专利名称：一种基于嵌入式平台的数控铣削加工智能优化控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于数控加工控制技术领域，涉及的是一种数控加工智能控制技术，特别是数控铣削加工智能优化控制系统。
背景技术：
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。进入九十年代，我国数控的年需求量已达到2万台以上，如何充分发挥设备效率，创造投资带来的高回报是企业最为关注的问题。在企业的生产加工过程中，加工变量一般根据经验以固定参数形式事先设定，数控程序在加工前以手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制，为避免或减少可能出现的异常，在实际加工时一般都选用较保守的切削工艺参数，在整个加工过程中CNC只是一个专用的开环执行机构，这大大制约了数控机床加工潜力和切削效率的提高。由于数控系统识别和处理切削过程中不可预知的、模糊和不确定性情况的能力较低，在复杂环境以及多变的条件下，加工过程中的工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正设定量。
发明内容
本发明提出一种适用于数控铣削加工过程优化的基于嵌入式平台的智能控制，系统通过优化计算获取自适应控制的目标值。应用模糊控制方法，自适应调节进给速率的倍率开关和一定范围内的主轴转速倍率开关，实现以主轴电机功率为约束目标的铣削加工过程自适应控制。通过对加工过程的在线按目标约束控制，来提高数控铣削加工效率，降低生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，它主要包括两个主要部分参数优化匹配系统和智能模糊控制器，这两个部分通过RS232通讯口相连组成控制系统，其中，参数优化匹配系统由SQL-SERVER数据库、优化引擎和人机交互界面组成；智能模糊控制器由AVR-MEGA128嵌入式CPU、地址锁存器、8255A外围接口扩展芯片组、数据存储器(RAM)、功率采样器件组、输出调节的固态继电器组、光电隔离M码信号采集芯片组、RS232C通讯接口器件组等部分组成，其特征包括所述的参数优化匹配系统是一套运行在Windows 2000 professional操作系统上的软件，该软件以遗传算法为优化引擎，通过调用SQL-SERVER数据库中材料参数表、刀具参数表、切削速度计算参数表、切削力计算参数表，在优化计算平台上输入加工特征的相关数据(包括加工材料、轴向切削深度和径向深度以及采用的刀具型号)，运用遗传算法为优化引擎，进行优化计算，获得对应加工特征优化的自适应目标功率值和NC程序采用的进给速率和主轴转速推荐值。
所述的参数优化匹配系统给出的参数匹配知识包括自适应目标的功率偏差许可范围值、主轴转速度调节倍率许可范围、调节主轴转速倍率所需要的功率偏差EP值、FMIN值和主轴转速倍率的调节知识，这些知识运用产生式规则可描述为IF 进给倍率为最大进给倍率值AND自适应功率值的偏差大于正偏差EPAND主轴转速度倍率在许可范围THEN主轴转速倍率增加一档IF 进给倍率小于设定的进给FMIN值AND自适应功率值小于负偏差-EPAND主轴转速度倍率在许可范围THEN主轴转速倍率减少一档所述的AVR-MEGA128嵌入式CPU平台，通过JTAG通讯口，即通过TCK、TMS、TDO、TDI四个引脚，组成嵌入式调试系统，这四个引脚通过10k的上拉电阻实现通讯电平的匹配，嵌入式系统通过该通讯口实现程序的嵌入式开发，也通过该通讯口实现程序的上传与下载。
所述的数据存储器为高速数据存储器，CPU通过高速的地址锁存器实现地址锁存。
显示可由液晶控制模块和25键键盘组成。
所述的8255A外围扩展I/O芯片组，它的输出连接进给速度修正开关和主轴转速修正开关，根据CPU的输出控制实时在线匹配调节进给速度和主轴转速。它的输出还驱动报警灯、电源指示灯和在线调节运行灯，根据程序对过负荷的判定，芯片输出控制着CNC的紧急停机命令与停止进给命令，根据操作员的需要，芯片输出方式可实现手动调节与自动调节的切换控制。
所述的8255A外围扩展I/O芯片组，它的输入连接M指令码光电隔离信号采集，M指令码为数控系统定义的状态输出码，本发明支持BIN码、BCD码等8位信号表示的功能编码。
所述的功率采集功能主要由CS5460A芯片、PT转换器、电流霍尔传感器组成。主轴电机的相电压经过PT及精密电阻的滤波与变换后，接入CS5460Vin+和Vin-两端，主轴电机相电流经过电流霍尔传感器滤波与变换后，接入CS5460Iin+和Iin-两端，嵌入式CPU通过同步通讯与CS5460A实现数据交换。
所述RS232C通讯接口器件组是用来传输上述优化匹配系统的自适应目标值和速度调节所需的参考值，通过MAX232A芯片及外围电阻、电容的匹配实现TTL电平与RS232电平的转换。
本发明与现有技术相比有如下的技术改进1、通过异步通讯获取参数优化匹配系统给定自适应目标值，避免了设定自适应目标值盲目性。
2、在嵌入式平台上开发，使控制器处理数据速度更快，系统结构变的简单，可靠性得到增强，系统维护更加方便。
3、通过自动调节进给速率和一定范围内调整切削速度，实现加工效率得到更大的提高，并能对主轴电机、刀具设备进行在线保护，从而有效防止刀具破损，提高刀具使用寿命和产品加工质量，降低制造成本，实现设备保护与铣削过程优化相协同的功能。
本发明的优点在于，通过加工参数优化匹配系统计算，获取自适应约束目标值，为加工过程的优化奠定基础，通过加工过程模糊自适应调节进给倍率和按知识规则调节主轴转速倍率，实现加工效率的得到提高同时，可有效的防止主轴电机过负荷和延长刀具的使用寿命。
图1是本发明系统结构示意图。
图2是本发明的参数优化匹配系统软件数据流程示意图。
图3是本发明的智能控制器结构示意图。
图4是本发明的电路原理示意图。
图5是本发明的功率采集原理示意图。
具体实施例方式
如图1所示为本发明的系统结构图，图中上部分为参数优化匹配系统部分，下部分为智能模糊控制器。参数优化匹配系统是一套运行PC机的Window2000Professional操作系统之上的软件，该优化系统软件依据最高加工效率为优化目标，根据加工特征所具有的加工深度、加工材料和对应的刀具和机床参数为约束条件进行优化计算，计算获得自适应功率目标约束值和NC程序采用主轴转速与进给速度，软件进一步提供在线调节主轴转速倍率的匹配规则参数，该软件通过RS232通讯口把参数匹配规则和自适应目标值传给模糊智能控制器。模糊智能控制则根据自适应的目标值和匹配规则，自适应控制调节进给倍率修调开关和主轴转速倍率开关。当主轴功率超过设定的约束范围时则对设备进行保护，保护方式有紧急停机、停止进给两种。
如图2所示为本发明的参数优化匹配系统数据流程图，软件提供输入参数与实验数据的人机界面，参数数据库以SQL-Server2000为DBMS系统。数据库中提供的数据表单包括刀具参数表、刀具材料表、加工材料表、机床设备表、耐磨度计算表、切削力计算表、运行实例表。对于具体的加工工步，操作人员依据选用的刀具型号及加工材料选择对应的计算参数，以加工特征和设备为约束，以最少加工时间为优化目标，借用遗传算法(GA)为优化引擎进行优化计算，计算结果为加工过程自适应目标的约束值、参考采用的进给速度与主轴转速。软件优化出的参考主轴转速与进给速度一方面可推荐给NC程序，使加工过程是在较优的参数下进行；另一方面，操作员结合优化出的结果把转速变化范围带和调整优先等级等参数匹配知识，通过RS232通讯口发送给智能控制器。
图3所示为本发明的智能控制器硬件结构图，硬件结构由八个部分组成，主要包括控制核心部分、控制驱动部分、信号采集部分、功率监测部分、工作电源部分、人机交互部分、在线程序调试部分以及通讯接口部分。控制核心由MEGA128 AVR嵌入式CPU组成，负责所有数据处理与模糊控制算法的实现；驱动部分用于实现对数控机床的控制，控制的环节主要包含进给倍率开关的调节、切削速度倍率开关的调节以及过负荷的情况下紧急停机控制；信号采集部分主要是对机床辅助功能码的信号采集，以便于与数控机床之间形成互动与协调。监测部分是用于实现对主轴功率的数据采集，采集原理主要是通过对主轴电机的电流与电压进行交流采样，然后通过专用的功率计算芯片实现功率的采集，核心CPU通过SPI的通讯方式与该芯片进行实时通讯，来实现对功率的采集；电源部分主要是把机床上提供的24V电源转化为可供控制器工作的电源，其中主要有两部分的电压转换，一个是把24V变换5V供CPU等芯片使用，另一个是24V变换为15V用于给电流传感器CT使用；人机交互部分由键盘和液晶显示两部分，键盘的功能用来实现对参数设定，液晶显示用来显示功能菜单、实时数据以及控制器的工作状态等。通讯接口部分用来与参数优化匹配系统进行通讯，以利于获取专家知识，实现对加工过程的优化；JTAG接口部分主要是为在线程序的调试提供方便，利于版本的升级。
图4为本发明的智能控制器电路原理图，控制器主要由嵌入式CPU、液晶控制模块、RS232C电平与TTL电平转化芯片MAX232A、高速缓存74AHC573、62864RAM、以及接口扩展8255芯片组组成。64k容量的RAM占用CPU的PA和PC口资源，液晶控制模块占用PE口资源，PG口与功率采样芯片CS5460接口通讯，实现功率采集，PA口通过高速的地址锁存器74AHC573实现低8位的地址锁存，高8位地址通过PC口输出，8255芯片的PA口做为进给速度修调整倍率开关与主轴转速修调倍率开关控制输出，8255的PC口做为二进制信号输入口，实现对机床M码信号与键盘输入信号采集，8255的PB口用于辅助信号输出，如智能控制状态信号、和紧急事件控制信号的输出。
图5为本发明的功率采集原理图，功率采集是以CS5460芯片为核心的，图中1、2引脚为机床电机相电压输入端，4、5引脚为电压输出端，4、5引脚输出为交流电压信号，同样6、7引脚为霍尔电流传感器的输出端，6，7引脚输出的也为交流电压信号，之后电压采样与电流采样的原理类似，这里以电流采样原理为例进行说明，R6、R7为精密电阻，用来实现分压，使输入功率采样芯片两端的电压控制在150mV左右，R2、R3用来实现限流的作用，R4，R5用来实现下拉电阻的功效，C9电容起滤高频波形的作用，C10、C11用来拉低高频信号带来的电压势，功率芯片经过采集的电流信号与电压信号之后，进行转换运算获得功率，经过CPU对SLK端口时钟信号控制，实现SDO的数据输出与SDI的访问命令输入。
权利要求
1.一种基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于包括参数优化匹配系统和智能模糊控制器，这两个部分通过通讯口相连。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于还包括基于PC运行的参数优化匹配系统软件、RS232通讯线。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于所述的运行参数优化匹配系统软件的PC机，是装有Windows2000Professinal、SQL-SERVER数据库系统软件和参数优化匹配系统软件的计算机，支持RS232通讯接口。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于所述的智能模糊控制器是一基于嵌入式平台的模糊控制器，其还包括嵌入式CPU、高速地址缓存器、高速访问的RAM、功率采样器，I/0信号采集支持机床的8位M码按任何方式编码，控制调节可以同时实现对进给速度和主轴转速进行控制调节，也可单独调节进给速度。
5.根据权利要求4所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于数字量控制输出具有对进给倍率开关和主轴转速倍率开关同时调节的结构。
6.根据权利要求4所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于所述的功率采样器其采样过程通过CS5460芯片实现，与机床的接口为PT变换器与霍尔CT传感器，配合功率采样的电路包括电压变换电路和滤波电路。
7.根据权利要求4所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于所述的外围信号采样通过8255芯片实现。
8.根据权利要求4所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于显示可由液晶控制模块和25键键盘组成，所述的液晶显示部分通过单独的一组端口PE口实现。
9.根据权利要求4所述的基于嵌入式平台的数控铣削智能优化控制系统，其特征在于所述的RS232通讯部分由MAX232芯片直接连接嵌入式芯片的UDR接口。
全文摘要
一种铣削加工智能优化控制系统，包括参数优化匹配系统和智能模糊控制器，这两个部分通过通讯口相连，还包括基于PC运行的参数优化匹配系统软件、RS232通讯线。系统可用于对数控铣削加工过程进行递阶智能控制，参数优化匹配系统通过优化计算给出NC程序参考的进给速度、主轴转速和供控制器使用的主轴电机功率约束值及参数之间相互匹配知识，参数优化匹配系统通过异步通讯方式把功率约束值与匹配知识发送给模糊智能控制器，控制器通过模糊自适应控制方法，在线自适应调节进给速率的倍率开关和一定范围内的主轴转速倍率开关，实现以主轴电机功率为约束目标的自适应智能控制。可提高刀具使用寿命和产品加工质量，降低制造成本。
文档编号G05B19/4155GK101025624SQ200610024149
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月24日 优先权日2006年2月24日
发明者李爱平, 林献坤, 张为民, 刘雪梅, 左文涛, 冯小军, 蒋昇 申请人:同济大学