本發(fā)明涉一種數(shù)控加工技術(shù)，尤其是一種自適應(yīng)加工技術(shù)，具體地說是一種基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、加工效率是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一。由于實(shí)際加工過程是一個(gè)具有高度非線性、強(qiáng)時(shí)變性的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，為了盡可能地保證加工質(zhì)量，離線確定工藝參數(shù)時(shí)往往較為保守，加工效率因此受到限制，設(shè)備潛力也沒有得到充分發(fā)揮。在與加工過程相關(guān)的工藝參數(shù)中，進(jìn)給速度是和加工效率最密切相關(guān)的可調(diào)工藝參數(shù)。增大進(jìn)給速度可以直接提高機(jī)床加工效率，但相應(yīng)的切削力的增大容易引起切削振動(dòng)、刀具變形甚至刀具損壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響零件尺寸精度和表面質(zhì)量。因此，通過優(yōu)化進(jìn)給速度對(duì)切削力進(jìn)行穩(wěn)定控制，可以在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，盡可能提高加工效率。

2、現(xiàn)有的面向切削力穩(wěn)定控制的進(jìn)給速度優(yōu)化方法可分為進(jìn)給速度離線優(yōu)化和進(jìn)給速度在線優(yōu)化兩種方式。其中離線優(yōu)化方法受限于切削力理論模型的精度和實(shí)際加工過程中的不確定因素，優(yōu)化結(jié)果往往只有參考價(jià)值。在線優(yōu)化方法中，論文《adaptiveexecution?of?an?nc?program?with?feed?rate?optimization》通過臺(tái)式測(cè)力儀在實(shí)際加工過程中實(shí)時(shí)采集切削力數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過模糊推理系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行在線優(yōu)化，使切削力保持穩(wěn)定。但是模糊控制方法缺乏明確的可解釋性，且準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性不佳。論文《anintelligent?system?for?monitoring?and?optimization?of?ball-end?millingprocess》通過臺(tái)式測(cè)力儀在線監(jiān)測(cè)切削力，進(jìn)而利用遺傳算法優(yōu)化進(jìn)給速度。然而，遺傳算法等啟發(fā)式算法迭代計(jì)算量較大，降低了進(jìn)給速度優(yōu)化的實(shí)時(shí)性。因此，亟需一種以切削力穩(wěn)定為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度快速準(zhǔn)確在線優(yōu)化的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的以切削力穩(wěn)定為目標(biāo)的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法的不足，發(fā)明一種基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法。該方法以優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值穩(wěn)定在所設(shè)定的切削力參考值附近為控制目標(biāo)，采取前饋與反饋控制相結(jié)合的方法自適應(yīng)優(yōu)化進(jìn)給速度。其中前饋控制器由一系列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的代理模型依據(jù)切削力與切削參數(shù)之間的映射關(guān)系組合而成，可以直接估計(jì)當(dāng)前的等效切深，進(jìn)而直接計(jì)算出較為可靠的進(jìn)給速度前饋優(yōu)化值。反饋控制部分采用經(jīng)典的pid控制器，負(fù)責(zé)補(bǔ)償前饋優(yōu)化結(jié)果的誤差，以提高控制精度。最終，約束器約束進(jìn)給速度取值范圍和波動(dòng)范圍后生成最終的指令進(jìn)給速度，以保證加工過程的平穩(wěn)性。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：在監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過程中切削力的基礎(chǔ)上，以優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值穩(wěn)定在設(shè)定的切削力參考值附近為控制目標(biāo)，構(gòu)建由切削參數(shù)估計(jì)器和進(jìn)給速度估計(jì)器級(jí)聯(lián)組成的前饋控制器，前饋控制器輸出的進(jìn)給速度前饋指令和反饋控制器輸出的進(jìn)給速度反饋指令疊加后，通過指令約束器約束進(jìn)給速度取值范圍和前后兩次指令的波動(dòng)范圍后生成最終的指令進(jìn)給速度；前饋控制器中的兩個(gè)估計(jì)器均為利用切削力理論預(yù)測(cè)模型生成的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)代理模型，其中切削參數(shù)估計(jì)器的輸入為監(jiān)測(cè)得到的當(dāng)前優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值和實(shí)時(shí)進(jìn)給速度，輸出為估計(jì)得到當(dāng)前的等效切深；進(jìn)給速度估計(jì)器的輸入為切削參數(shù)估計(jì)器的輸出和切削力參考值，輸出為估計(jì)得到的進(jìn)給速度前饋指令；反饋控制器的輸入為切削力參考值和當(dāng)前優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值的差值，輸出為進(jìn)給速度反饋指令。

4、其中，切削力是指進(jìn)給軸方向切削力、切削力合力、切向切削力或主軸切削力矩中的一個(gè)；當(dāng)切削力控制對(duì)象選取為進(jìn)給軸方向切削力時(shí)，前饋控制器中的兩個(gè)估計(jì)器均需要增加進(jìn)給方向作為輸入，增加的輸入用進(jìn)給方向與機(jī)床x軸的夾角表示。所述的前饋控制器中的切削參數(shù)估計(jì)器和進(jìn)給速度估計(jì)器，采用但不限于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)代理模型；根據(jù)進(jìn)給速度和切深潛在的變化范圍并將轉(zhuǎn)速和切寬設(shè)定為與實(shí)際應(yīng)用過程接近的指定值生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，使用該數(shù)據(jù)集訓(xùn)練相應(yīng)的切削參數(shù)估計(jì)器和進(jìn)給速度估計(jì)器。等效切深是指在指定轉(zhuǎn)速和切寬下實(shí)際切削力峰值和進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)的等效切深。反饋控制器為非必選項(xiàng)，適用于切削力控制精度要求較高的場(chǎng)景，可以采用但不限于pi控制器、pd控制器和pid控制器等反饋控制器。

5、需要注意的是，切削力也可以是指進(jìn)給軸方向切削力、進(jìn)給軸方向切削力的合力和切向切削力（主軸切削力矩）中的組合。對(duì)于這種多切削力目標(biāo)控制場(chǎng)景，需要基于上述方法，針對(duì)每個(gè)控制目標(biāo)分別構(gòu)建獨(dú)立的前饋控制器和反饋控制器，分別通過指令約束器后得到相互獨(dú)立的指令進(jìn)給速度，進(jìn)而在其中選擇不違背其余所有控制目標(biāo)且數(shù)值最大的一個(gè)指令進(jìn)給速度作為最終的優(yōu)化結(jié)果。

6、其中，不違背其余所有控制目標(biāo)是指某一切削力控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)給速度所對(duì)應(yīng)的切削力，不應(yīng)超過其余切削力控制目標(biāo)；并進(jìn)一步引入力估計(jì)器進(jìn)行評(píng)估，其構(gòu)建方式與所述的前饋控制器中的兩個(gè)估計(jì)器相同；力估計(jì)器的輸入為待評(píng)估的指令進(jìn)給速度和估計(jì)得到當(dāng)前的等效切深，輸出為待評(píng)估切削力控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的切削力估計(jì)值。

7、簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明的特點(diǎn)是以優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值穩(wěn)定在所設(shè)定的切削力參考值附近為控制目標(biāo)，采取前饋與反饋控制相結(jié)合的方法自適應(yīng)優(yōu)化進(jìn)給速度。其中前饋控制器由一系列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的代理模型依據(jù)切削力與切削參數(shù)之間的映射關(guān)系組合而成，可以直接估計(jì)當(dāng)前的等效切深，進(jìn)而直接計(jì)算出較為可靠的進(jìn)給速度前饋優(yōu)化值。反饋控制部分采用經(jīng)典的pid控制器，負(fù)責(zé)補(bǔ)償前饋優(yōu)化結(jié)果的誤差，以提高控制精度。最終，約束器約束進(jìn)給速度取值范圍和波動(dòng)范圍后生成最終的指令進(jìn)給速度，以保證加工過程的平穩(wěn)性。

8、本發(fā)明的有益效果是：

9、相較于現(xiàn)有的以切削力穩(wěn)定為目標(biāo)的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，本發(fā)明所公開的方法結(jié)合了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的前饋控制方法和切削力反饋控制方法。其中前饋控制部分可以在控制過程中提供最優(yōu)進(jìn)給速度的快速響應(yīng)，直接計(jì)算出較為可靠的進(jìn)給速度前饋優(yōu)化值。反饋控制部分可以補(bǔ)償前饋優(yōu)化結(jié)果的誤差，以提高最終的控制精度。最終可以實(shí)現(xiàn)以切削力穩(wěn)定為目標(biāo)的進(jìn)給速度快速準(zhǔn)確優(yōu)化，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)盡可能提高機(jī)床加工效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：在監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過程中切削力的基礎(chǔ)上，以優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值穩(wěn)定在設(shè)定的切削力參考值附近為控制目標(biāo)，構(gòu)建由切削參數(shù)估計(jì)器和進(jìn)給速度估計(jì)器級(jí)聯(lián)組成的前饋控制器，前饋控制器輸出的進(jìn)給速度前饋指令和反饋控制器輸出的進(jìn)給速度反饋指令疊加后，通過指令約束器約束進(jìn)給速度取值范圍和前后兩次指令的波動(dòng)范圍后生成最終的指令進(jìn)給速度；前饋控制器中的兩個(gè)估計(jì)器均為利用切削力理論預(yù)測(cè)模型生成的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)代理模型，其中切削參數(shù)估計(jì)器的輸入為監(jiān)測(cè)得到的當(dāng)前優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值和實(shí)時(shí)進(jìn)給速度，輸出為估計(jì)得到當(dāng)前的等效切深；進(jìn)給速度估計(jì)器的輸入為切削參數(shù)估計(jì)器的輸出和切削力參考值，輸出為估計(jì)得到的進(jìn)給速度前饋指令；反饋控制器的輸入為切削力參考值和當(dāng)前優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值的差值，輸出為進(jìn)給速度反饋指令。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：所述的切削力是指進(jìn)給軸方向切削力、切削力合力、切向切削力或主軸切削力矩中的一個(gè)；當(dāng)切削力控制對(duì)象選取為進(jìn)給軸方向切削力時(shí)，前饋控制器中的兩個(gè)估計(jì)器均需要增加進(jìn)給方向作為輸入，增加的輸入用進(jìn)給方向與機(jī)床x軸的夾角表示。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：所述的前饋控制器中的切削參數(shù)估計(jì)器和進(jìn)給速度估計(jì)器，采用但不限于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)代理模型；根據(jù)進(jìn)給速度和切深潛在的變化范圍并將轉(zhuǎn)速和切寬設(shè)定為與實(shí)際應(yīng)用過程接近的指定值生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，使用該數(shù)據(jù)集訓(xùn)練相應(yīng)的切削參數(shù)估計(jì)器和進(jìn)給速度估計(jì)器。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：所述的等效切深是指在指定轉(zhuǎn)速和切寬下實(shí)際切削力峰值和進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)的等效切深。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：所述的反饋控制器為非必選項(xiàng)，適用于切削力控制精度要求較高的場(chǎng)景，可以采用但不限于pi控制器、pd控制器和pid控制器等反饋控制器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：所述的切削力，是指進(jìn)給軸方向切削力、進(jìn)給軸方向切削力的合力和切向切削力的組合；對(duì)于這種多切削力目標(biāo)控制場(chǎng)景，應(yīng)針對(duì)每個(gè)控制目標(biāo)分別構(gòu)建獨(dú)立的前饋控制器和反饋控制器，分別通過指令約束器后得到相互獨(dú)立的指令進(jìn)給速度，進(jìn)而在其中選擇不違背其余所有控制目標(biāo)且數(shù)值最大的一個(gè)指令進(jìn)給速度作為最終的優(yōu)化結(jié)果。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于切削力前饋-反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于：選擇不違背其余所有控制目標(biāo)且數(shù)值最大的一個(gè)指令進(jìn)給速度是指某一切削力控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)給速度所對(duì)應(yīng)的切削力，不應(yīng)超過其余切削力控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的參考值；并進(jìn)一步引入力估計(jì)器進(jìn)行評(píng)估，其構(gòu)建方式與所述的前饋控制器中的兩個(gè)估計(jì)器相同；力估計(jì)器的輸入為待評(píng)估的指令進(jìn)給速度和估計(jì)得到當(dāng)前的等效切深，輸出為待評(píng)估切削力控制目標(biāo)對(duì)應(yīng)的切削力估計(jì)值。

技術(shù)總結(jié)
一種基于切削力前饋?反饋控制的進(jìn)給速度在線優(yōu)化方法，其特征在于以優(yōu)化周期內(nèi)的切削力峰值穩(wěn)定在所設(shè)定的切削力參考值附近為控制目標(biāo)，采取前饋與反饋控制相結(jié)合的方法自適應(yīng)優(yōu)化進(jìn)給速度。前饋控制器由一系列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的代理模型依據(jù)切削力與切削參數(shù)之間的映射關(guān)系組合而成，可以直接估計(jì)當(dāng)前的等效切深，進(jìn)而直接計(jì)算出較為可靠的進(jìn)給速度前饋優(yōu)化值。反饋控制部分采用經(jīng)典的PID控制器，負(fù)責(zé)補(bǔ)償前饋優(yōu)化結(jié)果的誤差，以提高控制精度。最終，約束器約束取值范圍和波動(dòng)范圍后生成最終的指令進(jìn)給速度，以保證加工過程的平穩(wěn)性。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)更加快速而準(zhǔn)確的進(jìn)給速度在線優(yōu)化，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)盡可能提高機(jī)床加工效率。

技術(shù)研發(fā)人員：李迎光,劉旭,程英豪,莊其揚(yáng),李克,郝小忠,劉長(zhǎng)青
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18