張忠敏,賈廣躍 ，韓 磊，湛紅暉，宋福田 ，楊 龍

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.華中科技大學(xué) 無(wú)錫研究院，江蘇 無(wú)錫 214174)

隨著我國(guó)軌道交通及高鐵事業(yè)的飛速發(fā)展，作為高鐵重要零件之一的構(gòu)架生產(chǎn)保障得到了越來(lái)越多的關(guān)注。構(gòu)架的加工工序中，利用數(shù)控加工中心對(duì)其孔、面的正/反裝夾加工是工藝路線(xiàn)中耗時(shí)最長(zhǎng)，最難保證的工序。在此加工過(guò)程中，往往由于工藝編制不合理，機(jī)床刀具壽命到期前未及時(shí)更換等原因，發(fā)生構(gòu)架加工不合格甚至設(shè)備造成損壞的現(xiàn)象。

當(dāng)前在針對(duì)同一類(lèi)型零件相同工序的數(shù)控加工過(guò)程中，往往是使用相同的數(shù)控加工程序，所有工藝參數(shù)(如進(jìn)給、倍率等)均由數(shù)控加工程序限定。在機(jī)床實(shí)際加工過(guò)程中，無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)的工況進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，仍然按照預(yù)設(shè)控制指令操作加工，導(dǎo)致加工效率較低，甚至工件報(bào)廢或設(shè)備損壞。

自適應(yīng)控制技術(shù)[1]是數(shù)控加工領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要突破，其可針對(duì)零件材料特性、加工工藝參數(shù)、加工行程等參數(shù)，通過(guò)監(jiān)控機(jī)床的主軸電流并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的負(fù)載曲線(xiàn)，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]、模式識(shí)別以及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)建立加工模型，學(xué)習(xí)零件加工過(guò)程特征。學(xué)習(xí)的結(jié)果可形成針對(duì)特定加工程序段的倍率以及進(jìn)給量的自動(dòng)調(diào)整指令，從而優(yōu)化零件加工過(guò)程，提高加工效率[3-4]。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 方案架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制功能，各層的具體組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)物理層。物理層由數(shù)控加工中心，端子型分線(xiàn)盤(pán)IO模塊等組成，是數(shù)據(jù)的來(lái)源和系統(tǒng)優(yōu)化的對(duì)象，通過(guò)與設(shè)備上的高速輸入輸出點(diǎn)位相連，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)與控制信號(hào)的雙向傳輸，同時(shí)借鑒基于主軸電流的分析方法，通過(guò)霍尼韋爾電流傳感器采集主軸三相電流數(shù)據(jù)，并傳輸至數(shù)據(jù)處理層[5-6]。

(2)數(shù)據(jù)處理層。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加工主要由嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下的上位機(jī)與下位機(jī)、數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊、信號(hào)調(diào)理模塊等組成[7-8]。由數(shù)控加工中心采集回來(lái)的數(shù)據(jù)在此根據(jù)信號(hào)調(diào)理規(guī)則進(jìn)行處理，形成加工負(fù)荷特征曲線(xiàn)。與機(jī)床的通信則通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)，相關(guān)自適應(yīng)調(diào)整指令由這些模塊傳輸至數(shù)控加工中心上。

(3)服務(wù)層。服務(wù)層主要進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)自適應(yīng)學(xué)習(xí)結(jié)果生成相應(yīng)的自適應(yīng)控制指令。同時(shí)加工過(guò)程歷史數(shù)據(jù)可在服務(wù)器上做長(zhǎng)期保存，相關(guān)結(jié)果也可通過(guò)系統(tǒng)接口向外部系統(tǒng)提供支撐，如供現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制中心進(jìn)行集成展示[9-10]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示，接線(xiàn)情況如下：

(1)A01、F01分別為上位機(jī)和下位機(jī)的電源線(xiàn)，電源均為220 V。

(2)B01網(wǎng)線(xiàn)兩端分別接上下位機(jī)，用于自適應(yīng)控制系統(tǒng)的上下位機(jī)的通信。B02網(wǎng)線(xiàn)兩端分別接上位機(jī)與交換機(jī)，進(jìn)而與服務(wù)器進(jìn)行通信。

(3)IO模塊(擴(kuò)展)是為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)而擴(kuò)展的IO。擴(kuò)展方式如圖2最下方所示。利用IO link線(xiàn)，將IO模塊(擴(kuò)展)的JD1B接口與機(jī)床的原有的上一級(jí)IO模塊的JD1A接口連接，IO模塊(擴(kuò)展)由機(jī)床24 V開(kāi)關(guān)電源供電。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

(4)3個(gè)電流傳感器套在主軸電機(jī)的電線(xiàn)上，目的在于采集主軸的電流，E01、E02、E03線(xiàn)纜將電流信號(hào)傳給下位機(jī)。這些數(shù)據(jù)將用于實(shí)時(shí)計(jì)算加工負(fù)載。

(5)d01、d02、d03為下位機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，用于內(nèi)部電流信號(hào)的傳輸。

1.3 加工關(guān)鍵特征獲取

加工關(guān)鍵特征獲取過(guò)程如圖3(a)所示，在龍門(mén)加工中心主軸的三相電源上分別裝上霍尼韋爾電流傳感器，實(shí)時(shí)獲取龍門(mén)加工中心主軸上的電流信號(hào)如圖3(b)所示。通過(guò)下位機(jī)的信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)原始電流信號(hào)進(jìn)行硬件濾波處理，去除高頻干擾信號(hào)。將信號(hào)傳遞到刀具自適應(yīng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)，實(shí)時(shí)提取加工電流信號(hào)的特征。將加工負(fù)荷特征曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示光滑的加工負(fù)荷特征曲線(xiàn),如圖3(c)所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理過(guò)程示意圖

在特征獲取的過(guò)程中，為保證系統(tǒng)特征的精準(zhǔn)識(shí)讀，對(duì)于程序各加工段特征需有針對(duì)性的識(shí)別和區(qū)分。以下以工進(jìn)和快進(jìn)的識(shí)別為例，介紹加工負(fù)荷特征曲線(xiàn)的生成過(guò)程。實(shí)現(xiàn)工進(jìn)和快速進(jìn)給的識(shí)別和拼接，對(duì)刀具在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)有重大意義，可以避免因機(jī)床操作人員調(diào)節(jié)快速進(jìn)給倍率而導(dǎo)致實(shí)時(shí)加工負(fù)荷曲線(xiàn)與前期學(xué)習(xí)模型不一致而產(chǎn)生的誤報(bào)。工進(jìn)快進(jìn)段拼接算法代碼如下。

%% 工進(jìn)段的拼接

sign=data(:,4);%導(dǎo)入工進(jìn)判斷信號(hào)

sign_1=floor(mod(Sign,8);%判斷工進(jìn)

FJ_2=zeros(length(data(:,1)),1);%預(yù)設(shè)加工負(fù)荷數(shù)據(jù)|存儲(chǔ)空間

n=0;

for k=1:length(data(:1))

if Sign_1(k)==1

FH_2(n+1)=FH_1(k)；

n=n+1;

end

end

FH_3=FH_2(1:n)；

圖4 拼接算法流程圖

拼接算法流程如圖4所示。拼接算法樣例如圖5所示。由圖5可知，拼接的信號(hào)重復(fù)率更高，有效避免了操作工人調(diào)節(jié)快速進(jìn)給倍率而導(dǎo)致學(xué)習(xí)樣本發(fā)生曲線(xiàn)平移，得出不夠精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)模型。在監(jiān)控階段中，利用拼接算法，可以提高控制系統(tǒng)的精確性，也可以避免自適應(yīng)控制系統(tǒng)因操作工人調(diào)節(jié)快速進(jìn)給倍率而誤報(bào)。

1.4 自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)前期某一型號(hào)零件的多個(gè)加工過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)樣本進(jìn)行模式識(shí)別和深度學(xué)習(xí)后，得到了該型零件在反面裝夾加工工序的切削負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)控模型。針對(duì)某監(jiān)控段范圍內(nèi)的工進(jìn)階段，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)比加工負(fù)荷與切削負(fù)荷調(diào)控模型，當(dāng)加工負(fù)荷低于切削負(fù)荷調(diào)控模型時(shí)，自動(dòng)通過(guò)控制指令提高機(jī)床加工進(jìn)給倍率，當(dāng)加工負(fù)荷高于切削負(fù)荷調(diào)控模型時(shí)，降低進(jìn)給倍率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工進(jìn)給倍率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖5 信號(hào)拼接算法樣例

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用流程

自適應(yīng)控制系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、下位機(jī)、IO模塊(擴(kuò)展)、3個(gè)電流傳感器組成。并使用機(jī)床的24 V開(kāi)關(guān)電源和220 V交流電源?，F(xiàn)場(chǎng)安裝效果如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)系統(tǒng)硬件示意圖

現(xiàn)場(chǎng)安裝和測(cè)試步驟如下：

(1)設(shè)備斷電，等待放電結(jié)束，確保接線(xiàn)過(guò)程全程無(wú)電，進(jìn)而確保人員和設(shè)備安全；

(2)在機(jī)柜內(nèi)裝配DIN導(dǎo)軌，并在DIN導(dǎo)軌上安裝端子分盤(pán)式IO模塊(擴(kuò)展)。在配電柜中安裝下位機(jī)，將上位機(jī)掛在加工中心操作面板旁的護(hù)欄上；

(3)完成自適應(yīng)控制系統(tǒng)各部件之間的連線(xiàn)。

(4)檢查各部件接線(xiàn)情況，確認(rèn)正確后，給加工中心、自適應(yīng)控制系統(tǒng)供電；

(5)將新PMC(production planning material control)系統(tǒng)程序上傳到加工中心；

(6)龍門(mén)加工中心在MDI(manual data input)模式下，測(cè)試監(jiān)控段識(shí)別程序、工進(jìn)與快速進(jìn)給判斷程序、進(jìn)給保持程序、信息提示程序和報(bào)警程序等控制程序;

(7)測(cè)試下位機(jī)與機(jī)床通信、下位機(jī)與上位機(jī)通信；

(8)在數(shù)控加工程序中添加監(jiān)控代碼，根據(jù)加工參數(shù)初步設(shè)置自適應(yīng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)、進(jìn)入加工參數(shù)學(xué)習(xí)階段(不控制機(jī)床)；

(9)根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果生成控制模型，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)比結(jié)果，控制機(jī)床進(jìn)行加工參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

在與類(lèi)似于制造執(zhí)行系統(tǒng)的智能制造管控系統(tǒng)集成后，通過(guò)在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)部署的智能看板，所有龍門(mén)加工中心的負(fù)荷變化情況一目了然，如圖7所示，從而大幅提高現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中異常處理的及時(shí)性。

圖7 車(chē)間看板展示機(jī)床加工負(fù)荷

3 結(jié)論

隨著智能制造深入推廣應(yīng)用，數(shù)控加工這一模式也為越來(lái)越多的企業(yè)所采用。對(duì)于相對(duì)比較穩(wěn)定的產(chǎn)品加工過(guò)程，利用自適應(yīng)控制技術(shù)不僅可以對(duì)加工工藝執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，不斷提升零件加工效率，也可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的各類(lèi)異常進(jìn)行及時(shí)的介入和處理，避免更大的損失。