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摘要:針對(duì)當(dāng)前艦船機(jī)械部件數(shù)控加工精度控制方法的數(shù)控電機(jī)與控制器同步差值較大，導(dǎo)致部件數(shù)控加工精度控制穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性下降，影響高精度部件的良品率的問(wèn)題，提出艦船機(jī)械部件數(shù)控加工精度控制方法。采集數(shù)控作業(yè)過(guò)程中設(shè)備作業(yè)相關(guān)參量數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)控設(shè)備控制信號(hào)，引入非平穩(wěn)機(jī)械特征信號(hào)特征算法，規(guī)范數(shù)控設(shè)備作業(yè)量。提取數(shù)控設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)系數(shù)量，計(jì)算數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速控制變量，優(yōu)化作業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制量。根據(jù)數(shù)控設(shè)備控制的PID控制邏輯，同步校對(duì)控制器控制信號(hào)，完成艦船機(jī)械部件數(shù)控加工精度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本控制方法的數(shù)控電機(jī)與控制器同步差值較小，能夠有效提高部件數(shù)控加工精度控制穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：艦船機(jī)械部件；數(shù)控加工；精度控制

0引言

目前艦船應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，艦船功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越發(fā)復(fù)雜，高精度機(jī)械部件應(yīng)用率大幅度提升。高精度機(jī)械部件的制作對(duì)數(shù)控加工精度控制要求較高，當(dāng)前數(shù)控加工精度控制方法，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)高精度部件作業(yè)過(guò)程中的控制操作[1]。為此，提出一種新的艦船機(jī)械部件數(shù)控加工精度控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船高精度機(jī)械部件作業(yè)過(guò)程的精度控制。

1艦船機(jī)械部件數(shù)控加工精度控制方法

1.1數(shù)控設(shè)備作業(yè)量規(guī)范。首先對(duì)數(shù)控作業(yè)過(guò)程中設(shè)備作業(yè)相關(guān)參量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算方式，對(duì)不同作業(yè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行適應(yīng)性分析，完成對(duì)數(shù)控設(shè)備作業(yè)量的規(guī)范。具體計(jì)算步驟如下：令數(shù)控設(shè)備在加工高精度機(jī)械部件作業(yè)過(guò)程中，部件最大加工曲面張度為R，控制輸出的部件磨損系數(shù)量為i，瞬態(tài)控制的設(shè)備響應(yīng)系數(shù)為o。根據(jù)數(shù)控設(shè)備的PID控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)控作業(yè)過(guò)程中各環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)系數(shù)量進(jìn)行校對(duì)，計(jì)算公式如下：A=∑∑12log(R−o√i)。(1)∆R根據(jù)控制信號(hào)的非線性特征，對(duì)控制信號(hào)的識(shí)別特征進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化，引入非平穩(wěn)機(jī)械特征信號(hào)特征算法[2]，令數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程中的控制信號(hào)誤差量為。當(dāng)數(shù)控設(shè)備控制信號(hào)中存在c條控制指令時(shí)，其作業(yè)操作參量與控制量之間的幾何公差為x，設(shè)備作業(yè)執(zhí)行效果的公差為u。n代表數(shù)控設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中所有可能發(fā)生情況的總偏差系數(shù)量，則進(jìn)一步對(duì)數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程參量進(jìn)行高精度計(jì)算，可得到：J=A∑lim1→∞log∆R−n2(c+u+x)n−1+n，(2)t′∆y當(dāng)加工器件為螺紋器件時(shí)設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的脈沖系數(shù)總量定義為，全局技工周期為，此時(shí)數(shù)控設(shè)備的控制量最佳系數(shù)為q，得到數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程中具有適應(yīng)性的控制作業(yè)：l=∏J−t′∑∑(c,u,x)∑∑lim1−∞√(y/q−1)−i。(3)二次結(jié)合數(shù)控設(shè)備PID控制結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與Matlab數(shù)學(xué)分析模型特征[3]，得到具有PID數(shù)據(jù)控制特征的數(shù)控設(shè)備作業(yè)量規(guī)范模型，具體如圖1所示。圖1PID數(shù)據(jù)控制特征的數(shù)控設(shè)備作業(yè)量規(guī)范模型Fig.1SpecificationmodelofCNCequipmentworkloadbasedonPIDdatacontrolcharacteristics根據(jù)上述建立模型規(guī)范，可對(duì)數(shù)控涉筆作業(yè)過(guò)程中的作業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制器信號(hào)相關(guān)量，在同步層面上進(jìn)行進(jìn)一步的高精度優(yōu)化與調(diào)校。

1.2作業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制量?jī)?yōu)化。令數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程中電機(jī)控制量的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的d′d′(0,1]插值斜率為。并對(duì)的取值范圍進(jìn)行定義約束，約束條件為，當(dāng)其值處于定義約束范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)控設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)隸屬于直線插值補(bǔ)償狀態(tài)[4]，此時(shí)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，可得到：b=1∏2(d′+l)−1。(4)jzSnk對(duì)此過(guò)程中的設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)系數(shù)量的提取，并將其均值量定義為，此時(shí)設(shè)備作用過(guò)程中脈沖信號(hào)觸發(fā)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化可記作，對(duì)其進(jìn)行變量的連續(xù)采集，并對(duì)采集數(shù)值進(jìn)行迭代循環(huán)編碼，其編碼值定義為k，由此可計(jì)算得到數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程中的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制變量的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為：∆α=∑lim0→∞log(jz−1)2k√b+Snk+1。(5)

1.3控制器同步校對(duì)。根據(jù)PID控制器的控制信號(hào)特征，對(duì)控制目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)反饋?zhàn)兞康挠?jì)算，利用電機(jī)作業(yè)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的慣量耦合對(duì)控制器進(jìn)行二階離散計(jì)算，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與執(zhí)行變量的同步。通過(guò)下列公式對(duì)電機(jī)作業(yè)過(guò)程中的自適應(yīng)反饋轉(zhuǎn)矩誤差控制函數(shù)進(jìn)行PID控制：gj=gjsi(c1(l)−b(l),c2(l),t,j0)，c1(l+1)=c1(l)+jc2(l)，c2(l+1)=c2(l)+jgj。(6)c1c2j0式中：b為控制器探測(cè)頭采集的電機(jī)作業(yè)載入信號(hào)；為經(jīng)過(guò)控制器誤差轉(zhuǎn)換后的反饋輸出控制信號(hào)；為控制器調(diào)制過(guò)程中輸出的一階目標(biāo)函數(shù)；j為電機(jī)控制信號(hào)的同步迭代步長(zhǎng)，其中補(bǔ)償決定控制信號(hào)的誤差大小，對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)量導(dǎo)入，通過(guò)計(jì)算獲得電機(jī)對(duì)應(yīng)控制器的同步超調(diào)系數(shù)量，使其滿足濾波單變量系數(shù)，當(dāng)j值為恒定系數(shù)量時(shí)，可改變電機(jī)作業(yè)過(guò)程中的阻尼系數(shù)量大小，獲得控制器的自抗誤差輸出量，其計(jì)算公式為：B=adlglvSeSvσlryKvo+lχl1Mtξtln(tt+ah+aett−az)。(7)σlry=1+πη(tt+ah+ae)/(qad)j0j0其中：為控制器輸出信號(hào)的局部功率，，增大并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行濾波；j，與雙通道下的控制系數(shù)量保持一致，t為動(dòng)態(tài)系數(shù)量，通過(guò)計(jì)算可得到電機(jī)控制狀態(tài)下與控制器之間的同步誤差計(jì)算公式為：根據(jù)上述同步誤差計(jì)算公式，對(duì)控制量中的r值進(jìn)行提升，進(jìn)一步可以將其過(guò)程描述為非線性反饋補(bǔ)償過(guò)程，其過(guò)程可描述為：β1β2ε1ε2m0lqls式中：，，，，為耦合關(guān)系量的動(dòng)態(tài)系數(shù)；，為控制器與電機(jī)之間關(guān)于轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)的控制系數(shù)比與目標(biāo)函數(shù)系數(shù)量。

2實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)與當(dāng)前數(shù)控加工精度控制方法的數(shù)據(jù)對(duì)比，證明提出方法的有效性。實(shí)驗(yàn)分為控制穩(wěn)定性測(cè)試與控制準(zhǔn)確性測(cè)試兩部分。為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，均采用仿真測(cè)試工具，在仿真測(cè)試場(chǎng)景下完成。

2.1數(shù)控加工精度控制方法穩(wěn)定性測(cè)試。在仿真測(cè)試工具中創(chuàng)建測(cè)試場(chǎng)景，測(cè)試場(chǎng)景數(shù)據(jù)來(lái)源于數(shù)控加工機(jī)械部件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；在測(cè)試場(chǎng)景中生成10組高精度加工數(shù)據(jù)，分別由當(dāng)前數(shù)控加工精度控制方法與提出的數(shù)控加工精度控制方法對(duì)其作業(yè)過(guò)程進(jìn)行模擬操作，在操作過(guò)程中記錄2種方法的控制器輸出系數(shù)量的變化數(shù)值，根據(jù)控制器輸出系數(shù)量變化對(duì)比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。對(duì)比結(jié)果如表1所示。可以看出，提出的數(shù)控加工精度控制方法，在數(shù)控設(shè)備作業(yè)過(guò)程中，對(duì)電機(jī)控制量輸出上波動(dòng)較小，整體數(shù)值差較小，且相鄰數(shù)值差均小于當(dāng)前控制方法，整體控制穩(wěn)定性較高。

2.2數(shù)控加工精度控制方法準(zhǔn)確性測(cè)試。此次測(cè)試仿真工具記錄數(shù)據(jù)為控制器控制系數(shù)與電機(jī)執(zhí)行系數(shù)，通過(guò)對(duì)比控制器與電機(jī)執(zhí)行系數(shù)之間的差值，判定控制方法的準(zhǔn)確定，對(duì)比結(jié)果如表2所示?？芍?種方法的控制器輸出量與電機(jī)執(zhí)行系數(shù)之間的差值對(duì)比可以看出，提出方法的控制量與電機(jī)執(zhí)行系數(shù)能夠保持一致，做到了控制信號(hào)的高度同步，由此可以證明提出方法具有提升控制準(zhǔn)確性的效果。

3結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)提出的艦船機(jī)械部件數(shù)控加工精度控制方法研究過(guò)程，進(jìn)行了數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)變量?jī)?yōu)化過(guò)程的描述，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了提出方法的有效性與可行性。本文研究為數(shù)控加工與發(fā)展，提供一種可行性方案，同時(shí)對(duì)數(shù)控高精度控制研究，提供一種新的研究思路。

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作者:侯小兵 單位:河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院