数控转塔打字机最优控制系统的研究与设计

山东农业大学硕士学位论文数控转塔打字机最优控制系统的研究与设计姓名：刘敏申请学位级别：硕士专业：农业电气化与自动化指导教师：丁筱玲2011-06-10山东农业大学硕士学位论文1中文摘要为满足钢构生产厂家跟踪、掌握产品的质量及用户了解钢构产品相关信息的需要，钢构信息标识在我国越来越受到重视，并且国家已出台了相关的国家标准。数控转塔打字机是压力加工设备中昀具发展潜力的集机、电、液一体化的产品，用于各类金属薄板零件加工，可以一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉深成型加工，广泛应用于钢构信息标识加工。该论文针对国内外数控转塔打字机发展现状，分析了当前常用打标机的优缺点，特别针对大范围运动和高精度定位，提出一种数控转塔打字昀优控制技术的设计。开发了基于工业控制计算机（IPC机）结合可编程控制器（PLC）的开放式数控系统。具体的研究内容如下：（1）通过分析数控转塔打字机的机械结构，根据开放式数控系统的理念，完成数控系统硬件部分的关键技术设计与研究。（2）打字过程的刀具路径优化起着至关重要的作用，高效的刀具路径优化算法能够减少换刀次数和优化刀具移动轨迹，从而提高加工效率。数控转塔打字加工属于多点位加工，可抽象为基于旅行商问题（TSP）的路径优化模型。论文在深入研究当前刀具路径优化算法的基础上，提出了基于遗传算法的路径优化方案。针对常用遗传算法在交叉操作上收敛速度较慢的不足，对现有的一些算法策略进行了合理的选择及运用。在选择算子阶段采用“精英保存策略”，并提出采用贪婪交叉算子来提高算法的收敛速度；在防止算法过早收敛方面，采用了自适应变异操作策略。昀后，在Matlab中，对遗传算法在昀优路径换刀上的设计进行仿真，通过仿真实验，发现路径优化系统在运算时间和求解精度上都有不错的性能，说明遗传算法有效实现了转塔打字机路径优化问题。（3）提出了IPC机与PLC组成的上下位机控制模式，PLC执行优化后的加工路径代码，用于控制数控转塔打字机X轴、Y轴伺服系统，使其快速、准确地定位；控制转塔双向回转和任意位置就近换刀。关键词：数控转塔；PLC；交流伺服系统；遗传算法；路径优化数控转塔打字机昀优控制系统的研究与设计2ResearchandDesignoftheOptimalControlSystemsforNCTurretTypingMachineAbstractAimatthecurrentsituationofNCturrettypingmachineathomeandabroad,thispaperanalysesthecurrentadvantagesanddisadvantagesofconventionaltypingmachineandpresentsthedesignoftheoptimalcontrolsystemsforNCturrettypingmachine,accordingtothelargerangemovementandhigh-precisionpositioning.TheopenNCsystembasedonindustrialcontrolcomputer(IPC)andprogrammablelogiccontroller(PLC)isdeveloped.Thespecificresearchcontentsarelistedasfollows:Firstly,accordingtotheconceptofopenNCsystem,thedesignforthekeytechnologyofhardwareunitsinNCSystemmustbecompletedonthepremiseofanalysisofthemechanicalstructureofNCturrettypingmachine.Secondly,theoptimizationofthetoolpathplaysavitalroleintheprocessoftyping.Theefficientoptimizationalgorithmforthetoolpathcouldreducethenumberoftoolchangingandoptimizethetoolpathsothatprocessingefficiencycouldbeimprovedgreatly.NCturrettypingbelongstomulti-pointprocessing,whichcanbeabstractedasthetravelingsalesmanproblem(TSP)inthepathoptimizationmodel.Thispaperpresentsamethodofpathoptimizationbasedongeneticalgorithmwiththestudyoncurrentoptimizationalgorithmforthetoolpath.Aimingatthedrawbacksofslowconvergencespeedforcrossoveroperationingeneticalgorithms,thealgorithmstrategyshouldbeselectedandappliedproperly.ThesystemusesElitepreservationstrategyandgreedycrossoveroperatorwhichcanenhancetheconvergencespeed.ItalsousesAdaptivemutationstrategytopreventprematureconvergence.Finally,ThesimulationforoptimaltoolpathiscarriedoutwithMATLAB,whichverifiesthatthepathoptimizationsystemhasgoodpropertiesincomputationtimeandsolutionprecision.Inaword,geneticalgorithmcanachievethepathoptimizationofturrettypingmachine.山东农业大学硕士学位论文3Thirdly,theupperandlowercontrolmodewhichcomposedofIPCandPLCisproposedinthispaper.PLCexecutestheoptimizedprocessingpathcodewhichisusedtocontrolservosystemofNCturrettypingmachinewithX-axisandY-axissoastoachieverapidandaccuratelocation;thecodealsocancontrolthetwo-wayrevolutionofturretandthenearesttoolchanging.Keywords:CNCturret;PLC;ACservosystem;geneticalgorithm;pathoptimization关于学位论文原创性和使用授权的声明本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名：________导师签名：________日期：________数控转塔打字机昀优控制系统的研究与设计41引言1.1信息标记技术的发展随着经济的发展，各种机械产品的制造量大幅增加，产品信息标记的必要性和重要性愈加突出。铭牌是机械产品信息的载体。在现代大批量的生产过程中，生产企业为了迅速准确地识别产品的零部件及其它信息（如产品型号、分组号等），需要在零部件上打上明显的标记，为产品管理和后续工序提供必要的信息以便于企业的生产管理；在市场上，生产企业需要对机械产品进行识别及质量跟踪，要求对产品进行标记；用户需要方便直观地了解这些产品的基本信息，也要求对这些产品进行信息标识。可见，对机械零部件进行标记是非常必要的，工业标记技术也逐渐成为热门的研究课题。信息标记的质量是机械产品综合质量的一个指标，尽管不会影响零部件的机械性能和使用寿命，但作为用户了解机械产品信息的重要渠道之一，信息标记的质量仍不容小觑，尤其在全球竞争激烈的市场条件下，企业要实现名牌战略，需要重视并提高标记打印的质量。所谓标记打印，具体是指在机械成品和半成品加工过程中，为了及时而准确地识别产品的零部件、标示出产品的相关信息，在产品上标以明显的标志或字符的技术（刘强等，2006）。随着工业产品种类的增加，工业标记成为机械制造过程的重要工序之一。标记打印的基本要求是标记字符清晰美观、时间持久，区别于用油墨印刷的标记方法，它能提高产品档次，树立品牌形象，有一定的防伪作用，同时也为企业提供产品的可追溯性（Traceability），从而能更好地贯彻ISO9001标准（李一鸣等，2006）。打标技术主要应用于机械、汽车、摩托车、电动车及其零部件、电子、轻工、石化管件等领域，可对钢、铁、铜铝、塑料等材质的产品零部件及各种铭牌进行标记。过去，在工业产品上标记字符、图形等大多靠手工操作。采用这一方式的昀大缺点是速度慢，图案单调，产品质量难以控制，在复杂的环境下难以进行操作，不利于现代化操作流程的实现，标记打印机应运而生。标记打印机也称打标机，随着计算机技术、自动控制技术、传动技术及CAD技术的发展，标记打印技术不断升级，标记打印机也随之更新换代，自动化打标技术也己经广泛应用于工业生产当中。标记打印机根据打标方法的不同，可主要分为字模压印打标机、金属电印打标机、激光打标机和气动打标机。（1）字模压印打标机在现代工业出现以前，手工压模是标记行业所采用的是昀常见的加工方法，也是字山东农业大学硕士学位论文5模压印的前期形式。手工压模法是将字模放在要标记的产品表面，利用人工敲打成形。这种方法的局限性在于：①只能在软质材料上加工简单图案；②劳动强度大，工作效率低；③图案的深度只能由工人手工决定，易造成深浅不一，排列不整齐，质量稳定性差；④对于在大批量生产过程中要求跟上节拍的快速标记和各种随机的标记则无能为力。但由于其成本低、操作方便，故在需要重复性标记的环境下仍有一定的市场。随着工业的发展，字模压印打标机逐渐进入市场，其原理类似于铅字印刷。主要是经高频淬火热处理的合金钢字模在外力的作用下，在金属标牌上可以刻印出有一定深度（0.1~0.3mm深）的文字和简单图案。该方法精度不高，灵活性较差。图1.1为某型号字模压印打标机外貌。图1.1字模压印打标机Fig1.1thefontimprintmarkingmachine（2）金属电印打标机与金属电印标记机同原理的还有电腐蚀、化学腐蚀标记机。这种技术是一种比较精美的打印标记方法。该技术起源于国外，在上世纪90年代由美国、德国和日本三家生成厂商引入中国市场。此种方法的工作原理是：利用低电压在打标液体的帮助下，使金属表面全局离子化，几乎可以在任何导电的金属表面印上永不脱落的任意图案或文字。标记颜色呈黑色或白色，精度高，不会破坏工件平整度。打印出的标记耐高温和腐蚀。但该方法也存在一定的不足，如打印深度较浅，并且只能在表面导电的金属上进行标记打印，加工过程容易造成环境污染，且加工速度较慢，不适于大批量和流水线加工方式。另外，电印标记机需要使用模板、打标液等耗材，其使用成本不低，这些都限制了它的应用。图1.2为某金属电印打标机外貌。数控转塔打字机昀优控制系统的研究与设计6图1.2金属电印打标