智能攻丝控制系统设计和开发研究

VIP免费

3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.47MB 56 页 15积分

侵权投诉

摘要

难加工材料上小直径内螺纹的加工是一个世界性的工艺难题，更是制造工艺中的

一个 “瓶颈”。对于量大面广的制造业来说，不得已而采用手工攻丝的状况还是大量

存在。手工攻丝的进退过程很难用“输入”和“输出”之间的精确数学模型来表达。

采用传统的控制方法一般很难达到手工攻丝的理想要求。

本文基于对各国学者有关振动攻丝基础理论的研究基础和智能攻丝研究发展的国

内外现状的详细分析，通过对难加工材料上的攻丝实验以及普通材料上进行的小深孔

螺纹的对比分析，掌握了攻丝过程中的进退扭矩的变化规律，提出了关于模拟人工攻

丝的“不进则退、以退为进”的智能攻丝策略，为构建智能控制规则提供了实验依据。

构建了基于神经网络模糊技术的攻丝控制模型和系统结构，进行神经模糊智能攻丝控

制系统的设计和基于 Matlab 的系统仿真，实现了模拟人工攻丝基本策略的智能攻丝控

制，并进一步提出了以能够模拟人的高级智能行为的专家协调控制方式对智能攻丝系

统进行攻丝策略协调的控制设想，对基于专家协调控制的智能攻丝系统的结构，工作

原理、协调规则和控制状态进行了可行性分析、提出了基于组态软件开发的交互式人

机界面设计方案和基于 SOPC 的系统功能实现的软硬件框架，为智能伺服攻丝控制系统

的设计提供了理论研究和方案的可行性验证。

关键词：人工攻丝策略神经模糊控制专家协调控制人机界面 SOPC

ABSTRACT

Tapping in difficult-cutting material with small diameter of thread is a world-class

technology problem, and also is the bottleneck of manufacturing technology. It’s difficult to

describe the control system with accurate mathematical model between “input” and “output”.

Based on the analysis of the study of vibration tapping technology by worldwide

scholars ,the development of intelligent tapping study in the world, and the test of tapping in

difficult-cutting material with common diameter of thread and tapping small diameter of

thread in common material, the paper got the change rules of forward and reverse torque in

the tapping process and proposed intelligent tapping strategy to simulate the strategy of “to

reverse if can’t forward, to reverse is for forward” in manual threading process. Based on the

torque rules in tapping process, the paper further proposed the tapping control model and

system structure based on fuzzy neural network technology and designed FNN threading

controller and simulated the system in MATLAB. Based on FNN threading controller, the

paper further proposed control plan of using expert coordination control method which can

simulate human’s senior intelligent behavior to coordinate tapping strategy in the system.

Feasibility analysis is done from system structure, work principles, coordination rules and

control state of intelligent system based on expert coordination control. The paper offered the

design plan of interactive man-machine interface based on configuration software and the

hardware and software framework based on SOPC, which offers feasibility of certification

on theoretical study and plan for the design of intelligent servo threading control system.

Key words：Manual threading strategy, Neural network fuzzy control, Expert

coordination control, Man-machine interface, SOPC

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................1

§1.1 课题的背景及来源 ................................................1

§1.2 螺纹孔加工的主要方法 ............................................1

§1.3 智能攻丝技术的国内外发展现状 ....................................2

§1.3.1 智能加工技术的国内外发展现状 .............................. 2

§1.3.2 攻丝技术的国内外研究现状 .................................. 3

§1.3.3 智能攻丝的基础理论研究 .................................... 4

§1.3.4 智能控制器开发的国内外研究情况 ............................7

§1.4 课题研究的主要内容及其意义 ......................................8

§1.4.1 智能攻丝策略 .............................................. 8

§1.4.2 智能攻丝模糊神经控制器设计 ................................ 8

§1.4.3 智能攻丝控制系统的软硬件设计 .............................. 9

§1.4.4 主要试验研究 .............................................. 9

§1.4.5 课题意义 .................................................. 9

第二章智能攻丝策略研究 ................................................10

§2.1 攻丝加工工艺 .................................................. 10

§2.1.1 攻丝刀具 ................................................. 10

§2.1.2 攻丝运动形式 ............................................. 10

§2.1.3 攻丝加工主要参数 ......................................... 11

§2.2 攻丝执行机构 ...................................................11

§2.2.1 柔性攻丝 ................................................. 11

§2.2.2 钢性攻丝 ................................................. 11

§2.2.3 数控攻丝 ................................................. 11

§2.3 扭矩控制 .......................................................11

§2.3.1 丝锥保护装置 ............................................. 11

§2.3.2 输出扭矩限制 ............................................. 11

§2.3.3 扭矩传感器 ............................................... 11

2.4 人工攻丝的进退策略 ...............................................13

§2.4.1 人工攻丝过程试验 ......................................... 13

§2.4.2 人工攻丝策略分析和总结 ................................... 15

§2.5 模拟人工攻丝的智能控制设想和策略 ...............................15

§2.6 本章小结 .......................................................15

第三章智能攻丝控制系统的设计 ............................................17

§3.1 神经模糊控制技术 ...............................................17

§3.1.1 模糊控制 ................................................. 17

§3.1.2 神经网络控制 ............................................. 20

§3.1.3 模糊神经网络 ............................................. 20

§3.1.4 神经模糊控制 ............................................. 21

§3.2 智能攻丝系统的模糊神经控制器的设计 .............................22

§3.2.1 输入输出变量 ............................................. 22

§3.2.2 神经模糊控制系统原理 ..................................... 23

§3.2.3 模糊神经网络计算模型 ..................................... 24

§3.2.4 网络学习算法 ............................................. 26

§3.2.5 网络训练与测试 ........................................... 27

§3.3 基于专家协调的智能攻丝控制系统设计 .............................30

§3.3.1 专家系统简介 ............................................. 30

§3.3.2 基于专家协调控制的智能攻丝控制系统设计 ...................31

§3.4 人机界面设计 ...................................................33

§3.4.1 功能设计 .................................................33

§3.5 本章小结 ...................................................... 34

第四章智能攻丝控制系统的软硬件设计 .....................................35

§4.1 系统功能分析 ...................................................38

§4.2 系统软硬件架构 .................................................39

§4.2.1 SOPC 开发板选型 .......................................... 39

§4.2.3 系统软件简介 ............................................. 44

§4.3 基于模糊规则的开发板硬件架构试验 ...............................46

§4.3.1 试验目的 ................................................. 46

§4.3.2 试验器件 ................................................. 46

§4.3.3 试验步骤 ................................................. 47

§4.3.4 基于 Quartus II 的电机控制程序 ............................ 47

§4.4 本章小结 .......................................................48

第五章总结和展望 .......................................................50

参考文献 ................................................................51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..........................53

致谢 ..................................................................54

第一章绪论

§1.1 课题的背景及来源

螺纹联接作为机械联接中最常用的手段，在机械制造中不仅数量大，而且螺

纹加工的质量往往直接影响联接的可靠性和机器的性能。难加工材料上小直径内

螺纹的加工，一直是世界性的工艺难题，更是制造工艺中的一个 “瓶颈”。因为

螺纹孔加工一般安排在零件成形加工的最后几道工序中，如果攻丝工序出现问题，

会前功尽弃，影响零件的性能，甚至使已基本成形的零件报废。这在大型、贵重

零件的制造中是不允许的。航空航天以及武器装备制造技术的发展，要求众多的

机械零、部件不仅能在高温、高压、重载和强腐蚀的苛刻条件下正常工作，而且

要保证工作的可靠性。这种要求极大地促进了新材料和功能材料的迅速发展[1]。对

制造工艺提出了新的挑战，也对制造技术的发展提供了新机遇。因此研制和开发

实用、高效的螺纹加工设备已成亟需。

本课题来源于上海理工科技园数字化控制应用研究所的智能攻丝机研发项

目。随着制造自动化的发展，在成批大量的机械加工中，攻丝工艺大多数都已经

自动化或半自动化，自动攻丝的含义一般包括：自动上下料，自动攻丝定位和自

动攻丝进退运动以及一般的过扭矩保护等，但是在机械制造过程中，至今依然有

着大量无法采用自动攻丝的状况，除了批量上的原因之外，主要还是由于加工材

料以及加工参数所限而不得已采用人工攻丝，在一般螺孔的人工攻丝中，攻丝运

动往往根据攻丝过程中扭矩的变化做出相应的进退运动，而扭矩的变化往往是和

加工对象的材料，攻入深度，润滑程度，排屑条件，导入精度，刀具钝化等条件

密切联系的，在手工攻丝中，操作人员凭借经验在攻丝过程中随机的改变进退策

略。在成批加工的自动攻丝中，也可以通过试验数据或样本分析事先设定的程序

决定加工策略，自动攻丝一般适合于易加工材料或者攻深尺寸不大，攻丝润滑排

屑条件良好的场合，对于量大面广的制造业来说，不得已而采用手工攻丝或半自

动机动攻丝的状况还是大量存在。因此，开发一种具有加工信息反馈实时运算处

理的模拟人工攻丝的智能控制系统，对于加快智能攻丝研究具有现实意义。

§1.2 螺纹孔加工的主要方法

螺纹联接是机械联接中最常见的方法，除了用于螺纹传动之外，绝大多数的

螺纹孔是作为零件紧固用的，一个零件上可能有一个螺纹孔，也有多个螺纹孔，

复杂零件上甚至有数百个螺纹孔，可以说量大面广。目前，内螺纹孔的主要加工

方法有普通攻丝、挤压攻丝、铣削螺纹、高速攻丝、电火花螺纹加工和振动攻丝

等技术。普通攻丝主要指以丝锥作为刀具，进行机动或手动攻螺纹的技术。它是

智能攻丝控制系统设计和开发研究

一种通用性高、适用范围广泛的加工技术。为了提高攻丝效率和减少丝锥折断，

已有很多攻丝机床和攻丝装置在生产中发挥作用。但对于一些难加工材料，普通

攻丝技术很难满足加工要求。主要表现为:攻丝扭矩大、丝锥易折断;切屑不易排

出、易划伤己加工表面;螺纹精度和表面粗糙度差:加工效率低或无法加工等。为

此，国内外专家提出了很多改进措施和方法，比如采用性能更好的高速钢材料制

造丝锥或表面涂层、选用性能优良的切削液、选择适当的切削条件和改善丝锥的

结构(跳牙丝锥、修正齿丝锥、修磨刃背丝锥、磨刃倾角丝锥)等方法，收到了一

定的效果，但没有实质性的突破。

振动攻丝是指在丝锥或工件上附加一个高频或低频振动，将传统的连续切削

过程变成间断、瞬间和重复的脉动切削方式。该攻丝方式能够大幅度的降低攻丝

扭矩、提高螺纹的精度和表面质量，而且特别适合难加工材料和小深孔螺纹的精

密加工。还有学者提出了冲击攻丝[2-3]的方法。其工作原理是通过冲锤来驱动攻丝

单元从而将速度和力传递到丝锥上，进行攻丝。该方法目前仍处于概念阶段，还

没有样机生产出来，而且由于在能量传递过程中存在冲击，它不仅会产生较大的

噪音，而且对螺纹精度也会产生一定的影响。

§1.3 智能攻丝技术的国内外发展现状

§1.3.1 智能加工技术的国内外发展现状

智能攻丝属于智能切削加工的范畴，智能切削加工是以适应控制和人工智能

为基本特征的控制方法，是随着计算机技术尤其是计算机数控的发展而发展起来

的，早在上世纪 80 年代，美国提出研究发展“适应控制”，并在电加工（EDM）

方面首先取得突破，随后，1996 年以后，世界数控技术进入到全 PC 开放式智能化

数控新阶段。美国、欧共体、日本等国纷纷投入大量的财力，联合各厂，甚至多

国进行合作，组织优势力量进行新一代开放式体系结构和具有智能型功能的数控

技术开发与研究，包括美国的 NGC 和 OMAC 计划、欧共体的 OSACA 计划、日本的 OSEC

计划等。对“适应控制”和智能机床进行了加速研究。智能机床能实现自我监控，

自行分析并自行采取应对措施来保证最优化的加工，标志着在智能加工领域已经

进化到机器可以自行进行思考的程度。2006 年 9 月芝加哥国际制造技术展

（2006IMTS）集中展示了世界智能加工的最新成果：

日本 Mazak 公司展出了声称具有主动振动、热屏障、安全屏障和语音提示等

四大智能的“智能机床”（Intelligent Machine）。

Okuma 的“thinc”(think 的谐音)智能数字控制系统不仅可在不受人的

干预下，对变化了的情况作出“聪明的决策”（smart decision），并以增量方式

在今后的应用中自行不断增长控制经验，更加容错和便于控制。

文档加载中……请稍候！
如果长时间未打开，您也可以点击刷新试试。

下载文档到电脑，查找使用更方便

15 积分 4人已下载

立即下载 VIP免费下载

摘要：

摘要难加工材料上小直径内螺纹的加工是一个世界性的工艺难题，更是制造工艺中的一个“瓶颈”。对于量大面广的制造业来说，不得已而采用手工攻丝的状况还是大量存在。手工攻丝的进退过程很难用“输入”和“输出”之间的精确数学模型来表达。采用传统的控制方法一般很难达到手工攻丝的理想要求。本文基于对各国学者有关振动攻丝基础理论的研究基础和智能攻丝研究发展的国内外现状的详细分析，通过对难加工材料上的攻丝实验以及普通材料上进行的小深孔螺纹的对比分析，掌握了攻丝过程中的进退扭矩的变化规律，提出了关于模拟人工攻丝的“不进则退、以退为进”的智能攻丝策略，为构建智能控制规则提供了实验依据。构建了基于神经网络模糊技术的攻丝控...

展开>> 收起<<

智能攻丝控制系统设计和开发研究.pdf

共56页,预览6页

还剩页未读，继续阅读

智能攻丝控制系统设计和开发研究

相关推荐

开通VIP享超值会员特权

作者详情

相关内容

推荐作者

热门标签

举报选择: