高速数控车床的动态性能监控系统的研究与设计

付川川

摘 要：本文以监控系统的功能需求为出发点，提出基于CA的高速数控车床的动态性能监控系统的设计方案，以监控系统的功能需求进行模块划分，针对系统中信号调理与识别决策两个功能方面，设计了系统动态性能的预测方法。最后，利用本文所设计的高速数控车床动态性能监控系统对数控车床的空转及切削条件下动态性能进行性能监测，以验证基于CA的高速数控车床的动态性能监控系统设计的实用性能。

关键词：高速数控车床；动态性能监控系统；设计；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.035

0 前言

高速数控车床的动态性能监控系统可以确保数控机床在加工过程中的工作质量，人们可以通过监测数据对加工情况进行管理和分析，并通过体系的数据对生产工作进行一系列的决策工作，为零部件的生产制造工作提供了良好的保障。基于此，本文利用动态性能的变化规律构建符合实际应用的高速数控车床动态性监控系统，并利用自主开发的监控系统完成对CK6136S型号的高速数控车床进行动态性能测试，结合实际工况与实验数据完成数控监控领域的研发工作。

1 高速数控车床的动态性能监测系统的总体设计方案

高速数控车床动态性能监控系统作为生产制造过程中重要的决策手段，在检测系统的设计阶段中，不单要在监测与控制的视角下对监控对象、监控参数和决策算法等监控问题进行考虑，还要对监测系统中多具备的多元化功能进行考虑，如监控数据处理、提取、大数据库等技术应用。同时也不能够忽视软件与硬件方面的设计，如接口、通信以及友好型界面设计等问题。由于在设计过程中所考虑的问题过多，且并不在同一个层面上，若想将其结合在一个监测系统内必然会扰乱设计思路，并且也可能无法在具体应用中得以实现。基于以上所考虑的设计因素，笔者认为对于基于CA模型演化规律，可以满足高速数控车床动态性能监控系统的设计，主要涉及三个方面：

第一，监测位置及参数的确定。针对这个问题，主要解决方法是将高速数控车床的主轴的CA模型及其模型仿真规律应用于监测敏感点的确定过程当中，并结合车床自身的加工特点，对监测参数进行确定；

第二，特征信号的捕捉和处理。即利用硬件与软件相结合的方式，保证收集到的监控数据具有一定的可靠性和实时性，从而获得监测特征参数；

第三，监控决策的输出。结合此前获取的特征信号参数以及数控机床在工况下的工艺参数，利用“BP神经网络”输出监控结果，并与实际监测结果进行比较，找出影响敏感点振动的主要因素，从而完成健康系统决策的输出。

2 基于BP神经网络的高速数控车床动态性能监控系统预测方法设计

基于BP神经网络的高速数控车床动态性能监控决策方案的设计思想是：以工艺参数、振动特征量及与之对应的动态性能参数为样本，对“BP神经网络”进行监测训练，使“BP神经网络”具有预测能力；然后在没有共振效应的前提下，对高效数控机床和“BP神经网络”进行加工参数的设置，依据监控系统的监测数据与“BP神经网络”预测之间的差异性进行判断和决策。根据相关研究表明，“BP神经网络”用于预测系统当中存在的误差一般都会低于20% ，符合监测技术的基本要求，因此其预测结果具有一定的可靠性。通过监控系统实时监测的数据信息与之进行对比，可以确定高速数控车床动态性能状态是否属于正常的工作状态，若不是，则立即响起警报，实现技术人员的对工作过程中的监控管理工作，帮助人们完成对整个零部件生产再制造的决策工作。

3 基于CA模型动态性能敏感点的监测实验

3.1 空转工况下的数控车床主轴系统敏感点振动测试实验

经监测实验的数据显示，在空转的情况下，当主轴转速达700 r/min时，其质心与旋转中心不会发生重合，与针对于加速度的监测信号显示的结果非常接近，因此可以判断在该转速下，基于CA对监测敏感点动态性能确定表现非常薄弱，在实际加工过程中需要避免在这一转速下进行加工作业，进而提高生产工作的质量和效率。

3.2 在切削工况下的数控车床主轴系统敏感点振动测试实验

在实际过程中，采用CK6136S数控车床作为研究对象实施监控，选用标准工艺规格（直径为70mm的45#圆钢，主偏角为75°，材料为YT15 ）的外圆刀作为加工对象。分析基于CA对动态性能薄弱点进行确定，从监测数据可知：当切削刀具转速较低时，其出现的位移篇幅程度较大，而在空转工况下的监测试验结果恰恰与之相反，随着主轴转速的提高而恢复成为较大的数值。这种模仿“动刚度定义”的监测变化规律在高速数控车床动态性能监控系统中具有一定的参考价值。

4 总结

综上所示，本文以监控系统功能需求为设计思想，对高速数控车床动态性能监控系统进行设计，并结合CA模型与数字模型仿真的结果确定监控对象。在监测系统总体的设计过程中，针对其数据收集与分析、预测与决策两个功能模块又展开了细致的研究，设计了以“BP神经网络”为基础的高速数控车床动态性能的预测方法。在利用混合編程的方式完成了整个监控体系的软件编译工作。最后，以CK6136S高速数控车床为研究对象，对监测系统在空转及切削两种工况下的加工性能展开监测研究。研究结果表明：这种以CA为基础的监测变化规律在高速数控车床动态性能监控系统中具有一定的参考价值，值得开发人员进行深入研究。

参考文献：

[1]兰博骁.高速数控车床动态性能监控系统的研究与设计[D].河北工业大学，2015.

[2]杨泽青.基于复杂系统理论的高速数控加工装备动静态特性监控技术研究[D].河北工业大学，2010.

[3]陈英姝.高速数控车削加工复杂工况集成监控方法及系统[D].河北工业大学，2014.