柔性制造系統(tǒng)中刀具管理與在線檢測技術研究

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摘要：在柔性制造系統(tǒng)中，被加工零件的品種較多，零件加工工藝比較復雜，且工序高度集中，需要的刀具種類、規(guī)格、數(shù)量是很多的。隨著被加工零件的變化和刀具磨損、破損，需要定時強制性換刀和隨機換刀。系統(tǒng)運行過程中，刀     在柔性制造系統(tǒng)中，被加工零件的品種較多，零件加工工藝比較復雜，且工序高度集中，需要的刀具種類、規(guī)格、數(shù)量是很多的。隨著被加工零件的變化和刀具磨損、破損，需要定時強制性換刀和隨機換刀。系統(tǒng)運行過程中，刀具頻繁的在各機床之間、機床與刀庫之間進行交換，刀具流的運輸、管理和監(jiān)控是很復雜的。因此，需要有一個先進、實用、功能完善的刀具管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)中刀具的調度、儲存及信息管理等任務。

    1刀具管理系統(tǒng)應具備的性能

    刀具管理系統(tǒng)應具備的性能：一是管理數(shù)量龐大的刀具，通常是數(shù)百把至幾千把刀具；二是刀具輸送自動化程度高，具有高性能、智能化的機器人作為刀具流動的傳送工具；三是自動、準確地采集刀具信息；四是借助大型數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對刀具的調度及動靜態(tài)最優(yōu)化管理；五是自動在線檢測刀具壽命及刀具磨損、破損管理，并能實現(xiàn)在線換刀功能。為此，以某一關鍵零部件的柔性加工系統(tǒng)中的刀具管理系統(tǒng)為例進行說明。

    2刀具管理系統(tǒng)的組成

    該系統(tǒng)采用VB6.0編程系統(tǒng)軟件作為開發(fā)平臺，由6個程序塊及5個外存文件組成。

    2.1程序塊

    2.1.1用戶登錄模塊主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護措施，防止非法用戶進入系統(tǒng)，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行的安全。

    2.1.2系統(tǒng)運行控制模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，以完成對在線刀具管理各種模塊的起?？刂啤⑷蝿张抨牸敖涌诠芾?，確認加工中心刀庫及中央刀庫的信息。

    2.1.3刀具離線管理模塊主要實現(xiàn)刀具庫的管理，進行刀具需求分析，刀具裝配計劃編制，刀具的刃磨和預調，刀具的編碼生成、粘貼及信息輸入，刀具的組件管理，生成刀具購買清單，及時向線內提供所需刀具。

    2.1.4刀具在線管理模塊主要實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)內的刀具活動的管理，保證加工中心在正確的時間得到正確的刀具，完成對加工中心刀具的需求與供給，運用適當?shù)牟呗詫崿F(xiàn)刀具的合理選擇、調度以及刀具運送指令的下達和刀具剩余壽命的計算。

    2.1.5系統(tǒng)信息管理模塊主要完成缺刀檢查，刀具入庫管理(包括新刀入庫和從柔性自動線上返回的刀具入庫)，刀具出庫管理，磨損、破損刀具的管理以及數(shù)據(jù)庫管理。

    2.1.6系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)內刀具、設備故障的監(jiān)控以及為刀具管理系統(tǒng)實時管理提供必要的資源狀況信息。這6個程序塊是系統(tǒng)的主要組成部分，它們按照一定的邏輯順序相互調用，使系統(tǒng)具有完善、合理的刀具管理功能，同時又是結構相互獨立的子程序模塊，子程序間通過數(shù)據(jù)傳遞而相互聯(lián)系。

    2.2外數(shù)據(jù)庫文件

    2.2.1刀具文件、存放所有刀具的主要參數(shù)，每1把刀具的參數(shù)作為1個記錄。

    2.2.2機床文件

    存放機床的主要參數(shù)，一種型號的機床參數(shù)作為1個記錄。

    2.2.3工藝數(shù)據(jù)文件

    存放各種與加工有關的工藝數(shù)據(jù)，一種加工方法的數(shù)據(jù)作為1個記錄。

    2.2.4切削條件系數(shù)文件

    存放決定切削條件的各種系數(shù)。

    2.2.5磨損、破損刀具文件

    存放磨損、破損刀具的主要參數(shù)，每1把刀具的參數(shù)作為1個記錄。

 

    3刀具磨損和破損的在線檢測

    刀具磨損和破損在線檢測的方法很多，主要有功率檢測、聲發(fā)射檢測、學習模式、力檢測等。在此介紹一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡對柔性制造系統(tǒng)中的刀具的檢測方法。

    3.1刀具負載模型的建立

    切削加工過程中刀具所受的負載與很多因素有關，根據(jù)在線檢測的要求，僅考慮幾個較大的影響因素，即主軸轉速、進給速度、切削深度、加工材料的切削性能4個因素，則刀具負載的模型為

    F=f(s,v,h,m)

    式中：

    F?負載向量；

    h?切削深度；

    s?主軸轉速；

    m?材料的切削性能；

    v?進給量。

    很明顯，上式僅能說明負載與各個影響因素有關，可以用微分幾何的數(shù)學方法或實驗的方法建立相應的關系式，但應用于在線檢測效果并不理想。在此，應用神經(jīng)網(wǎng)絡技術處理該刀具的負載模型。

    3.2神經(jīng)網(wǎng)絡技術

    本刀具負載自適應控制的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)采用3層的BP結構。根據(jù)上面的分析，顯然輸入層有4個節(jié)點，輸出層有3個節(jié)點，即負載在XYZ方向的大小?？紤]到本負載自適應控制系統(tǒng)的特性，可以認為負載是進給速度的連續(xù)函數(shù)，根據(jù)Kolmogorov定理，中間隱層的節(jié)點數(shù)應為2倍的輸入點數(shù)再加1。因此，本神經(jīng)網(wǎng)絡結構為輸入層4個節(jié)點，中間層9個節(jié)點，輸出層3個節(jié)點。根據(jù)上面的分析，采取每個節(jié)點給定4個值，以它們的不同組合作為樣本輸入數(shù)據(jù)，這樣可得256個樣本。具體做法是：將各個輸入量在可能的變化范圍內大體分為4等份，并用實驗的方法測出在每種輸入情況下的負載值。在得到256個樣本后，采用離線進行學習，得出每個節(jié)點的權值，這樣經(jīng)過學習的神經(jīng)網(wǎng)絡就建立了相應的刀具負載模型，為刀具的在線檢測提供條件。

    3.3刀具在線檢測原理

    首先測出刀具的切削深度和進給量，連同主軸轉速和加工材料的類型一起輸入神經(jīng)網(wǎng)絡控制器。由神經(jīng)網(wǎng)絡控制器進行負載計算，得出的負載輸入至檢測器。檢測器輸出的結果與輸入信號進行比較，若該負載超過刀具的疲勞條件下的裂紋擴展負載，則減小刀具的進給速度，并將進給速度的減小量反饋到CNC控制器，使CNC控制器做出相應的控制，以使得負載的大小改變到安全的水平。

    4結論

    在柔性制造系統(tǒng)中，一個好的刀具管理系統(tǒng)和在線檢測技術，不僅能提高加工生產率、降低勞動成本，而且對于產品優(yōu)化組合、減少故障率都會起到非常關鍵的作用。