【摘要】：柔性件是一種常見加工材料，在紡織制造、航天航空制造等行業(yè)有廣泛應(yīng)用，但由于其剛性差、加工過程工件容易產(chǎn)生較大的拉伸或擠壓變形，這使得加工控制變得比較困難。論文以提高柔性件軌跡加工準(zhǔn)確度、快速性和可靠性為目標(biāo)，研究包括柔性件軌跡加工過程變形決策知識提取、加工軌跡變形補償非線性建模、加工軌跡在線測量反饋控制以及核心算法的嵌入式開發(fā)等理論與方法，這對促進先進制造科學(xué)、智能測控科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)價值和實際意義。研究工作得到廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合計劃項目(2011B090400468)、廣州市科技計劃重點項目(2007Z2-D3161)、廣東省自然科學(xué)基金項目(05001838)資助。 論文從分析柔性件軌跡加工控制過程及加工評價指標(biāo)入手，得到要提高柔性件軌跡加工精度及系統(tǒng)性能，加工過程變形補償控制、加工軌跡在線測量反饋以及加工控制模型自適應(yīng)性和智能化是研究的關(guān)鍵技術(shù)。從柔性件軌跡加工過程MIMO建模方法、柔性件軌跡加工視覺測量方法、智能控制系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計與硬件加速方法等三方面討論與柔性件軌跡加工變形補償控制技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進展，確定論文的研究內(nèi)容。論文的主要工作包括： ㈠開展柔性件軌跡加工過程變形力學(xué)分析研究，指出影響柔性件軌跡加工變形的因素相當(dāng)復(fù)雜，必須進行加工變形決策知識提取。討論柔性件軌跡加工簡化力學(xué)模型的有限元仿真及求解，得出柔性件軌跡加工變形與作用力、作用點位置、柔性件材料結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素之間關(guān)系；指出作用力變化又與進給深度、進給偏角、圖元類型、圖元夾角、加工步長、插補方法、插補速度、加工方向角、柔性件夾緊方式以及柔性件夾緊位置等等因素相關(guān)，若將眾多的加工變形影響因素作為后續(xù)預(yù)測模型的輸入將會形成極其復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，必須對柔性件軌跡加工變形影響因素進行提取。 ㈡提出基于粗糙集(RS)及信息熵約簡方法的柔性件軌跡加工變形決策知識提取方法。以柔性件軌跡加工變形影響因素作為條件屬性A，加工軌跡變形程度作為決策屬性D構(gòu)成加工變形決策表DDT;研究基于信息熵表示屬性重要度的DDT約簡算法，將互信息I (P;D)變化程度作為條件屬性對決策屬性重要性的評價指標(biāo)，當(dāng)I (P;D)變化越大則條件屬性a對于決策屬性D就越重要，具有較強的理解性、客觀性、操作性，制訂出變形決策表DDT屬性約簡算法計算流程圖，實現(xiàn)柔性件軌跡加工變形決策知識的提取。應(yīng)用例表明，本文以信息熵約簡方法提取的加工變形決策重要度最高影響因素，與Pawlak約簡方法、遺傳約簡算法提取的影響因素一致，但預(yù)測誤差分別減少32.58%、21.45%；同時由于信息熵約簡方法可通過靈活地閾值C I設(shè)置滿足不同建模精度要求需要，更容易獲得一個準(zhǔn)確度高的變形影響因素精簡集。 ㈢提出柔性件軌跡加工變形補償預(yù)測ATS-FNN建模方法，集中了模糊聚類、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法優(yōu)點。該方法由自適應(yīng)模糊聚類AFCM、Takagi-Sugeno(T-S)型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(TS-FNN)建模方法有效結(jié)合，TS-FNN具有學(xué)習(xí)能力強、逼近非線性函數(shù)映射能力好的特點，TS-FNN前件網(wǎng)絡(luò)引入模糊聚類方法AFCM完成輸入空間模糊等級劃分、隸屬度函數(shù)提取，規(guī)則適應(yīng)度計算，實現(xiàn)TS-FNN模型前件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)辨識；TS-FNN后件網(wǎng)絡(luò)比標(biāo)準(zhǔn)T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型增加了隱含層，進一步提高模型的全局逼近性能。實驗結(jié)果表明，ATS-FNN模型的建模時間比標(biāo)準(zhǔn)的TS-FNN(STS-FNN)減少52.34%，ATS-FNN模型預(yù)測誤差MSE較STS-FNN減小36.50%、33.34%；經(jīng)ATS-FNN模型預(yù)補償后的加工軌跡夾角誤差、直線度誤差分別比STS-FNN模型預(yù)補償、無補償加工減少40.44%、52.55%及28.76%、44.45%；ATS-FNN模型的圖元最小加工時間比STS-FNN減少46.09%，比無補償加工增加6.65%。 ㈣提出一種基于機器視覺測量加工誤差反饋的ATS-FNN模型，設(shè)計以雙32位MicroBlaze處理器為核心、TS-FNN、小波變換等專用IP核為輔助的柔性件軌跡加工變形補償硬件控制器。通過機器視覺測量加工軌跡幾何尺寸，軌跡加工偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)后對ATS-FNN模型預(yù)補償值修正，有望解決柔性件軌跡加工精度受工件厚度、進給速度、加工軌跡圖案變化而受影響等問題；硬件控制器中雙處理器基于消息郵箱Mailbox通信機制的協(xié)同工作，加速圖像處理任務(wù)處理；專用IP核以快速鏈接總線FSL協(xié)處理器接入MicroBlaze處理器的多核數(shù)據(jù)通信方式，較好解決IP核與主處理器之間總線和內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸滯后限制問題。實驗結(jié)果表明，帶視覺測量反饋環(huán)節(jié)的引入使得加工誤差即使加工條件改變而僅產(chǎn)生較小波動；ATS-FNN多核控制器采用雙處理器協(xié)同工作方式有助于加速控制器的計算速度。 ㈤提出加工圖像小波變換的FIR濾波器加速分解/重構(gòu)設(shè)計方法。利用8抽頭轉(zhuǎn)置FIR濾波器設(shè)計Daubechies(4)的分解、重構(gòu)計算IP核，該IP核的小波兩級分解總耗時Tw mrt比PC計算時間Tw mrtpc 僅增加5.561%；為了加速TS-FNN計算，引入多級流水線設(shè)計思想，將TS-FNN前件、后件網(wǎng)絡(luò)硬件實現(xiàn)電路的組合邏輯延時路徑系統(tǒng)分割，在各個分級之間插人寄存器暫存中間數(shù)據(jù)，獲得更短時序路徑，實現(xiàn)TS-FNN前后件網(wǎng)絡(luò)并行計算，采用流水線設(shè)計的IP核性能指標(biāo)得到明顯提高，以8位浮點運算為例，流水線設(shè)計的IP核運行頻率F_ipcorepl比非流水線設(shè)計運行頻率F_ipcorenpl提高17.85%。 ㈥結(jié)合柔性件軌跡加工變形補償技術(shù)的應(yīng)用，介紹帶反饋ATS-FNN控制器的絎縫加工系統(tǒng)、基于開環(huán)ATS-FNN控制器的電腦彎刀機加工系統(tǒng)研制。根據(jù)實際絎縫加工提取加工變形影響因素，基于ATS-FNN控制器設(shè)計了絎縫加工系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，開發(fā)了花模打版、控制軟件。應(yīng)用結(jié)果表明，基于ATS-FNN控制器的絎縫加工系統(tǒng)的加工軌跡夾角誤差f、直線度誤差f l分別比基于PC+NC控制減少32.9%、36.1%，較好地解決絎縫軌跡加工誤差隨著柔性件厚度增加而增大問題；基于開環(huán)ATS-FNN控制器的電腦彎刀機加工系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)已經(jīng)達(dá)到送料精度±0.015mm、最大折彎角度130°、最大彎曲半徑200mm，這表明加工變形補償控制基礎(chǔ)理論在電腦彎刀機加工系統(tǒng)應(yīng)用已取得較好應(yīng)用效果。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH165

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2769917