機(jī)械模具切割加工數(shù)控系統(tǒng)淺探

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摘要:由于數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)算能力較低，導(dǎo)致加工效果存在一定提升空間，為此，提出基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)械模具切割加工數(shù)控系統(tǒng)。將可以儲(chǔ)存大規(guī)模加工材料數(shù)據(jù)信息以及可實(shí)施加工參數(shù)的SD卡和支持設(shè)備外設(shè)功能擴(kuò)展的連接口作為系統(tǒng)硬件，在軟件方面，為系統(tǒng)構(gòu)建并發(fā)機(jī)制，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出執(zhí)行操作的額定時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)械模具的加工效果良好，具有較高精度。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；機(jī)械模具；切割加工；數(shù)控系統(tǒng)；并發(fā)機(jī)制；定時(shí)機(jī)制

機(jī)械模具加工作為機(jī)械制造中的重要組成部分，其加工質(zhì)量直接決定了后續(xù)相關(guān)零部件的加工效果[1]。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，其在機(jī)械制造中也得到了廣泛的應(yīng)用，使得機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的精密化程度實(shí)現(xiàn)了大幅提升[2]。但是值得關(guān)注的是，機(jī)械設(shè)備的精密化實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械零部件高精度加工的前提不僅僅要對(duì)加工工具、加工方式進(jìn)行優(yōu)化[3]，同時(shí)也要對(duì)加工參數(shù)作出合理的選擇，這就對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求[4]。為此，本文提出了基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)械模具切割加工數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)在加工過(guò)程中的價(jià)值。本文的研究可為相關(guān)加工生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展提供參考。

1硬件設(shè)計(jì)

1.1SD卡設(shè)計(jì)

為了提供系統(tǒng)運(yùn)行的速度，本文使用螢石CSCMT22CAR210作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的SD卡，其容納量為128G，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模加工材料數(shù)據(jù)信息以及可實(shí)施加工參數(shù)的儲(chǔ)存，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的控制，延長(zhǎng)CSCMT22CAR210的運(yùn)行周期。相應(yīng)地，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境內(nèi)的晶振達(dá)到5MHz時(shí)，其執(zhí)行指令的速度為8MIPS，其中，MIPS表示每秒時(shí)間內(nèi)完成指令的數(shù)量，計(jì)量單位為百萬(wàn)。在高性能模擬技術(shù)的加持下，CSCMT22CAR210的外圍模塊可以實(shí)現(xiàn)片內(nèi)外設(shè)。以此為基礎(chǔ)，為了提高數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行效果[5]，本文為其增設(shè)了時(shí)間看門(mén)狗、數(shù)據(jù)模擬比較器、數(shù)據(jù)采集定時(shí)器A、數(shù)據(jù)訪問(wèn)定時(shí)器B、連接串口0和1，并在12位ADC的支持下設(shè)置了直接數(shù)據(jù)存取模塊，使得輸入輸出端口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的快速定位，具體如圖1所示。不僅如此，考慮到不同的變電站對(duì)于通信電源的配置也存在差異，且隨著時(shí)代的發(fā)展，變電站對(duì)通信電源進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)的可能性較大[6]，以單一固定的模式實(shí)施對(duì)其的數(shù)控會(huì)降低系統(tǒng)的適用性[7]。為此，利用JTAG調(diào)試接口為CSCMT22CAR210打造了更加自由的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)對(duì)FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行擦寫(xiě)處理，使得在通過(guò)JTAG接口讀取FLASH內(nèi)的信息時(shí)可以根據(jù)程序的運(yùn)行情況，對(duì)片內(nèi)MCU的狀態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。

1.2連接口設(shè)置

為了提高本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的適用范圍，選擇SDIO（In-put/Output）作為系統(tǒng)的連接裝置。SDIO接口處還設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的SD卡槽連接設(shè)備，當(dāng)原有數(shù)控環(huán)境不支持SDIO時(shí)，SD卡的命令指令可以通過(guò)該接口完成傳遞，確保響應(yīng)效率和時(shí)間。當(dāng)SD卡的命令發(fā)布處于靜態(tài)時(shí)，SDIO接口將轉(zhuǎn)換為非激活狀態(tài)模式，通過(guò)這樣的方式最大限度降低其對(duì)設(shè)備正常工作狀態(tài)的影響。另外一種情況就是原有數(shù)控環(huán)境支持SDIO，此時(shí)只需直接激活SDIO即可實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行。本文的CSCMT22CAR210支持SDIO接口，因此直接將SDIO調(diào)節(jié)至激活狀態(tài)。同時(shí)，為了確保本文中的CSCMT22CAR210對(duì)SDIO的適配性，即不會(huì)受到后期系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)影響，另外搭載了AHB總線接口和SDIO適配器。其中AHB總線接口的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的時(shí)鐘、命令和數(shù)據(jù)傳送。其內(nèi)部構(gòu)件如圖2所示。以此為基礎(chǔ)，為機(jī)械模具切割加工數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠基礎(chǔ)。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)并發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)

由于機(jī)械模具切割數(shù)控系統(tǒng)在加工過(guò)程中接收到的執(zhí)行信息并非以單一形式存在，為了確保下一加工實(shí)施的連續(xù)性，往往需要在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)接收相關(guān)指令。為了降低信息延時(shí)對(duì)加工質(zhì)量的影響，本文設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)為其建立了并發(fā)機(jī)制，使其可以同時(shí)接收多個(gè)操作命令，提高加工精度。切割刀具在大多數(shù)時(shí)間都是處于加工運(yùn)行狀態(tài)的，本文在CAM處理時(shí)間與SD卡服務(wù)運(yùn)行時(shí)間構(gòu)建了數(shù)據(jù)請(qǐng)求并發(fā)模型。利用epoll+線程池模式使得epoll的I/O（輸入/輸出）復(fù)用和線程池的“以需定求”特性形成統(tǒng)一關(guān)系，應(yīng)用的函數(shù)為f（x）=b（t）→z（t）（1）式中：f（x）為數(shù)控系統(tǒng)接收到的操作指令；b（t）為在t時(shí)刻epoll的執(zhí)行動(dòng)作；z（t）為在t時(shí)刻SD卡執(zhí)行的服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，在epoll事件驅(qū)動(dòng)特性的作用下，當(dāng)某個(gè)切割請(qǐng)求信息以事件的形式發(fā)送到主線程時(shí)，線程池將獲得其控制權(quán)，并通過(guò)邏輯解析將對(duì)應(yīng)的指令信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的分支線程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其并發(fā)處理。

2.2系統(tǒng)定時(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)

對(duì)于定時(shí)器的設(shè)計(jì)，主要利用了深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的更新處理。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行完成對(duì)應(yīng)的質(zhì)量信息后，會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的執(zhí)行耗時(shí)，將其作為深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，將獲取的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入輸出層以及池化層。計(jì)算結(jié)果由輸入層輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，與池化層之間建立映射關(guān)系，這種映射關(guān)系表示為T(mén)=δ（Ti）（2）式中：T為每個(gè)任務(wù)所需的最佳時(shí)間；δ為深度學(xué)習(xí)函數(shù)；Ti為在第i個(gè)任務(wù)的實(shí)際時(shí)間開(kāi)銷，其中i的數(shù)值表示數(shù)控系統(tǒng)切割加工的指令數(shù)量。在池化層對(duì)計(jì)算結(jié)果的離散程度進(jìn)行分析，將距離離散中心的距離大于目標(biāo)值的數(shù)據(jù)作為過(guò)濾目標(biāo)，確保池化層中的數(shù)據(jù)具有更高的可靠性。以此為基礎(chǔ)，將池化層中相同任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間均值作為輸出值在輸出層輸出。通過(guò)這樣的方式，將計(jì)算出的時(shí)間作為系統(tǒng)的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的有效約束。

3測(cè)試與分析

在上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步分析數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)其加工的效果，分析其應(yīng)用價(jià)值。

3.1測(cè)試環(huán)境設(shè)置

測(cè)試過(guò)程中使用的試驗(yàn)刀具為DC-BCSA2201-L185，該刀頭整體材質(zhì)為硬質(zhì)合金材料，刀體直徑為10.00mm，可以達(dá)到的最大螺旋角度為35°。加工的工件材料為Cr12MoV，已知這種材料的淬火硬度為洛氏HRC58。以此為基礎(chǔ)，在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，本文采用Kistler9422A測(cè)力儀和PCB加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置，考慮到模具加工時(shí)的速度調(diào)節(jié)頻率和程度具有較高的精度，因此設(shè)置傳感器的靈敏度為10.50mv/g，利用二者分別實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程中切削力和切削振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。不僅如此，刀尖的頻響函數(shù)也是直接決定加工效果的重要因素之一，因此本文也將該指標(biāo)參數(shù)作為評(píng)價(jià)本文設(shè)計(jì)加工數(shù)控系統(tǒng)的指標(biāo)，利用錘擊法模態(tài)試驗(yàn)直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，最終可確定刀具結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)中的固有頻率為996.42Hz，自有阻尼比為2.05%，剛度系數(shù)為1.0×108N/m。

3.2測(cè)試結(jié)果

在上述實(shí)試設(shè)置的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選擇5個(gè)加工位置，編號(hào)1~5，對(duì)其加工效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)在模具切割加工過(guò)程中的最大振幅僅為4.80mm/s2，且加工模具的殘余高度穩(wěn)定在65.92~67.85μm之間，表明模具表面具有較高的平整度，這也與振幅較小的數(shù)據(jù)結(jié)果相吻合，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的模具切割加工處理。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，就金屬加工行業(yè)而言，不僅僅是注重對(duì)加工效率提升的研究，如何實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量的優(yōu)化才是確保企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)，而評(píng)價(jià)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是加工精度。本文提出基于深度學(xué)習(xí)的機(jī)械模具切割加工數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)振幅和殘余高度的有效控制，希望可以為相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展提供借鑒價(jià)值。

作者:李蕊 單位:新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院