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬。人工神經(jīng)力模擬基于切削條件和已描述的形狀切削估算切削力。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬模擬機(jī)器對(duì)已指定進(jìn)給速度變化的反應(yīng)。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬通過(guò)檢查步的已指定速度的改變被決定。最好的模擬被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)頻率為3Hz和節(jié)拍時(shí)間為0.4s的二級(jí)命令系統(tǒng)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真從7到22mm/s圖3顯示的速度步調(diào)改變結(jié)果。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和人工神經(jīng)力模擬被結(jié)合形成CNC加工模擬。模擬輸入是已指定的進(jìn)給速度，輸出是X、Y合成的切削力。切削形狀在人工神經(jīng)力模擬中被定義。模擬器通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)和模擬仿真結(jié)果被修改。伴隨進(jìn)給速度改變的各種切削被確定。從0.05到2mm/tooth每一步改變，實(shí)驗(yàn)和仿真合力展現(xiàn)如圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在平均和峰值力方面模擬結(jié)果聯(lián)系的很好。明顯的差異可能是因?yàn)槿斯ど窠?jīng)模擬和沒(méi)有模擬的系統(tǒng)編輯器的錯(cuò)誤。
3.1切削力模擬
為明白在線切削力模擬，基于流行的反饋原理，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）被提出在預(yù)備實(shí)驗(yàn)期間，它被證明是很有可能直接從實(shí)驗(yàn)加工數(shù)據(jù)提取力模擬。它被用來(lái)模擬切削過(guò)程。用來(lái)模擬的NN需要為進(jìn)給速度f(wàn)，切削速度vc 切削軸向深度AD 和切削徑向深度RD 4個(gè)輸入人工神經(jīng)元。NN的輸出是切削力的要素，因此需要兩個(gè)輸出神經(jīng)元。帶優(yōu)化參數(shù)使用的NN詳細(xì)的布局和神經(jīng)元的數(shù)學(xué)原理如圖5所示。最好的NN配置包含5，3和7在隱藏層隱藏的神經(jīng)元。
3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的布局和其模擬問(wèn)題的自適應(yīng)性
布局的效果也通過(guò)考慮不同的情況而被研究。通過(guò)改變?cè)陔[藏層的人工神經(jīng)元的個(gè)數(shù)來(lái)改變布局。為估計(jì)個(gè)別與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能有關(guān)程序參數(shù)的效果，40個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練，測(cè)試和分析。網(wǎng)絡(luò)性能使用ETstMax, ETst, ETrn, and ETrnMax四個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)和程序周期數(shù)來(lái)估計(jì)。在輸入輸出層的神經(jīng)元數(shù)通過(guò)輸入輸出參數(shù)的數(shù)量來(lái)決定。由結(jié)果得到的如下所述結(jié)論：
? 0.3比率給出可接受的預(yù)期誤差而掌握比率必須在0.01到0.2之間來(lái)最小化程序周期數(shù)。
?為了最小化判斷誤差，比率在0.001到0.005之間是好的。然而，如果程序周期數(shù)也是最小化，掌握比率應(yīng)該不超過(guò)0.004
?最佳的隱蔽層節(jié)點(diǎn)數(shù)是3或6.節(jié)點(diǎn)數(shù)在2到12或不是3或6的網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)的好但是導(dǎo)致更高的程序周
期。
?用正弦函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)需要最低的程序周期數(shù)，緊跟的是正切函數(shù)而用雙曲線切線那些需要更高的程序周期。
4.數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備
用在這個(gè)獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取設(shè)備由測(cè)力計(jì)，固定模塊，硬件和軟件如圖1所示。切削力使用安在工件和工作臺(tái)壓電測(cè)力計(jì)測(cè)量。當(dāng)?shù)毒哒谇邢鞴ぜr(shí)，力將通過(guò)刀具施加到測(cè)力計(jì)。在測(cè)力計(jì)上的壓電石英產(chǎn)生形變，電荷將會(huì)產(chǎn)生。電荷然后通過(guò)連接電纜傳遞到多通道電荷放大器。電荷然后使用多通路放大器放大。在多通路電放大器中，不同參數(shù)能被調(diào)整以完成必需解決的。在放大器的輸出端，電壓將對(duì)應(yīng)于取決于設(shè)置在放大器中參數(shù)的力。接口硬件模塊由連接設(shè)計(jì)塊，模擬信號(hào)協(xié)調(diào)模塊和一個(gè)16通道A/D接口板(PC-MIO-16E-4)。在A/D板里，模擬信號(hào)將轉(zhuǎn)變成數(shù)了信號(hào)，以使LabVIEW軟件能讀和接收數(shù)據(jù)。用LabVIEW電壓將轉(zhuǎn)變成在X，Y和Z方向的力。用這個(gè)程序，三個(gè)軸向力要素能同時(shí)獲得，并能為分析力的變化而顯示在屏幕上。選R216-16B20-040型直徑16mm10度螺旋角帶雙刃可互換球狀端立銑刀來(lái)加工。前角12度R216-1603 M-M型立銑刀被選。立銑刀的材料是P10-P20涂上TiC/TiN ，GC4040。冷卻液RENUS FFM用來(lái)冷卻。模糊控制被智能操縱器模塊（Labview），修正進(jìn)給速度被遞到力控制軟件和NC機(jī)床之間CNC通信設(shè)備?？刂破髂芡ㄟ^(guò)存儲(chǔ)器共享。在頻率1KHz時(shí)，超出部分的進(jìn)給速度，可變DNCFRO對(duì)分配力控制軟件有用。
5.模擬和模糊控制銑實(shí)驗(yàn)
為檢查自適應(yīng)模糊控制策略的穩(wěn)定性和耐用度，通過(guò)用Simulink and Labview fuzzy Toolset模擬來(lái)檢查系統(tǒng)。然后，通過(guò)在一個(gè)CNC銑床的對(duì)Ck45和Ck45鋼工件改變切削深度的不同實(shí)驗(yàn)來(lái)改變系統(tǒng)（如圖6）R216-16B20-040型直徑16mm10度螺旋角帶雙刃可互換球狀端立銑刀被選來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。切削條件為：銑削寬度RD = 3 mm，銑削深度AD = 2mm和切削速度vc = 80m/min.模糊控制的參數(shù)相同于對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)。用模糊控制結(jié)構(gòu)如圖1，憂(yōu)化進(jìn)給速度，想要的切削力是[Fref] = 280 N,預(yù)編程的進(jìn)給是0.05mm/teech，允許調(diào)整率為[0–150%]。當(dāng)切削深度改變時(shí)，圖7是切削力和進(jìn)給速度的反映。它顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果中進(jìn)給速度在線調(diào)整來(lái)保持切削力在最大想要值。模擬控制器響應(yīng)在軸向深度一步改變，顯示如圖8.模擬代表了一個(gè)16mm，兩面銑刀，在2000rpm時(shí),正遇到一步從軸向深度從3到4.2mm的改變。這步改變發(fā)生在2s，在0.5s內(nèi)控制器返回峰值成參考峰值力在這項(xiàng)研究中模糊控制器的穩(wěn)定性通過(guò)模擬被估算。用在過(guò)程增益中小和大步改變測(cè)試模擬是為確保系統(tǒng)穩(wěn)定在一定范圍條件內(nèi)。小的過(guò)程增益改變用一個(gè)在2000rpm轉(zhuǎn)速下從3到4.2mm軸向深度改度來(lái)模擬。大的增益改變用一個(gè)軸向深度在2000rpm時(shí)從3到6mm改變來(lái)模擬。伴隨很少的性能降低系統(tǒng)在全布模擬仿真中保持穩(wěn)定。
6.結(jié)果和討論
在用不變進(jìn)給速度（常用切削，如圖7a）的第一次實(shí)驗(yàn)中,MRR僅僅在最后一步時(shí)達(dá)到它的固有值。然而，在第二次測(cè)試中，使用模糊控制加工相同的工件，平均完成的MRR很接近固有的MRR值。對(duì)比圖7a和b，人工神經(jīng)控制銑削系的在切削力是保持在240N左右，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)的進(jìn)給速度接近于傳統(tǒng)CNC銑削系統(tǒng)從C點(diǎn)到D點(diǎn)。從A點(diǎn)到C點(diǎn)，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)的進(jìn)給速度高于正統(tǒng)CNC系統(tǒng)，因此 ，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)銑削效率提高了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出MRR可能提高高到27%。相比于大多數(shù)的現(xiàn)有端銑削控制系統(tǒng)，目標(biāo)模糊控制系統(tǒng)有下列優(yōu)勢(shì)：
1.多參數(shù)調(diào)整。
2.對(duì)工件形狀、刀具形狀和工件材料的改變敏感；
3.合算和容易實(shí)現(xiàn)；
4.數(shù)學(xué)建模方便模擬仿真結(jié)果顯示使用設(shè)計(jì)的模糊控制器的銑削過(guò)程耐用度、穩(wěn)定性，比標(biāo)準(zhǔn)的控制器有更高加工效率。實(shí)驗(yàn)顯示模糊控制器比傳統(tǒng)控制器有重大的優(yōu)勢(shì)。主要的優(yōu)勢(shì)是一個(gè)控制器快速響應(yīng)復(fù)雜傳感輸入而在傳統(tǒng)控制器上老的控制運(yùn)算法則下運(yùn)行速度受限制。當(dāng)前研究顯示模糊控制比傳統(tǒng)控制器有很大的優(yōu)勢(shì)。
第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是一個(gè)模糊控制器能有效率地利用在計(jì)劃和執(zhí)行一個(gè)控制動(dòng)作方面比一個(gè)工人更巨大的感官信息。
第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是模糊控制器快速響應(yīng)復(fù)雜的傳感輸入而在傳統(tǒng)控制器的傳統(tǒng)控制法則下的執(zhí)行速度受到嚴(yán)格的限制。
7.結(jié)論
這次投稿的目的是為介紹一輔助自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)給速度來(lái)防止過(guò)度刀具磨損，刀具破損和保持高的金屬去除率的可靠而耐用的模糊力控制器。帶自適應(yīng)控制策略的智能銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊控制器有高的耐用度和完全穩(wěn)定性。方法成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)Heller銑削加工中。目標(biāo)在線最佳切削條件決定系統(tǒng)在這篇文章中應(yīng)用于球端銑削，但顯然此系統(tǒng)也可延伸到其它的機(jī)床上來(lái)提高切削效率。
端銑削自適應(yīng)切削力的模糊控制策略
U. Zuperl ?, F. Cus, M. Milfelner
Faculty of Mechanical Engineering, University of Maribor, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenia
摘要
這篇文章討論了在高速端銑削時(shí)的切削力的模糊適應(yīng)的控制策略。這項(xiàng)研究是關(guān)于運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置來(lái)憂(yōu)化金屬切削過(guò)程的整合自適應(yīng)性控制。它被設(shè)計(jì)成服務(wù)于允許在刀具上對(duì)長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜成形加工很有益的切削力時(shí)適應(yīng)性地使切削速度最大化的控制.目的是產(chǎn)生一個(gè)可靠的，強(qiáng)有力的人工神經(jīng)控制器協(xié)助自適應(yīng)協(xié)調(diào)切削速度來(lái)防止過(guò)分的刀具磨損，即刀具的磨損量和保持高的排屑率。許多的仿真和實(shí)驗(yàn)用來(lái)肯定這個(gè)體系的功效。
關(guān)鍵詞：端銑；自適應(yīng)力控制；模糊
1.諸論
一個(gè)CNC系統(tǒng)遺留下來(lái)的缺點(diǎn)是加工參數(shù)，如進(jìn)給速度，切削速度和深度，被離線編程。加工參數(shù)通常在加工前根據(jù)編程者的經(jīng)驗(yàn)和加工手冊(cè)被選擇。為了防止損害和避免加工失敗。運(yùn)行的條件通常被設(shè)置的很保守。結(jié)果是，有很多的CNC系統(tǒng)運(yùn)行于遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于憂(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下效率差。即使加工參數(shù)在離線時(shí)通過(guò)憂(yōu)化計(jì)算法憂(yōu)化了，在加工過(guò)程中它們也不能被協(xié)調(diào)起來(lái)。為了確保加工產(chǎn)品的質(zhì)量，為了降低加工成本和提高加工的效率，協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)加工的參數(shù)來(lái)符合憂(yōu)化的加工標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。由此，提供在線運(yùn)行下協(xié)調(diào)的自適應(yīng)控制，被有興趣地研究起來(lái)。在我們的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，不管是在切削條件下變化時(shí)，進(jìn)給速度總是在線協(xié)調(diào)下來(lái)保持一個(gè)常數(shù)切削力。在這篇文章中，一個(gè)簡(jiǎn)單的模糊控制策略被在智能系統(tǒng)和一些運(yùn)用模糊控制策略的實(shí)驗(yàn)性的仿真中發(fā)展起來(lái)。結(jié)果證明這個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)有效地控制在一般端銑削條件下的峰值切削力。力的控制運(yùn)算法則已經(jīng)被眾多的研究者開(kāi)發(fā)和評(píng)估了。被固定的增加比例積分控制器，先前是為銑削現(xiàn)為了一個(gè)可協(xié)調(diào)的增加比例積分控制器，在那里控制器根據(jù)變化的切削條件被協(xié)調(diào)。完整的自適應(yīng)參考模擬，自適應(yīng)控制裝置方法最初是被Cusand Balic研究的。這些控制器被模擬和求解及實(shí)際上地被實(shí)現(xiàn)。兩項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)全布三參數(shù)自適應(yīng)控制器執(zhí)行得比已固定的遞增積分器要好。關(guān)于模糊控制系統(tǒng)，Huang and Lin提供了一個(gè)先驅(qū)活動(dòng)的介紹性調(diào)查，另一個(gè)系統(tǒng)性觀念被提出。模糊系統(tǒng)對(duì)照比例積分微分控制和模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及管理模糊控制在[3]中反映.被提到。關(guān)于為銑削的自適應(yīng)切削力控制很多的工作已經(jīng)被做。然而，很多以前的工作把問(wèn)題簡(jiǎn)單化在一個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)上。這次投稿中，我們將考慮到三個(gè)自由度上銑削的切削力。文章的組成如下。第二部分主要描述全面的力控制策略。第三部分包括了CNC加工模擬1.第五部分描述了仿真/實(shí)驗(yàn)和目標(biāo)控制計(jì)劃執(zhí)行的方法。最后，第六和七部分展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)論和以后研究的建議。
2.自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)
一個(gè)新的在線控制計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃被稱(chēng)作自適應(yīng)模糊控制，是通過(guò)使用模糊集合論開(kāi)發(fā)的。這個(gè)方法的基本思想是合并人操作者在控制設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)。這個(gè)控制策略是用公式表達(dá)成許多的規(guī)則，這些規(guī)則手工執(zhí)行很簡(jiǎn)單但是對(duì)于用一般的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則來(lái)實(shí)現(xiàn)很困難?；谶@個(gè)新的控制策略，很多復(fù)雜的過(guò)程能夠標(biāo)準(zhǔn)方法似的更容易地和更精確地被控制。模糊控制的目標(biāo)是保持金屬切除率，能可能的高和保持切削力盡可能地接近一個(gè)給定的參照值。此外，計(jì)算任務(wù)和時(shí)間可能就像金典或者現(xiàn)代控制理論那樣被減少。示意性的控制規(guī)則通過(guò)使用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被構(gòu)造出。模糊自適應(yīng)控制確保了連續(xù)地憂(yōu)化進(jìn)給速度的控制。這個(gè)控制是自動(dòng)被協(xié)調(diào)到每一個(gè)特殊的切削情況。當(dāng)軸的負(fù)載低的時(shí)候，系統(tǒng)增加切削進(jìn)給到或者超過(guò)預(yù)先編程的進(jìn)給速度，直接導(dǎo)致循環(huán)周期和產(chǎn)品成本相當(dāng)大的減少。當(dāng)軸的負(fù)載高時(shí)，進(jìn)給速度就被降低，以保護(hù)工作母機(jī)不損害和損壞。當(dāng)系統(tǒng)偵測(cè)到極端的切削力時(shí)，它會(huì)自動(dòng)停機(jī)來(lái)保護(hù)切削工具。它減少了一定的操作者的監(jiān)督管理。在線銑削憂(yōu)化的步驟次序如下：
1.預(yù)編程進(jìn)給速度被送到銑床CNC控制器。
2.測(cè)量出的切削力被送到模糊控制器。
3.模糊控制器使用輸入的規(guī)則來(lái)找到（協(xié)調(diào)）憂(yōu)化的進(jìn)給速度，將它送回到機(jī)器。
4.第一步和第三步被重復(fù)直到加工結(jié)束。
自適應(yīng)切削力控制器協(xié)調(diào)進(jìn)給速度是基于一個(gè)測(cè)量出的峰值切削力通過(guò)布置一個(gè)進(jìn)給速度超過(guò)CNC控制器在四軸上的百分比， 真實(shí)的切削速度是超過(guò)部分和已編程的進(jìn)給速度。如果進(jìn)給速度憂(yōu)化模擬是完美的，憂(yōu)化的進(jìn)給速度也將總是等于參照的峰值力。在這種情況下，超出部分的正確率將是100%。為了控制器調(diào)整峰值力，力的信息必須在每個(gè)采樣時(shí)間對(duì)控制運(yùn)算法則是有用的。一個(gè)探測(cè)軟件被用來(lái)提供這些信息。
2.1一個(gè)模糊控制器的結(jié)構(gòu)
在模糊過(guò)程控制中，專(zhuān)門(mén)技術(shù)被壓縮成一個(gè)根據(jù)關(guān)于人操作標(biāo)準(zhǔn)和輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)。運(yùn)算法則是基于操作者的知識(shí)但考慮到過(guò)程編輯通過(guò)改寫(xiě)誤差，它也包括了控制理論。 從而，控制器有輸入切削力誤差F和第一次不同誤差2F，輸出變化的進(jìn)給速度f(wàn)。模糊控制變化和規(guī)則創(chuàng)基礎(chǔ)創(chuàng)建從專(zhuān)家操作者那帶走。切削力誤差和第一次誤差的差異被計(jì)算，在每一個(gè)采樣時(shí)間k，如_F(k) = Fref ?F(k)和_2F(k) =_F(k)?_F(k?1),這里F是測(cè)量的切削力，F(xiàn)ref是力的設(shè)定點(diǎn)。
3.CNC加工模擬
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，一個(gè)CNC加工模擬模擬器被用來(lái)估算控制者的設(shè)計(jì)。
過(guò)程模擬由人工神經(jīng)力模擬和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬。人工神經(jīng)力模擬基于切削條件和已描述的形狀切削估算切削力。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬模擬機(jī)器對(duì)已指定進(jìn)給速度變化的反應(yīng)。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模擬通過(guò)檢查步的已指定速度的改變被決定。最好的模擬被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)頻率為3Hz和節(jié)拍時(shí)間為0.4s的二級(jí)命令系統(tǒng)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真從7到22mm/s圖3顯示的速度步調(diào)改變結(jié)果。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和人工神經(jīng)力模擬被結(jié)合形成CNC加工模擬。模擬輸入是已指定的進(jìn)給速度，輸出是X、Y合成的切削力。切削形狀在人工神經(jīng)力模擬中被定義。模擬器通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)和模擬仿真結(jié)果被修改。伴隨進(jìn)給速度改變的各種切削被確定。從0.05到2mm/tooth每一步改變，實(shí)驗(yàn)和仿真合力展現(xiàn)如圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在平均和峰值力方面模擬結(jié)果聯(lián)系的很好。明顯的差異可能是因?yàn)槿斯ど窠?jīng)模擬和沒(méi)有模擬的系統(tǒng)編輯器的錯(cuò)誤。
3.1切削力模擬
為明白在線切削力模擬，基于流行的反饋原理，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）被提出在預(yù)備實(shí)驗(yàn)期間，它被證明是很有可能直接從實(shí)驗(yàn)加工數(shù)據(jù)提取力模擬。它被用來(lái)模擬切削過(guò)程。用來(lái)模擬的NN需要為進(jìn)給速度f(wàn)，切削速度vc 切削軸向深度AD 和切削徑向深度RD 4個(gè)輸入人工神經(jīng)元。NN的輸出是切削力的要素，因此需要兩個(gè)輸出神經(jīng)元。帶優(yōu)化參數(shù)使用的NN詳細(xì)的布局和神經(jīng)元的數(shù)學(xué)原理如圖5所示。最好的NN配置包含5，3和7在隱藏層隱藏的神經(jīng)元。
3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的布局和其模擬問(wèn)題的自適應(yīng)性
布局的效果也通過(guò)考慮不同的情況而被研究。通過(guò)改變?cè)陔[藏層的人工神經(jīng)元的個(gè)數(shù)來(lái)改變布局。為估計(jì)個(gè)別與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能有關(guān)程序參數(shù)的效果，40個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練，測(cè)試和分析。網(wǎng)絡(luò)性能使用ETstMax, ETst, ETrn, and ETrnMax四個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)和程序周期數(shù)來(lái)估計(jì)。在輸入輸出層的神經(jīng)元數(shù)通過(guò)輸入輸出參數(shù)的數(shù)量來(lái)決定。由結(jié)果得到的如下所述結(jié)論：
? 0.3比率給出可接受的預(yù)期誤差而掌握比率必須在0.01到0.2之間來(lái)最小化程序周期數(shù)。
?為了最小化判斷誤差，比率在0.001到0.005之間是好的。然而，如果程序周期數(shù)也是最小化，掌握比率應(yīng)該不超過(guò)0.004
?最佳的隱蔽層節(jié)點(diǎn)數(shù)是3或6.節(jié)點(diǎn)數(shù)在2到12或不是3或6的網(wǎng)絡(luò)也表現(xiàn)的好但是導(dǎo)致更高的程序周
期。
?用正弦函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)需要最低的程序周期數(shù)，緊跟的是正切函數(shù)而用雙曲線切線那些需要更高的程序周期。
4.數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備
用在這個(gè)獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取設(shè)備由測(cè)力計(jì)，固定模塊，硬件和軟件如圖1所示。切削力使用安在工件和工作臺(tái)壓電測(cè)力計(jì)測(cè)量。當(dāng)?shù)毒哒谇邢鞴ぜr(shí)，力將通過(guò)刀具施加到測(cè)力計(jì)。在測(cè)力計(jì)上的壓電石英產(chǎn)生形變，電荷將會(huì)產(chǎn)生。電荷然后通過(guò)連接電纜傳遞到多通道電荷放大器。電荷然后使用多通路放大器放大。在多通路電放大器中，不同參數(shù)能被調(diào)整以完成必需解決的。在放大器的輸出端，電壓將對(duì)應(yīng)于取決于設(shè)置在放大器中參數(shù)的力。接口硬件模塊由連接設(shè)計(jì)塊，模擬信號(hào)協(xié)調(diào)模塊和一個(gè)16通道A/D接口板(PC-MIO-16E-4)。在A/D板里，模擬信號(hào)將轉(zhuǎn)變成數(shù)了信號(hào)，以使LabVIEW軟件能讀和接收數(shù)據(jù)。用LabVIEW電壓將轉(zhuǎn)變成在X，Y和Z方向的力。用這個(gè)程序，三個(gè)軸向力要素能同時(shí)獲得，并能為分析力的變化而顯示在屏幕上。選R216-16B20-040型直徑16mm10度螺旋角帶雙刃可互換球狀端立銑刀來(lái)加工。前角12度R216-1603 M-M型立銑刀被選。立銑刀的材料是P10-P20涂上TiC/TiN ，GC4040。冷卻液RENUS FFM用來(lái)冷卻。模糊控制被智能操縱器模塊（Labview），修正進(jìn)給速度被遞到力控制軟件和NC機(jī)床之間CNC通信設(shè)備?？刂破髂芡ㄟ^(guò)存儲(chǔ)器共享。在頻率1KHz時(shí)，超出部分的進(jìn)給速度，可變DNCFRO對(duì)分配力控制軟件有用。
5.模擬和模糊控制銑實(shí)驗(yàn)
為檢查自適應(yīng)模糊控制策略的穩(wěn)定性和耐用度，通過(guò)用Simulink and Labview fuzzy Toolset模擬來(lái)檢查系統(tǒng)。然后，通過(guò)在一個(gè)CNC銑床的對(duì)Ck45和Ck45鋼工件改變切削深度的不同實(shí)驗(yàn)來(lái)改變系統(tǒng)（如圖6）R216-16B20-040型直徑16mm10度螺旋角帶雙刃可互換球狀端立銑刀被選來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。切削條件為：銑削寬度RD = 3 mm，銑削深度AD = 2mm和切削速度vc = 80m/min.模糊控制的參數(shù)相同于對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)。用模糊控制結(jié)構(gòu)如圖1，憂(yōu)化進(jìn)給速度，想要的切削力是[Fref] = 280 N,預(yù)編程的進(jìn)給是0.05mm/teech，允許調(diào)整率為[0–150%]。當(dāng)切削深度改變時(shí)，圖7是切削力和進(jìn)給速度的反映。它顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果中進(jìn)給速度在線調(diào)整來(lái)保持切削力在最大想要值。模擬控制器響應(yīng)在軸向深度一步改變，顯示如圖8.模擬代表了一個(gè)16mm，兩面銑刀，在2000rpm時(shí),正遇到一步從軸向深度從3到4.2mm的改變。這步改變發(fā)生在2s，在0.5s內(nèi)控制器返回峰值成參考峰值力在這項(xiàng)研究中模糊控制器的穩(wěn)定性通過(guò)模擬被估算。用在過(guò)程增益中小和大步改變測(cè)試模擬是為確保系統(tǒng)穩(wěn)定在一定范圍條件內(nèi)。小的過(guò)程增益改變用一個(gè)在2000rpm轉(zhuǎn)速下從3到4.2mm軸向深度改度來(lái)模擬。大的增益改變用一個(gè)軸向深度在2000rpm時(shí)從3到6mm改變來(lái)模擬。伴隨很少的性能降低系統(tǒng)在全布模擬仿真中保持穩(wěn)定。
6.結(jié)果和討論
在用不變進(jìn)給速度（常用切削，如圖7a）的第一次實(shí)驗(yàn)中,MRR僅僅在最后一步時(shí)達(dá)到它的固有值。然而，在第二次測(cè)試中，使用模糊控制加工相同的工件，平均完成的MRR很接近固有的MRR值。對(duì)比圖7a和b，人工神經(jīng)控制銑削系的在切削力是保持在240N左右，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)的進(jìn)給速度接近于傳統(tǒng)CNC銑削系統(tǒng)從C點(diǎn)到D點(diǎn)。從A點(diǎn)到C點(diǎn)，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)的進(jìn)給速度高于正統(tǒng)CNC系統(tǒng)，因此 ，自適應(yīng)銑削系統(tǒng)銑削效率提高了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出MRR可能提高高到27%。相比于大多數(shù)的現(xiàn)有端銑削控制系統(tǒng)，目標(biāo)模糊控制系統(tǒng)有下列優(yōu)勢(shì)：
1.多參數(shù)調(diào)整。
2.對(duì)工件形狀、刀具形狀和工件材料的改變敏感；
3.合算和容易實(shí)現(xiàn)；
4.數(shù)學(xué)建模方便模擬仿真結(jié)果顯示使用設(shè)計(jì)的模糊控制器的銑削過(guò)程耐用度、穩(wěn)定性，比標(biāo)準(zhǔn)的控制器有更高加工效率。實(shí)驗(yàn)顯示模糊控制器比傳統(tǒng)控制器有重大的優(yōu)勢(shì)。主要的優(yōu)勢(shì)是一個(gè)控制器快速響應(yīng)復(fù)雜傳感輸入而在傳統(tǒng)控制器上老的控制運(yùn)算法則下運(yùn)行速度受限制。當(dāng)前研究顯示模糊控制比傳統(tǒng)控制器有很大的優(yōu)勢(shì)。
第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是一個(gè)模糊控制器能有效率地利用在計(jì)劃和執(zhí)行一個(gè)控制動(dòng)作方面比一個(gè)工人更巨大的感官信息。
第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是模糊控制器快速響應(yīng)復(fù)雜的傳感輸入而在傳統(tǒng)控制器的傳統(tǒng)控制法則下的執(zhí)行速度受到嚴(yán)格的限制。
7.結(jié)論
這次投稿的目的是為介紹一輔助自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)給速度來(lái)防止過(guò)度刀具磨損，刀具破損和保持高的金屬去除率的可靠而耐用的模糊力控制器。帶自適應(yīng)控制策略的智能銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊控制器有高的耐用度和完全穩(wěn)定性。方法成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)Heller銑削加工中。目標(biāo)在線最佳切削條件決定系統(tǒng)在這篇文章中應(yīng)用于球端銑削，但顯然此系統(tǒng)也可延伸到其它的機(jī)床上來(lái)提高切削效率。
（2007屆）
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料
學(xué) 院、系：
機(jī)械工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名：
班 級(jí)：
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師姓名：
職稱(chēng)
最終評(píng)定成績(jī)：
二○○六年九月制
目 錄
第一部分 過(guò)程管理資料
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)書(shū) ( 3 )
二、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 ( 6 )
三、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展情況記錄 (11)
四、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 (13)
五、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)閱表 (14)
六、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱表 (15)
七、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯及最終成績(jī)?cè)u(píng)定表 (16)
第二部分 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
八、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
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2007屆
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料
第一部分 過(guò)程管理資料
2007屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)書(shū)
院(系)：機(jī)械工程系 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
課題名稱(chēng)
XK5040數(shù)控立式銑床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
內(nèi)
容
及
任
務(wù)
（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容：
1、調(diào)查分析XK5040數(shù)控立式銑床的加工特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)數(shù)控立式銑床
的主要技術(shù)參數(shù)。
2、進(jìn)行數(shù)控立式銑床總體方案和控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。
3、完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4、完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。
（2）任務(wù)和要求：
1、根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，繪制XK5040數(shù)控立式銑床總體外觀圖一張（三維計(jì)算機(jī)圖）。
2、進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),繪制主軸箱裝配圖和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算,
繪制出工作臺(tái)縱向或垂直方向數(shù)控進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖一張(A0計(jì)算機(jī)圖二張)。
3、繪制出數(shù)控銑床主軸零件圖。(A1計(jì)算機(jī)圖1張)。
4、根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，繪制控制系統(tǒng)電路圖一張（A0計(jì)算機(jī)圖）。
5、科技譯文（不少于2000漢字，原文可自選或由指導(dǎo)老師提供）。
6、編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一套（不少于二萬(wàn)字，有英文摘要，全部用計(jì)算機(jī)打出）。
擬
達(dá)
到
的
要
求
或
技
術(shù)
指
標(biāo)
1、工作臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬）： 1600×400mm；
2、工作臺(tái)最大承載 ： 200kg；
3、定位精度ISO標(biāo)準(zhǔn) X 0.07mm ；Y 0.05mm ；Z 0.06mm ；
4、工作臺(tái)進(jìn)給量：縱向10～1500mm/min；橫向10～1500mm/min；
垂直10～600mm/min；
5、主軸轉(zhuǎn)速范圍：30～1500r/min；
進(jìn)
度
安
排
起止日期
工作內(nèi)容
2006.12．20—2007.01.06
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題和開(kāi)題報(bào)告
2006.01.07—2007.02.26
課題調(diào)研，收集資料，擬定總體方案，畫(huà)總體圖
2007.02.27—2007.03.30
進(jìn)行有關(guān)運(yùn)動(dòng)計(jì)算,確定主運(yùn)動(dòng)主要參數(shù),繪出轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖，繪制主軸箱裝配圖
2007.03.30—2007.04.20
進(jìn)行進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，繪制進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖一張
2007.04.20—2007.05.10
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，畫(huà)控制系統(tǒng)圖一張
2007.05.10—2007.05.15
對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查
2007.05.21—2007.05.30
整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及修改圖子，翻譯科技外文，以及畢業(yè)答辯的準(zhǔn)備。
主
要
參
考
資
料
[1]、李福生主編，數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：出版社，1996.1
[2]、曹金榜易錫麟，機(jī)床主軸變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.5
[3]、王愛(ài)玲、白恩遠(yuǎn)、趙學(xué)良、趙建國(guó)主編，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.4
[4]、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯組編，機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.12
[5]、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》聯(lián)合編寫(xiě)組編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.12
[6]、周明衡主編，離合器、制動(dòng)器選用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.5
[7]、華東紡織工學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 天津大學(xué) 主編，機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1981.5
[8]李廣弟 朱月繡 王繡山主編，單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.10
[9]黃鶴汀主編，金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.12
[10]趙大興 李天寶主編，現(xiàn)代工程圖學(xué)[M].武漢：武漢科學(xué)技術(shù)出版社，2002.8
[11]顧維邦主編，金屬切削機(jī)床概論[M].北京：機(jī)械的工業(yè)出版社，1999.7
[12]張維紀(jì)編著，金屬切削原理及刀具[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003.7
[13]甘永立主編，幾何量公差與檢測(cè)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.4
[14]張建鋼 胡大澤主編，數(shù)控技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.8
[15]朱張校主編，工程材料[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.6
[16]濮良貴 陳庚梅主編，機(jī)械設(shè)計(jì)教程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.2
[17]文懷興主編，數(shù)控銑床設(shè)計(jì)[M] 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2006.1
教研室
意見(jiàn)
簽名：
年 月 日
院(系)主管領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn)
簽名：
年 月 日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
（2007屆）
學(xué) 院、系：
機(jī)械工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名：
班 級(jí)：
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師姓名：
職稱(chēng)
2007年1月10日
題目：課題研究背景—數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
1. 結(jié)合課題任務(wù)情況，查閱文獻(xiàn)資料，撰寫(xiě)1500～2000字左右的文獻(xiàn)綜述。
20世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。自從1952年美國(guó)第１臺(tái)數(shù)控銑床問(wèn)世至今已經(jīng)歷了50個(gè)年頭。數(shù)控設(shè)備包括：車(chē)、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類(lèi)專(zhuān)用機(jī)床，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有10～20萬(wàn)臺(tái)，產(chǎn)值上百億美元。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在80年代曾有過(guò)高速發(fā)展的階段，許多機(jī)床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來(lái)說(shuō)，技術(shù)水平不高，質(zhì)量不佳，所以在90年代初期面臨國(guó)家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時(shí)期，那時(shí)生產(chǎn)能力降到50％，庫(kù)存超過(guò)4個(gè)月。從1995年“九五”以后國(guó)家從擴(kuò)大內(nèi)需啟動(dòng)機(jī)床市場(chǎng)，加強(qiáng)限制進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點(diǎn)支持關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對(duì)數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用，尤其是在1999年以后，國(guó)家向國(guó)防工業(yè)及關(guān)鍵民用工業(yè)部門(mén)投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)備制造市場(chǎng)一派繁榮。當(dāng)今世界工業(yè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的擁有量反映了這個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)能力和國(guó)防實(shí)力。目前我國(guó)是全世界機(jī)床擁有量最多的國(guó)家（近30萬(wàn)臺(tái)），但我們的機(jī)床數(shù)控化率僅達(dá)到1.9％左右，這與西方工業(yè)國(guó)家一般能達(dá)到20％的差距太大。日本不到80萬(wàn)臺(tái)的機(jī)床卻有近10倍于我國(guó)的制造能力。數(shù)控化率低，已有數(shù)控機(jī)床利用率、開(kāi)動(dòng)率低，這是發(fā)展我國(guó)21世紀(jì)制造業(yè)必須首先解決的最主要問(wèn)題。每年我們國(guó)產(chǎn)全功能數(shù)控機(jī)床3000～4000臺(tái)，日本1年產(chǎn)5萬(wàn)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，每年我們花十幾億美元進(jìn)口7000～9000臺(tái)數(shù)控機(jī)床，即使這樣我國(guó)制造業(yè)也很難把行業(yè)中數(shù)控化率大幅度提上去。國(guó)內(nèi)的數(shù)控生產(chǎn)廠家主要有華中數(shù)控、北京航天機(jī)床數(shù)控集團(tuán)、北京凱恩帝、北京凱奇、沈陽(yáng)藝天、廣州數(shù)控、南京新方達(dá)、成都廣泰等，國(guó)產(chǎn)數(shù)控生產(chǎn)廠家規(guī)模都較小，年產(chǎn)都還沒(méi)有超過(guò)300～400套。從上面我們可以看出：我國(guó)的數(shù)控技術(shù)水平還有待提高，生產(chǎn)技術(shù)還相當(dāng)落后。 因此，我們有必要大力發(fā)展我國(guó)的數(shù)控技術(shù)，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的總體水平，將我國(guó)的工業(yè)水平提高到一個(gè)新的檔次。
近10年數(shù)控機(jī)床為適應(yīng)加工技術(shù)發(fā)展，在以下幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有巨大進(jìn)步。
(1) 高速化
由于高速加工技術(shù)普及，機(jī)床普遍提高各方面速度，車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速由3000～4000r/min提高到8000～1000r/min，銑床和加工中心主軸轉(zhuǎn)速由4000～8000r/min提高到12000r/min、24000r/min、40000r/min以上,快速移動(dòng)速度由過(guò)去的10～20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同時(shí)要求提高運(yùn)動(dòng)部件起動(dòng)的加速度，其已由過(guò)去一般機(jī)床的0.5G（重力加速度）提高到1.5～2G，最高可達(dá)15G，直線電機(jī)在機(jī)床上開(kāi)始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)。
(2) 高精度化
數(shù)控機(jī)床的定位精度已由一般的0.01～0.02ｍｍ提高到0.008ｍｍ左右，亞微米級(jí)機(jī)床達(dá)到0.0005mm左右，納米級(jí)機(jī)床達(dá)到0.005～0.01μｍ，最小分辨率為1nm的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床已有產(chǎn)品。 數(shù)控中兩軸以上插補(bǔ)技術(shù)大大提高，納米級(jí)插補(bǔ)使兩軸聯(lián)動(dòng)出的圓弧都可以達(dá)到１μ的圓度，插補(bǔ)前多程序段預(yù)讀，大大提高插補(bǔ)質(zhì)量，并可進(jìn)行自動(dòng)拐角處理等。
(3) 復(fù)合加工、新結(jié)構(gòu)機(jī)床大量出現(xiàn)
如5軸5面體復(fù)合加工機(jī)床，5軸5聯(lián)動(dòng)加工各類(lèi)異形零件。也派生出各新穎的機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括5軸虛擬軸機(jī)床，串并聯(lián)鉸鏈機(jī)床等。采用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)控的特殊運(yùn)算方式，特殊編程要求。
(4) 使用各種高效特殊功能的刀具使數(shù)控機(jī)床“如虎添翼”。
如內(nèi)冷鉆頭由于使高壓冷卻液直接冷卻鉆頭切削刃和排除切屑，在鉆深孔時(shí)大大提高效率。加工鋼件切削速度能達(dá)1000m/min，加工鋁件能達(dá)5000m/min。
(5) 數(shù)控機(jī)床的開(kāi)放性和聯(lián)網(wǎng)管理
數(shù)控機(jī)床的開(kāi)放性和聯(lián)網(wǎng)管理已是使用數(shù)控機(jī)床的基本要求，它不僅是提高數(shù)控機(jī)床開(kāi)動(dòng)率、生產(chǎn)率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計(jì)算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)制造、異地診斷、虛擬制造、異行工程等等各種新技術(shù)都在數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，這必然成為21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。
參考文獻(xiàn)：文懷興主編，數(shù)控銑床設(shè)計(jì)[M] 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2006.1
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的數(shù)控機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r及自己興趣，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我選擇了XK5040數(shù)控立式銑床設(shè)計(jì)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，以便使自己對(duì)數(shù)控銑床有更多的了解，進(jìn)而增強(qiáng)自己在這方面的能力。
2.選題依據(jù)、主要研究?jī)?nèi)容、研究思路及方案。
1、依據(jù)：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)率水平的提高，人們對(duì)產(chǎn)品精度和質(zhì)量的要求越來(lái)越來(lái)嚴(yán)格。因此，企業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，數(shù)控銑床得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于銑床使用旋轉(zhuǎn)的多齒刀具加工工件，同時(shí)有數(shù)個(gè)刀齒參加切削，所以生產(chǎn)效率高，但是，由于銑刀每個(gè)刀齒的切削過(guò)程是斷續(xù)的，且每一個(gè)的切削厚度又是變化的，這就使切削力相應(yīng)地發(fā)生變化，容易引起機(jī)床振動(dòng)，因此，銑床在結(jié)構(gòu)上要求有較高的剛度和抗振性。
2、研究的內(nèi)容：
本次設(shè)計(jì)主要研究的是XK5040數(shù)控立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)床主傳動(dòng)及進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，包括參數(shù)擬定、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、零件計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，對(duì)主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給系統(tǒng)各部件進(jìn)行選擇,計(jì)算,校核；以及對(duì)XK5040立式銑床控制系統(tǒng)選用MCS-51系列單片機(jī)組成，縱向、橫向及垂直方向的控制電路設(shè)計(jì)。
3、研究思路及技術(shù)方案：
這次設(shè)計(jì)的任務(wù)是對(duì)XK5040數(shù)控立式銑床進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)，先明確目的如下:
a．掌握機(jī)床主傳動(dòng)及進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，包括參數(shù)擬定、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、零件計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，培養(yǎng)機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的能力。
b．綜合應(yīng)用過(guò)去所學(xué)的理論知識(shí)，提高聯(lián)系實(shí)際和綜合分析的能力。
c．訓(xùn)練和提高設(shè)計(jì)的基本技能。如計(jì)算、制圖、應(yīng)用設(shè)計(jì)資料、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、編寫(xiě)技術(shù)文件（說(shuō)明書(shū)）等。
1、 主軸箱設(shè)計(jì)思路如下:
先根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行有關(guān)運(yùn)動(dòng)計(jì)算,確定主運(yùn)動(dòng)主要參數(shù),繪出轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖；再進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算,確定主電動(dòng)機(jī)功率。
接著進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,繪制主軸箱裝配圖一張
2．進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量，計(jì)算切削力，滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型，齒輪傳動(dòng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。
3．控制部分總體思路如下：
根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，控制系統(tǒng)的功能包括：
a、X向、Y向、Z給伺服運(yùn)動(dòng)；b、鍵盤(pán)顯示；
c、面板管理
d、行程控制
e、其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示
硬件電路主要由以下幾部分組成：
a) 主控制器，即中央處理單元（CPU）;
b) 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；
c) 存儲(chǔ)器，包括RAM和ROM；
d) 接口，即I/O輸入輸出接口電路；
e) 外部設(shè)備，如鍵盤(pán)，顯示器及光電輸入等。
3.工作進(jìn)度及具體安排。
2006.12.20—2007.01.06 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題和開(kāi)題報(bào)告
2006.01.07—2007.02.26 課題調(diào)研，收集資料，擬定總體方案，畫(huà)總體圖
2007.02.27—2007.03.30 進(jìn)行有關(guān)運(yùn)動(dòng)計(jì)算,確定主運(yùn)動(dòng)主要參數(shù),繪出轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖，繪制主軸箱裝配圖
2007.03.30—2007.04.20 進(jìn)行進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，繪制進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖一張
2007.04.20—2007.05.10 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，畫(huà)控制系統(tǒng)圖一張
2007.05.10—2007.05.15 對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查
2007.05.21—2007.05.30 整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及修改圖子，翻譯科技外文，以及畢業(yè)答辯的準(zhǔn)備
4.指導(dǎo)教師意見(jiàn)。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
說(shuō)明：開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，此報(bào)告應(yīng)在導(dǎo)師指導(dǎo)下，由學(xué)生填寫(xiě)，將作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)考查的重要依據(jù)，經(jīng)導(dǎo)師審查后簽署意見(jiàn)生效。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展情況記錄
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：XK5040數(shù)控立式銑床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
班級(jí)： 學(xué)號(hào)：學(xué)生：_ ___指導(dǎo)教師：
時(shí) 間
任務(wù)完成情況
指導(dǎo)教師意見(jiàn)
第 周
至
第 周
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
注：教師監(jiān)督學(xué)生如實(shí)記錄畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）過(guò)程中根據(jù)《課題任務(wù)書(shū)》擬定的進(jìn)度與進(jìn)展情況以及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和困難，并簽署意見(jiàn)。
第 周
至
第 周
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
第 周
至
第 周
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
注：教師監(jiān)督學(xué)生如實(shí)記錄畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）過(guò)程中根據(jù)《課題任務(wù)書(shū)》擬定的進(jìn)度與進(jìn)展情況以及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫(xiě)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和困難，并簽署意見(jiàn)。
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
填表日期： 2007 年 4 月 10 日
院（系）
機(jī)械工程學(xué)院
班級(jí)
學(xué)生姓名
課題名稱(chēng)：XK5040數(shù)控立式銑床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
課題主要任務(wù)：
1、根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，繪制XK5040數(shù)控立式銑床總體外觀圖一張（三維計(jì)算機(jī)圖）。
2、進(jìn)行主進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng),強(qiáng)度和動(dòng)力計(jì)算,繪制主軸箱裝配圖
和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算,繪制出工作臺(tái)縱向或垂直方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)
裝配圖一張(A0計(jì)算機(jī)圖二張)。
3、繪制出數(shù)控銑床主軸零件圖.(A1計(jì)算機(jī)圖1張)。
4、根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，繪制控制系統(tǒng)電路圖一張（A0計(jì)算機(jī)圖）。
5、科技譯文（不少于2000漢字，原文可自選或由指導(dǎo)老師提供）。
6、編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一套（不少于二萬(wàn)字，有英文摘要，全部用計(jì)算機(jī)打出）。
1、簡(jiǎn)述開(kāi)題以來(lái)所做的具體工作和取得的進(jìn)展或成果
調(diào)研、收集資料，熟悉課題內(nèi)容。
擬定了總體方案，畫(huà)總圖。
主傳動(dòng)及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算主軸箱裝配圖
2、下一步的主要研究任務(wù)，具體設(shè)想與安排
伺服部分設(shè)計(jì)、計(jì)算，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及翻譯科技外文
3、存在的具體問(wèn)題
本次設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)是主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、尺寸的確定、控制部分的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)是尺寸的確定，滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型和控制部分的設(shè)計(jì)
4、指導(dǎo)教師對(duì)該生前期研究工作的評(píng)價(jià)
指導(dǎo)教師簽名：
日 期：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)閱表
院（系）：機(jī)械工程系
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
班 級(jí)
專(zhuān) 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師
姓 名
課題名稱(chēng)
XK5040數(shù)控立式銑床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
評(píng)語(yǔ)：（包括以下方面，①學(xué)習(xí)態(tài)度、工作量完成情況；②檢索和利用文獻(xiàn)能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；③學(xué)術(shù)水平或設(shè)計(jì)水平、綜合運(yùn)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力；）
是否同意參加答辯：
是□ 否□
指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)
分值：
指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱表
院、系： 機(jī)械工程系
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
班 級(jí)
專(zhuān) 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
課題名稱(chēng)
XK5040數(shù)控立式銑床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
評(píng)語(yǔ)：（對(duì)論文學(xué)術(shù)評(píng)語(yǔ)，包括選題意義；文獻(xiàn)利用能力；所用資料可靠性；創(chuàng)新成果及寫(xiě)作規(guī)范化和邏輯性）
針對(duì)課題內(nèi)容給設(shè)計(jì)者（作者）提出3個(gè)問(wèn)題，作為答辯時(shí)參考。
1.
2.
3.
評(píng) 分：
是否同意參加答辯
是□ 否□
評(píng)閱人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯及最終成績(jī)?cè)u(píng)定表
院、系（公章）：
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
班級(jí)
答辯
日期
課題名稱(chēng)
XK5040數(shù)控立式銑床主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、
進(jìn)給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)
教師
成 績(jī) 評(píng) 定
分值
評(píng) 定
教師
1
教師
2
教師
3
教師
4
教師
5
小計(jì)
課題介紹
思路清晰，語(yǔ)言表達(dá)準(zhǔn)確，概念清楚，論點(diǎn)正確，實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)，分析歸納合理，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計(jì)（論文）有應(yīng)用價(jià)值。
30
答辯
表現(xiàn)
思維敏捷,回答問(wèn)題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問(wèn)題回答準(zhǔn)確大、深入,知識(shí)面寬。
70
合 計(jì)
100
答 辯 評(píng) 分
分值：
答辯小組長(zhǎng)簽名：
答辯成績(jī)a：
× ％＝
指導(dǎo)教師評(píng)分
分值：
指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)b：
× ％＝
評(píng)閱教師評(píng)分
分值：
評(píng)閱教師評(píng)定成績(jī)c：
× ％＝
最終評(píng)定成績(jī)：
分?jǐn)?shù)： 等級(jí)：
答辯委員會(huì)主任簽名：
年 月 日
說(shuō)明：最終評(píng)定成績(jī)＝a+b+c，三個(gè)成績(jī)的百分比由各院、系自己確定。
2007屆
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料
第二部分 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)