（控制理论与控制工程专业论文）高速数控板材加工成套装备的智能化研究.pdf

摘要 摘要 本论文的研究是基于“省粤港”关键领域重点突破项目网络化智 能型高速数控板材柔性加工成套装备，并重点研究了数控板材加工成套 装备的智能化。 本论文首先介绍了网络化智能型高速数控板材柔性加工成套装备， 并详细介绍了该装备的控制系统，特别是深入探讨了数控板材加工装备 系统的智能化和网络化。其次，由于本数控板材加工成套装备选用了西 门子s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统，因此本文还较详细地介绍s 州u m e r i k 8 4 0 d 数控系统，并特别介绍了该系统的智能功能模块和网络功能模块。 最后，本论文详细分析了影响数控板材加工成套装备智能化的相关 因素，建立起数控板材加工过程智能化问题的数学模型，并得出相关孔 群加工问题为带约束条件的单目标组合优化问题，并给出了待优化的目 标函数和约束条件。同时，针对如何优化板材加工的辅助时间问题，本 文提出了一种简单实用的优化算法，并用m a t l a b 仿真工具进行了一个实 例仿真。仿真结果显示，本论文提出的优化算法得出的加工路径只有原 算法路径的5 5 7 6 。显然，本优化算法是有效的，大大的缩短加工路径， 减少辅助加：i ：时间。 关键词：数控板材加工装备；数控系统；智能化；网络化；优化路径 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sb a s e do n “t h en e t w o r ka n di n t e l l i g e n t h i g hs p e e dn c ( n u m e “c a lc o n t r 0 1 ) p u n c h i n ge q u i p m e n to fn e x i b l e p r o c e s s i n g ”，w h i c hi st h ec r u c i a lf i e l da n dk e yb r e a k t h r o u g hp r o j e c ti n “g u a n g d o n g h o n g k o n g m a c a o ”，a n dt h i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e l l i g e n c eo f n cp u n c h i n ge q u i p m e n tw i t he m p h a s i s t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h en e t w o r ka n di n t e l l i g e n th i g hs p e e dn c p u n c h i n ge q u i p m e n to fn e x i b l ep r o c e s s i n g ，a n dt h ec o n t r 0 1s y s t e mo ft h e e q u i p m e n ti s i n t r o d u c e di n d e t a i l ，s p e c i a l l y d i s c u s s e st h en e t c n ca n d i n t e l l i g e n ts y s t e mo fn cp u n c h i n ge q u i p m e n t s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra l s o i n t r o d u c e ss i n u m e r i k8 4 0 dn cs y s t e mi nd e t a “，a n ds p e c i a l l yi n t r o d u c e s t h ei n t e l l i g e n tm o d u l ea n dt h en e t c n cm o d u l eo ft h es y s t e m ，a st h i sn c p u n c h i n ge q u j p m e n th a ss e l e c t e ds i e m e n s ss i n u m e r i k8 4 0 dn cs y s t e m a tl a s t ，t h ep a p e rp a r t i c u l a r l ya n a l y z e ss o m ec o r r e l a t i o nf a c t o r so fn c p u n c h i n ge q u i p m e n t ，w h i c ha f f e c t st h ei n t e l l i g e n c eo fi t t h ep a p e ra l s o e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h ep r o c e s so fn cp u n c h i n gw i t h i n t e l l i g e n c e ， a n d g e t s t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec o r r e l a t i o nh o l e sg r o u p p r o c e s s i n gq u e s t i o ni st h eo p t i m i z a “o np r o b l e mo fas i n g l e t a r g e tc o m b i n e s w i t hc o n s t r a i n tc o n d i t i o n si nf a c t ，a n dt h ep a p e rg i v e st h eo b j e c “v ef u n c t i o n a n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sf o rs o m eq u e s t i o n sw h i c ha r et ob eo p t i m i z e d a i m i n ga th o wt oo p t i m i z et h ea u x i l i a r yt i m ei nt h ep r o c e s s i n g ，t h ep a p e f p r o p o s e sa no p “m i z ea l g or i t h mw h i c hi ss i m p l ea n dp r a c t i c a la n du s e s m a r l a bt oc a r r yo u tas i m u l a t i o n t h er e s u l to fs i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e s t h a tt h ep r o c e s s i n gd i s t a n c ea f t e ro p t i m i z a t i o ni s5 5 7 6 o ft h ep r o c e s s i n g d i s t a n c ew i t ho r i g i n a la l g o r i t h m o b v i o u s l y ，t h eo p t i m i z ea l g o r i t h mo ft h i s p a p e ri sm o r ee f f e c t i v e i tr e d u c e st h ep r o c e s s i n gd i s t a n c ea n dr e d u c e st h e a u x i l i a r yp r o c e s s i n gt i m e k e y w o r d s ：n cp u n c h i n ge q u i p m e n t ；n cs y s t e m ；i n t e l l i g e n c e ；n e t c n c ； o p t i m i z e dp a t h i i 第一章绪论 第章绪论 1 1 数控技术及数控机床 从2 0 世纪中叶数字控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了 革命性的变化。数字控制技术简称数控( n u m e r i c a lc o t r t 0 1 ) ，它是综合 应用计算机技术、自动控制技术、测试技术及机械制造等方面的新技术 而发展起来的一门综合学科。数控技术的发展从硬件数控( n c ) 开始， 自从计算机引入到数控中以后，计算机数控c n c ( c o m p u t e rn u m er i c a l c o t r t 0 1 ) 的发展逐渐成为数控技术的发展主流“1 。随着计算机运算速度 不断提高和功能的不断增强和近年来在网络通讯技术、光机电技术于一 体的现代制造业的迅速发展，数控技术也得到了快速的发展。目前数控 加工技术向着有高精度、高效率、柔性自动化等方向发展，对制造业实现 柔性自动化、集成化、智能化等特点。 根据工件加工方式的不同，数控机床又可分为数控车床、数控冼床、 数控磨床、数控板材加工装备、数控压力机等等。其中，用于工件连续 轨迹加工的数控机床有数控铣床、数控车床和数控磨床等；用于金属挤、 冲、压、拉等成型工艺加工的有数控板材加工装备、数控压力机、数控 折弯机、数控弯管机、数控旋压机等；用于特种加工类的主要有数控电 火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机 等。 1 2 数控板材加工装备 数控扳材加工装备又称数控冲床，是利用数控技术控制板材冲压的 数控机床。数控板材加工装备是用于金属薄板零件加工的板材加工，在 通讯设备、电力开关、电梯、汽车、农机、各类仪器仪表等行业应用广 泛。数控板材加工装备的加工过程：零件的加工代码( 零件的加工程序) 由输入单元传给控制装置，由数控装置进行编译，再经过数据处理，将 伺服控制点数值及控制信号输给伺服系统，由伺服系统完成工作的定位， 广东工业大学工学硕士学位论文 定位后，冲头下冲，完成一个工作周期。 1 3 数控板材加工装备的国内外发展情况 1 9 6 7 年德国的t r u m p f 公司生产第一台硬件单工位数控板材加工 装备，之后随着数控技术、液压气动技术、运动元件及计算机等相关技 术的发展，数控板材加工装备也有了很大的发展，性能不断地提高，功 能逐步地增强。目前，德国、日本和美国等发达国家数控板材加工装备 的使用已非常普遍。据不完全统计，目前国外生产数控板材加工装备的 厂家已有3 0 多家，这还不包括一些著名厂家在其他国家的子公司或分 厂，形成以日本a m a d a 、m u r a t e 、德国t r u m p f 、比利时l v d 、芬兰f i n n p o w e r 为代表的多家企业。这些企业产品的发展趋势就是设备向高效率、网络 化、智能化方向发展。网络技术和数控系统的发展将使制造厂家对其遍 布世界各地的机床进行远程诊断和维修成为现实。同时网络化和智能化 程度也是体现产品优劣的重要评定标志。各个厂家的产品不断地推陈出 新，精彩纷呈，这既是为了规避已有专利技术，也是展示个性技术，以 便争夺市场。 数控板材加工装备在国内的发展历史较短，仅有十几年的发展历程， 主要原因是这些企业起点较低，规模较小，通过与国外技术合作和引进 某单一产品进行生产，这样很难实现提升产品的技术水平，也不能建立 真正的规模化工业生产，就没有实力与国外企业进行竞争。到现在为止， 我们的国产单机设备与国外产品相比整体技术水平仍有较大差距，特别 是在质量及可靠性上明显落后于进口设备。 1 4 论文背景 在我国，数控板材加工装备广泛应用于通讯设备、电力开关、电梯、 汽车、农机、各类仪器仪表等行业。这些行业对数控板材加工装备的需 求越来越大，而且行业对设备的性能指标也提出了更高要求，如要求设 备具有更高的生产效率，具有网络化功能，实现生产车间的集成管理和 网络管理等。数控板板加工装各一定会像国外一样在各行各业当中得到 第一苹绪论 普及和应用。然而，在国内市场份额的分配上进口数控板材加工装备仍 占具了市场的主导地位。国内市场数控板材加工装备的销量每年都以超 过5 0 的速度增长，但这仍是该类设备发展的初期阶段。随着中国经济 的快速发展及世界加工基地的格局形成，数控板材加工装备将有巨大的 市场需求，估计将多年保持快速增长的态势。在我国，进口数控板材加 工装备占据市场主导地位，其中高端产品国产品牌几乎为零，中低端产 品占2 0 左右。因此我国迫切需要开发高技术含量的数控板材加工装备， 与进口产品形成真正的竞争。目前国产数控板材加工装备的技术水平还 比较落后，生产加工效率较慢，网络智能化水平也有比较大的差距，不 能满足现代企业的生产管理需要。要求开发国外产品相当的高新技术产 品。 本论文来源于“省粤港”关键领域重点突破项目网络化智能型高 速数控板材柔性加工成套装备项目。该项目研究是压力加工设备中最 具生命力的集机、电、液一体化的前沿产品，是广泛用于各类金属薄板 零件加工的板材加工关键设备。本论文是该项目的网络化、智能化的研 究。 1 5 本研究论文的主要内容 本论文的研究对象是数控板材加工装备系统，主要的研究内容包括： 1 、探讨数控板材加工系统的关键技术：智能化、网络化、高速化和柔性 化，重点研究了数控板材加工系统的智能化； 2 、介绍了西门子s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统的网络化功能和智能化功 能： 3 、建立数控板材加工过程的时问模型和刀具成本模型； 4 、由本文给出的数学模型可知，数控板材加工过程的优化问题实际上是 单目标带约束的组合优化问题，本文介绍求解此类问题的智能算法此 问题，还给优化刀具和优化走刀路径的智能算法； 5 、最后，本文对路径优化算法进行了仿真，并得出仿真结果表明该算法 可大大地缩短了走刀路径，减少加工时问。 ，一，。! ：蛮三些查兰三兰至圭：竺兰三， 第二章网络化智能型高速数控板材加工装备系 2 1 数控板材加工装备 统的研究 本论文的研究来源于“省粤港”关键领域重点突破项目网络化智 能型高速数控板材柔性加工成套装备项目。该项目研究的数控板材加 工成套装备如图2 一l 所示，它由工作台、旋转刀具库、自转模机构、驱 动装置、液压动力系统、数控系统和运动机构等部分组成。本装备属于 数控板材加工高端产品，有着非常好的配置，例如人机介面采用中英菜 单，人性化的人机对话窗和面向w i n d o w s 的编程技术和采用1 1 高亮度 彩色l c d 监视器；控制系统采用全数字模块化数控设计，配置了功能强， 速度快，存储容量大，具有国际水准的数控冲床专用的s i n u m e r i k8 4 0 d ： 伺服控制单元采用数字化伺服驱动系统，可控制同步无刷交流伺服电机， 保证了机床的高速度、高精度；内置高速的i o 接口，通过带灯的转接 板与机床外部信号连接，安全、直观、可靠。 此装备部分性能指标已达到国内先进水平。目前已经实现了以网络 方式发送接收加工程序，进行无人值守远程控制，或与其它设备链接进 行集成生产管理；可根据图纸自动生成加工程序和远程故障诊断，实行 完善的信息化制造：具备自动分模、复动再定位、同步运行等优点并可 扩展加工范围；冲加工频率能达1 0 0 0 次分，送料速度1 13 米分。 4 第二章网络化智能型高速数拄板材加工装备系统的研究 图2 一l 数控板材加工装备示意图 f i g 2 一lp i c t u r eo fn cp u n c h i n gd e v i c e 2 2 西门子s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统简介 快速高效的数控板材加工装备离不开先进的数控系统支撑，在研设 备达到2 1 节提到的性能指标，必须配置高性能的数控系统。我们对系 统的要求是：能够实现多轴联动：能够实现高速加工；具备有优越的网 络功能和具备较高智能化功能等。西门子s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统无 论是在快速加工还是在网络化和智能化方面都非常出色。它是一个开放 式的控制系统，用户可在系统中集成自己特有的专有知识，根据应用需 求构成适合用户自己的数控加工系统。因此，在研数控板材加工装备选 用西门子s i n u m e r i k8 4 0 d 作为在研数控板材加工装备的数控系统。 西门子推出的数控系统以功能强大而著称于世，s i n u m e r i k8 4 0 d 是西门子公司2 0 世纪9 0 年代推出的高性能数控系统。它保持西门 子前两代系统s i n u m e r i k8 8 0 和8 4 0 c 的三c p u 结构：人机通 信c p u ( m m c c p u ) 、数字控制c p u ( n c c p u ) 和可编程逻辑控制器 c p u ( p l c c p u ) 。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结 构上，n c c p u 和p l c c p u 合为一体，合成在n c u f n u m e r i c a l c o n t r o lu n i t ) 中，但在逻辑功能上相互独立。s i n u m e r i k8 4 0 d 建立在 ：2 ：些：i ：i 2 ：士i 譬 i ： 综合的系统平台上，通过系统设定功能而适用于几乎所有的控制系统， 8 4 0 d 与s i m o d r i v e6 1 1 数字驱动系统和s i m a t i cs 7p l c ( 可编程控 制器) 一起，构成了一个全数字控制系统。 2 2 1s in u m e r l k8 4 0 d 数控系统的硬件组成 s i n u m e r i k8 4 0 d 系统硬件组成原理如图2 2 所示，它由数字控 制单元、人机通信中央处理单元、操作员面板、机床操作面板、电源模 块和驱动系统等组成： 夺数字控制单元n c u ( n u m er i c a lc o n t r o lu n i t ) n c u 是s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统的控制中心和信息处理中心， 数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、p l c 系统的算术运 算和逻辑运算都是由n c u 完成的。在s i n u m e r i k8 4 0 d 中，n c c p u 和p l c c p u 采用硬件一体化结构，合成在n c u 中。 图2 2s i n u m e r i k8 4 0 d 系统硬件组成图 f i g 2 - 2h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no fs i n u m e r i k8 4 0 ds y s t e m 夺人机通信中央处理单元m m c c p u 第二苹网络化智能型向速数控板材加工装备系统的研究 m m c c p u 的主要作用是完成机床与外界及与p l c c p u 、n c c p u 之间的通信，内带硬盘，用以存储系统程序、参数等。 夺操作员面板o p 0 3 l 操作员面板o p 的作用是：显示数据及图形，提供人机显示界面； 编辑、修改程序及参数；实现软功能操作。在s i n u m e r i k8 4 0 d 中有 6 p 0 3 l 、o p 0 3 2 、o p 0 3 2 s 、o p 0 3 0 以及p h g 等5 种操作员面板。其中， o p 0 3 l 是常使用的操作员面板。 夺机床操作面板m c p m c p 的主要作用是完成数控机床的各类硬功能键的操作。主要有以 下列6 个硬功能键操作。( 1 ) 操作模式键区；( 2 ) 轴选择键区；( 3 ) 自 定义键区；( 4 ) 主轴操作区；( 5 ) 进给轴操作区；( 6 ) 急停按钮。 夺i r f 主电源模块 主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。 夺驱动系统 它包括主轴驱动系统和进给驱动系统两部分。 2 2 2s ln u m e r ik8 4 0 d 数控系统的软件组成 s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统软件系统由m m c 软件系统、n c 软件系统、 p l c 软件系统和一些接口软件组成，其中n c 软件系统和p l c 软件系统 结合在一起构成n c u 软件系统( 如图2 3 所示) 。s i n u m e r i k8 4 0 d 数 控系统的各软件系统有明确分工：m m c 软件系统支撑s i n u m e r i k 与外界 m m c p c 、p l c c p u 、n c c p u 之间的相互通信及任务协调；n c 软件系统包 括n c k 数控核初始引导软件、n c k 数控核数字控制软件系统、s i m o d r i v e 6 1 1 d 驱动数据、p c m c i a 卡软件系统，实现机床的数字化加工；p l c 软件 系统包括p l c 系统支持软件和p l c 程序，执行设备运动控制；通信及驱 动接口软件主要用于协调p l c c p u 、n c c p u 和m m c c p u 三者之间的 通信。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 3s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统软件结构图 f i g 2 3s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o no fs i n u m e r i k8 4 0 ds y s t e m 2 3 数控板材加工装备系统的关键技术研究 数控板材加工装备经历了3 0 多年的发展，其功能不断得到完善和提 高。特别随着高速计算技术、计算机网络技术和智能控制的迅速发展， 数控板材加工装备更是得到了充分的发展。目前，数控系统主要向着以 下几方向发展： 夺智能化 毫不夸张地说，目前智能化功能已成为数控系统必备功能之一，数 控机床的智能化的程度也成了判定其先进性的重要条件之一。数控系统 的智能化研究主要集中于两个方面：其一是运用人工智能技术对数控系 统的人机界面、系统诊断等非实时控制决策性能的改进；其二是运用自 适应控制等现代控制论方法对加工过程控制个别指标的性能改进。而在 直接运用智能控制理论，来提高系统的整体控制性能、增强系统的智能行 为方面的研究，还处于萌芽状态。 夺网络化 网络化数控( n e t c n c ) 是近年来机床发展的一个热点。数控装备的 第二章网络化智能型高速数控板材加工装备系统的研艽 网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求， 也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 夺高速化 高速加工( 1 i g hs p e e dm a c h i n i n gh s m ) 新工艺技术的发展，用户 对设备柔性、高生产率、多功能、高性能和低费用的迫切需求，促进了 数控机床朝向高效高速化、高精度、可重构和复合加工结构方向发展， 并已成为当前数控机床发展的基本趋势”3 。高速加工的主要评定参数有 主轴转速( r m i n ) 、进给速度( m 【i l j n ) 、加速度( g ) 、换刀时间( s ) 等。 高速加工是一个复杂的过程，或者说是一个系统工程：它将涉及机床结 构、高速主轴、快速坐标驱动、控制系统、高速加工工艺和编程、刀具、 刀夹系统和接口、冷却和安全操作等，只有所有这些方方面面都取得了 成功，高速加工才能取得成功”。 夺柔性化 当今，数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点( 数控单机、 加工中心和数控复合加工机床) 、线( f m c 、f m s 、f t l 、f m l ) 向面( 工 段车间独立制造岛、f a ) 、体( c i m s 、分布式网络集成制造系统) 的方 向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是 制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发 展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。柔性制造系统( f m s ) 已逐 渐成为机械制造业的一种现代化生产模式。f m s 是实现未来工厂新颖概 念的模式，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的工艺技术。8 0 年代中期以来，f m s 获得迅猛发展，几乎成了生产自动化之热点。近年来， f m s 作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式 已为国际上所公认，f f s 作为当今世界自动化制造技术发展的前沿科技， 将成为2 l 世纪制造业的重要生产模式”3 。 目前，数控板材加工装备对系统的智能化、网络化、高速化和柔性 化要求越来越高，国外的数控板材加工装备系统在上述几方面已达到非 常高的水平，可满足不同场合的加工需要。但国产产品在这几方面与国 外的差距还非常大，国产产品也只有在关键技术上有所提高，才能提高 国产数控板材加工装备的水平。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 ，1 智能化 我们通常所说的数控系统智能化是指从系统体系结构的高度，将智 能控制策略融合于系统的结构中，使智能控制策略成为系统的基本控制 决策方法。因此数控系统的智能化主要体现在以下几方面“1 ：( 1 ) 任务 规划的智能化：是数控机床将接受的任务变为数控机床随环境的变化而 不断调整的目标任务。( 2 ) 自我完善和提高的能力：表现为数控机床获取 知识的能力，包含向专家学习，丰富和提高机器的“知识”结构能力和通 过给定奖惩函数自身提炼新知识的能力。( 3 ) 自适应的人机界面：机器能 够适应不同的操作人员，提供不同的人机接口及充分的信息交换能力。( 4 ) 加工过程的智能控制：通过对影响加工过程的因素和被控量的检测及提 取，快速实现目标的智能决策和控制。( 5 ) 故障诊断智能化：快速定位故 障的原因和部位，自动或指导排除故障。 2 3 1 1 智能自适应数控系统 智能自适应数控系统是数控系统智能化的重要体现，与传统的数控 系统相比，智能自适应数控系统具有突出的： = 程实用价值。此外，九十年 代出现的开放式数控系统为智能自适应数控的实现创造了良好的应用环 境，加上检测技术和控制技术的迅速发展，特别是基于神经网络、模糊逻 辑和遗传算法等的智能控制方法的研究和应用，也为智能自适应数控的 实现提供了有力保证。不难看出，基于智能自适应控制策略的开放式数控 系统具有广阔的应用前景和强大的生命力。1 。 s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统具备很好的自适应性，它具备以下功能： ( 1 ) 可根据冲压深度和宽度的变化对进给速度、主轴转速等参数进行调 节，以始终保持最大的进给率，例如，“预读程序段”功能可以预测可变 量的运动程序块，借此来优化加工速度。 ( 2 ) 传统数控系统编程时往往是根据经验和知识预先确定刀具的运动轨 迹。而s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统则可根据输入的c a d 图形而自动选择适 合的加工轨迹。 第二章网络化智能型尚速数控板材加 装备系统的研，i ( 3 ) 具有根据实际工况“自我编程”的能力，它不仅能在给定的控制目 标下自动给定瞬时冲压用量，使编程者不必再选择每次走刀路径和冲压 用量，而且还能实现空行程的自动转换，在空行程时采用高速进给，接触 工件时再及时调整进给速度，从而减少辅助时间。 ( 4 ) 智能优化自适应控制( a c 0 ) 可以根据对加工参数的实时检测，通过控 制系统的计算优化，使冲压用量保持最佳数值，从而将生产成本降至最 低。 2 3 1 2 人机界面 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界 面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软 件研制中最困难的部分之一。以往，加工命令是用一些数控专用的指令 来表示，通常一个加工命令要输入许多条加工指令，不但影响加工效率 而且不便于操作。s i n u m e r i k8 4 0 d 操作界面由一个易于操作的编辑器、 菜单驱动器、详细系统诊断单元、串行数据接口、磁盘驱动器和网络接 口等组成。用户可以把加工命令用图形来显示，只需在操作界面上选择 要加工的图形，然后设定相应的参数，数控系统便可以自动地生成相应 的加工指令。 s i n u m e r i k8 4 0 d 操作界面的特点在于：( 1 ) 操作界面被分为清晰 描绘的操作区，由于采用了面向w i n d o w s 的编程技术，用户可以轻松观 擦到整个加工过程；( 2 ) 软键的特点是结构简单，并采用平面式的菜单 结构，操作界面可以根据用户的特殊需要，通过结构总体设计的编辑器 进行修改；( 3 ) 独立的用户自定义操作界面机床制造商可以将一些自己 特定的功能添加到控制器中，并创造一个用户自定义的操作界面；( 4 ) 在操作方式方面，可以根据特殊的机床操作要求集成自己的菜单、输入 格式和帮助显示。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利 用w i n d o w s 技术改变人机界面( h m i ) 。 2 3 1 3 智能化编程 据国外统计“1 ，手工编程时，一个零件的编程时间与数控机床实际 加工时间之比约为3 0 ：1 ，而数控机床不能开动的原因中有2 0 3 0 是 由于加工程序一时编制不出的原因。s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统采取 c a d c a m 自动编程的方式。用户只需要在c a d 上把要加工的三维加工图 纸画好，然后传给数控系统，数控系统就能自动地将加工元件的图纸自 动生成加工程序，这样就大大地简化了用户的编程过程。 系统操作方式如( 图2 2 ) 所示，它是从c a d 设计到加工规程没计 再经过c a m 系统来完成n c 代码生成。在c a d 系统中调用加工分布图形( 非 实体模型) ，触发图符激活对应数据库对象记录，编辑选定的对象属性集 中变量( 例如，模板号、模板名称) ，进行分块和排序操作，然后经过干 涉检验和加工仿真，最后生成n c 数控代码。 c a d 系统框图加工规程设置c a m 系统 篓园一目 j 团? ：。? 困黧图气圈；i ；著章2 蓉荔藕 誊 曩誊雠。 氏 ，囝磊誓+ 5 臣； f y国i 鼍褫蔼 ：叠蠢洒。 曩；田 ! i i 蠹蘸藕 t | j 图2 4c a d c a m 系统操作流程 f i g 2 4o p e r a t i o nf l o wo fc a d c a ms y s t e m 2 3 1 4 智能化故障诊断 故障处理是评定数控系统先进性的一个重要方面，s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统带有功能强大故障诊断模块。它的优越之处在于( 1 ) 自 动检测故障且能自动保护，并能在工作中实时监控，同时也可以通过电 话线，以太网和因特网( 电子邮件报警和s m s 信息) 实现故障的远程诊 第二苹网络化智能型两速数拄板材加工装备系统的研艽 断以及对系统的潜在故障进行检测并发出预警信号。( 2 ) 带预防性的“安 全集成”软件，由于所有的安全功能都集成在控制器和驱动技术中，“安 全集成”保护了机床和机床操作人员。( 3 ) 带有一种新的报警电子邮件 软件“ e v e n t ”，主要用于机床刀具控制，机床控制器可以发送电子邮件， 用以虚拟预报各种即将发生的事件，警报和信息可以立即传到服务人员， 因此缩短了停机时间。 2 3 2 网络化研究 现今许多数控机床或系统制造商都极力进军该领域，他们不仅出售 机床设备或控制系统，同时也出售他们研发的配套软件产品，为实现信息 技术、制造技术、生产管理和制造控制融合集成，提高企业生产率、快速 响应能力和综合竞争力提出整体解决方案“1 。与西门子前期的数控系统 相比，s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统具有优越的网络功能： ( 1 ) 为了解决在生产计划、加工计划、调度和机床刀具之间的数据随意 交换的问题，快速可靠的网络功能是s i n u m e r i k8 4 0 d 的优越性能之一。 ( 2 ) 可以与c a d c a m 工作站链接，接收加工信息。例如加工程序、图纸 和工具数据的传输，实现资源共享。 ( 3 ) 实现生产过程数据的采集、保存和查询更加快速。s i n u m e r i k8 4 0 d 的数控系统的n c 程序转换器具有非常友好的用户界面，由于以太网的使 用，使得s i n u m e r i k8 4 0 d 的数控系统文档与计算机之间的传输变得更快， 其满量程的传输速率是标准串口的1 0 0 倍。 ( 4 ) 实现生产过程监控。s i n d n c 软件模块将s i n u m e r i k8 4 0 d 系统快速、 简单和经济的添加到标准的网络中，并与w i n d o w sp c 和u n i x 工作站之 间建立稳定的连接。企业管理人员在远离制造车间现场的任何一台联网 的p c 站点上，通过w e b 浏览器方式就能看到生产现场实时信息。远程或 企业内对机床加工运行和负载状态的查询：按指定的路径下载加工程序 和工具数据等。 ( 5 ) 有利于企业的柔性化管理。也使得企业与其他企业车间的管理和信 息交流。s i n c o m 通讯工具配备了一个接口，用于实现c n c 数据与主计算 广东工业大学工学硕士学位论文 机之间的通讯。通过采用t c p i p 协议，可以轻松地将s i n u m e r i k 集成 于用户计算机解决方案中。 ( 6 ) 加工的远程和企业内技术支持，设备远程故障诊断和维护服务。数 控设备生产厂家可以通过i n t e r n e t 查询到远程客户终端的数控设备运 行情况；反过来，客户终端的技术人员可以登陆厂家的售后服务网站查 询相关的故障处理方法，同时也可以通过i n t e r n e t 向在线的专家求助， 实现在线故障诊断。 ( 7 ) 实现可重配制造系统。对n e t c n c 制造系统，c n c 机床是作为制 造业内部网上的一个节点，可形成动态的网络化制造系统的一个组成部 分，从而易于进行数控机床重组，实现r m s “1 ，适应变批量定制生产模式。 n c u 有一个p r f i b u s d p 接口，并可以以主控制方式或从控制方式在总 线上使用。 2 4 本章小结 本章先介绍了本论文所研究的数控板材加工成套装备，对数控板材 加工系统的关键问题进行了探讨，重点探讨了数控系统的智能化和网络 化。其次，本论文所研究的数控系统选用了s i n u m e r t k8 4 0 d 数控系统， 因此本章对s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统作了简单的介绍。 1 4 第三章数控板材智能化加工的建模 第三章数控板材智能化加工的建模 3 1 问题的描述 在数控板材冲加工中，人们最关心的问题是加工的效率和加工的成 本。其中加工效率主要是体现在加工时间成本上：而加工成本主要是体 现在刀具的成本上。从数控板材冲加工的特点可看到，影响加工时问的 因素有三个：冲加工时间、换刀时间和走刀路径时间。人们往往关注如 何提高数控冲床的送料进给速度和冲压频率，而忽视了刀具位移，换刀等 辅助时间。事实上，辅助时间对数控冲床加工的影响是非常大的，特别 是当加工的面板孔多而孔的形状不一的情况更是如此。因此，如何事先 规划好加工路径以达到缩短刀具移动路径；减少换刀次数同时能保护刀 具是数控板材加工中的非常关键的问题。我们期望加：i ：每一块板材所用 的时问尽可能的少，而且刀具的磨损也尽可能的小。所以加工时间数学 模型和刀具成本的数学模型的建立就显得非常重要的。 一般来说，控制系统的优化问题首先想到的是要建立系统的数学模 型。系统控制的效果理不理想很大程度上决定于它的数学模型建立。对 于线性系统的控制，其系统的数学模型有明确的数字表达式，可直接利 用牛顿一欧拉方法或者拉格朗日方法来建立起其数学模型；对于非线性 系统，一般的做法是先把非线性系统在工作点附近进行线性化处理后然 后再建立起其数学模型。 数控板材冲加工是一个多输入多输入的系统，很难用统一的数学模 型来表示其信号的输入输出关系。我们可以通过分别考虑独个因素对加 工过程的影响，建立每个相关因子的数学模型。 3 2 数控板材加工时间的数学模型 由3 1 节的分析我们可知，数控板材加工时间可分为：冲压时间、 广东工业大学工学硕士学位论文 换刀时间和走刀时间。其中冲压时间取决于机床的冲压频率、步长选取 和插补方法选择；走刀时间走刀时间取决定路径的规划；换刀时间取决 于刀具的换刀动作快慢与刀库旋转时间。 3 2 1 走刀时间数学模型 数控板材工中设备也称为转塔式数控冲床，刀具固定在旋转刀具库 里，加工时刀具库旋转将选定的刀具运动到特定的加工点上，板料放在 工作台上，由上夹钳夹住并定位，然后沿x 、y 轴移动，将所要冲孔的位 置送至液压冲头的下方，液压冲头开始冲压，完成一个冲的动作。 图3 一l 走刀示意图 f i g 3 1s k e t c hm a po fc u t “n gf e e d 如图3 一l 所示，设d ：；j 为孑li 到孔j 的距离( 单位为m ) ，v 。为刀具的相 对运动速率( 单位为s m ) ，设只考虑刀具历遍所有孔的时间为z ( 单位 为s ) ，则可得出走刀时问的数学模型： r ，= 萎：c 半， - ， 其中f ，f l ，2 ，) ，j = ( 2 ，3 ， ，n 为要加工孔的个数： 嘞= o ，1 ) ，7 日的设计主要是避免重复加工情况，我们设计的加工路径只 有一条，刀具应该在设定的加工路径上历遍所有的孔，当路径处于规划 的路径7u 下取1 ，当不是在规划的加工路径下7u 取0 。 1 6 第三章数控板材智能化加工的建模 3 2 2 换刀时间数学模型 如果加工孔z 使用的刀具在加工孔，时不再使用，那么必须执行换刀 操作。在本论文研究的数控数控板材加工装备带有旋转刀具库，2 8 把 刀具根据类别安装在库里( 其中有两把刀具是可以自旋转的，用于加工 带角度的孔) 。换刀时，刀具库旋转，使刀具到达固定的换刀位置完成换 刀。这样换刀时间不但与换刀动作的快慢有关，而且与刀具在刀具库的 放置位置有关。如果位置j 需要使用的刀具远离刀架，那么刀库必须旋转 很长的距离换刀，这将延长换刀时间。刀具库按“常用靠近”的原则存放 刀具，一些常用的刀具应放在离换刀位置比较近的位置，有的特别常用 刀具可以考虑多于一把，防止在加工过程中因为刀具损坏而停机。 假设：正来表示换刀的时间( 单位为s ) ；& 为加工的孔i 到j 刀具 要转的距离( 单位为m ) ；为刀具库旋转的线速度( 单位为s m ) ；f 是 指换刀动作的需要的时间( 单位为s 对于每块板材来说f ，是固定的常熟) 。 则可得到换刀时间为： nn# 丁：= ( 半+ f ：亭“) ( 3 2 ) l _ l ，= l”2 其中，岛= 1 ，o ) ，当需要换刀时戋，取1 ，不需要换刀时乞取o 。 3 2 3 子l 加工时间数学模型 数控板材加工的冲加工时间是主要的加工时间，影响冲孔时问的因 素有有冲孔的频率、步长的选取和孔的表面积的大小等。 假设：五为冲完所有孔的时间；乇是用第k 把刀加工孔i 所用的时 间( 单位为s ) 。 则有孔加工时间的数学模型为： nm 丁，= ( 3 3 ) i = 1女= 1 其中，k = l ，2 ，m ，m 为加工整块板材所要的刀具总数。 、广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 4 总加工时间数学模型 设加工某块板材所要的时间为t ，则由上式( 3 一1 ) 、( 3 2 ) 和( 3 3 ) 可得下式： 丁：( 互+ t + l ) ：羔羔譬导+ 羔羔( 之亟+ r ：岛) + 兰羔。， l _ li = 2 ij = l ，= 22 f - l = 2 其中f j ，f _ l ，2 ，) ，j = ( 2 ，3 ，) ，n 为要加工孔的个数； = 1 ，2 ，肘) ，m 为加工整块板材所要的刀具总数。 3 3 刀具加工成本数学模型 冲压工件的生产成本主要由冲压工时费、辅助工时费和与刀具有关 的费用三部分组成。为了减少冲压工时，应选用直径较大的刀具，但冲压 面积增大会缩短刀具寿命，增加与刀具有关的费用，因此存在一个与最低 生产成本对应的最优冲压用量。 假设：f 为加工整块板的刀具总成本；g 为刀具k 的成本系数；瓦为 刀具k 用来加工i 这种质地的材料总共可以使用的时问( 单位为s ) ； mo 则有：f = ( c 。 ) ( 3 5 ) | = 【t=1 t j 其中，g 根据每把刀具的价格寿命时间等因素来选择，例如可以g 划分为o 8 、l 、1 2 等几个等级，此划分根据实际的需要来定义并不是 固定的。 假设：盯为无量纲常数，表示某块板加工的刀具费用上限，我们的 优化问题则可描述为要求加工某块板的成本不能超过盯。则有： nm。 f = ( c 。) 墨仃 ( 3 6 ) l _ 】i = l 1 女 其中，盯的值是随着每块板不同的加工任务而人为地设定的，对于具 体的某块板的加工它是个常数。 第三章数控板材智能化加工的建模 3 4 本章小结 本章主要是分析了影响数控板材加工各个因子，并分析了影响每个 因子的因素，从而建立起数控板材加工的时间数学模型和刀具成本数学 模型。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第四章智能化算法的设计 4 1 问题的提出 由第三章给出的数学模型，数控板材加工的优化问题就可以描述为： 找到一个加工排列，使公式( 3 4 ) 取值最小并且刀具的成本不能太高。 那么待优化的目标函数为： 丁= f n i n ( 7 ：+ 五+ 五) ( 4 1 ) 约束条件是 ( ct 等) 如( 4 2 ) 出式( 4 1 ) 、( 4 2 ) 可看出，如果把加工总的时间作为目标函数，把 刀具成本作为约束条件，那么板材加的优化问题就是单目标有约束的组 合优化问题。如果只是考虑走刀时间t ，那么优化t 。就属于最短路径问 题，最短路径问题也属于组合优化问题。 组合优化问题又称离散优化问题，是一类重要的优化问题。随着计 算机科学、管理科学和现代化生产技术等的日益发展，这类问题与日俱 增，越来越受到运