—种基于特征的数控加工速度实时控制方法
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数控技术
—种基于特征的数控加工速度实时控制方法
吴昊 （南京航空航天大学航天学院江苏南京２１００１６）
摘要：加工速度对于保证加工过程的稳定、加工质量以及加玉效率具有重要作用，加工过程中实时信息的获取是进行加工状态监测的重要手 段。针对目前的数控加工在复杂工况下易出现刀具磨损、断刀、过载以及颤振等问题，提出了一种基于特征的数控加工速度实时控方法，在加工时 进行工件的特征识别，对于加工中的特征信号进行实时反馈，从而实现对于加工速度的实时控制，提高加工质量和加工效率。 关键词：加工特征加工速度实时控制数控加工 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９４１６（２０１３）０５—０００１—０２
随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的日益发展以及产品性能要求的不断
提升【ｌ】，对于数控加工技术的要求也越来越高。特别是对于像飞机
结构件具有槽、筋、孔等特征构成的双面结构，需要采用各种复杂
的加工工艺和加工方法，为了避免产生由于过切，弹刀等问题并 且保证加工的质量和效率，需要在工件加工时进行状态的识别和
判断。
特征的概念已经被深入地应用到工业的各个领域，但是对于特
征始终没有一个确切的定义。特征的定义与它所应用的领域有关，
从加工的角度而言，它的定义是与加工操作和工具有关的零部件形 状、技术特性和工艺参数等。
国内而言，有人已经利用误差反向传播算法（ＢＰ算法）为网络训
练方法，借助Ｖｃ＋＋建立切削力预报程序。通过引入共轭梯度法和
拟牛顿法优化方法，解决了网络训练中局部过小和过早饱和问题，
提高了神经网络的收敛速度和精度，实现了对切削加工过程中切削
力的预报和仿真［２１，但是这种方法没有考虑到零件加工工艺的特点，
无法实现对于复杂结构件的准确加工。国外的ＦａｔｉｈＣａｍｉｃ基于
Ｈｉｄｄｅｎ Ｍａｒｋｏｖ模型，利用传感器所测量出来的实时信号，在线监
测并且评估数控钻加工的状态＿３１，但是这种方法无法实现对于数控 加工速度的实时控制，不能满足实时加工控制的要求。
本文针对目前数控加工存在的问题，提出了一种新的方法，首
先建立一个反馈信号数据库，通过分析加工状态，对于不正常的工
作状态时所反馈的加工特征信号选定数据库中的信号，对于加工速
度进行控制。
１方法的建立
１．１反馈信号数据库的建立
在机床上安装振动传感器、三向测量仪、温度传感器、扭矩传感
器等传感器，通过这些传感器反映工件在加工时的状态。通过不断
地试验，并将所得信号通过电路进行离散化，记录各个传感器在不
同加工状态时的值，最终判断每一种工作状态对应的信号，并且将 之记录到数据库中。通过分析状态，在出现如弹刀、过切等工作异常
的情况下，得出加工速度方案的调整方法，得到一个与数据库对应
的解决方案。 １．２实时数据的测量
通过对于切削力，扭矩和温度等代表特征的测量，通过Ａ／Ｄ转
换电路，将所得的信号离散化，并且不断地向ＰＣ进行传输，通过ＰＣ
内部建立起的数据库和解决方案进行对比，得到一个最好的解决方
案，从而实现对于特征的辨别。
所得的信号均由传感器进行实时地传输，它们互相组合，形成
了判断工件加工特征的依据，当加工出现问题时，相应的信号就可
以帮助判断出现的问题 １．３ ＰＣ的实时控制
外部的ＰＣ对于接收到的信号进行分析，如果当接收到的信号
对应于不正常的工作状态时，对于机床的加工速度进行动态的调整
从而达到纠正错误的目的。通过指令控制机床的工作，机床接收到 指令后会进行调整，根据特征条件进行不断地动态调整，从而保证
工件的加工质量。
２与一般闭环数控系统的对比
如图ｌ，一般的闭环数控系统通过ＰＣ的Ｇ代码或者其他指令控
制驱动器，驱动器驱动电机，对于机床上的工件进行加工，同时通过
码盘和光栅进行反馈，再通过对于加工速度和进给量进行调整，理
想的情况下可以较准确地实现简单工件的加工。但是对于复杂的结 构件例如飞机结构件进行加工时，加工时的加工效率以及加工精度
都无法满足实际的需求。
码盘信号
光栅信号 图１一般的闭环数控系统
如图２，当引入新的方法后，可以对于特征进行辨识，首先将各
种传感器反馈回来的通过Ａ／Ｄ转换将之离散化，与数据库中的数 据进行匹配得到相应的调整方案，再通过ＰＣ进行调整。实际上就是
通过对于这些特征判断工作状况，如果工作状况出现异常就需要进
行动态的调整。
图２引入特征反馈的数控系统
３方法评价
通过引入对于加工时的特征的辨别，建立起新的数控加工
速度控制模型无疑会对数控系统的加工的准确度和精度有很大
的提升。
……下转第３页
基金项目：南京航空航天大学国家级大学生创新基金项目 作者简介：吴昊（１９９３一），男，大二本科在读，主要研究方向：机械加工，信息与通信系统，专业：信息工程（航天信息应用）。
静 Ｉ与应用 数控技术
速原理为当电机的转轴旋转时进而带动码盘转动，码盘一周刻有无
数夹缝，当光透过夹缝被接收元件接收，通过信号调理电路输出一
个标准（脉冲）信号送人带有计数功能的装置。本设计所用的增量式
高线程的光电编码器且与直流电机为一体。其ｌ号端子接电源ＶＣＣ，
２号与３号端子是脉冲输出端，４号端子为接地端。其测速模块的与 ＳＴＭ３２单片机电路连接设计如图４所示。
右光电码盘 图４测速模块的电路设计
３系统软件设计
当把直流电机闭环控制所需的程序编译没有错误，利用ｋｅｉｌ４
编译环境把程序通过卜ＬＩＮＫ下载到ｓＴＭ３２单片机。闭合直流电机
闭环控制模块的电源开关，电机开始转动，ＳＴＭ３２单片机隔５０ｍｓ采
集电机转速，增量式ＰＩＤ运算，调剂ＰＷＭ波的占空比。不断地调试
ＰＩＤ参数，可以使电机的转速达到给定值。系统的主程序是一个循
环程序，其流程图如图５所示。
其速度控制算法采用增量式ＰＩＤ算法［８－ １。相比于位置式ＰＩＤ算
法，增量式ＰＩＤ算法不容易引起积分饱和，因此能获得更好的控制 效果。
４结语
本文介绍了一种基于ＳＴＭ３２单片机的直流电机调速系统的设
计，采用ＳＴＭ３２单片机实现对直流电机的ＰＷＭ波脉宽调速控制，不
仅提高了控制器的性价比，而且具有稳定性好、精度高和响应速度
快等优点。对未来管道机器人的研究有一定的实用价值。
参考文献
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［２］意法半导体ＳＴＭ３２系列ＳＴＭ３２Ｆ１０３ ３２位微控制器［０］．今日电子。
２００８（２）：６１．
……上接第１页
（１）会进一步地提升数控加工时的自动化程度，减少人工因素 对于数控加工质量的影响。人员的素质和行为在一定的程度会影响
到数控加工的质量，新模型的引入会促进人工的解放，提高生产的
效率，节省人工成本。
（２）引入传感器技术，通过测定不同的物理量，可以更深入地了
解工件的工作特征状态，以便调整加工速度。对于切削力、扭矩、温 度等数值的测定通过分析就可以了解当前工件的加工情况，对于不
正常的工作状态进行及时的纠正可以减少因为加工失误产生的工
件报废的损失。
（３）减少刀具的磨损，节省相应的成本。对于特征进行识别，对
于数控加工速度进行合理地调整，可以有效地减少刀具的磨损，在 保证工件加工质量的同时也能够使得刀具的利用得以最大化，延长
刀具的使用寿命。
（４）提高加工的效率，通过不断地调整加工速度使得加工始终
处于最优的状态，节省加工时间。
但是该方法还有一些问题需要去解决，比如如何解决传感器的 系统初始化 ｉ
＞
读取给定，开始计数
上 测量直流电机转速
』
增量式ＰＩＤ运算并输出控制蟹
ｌ
转换到脉宽，并输入控制系统
１ ＣＤ显示转速
１
一 ≮ ： ～～ Ｎ
图５主程序流程图
［３］ＳＴＭ３２Ｆ１０３数据手册．２００１：１８（１）：４４—４５． ［４］贾玉瑛，王臣．基于单片机控制的ＰＷＭ直流调速系统［Ｊ］．包头钢铁
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２Ｏ０６．
安装问题，庞大的数据库如何去建立的问题。
４结语
当前数控机床朝着智能化方向发展，与传感器等现代智能技术
结合已经成为了数控机床一个趋势，通过分析实时反馈的信号，进
行特征状态的判断和加工速度的调整是很有发展前景的。如果这种
“超级闭环控制”的方法得以实现，必将会广泛地应用到智能化的数 控加工，为祖国的数控加工做出卓越的贡献。
参考文献
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