【摘要】：柔性件是一種常見(jiàn)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(guò)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(guò)程變形決策知識(shí)提取、加工軌跡變形補(bǔ)償非線性建模、加工軌跡在線測(cè)量反饋控制以及核心算法的嵌入式開(kāi)發(fā)等理論與方法，這對(duì)促進(jìn)先進(jìn)制造科學(xué)、智能測(cè)控科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。研究工作得到廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合計(jì)劃項(xiàng)目(2011B090400468)、廣州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007Z2-D3161)、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(05001838)資助。 論文從分析柔性件軌跡加工控制過(guò)程及加工評(píng)價(jià)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(guò)程變形補(bǔ)償控制、加工軌跡在線測(cè)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(guò)程MIMO建模方法、柔性件軌跡加工視覺(jué)測(cè)量方法、智能控制系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與硬件加速方法等三方面討論與柔性件軌跡加工變形補(bǔ)償控制技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，確定論文的研究?jī)?nèi)容。論文的主要工作包括： ㈠開(kāi)展柔性件軌跡加工過(guò)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(jìn)行加工變形決策知識(shí)提取。討論柔性件軌跡加工簡(jiǎn)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(diǎn)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(jìn)給深度、進(jìn)給偏角、圖元類型、圖元夾角、加工步長(zhǎng)、插補(bǔ)方法、插補(bǔ)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(cè)模型的輸入將會(huì)形成極其復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，必須對(duì)柔性件軌跡加工變形影響因素進(jìn)行提取。 ㈡提出基于粗糙集(RS)及信息熵約簡(jiǎn)方法的柔性件軌跡加工變形決策知識(shí)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(jiǎn)算法，將互信息I (P;D)變化程度作為條件屬性對(duì)決策屬性重要性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)I (P;D)變化越大則條件屬性a對(duì)于決策屬性D就越重要，具有較強(qiáng)的理解性、客觀性、操作性，制訂出變形決策表DDT屬性約簡(jiǎn)算法計(jì)算流程圖，實(shí)現(xiàn)柔性件軌跡加工變形決策知識(shí)的提取。應(yīng)用例表明，本文以信息熵約簡(jiǎn)方法提取的加工變形決策重要度最高影響因素，與Pawlak約簡(jiǎn)方法、遺傳約簡(jiǎn)算法提取的影響因素一致，但預(yù)測(cè)誤差分別減少32.58%、21.45%；同時(shí)由于信息熵約簡(jiǎn)方法可通過(guò)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(gè)準(zhǔn)確度高的變形影響因素精簡(jiǎn)集。 ㈢提出柔性件軌跡加工變形補(bǔ)償預(yù)測(cè)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(diǎn)。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(qiáng)、逼近非線性函數(shù)映射能力好的特點(diǎn)，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(jí)劃分、隸屬度函數(shù)提取，規(guī)則適應(yīng)度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)TS-FNN模型前件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)辨識(shí)；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(jìn)一步提高模型的全局逼近性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ATS-FNN模型的建模時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)的TS-FNN(STS-FNN)減少52.34%，ATS-FNN模型預(yù)測(cè)誤差MSE較STS-FNN減小36.50%、33.34%；經(jīng)ATS-FNN模型預(yù)補(bǔ)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(bǔ)償、無(wú)補(bǔ)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(shí)間比STS-FNN減少46.09%，比無(wú)補(bǔ)償加工增加6.65%。 ㈣提出一種基于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量加工誤差反饋的ATS-FNN模型，設(shè)計(jì)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(bǔ)償硬件控制器。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量加工軌跡幾何尺寸，軌跡加工偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)后對(duì)ATS-FNN模型預(yù)補(bǔ)償值修正，有望解決柔性件軌跡加工精度受工件厚度、進(jìn)給速度、加工軌跡圖案變化而受影響等問(wèn)題；硬件控制器中雙處理器基于消息郵箱Mailbox通信機(jī)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(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶視覺(jué)測(cè)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(dòng)；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(jì)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(jì)方法。利用8抽頭轉(zhuǎn)置FIR濾波器設(shè)計(jì)Daubechies(4)的分解、重構(gòu)計(jì)算IP核，該IP核的小波兩級(jí)分解總耗時(shí)Tw mrt比PC計(jì)算時(shí)間Tw mrtpc 僅增加5.561%；為了加速TS-FNN計(jì)算，引入多級(jí)流水線設(shè)計(jì)思想，將TS-FNN前件、后件網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)電路的組合邏輯延時(shí)路徑系統(tǒng)分割，在各個(gè)分級(jí)之間插人寄存器暫存中間數(shù)據(jù)，獲得更短時(shí)序路徑，實(shí)現(xiàn)TS-FNN前后件網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算，采用流水線設(shè)計(jì)的IP核性能指標(biāo)得到明顯提高，以8位浮點(diǎn)運(yùn)算為例，流水線設(shè)計(jì)的IP核運(yùn)行頻率F_ipcorepl比非流水線設(shè)計(jì)運(yùn)行頻率F_ipcorenpl提高17.85%。 ㈥結(jié)合柔性件軌跡加工變形補(bǔ)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(kāi)環(huán)ATS-FNN控制器的電腦彎刀機(jī)加工系統(tǒng)研制。根據(jù)實(shí)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(jì)了絎縫加工系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，開(kāi)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(wèn)題；基于開(kāi)環(huán)ATS-FNN控制器的電腦彎刀機(jī)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(bǔ)償控制基礎(chǔ)理論在電腦彎刀機(jī)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH165

【參考文獻(xiàn)】

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