毕业论文智能控制专业

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数控车床智能控制系统的研究 摘要:针对目前现有数控车削加工过程中加工、测量、编程相互分离,导致生产效率低,智能化和自动化程度不高以 及对机床操作人员要求较高的现状和不足,对数控车床智能控制系统的研究进行了综述。 关键词:车床数控系统;在线测量; DSP;自动编程 0 引言 从20世纪80年代末以来,国内开始充分利用计 算机的软件资源来提高数控系统的性能。先后借助于 MS-DOS和W indows操作系统平台来开发基于个人计 算机(PC)的新一代数控系统[1]。 一般系统采用当前先进的PC+NC开放式体系结 构,选用高速DSP作为CPU来完成实时性的NC内 核任务,实现电机实时控制以及在线检测,而由PC 机来完成非实时性的任务,诸如编程模块中的图形信 息提取,通过USB串行通信实现上、下位机信息的 交互[2]。 1 数控车床智能控制系统结构 1·1 数控车床智能控制系统总体体系结构 富的资源和强大的运算能力和下位机DSP实时性强 的特点[3],整套系统功能配置合理,性价比高。系统 功能结构如图1所示。 1·2 系统工作流程 详细的系统工作流程如图2所示。 2 测量系统 通过引入测量系统,提高了数控车床的精度、生 产效率和自动化程度,同时基于测量的加工路径规划 功能使得数控车床的加工操作更加简便,使数控车床 具有了智能性。 2·1 测量的实现 测量实现的物理基础:工件为不透明物体,当有 光发射、接收元件组成的测量装置扫过其轮廓时,显 然在工件轮廓外光不被遮挡,接收元件可收到光;在 工件轮廓内光将被挡住,接收元件接收不到光,因 此,工件的轮廓位置可以由光的有无变化,进而由传 感器转化为电压的高低变化,来探测确定。如图3所 示。 2·2 测量方法 测量要完成的任务是要确定工件坐标系的原点位 置以及工件轮廓尺寸信息,并根据尺寸信息分析出刀 具参数信息,实现刀具补偿值的自动修正。 测量步骤如下: (1)数控机床启动后刀架先回机床零点,并通 过换刀命令使测量装置处于工作位置,即测量装置面 向待加工件。 (2)确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位 置。 (3)工件尺寸的测定,可以确定任何位置处工 件的轮廓尺寸信息。 (4)测量结束后,刀架返回换刀点,通过换刀 命令使刀架转位,使下一工序使用的刀具处在工作位 置处,然后进行正常切削加工即可。 3 上位机(PC)功能的设计与实现 3·1 国内外研究现状 自动编程系统一般分为对话式数控语言编程系统 和图形交互自动编程系统。国际上流传最广、影响最 深的数控编程语言是APT语言,但随着计算机图形 编程和CAM软件的发展, APT语言已逐渐被淘汰。 随着计算机技术的迅速发展,计算机图形处理能 力有了很大增强,一种新的编程技术——— “图形交 互自动编程”便应运而生。图形交互自动编程系统 以机械计算机辅助设计(CAD)软件为基础,利用 CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到 计算机上,形成零件的图形文件,然后调用数控编程 模块,采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加 工的部位,再输入相应的加工参数,计算机便可进行 必要的数学处理并编制数控加工程序,同时在计算机 屏幕上显示刀具的加工轨迹。这种编程方法具有速度 快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优 点,现已成为目前国内外先进的CAD/CAM (计算机 辅助制造)软件所普遍采用的数控编程方法。 国外的图形自动编程系统起步较早,且发展迅 速,有些产品已经获得了较广泛的应用。如美国 AUTO-CODEMECHANICAL公司的AUTO-CODE图形 自动编程系统,德国OPEN MIND公司的hyperMILL 数控机床(加工中心)图形自动加工系统,英国 Pathtrce公司的EdgeCAM forMDT数控自动编程系统 和美国的MERRYMECHANICAL公司的SPM-81TM钣 金CAD/CAPPICAM系统等。以上系统大都采用美国 Autodesk公司的AutoCAD或MDT (Mechanical Desk- top)作为开发平台和造型工具进行开发。 国内的图形自动编程软件的开发起步较晚,但近 几年发展较快。通用系统有北京华正公司的CAXA制 造工程师系列软件191,北京清华京渝天河公司的 PCAutoCAM系统等;另外大多数为专用数控编程系 统,如北京市机电研究所的VMC-750主轴箱体自动 编程系统,重庆ONLYSOFT的线切割自动编程系统 等。 图形自动编程系统是高效的数控编程手段,是数 控系统向集成化、智能化发展的必要环节,是当今数 控编程技术发展的主要潮流之一,是CAD/CAM研究 的重要领域。国外自动编程软件价格非常昂贵,国内 许多中小企业仍然采用繁琐、复杂、效率低的手工编 程。为此,在PC机上研究并开发数控车床自动编程 系统,能够实现CAD/CAM的集成。使系统具有读取 DXF文件、自动生成NC代码、二维仿真等功 能[4-5]。建立切削参数数据库,使自动编程系统可以 得到合理优化的切削用量,实现了整个系统信息集 成。 3·2 系统的总体框架结构与工艺流程 系统框架结构如图4所示,它主要包括AutoCAD 图形生成、提取图形数据信息、工艺干预、NC代码 生成、动态校验和数控加工程序输出6个功能模块。 机,主轴电机、刀架电机以及机床操作面板和机床 上开关I/O等。此外,还有测量接口电路。考虑到系 统可控制伺服的要求,控制接口要求有D/A输出和 脉冲串输出,同时有接受正交编码器的QEPI接口。 系统通过USB接口与PC机实现通讯,通过PC的丰 富功能实现系统的自动工艺规划、自动编程以及友好 的操作界面[6]。完成系统从CAD图形———工艺规 划———刀轨规划———编程后处理———数控加工的完整 过程。 4·1 硬件结构框图(图5) 4·2 软件实现 如图6所示,系统功能模块分为串行通讯、预处 理、加减速、轨迹插补、伺服输出、刀具补偿等分功 能模块,并通过加工信息缓冲区、轨迹缓冲区、插补 缓冲区交换信息,顺序进行最终驱动电机运行。 5 结束语 通过对数控车床智能控制系统的研究进行综述, 得到以下结论: (1)采用PC+DSP运动控制卡开放式体系结构, 面向用户的上位机(PC)界面友好,功能强大[7]。 用于电机控制的下位机(NC)采用DSP,实时性强。 上下位机采用USB串行通信。系统具有开放性、可 扩展性和模块化的特点。 (2)现有的数控系统和测量系统功能是相互分 离的,而且其仅用于工件定位、尺寸测量等固定 能,没有实现和数控系统的有机结合。本文提出一种 新型基于在线测量的数控系统,可以将测量信息直接 反馈到控制系统,由其实现刀具加工路径的智能规 划,减少机床操作人员对加工过程的干预。 (3)该系统的基于在线测量的车削加工路径智能 规划及自动编程功能,将极大简化数控车床操作,减 轻数控车床操作工人的劳动强度,提高设备生产率。 (4)该控制系统方案既可用于改造传统普通车 床,也可与新一代的经济型数控车床配套使用,符合 我国当前国情,能给制造企业带来可观的经济效益, 具有十分广阔的应用前景和市场价值。 参考文献 【1】毛军红,李黎川,吴序堂·机床数控软件化结构体系 [J]·机械工程学报, 2000, 36 (7): 48-51· 【2】Tao Cheng, Jie Zhang, et al·IntelligentMachine Tools in a Distributed Network Manufacturing Mode Environment [J]·The International JournalofAdvancedManufacturing Technology, 2001, 17: 221-232· 【3】J·Zuo, Y·P·Chen, et al·Building Open CNC Systems with Software IC Chips Based on Software Reuse [ J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2000, 16: 643-648· 【4】Mark·T·Hoske·New CNC Controller is‘Fully Open’ ControlEngineering, 1996, 43 (15): 69-70· 【5】R·E·Chalmer·Open-architecture CNC Continues Advan- cing [J]·Manufacturing Engineering, 2001, 126 (7): 48-52· 【6】王太勇,等·分布式智能协作体系结构构建集成化开 放结构数控系统的研究[J]·机械科学与技术, 2004 (12)· 【7】Y·Altintas·ModularCNC Design for IntelligentMachine Tools [J]·Annals of the CIRP, 1994, 43 (1)·

车辆自动变速器及其控制技术和自动巡航控制技术都是智能汽车非常重要的内容,是目前我国智能汽车发展急需解决的核心技术之一。论文选择在我国很有发展前景的集自动巡航控制和电控机械式自动变速器于一体的复合控制系统作为研究对象,针对系统研制开发中的一些关键技术难题进行了研究。论文主要由六部分内容组成:(1)概括介绍了智能汽车及其先进的控制系统的主要内容、现状和发展方向;介绍了目前智能汽车自动变速器的主要类型、发展过程和特点;阐述了AMT国内外的研究现状和发展趋势及我国AMT目前需要解决的技术问题;介绍了自动巡航控制技术及其目前应用现状;阐述了论文研究方向提出的背景、课题的来源和论文的主要研究内容以及研究的意义。(2)阐述了作者参与研制开发的AMT控制系统具有的基本功能和设计要求;介绍了该系统的结构、主要组成部分和基本工作原理,并针对AMT系统设计中的几个关键内容:电子控制单元ECU设计;液压动力源设计;离合器、选换挡及节气门控制单元的设计;AMT控制系统的抗干扰设计;AMT控制系统的故障诊断和容错控制设计,详细阐述了作者的设计思想和研究成果,独立自主地设计和研制出了与桑塔纳2000型轿车适配的、具有自主知识产权的、便于国产化的AMT硬件系统。目前整个硬件系统已运行四年多时间、汽车在各种路况下已行驶10万多公里,试验证明所设计的硬件系统不仅满足了整个控制系统的要求,而且具有较高的可靠性和性能价格比。(3)阐述了模糊控制和仿人智能控制的基本思想和重要的理论基础知识;分析了他们的特点和适用范围;概括了模糊控制系统和仿人智能控制系统的设计内容和设计方法;并针对模糊控制的不足之处,将仿人智能控制技术与模糊控制相结合,提出了一种仿人智能模糊控制器,给出了该控制器的结构和控制算法。仿真分析和实际应用证明,仿人智能模糊控制器的设计不需要对象精确的数学模型,且实现比较简单,实时控制效果好。它具有响应速度快、超调小、鲁棒性强等优点,具有一定的应用价值。(4)针对作者研制的电液式节气门执行器的控制问题进行了研究。分析了被控对象的控制技术难点;介绍了电液式节气门执行器的控制系统结构,提出了基于多模态的仿人智能控制器,给出了控制器的结构和控制算法,以及在桑塔纳2000样车上获得的试验测试结果;为了进一步提高电液式节气门执行器位置控制系统的性能,又将作者提出的仿人智能模糊控制应用于该系统,给出了基于查表法的仿人智能模糊控制器的设计方法和单片机实现的控制程序框图。通过实车试验测试结果和几年的实际应用表明,仿人智能模糊控制技术应用于电液式节气门执行器的位置控制系统,可以很好地保证执行器的快速性和平稳性,可以获得较高的位置控制精度,完全能够满足工程应用要求。(5)阐述了AMT车辆自动巡航控制的定义和研究AMT车辆自动巡航智能控制技术的重要意义;详细论述了作者参与研制的AMT车辆自动巡航智能控制系统的组成和具有的主要功能;研究分析了国内外在自动巡航控制方面所采取的一些控制策略及其优缺点,在此基础之上,根据作者研制的具有巡航控制功能的AMT系统的特点以及作者对智能控制的研究成果,提出了节气门位置控制内环采用仿人智能模糊控制,车速控制外环采用模糊控制的新型双闭环自动巡航智能控制系统。给出了控制系统结构和控制器的设计方法。实车试验测试结果表明,采用作者提出的双闭环自动巡航智能控制系统,在自动巡航控制过程中,不仅消除了游车现象,而且节气门控制响应快、无抖动现象,巡航控制的各项功能都能实现并达到较高的控制精度。(6)论文的最后一章对全文的主要研究内容进行了总结,介绍了论文的主要研究成果、主要创新点和论文存在的不足以及今后继续研究的方向。

用PLC实现智能交通控制 1 引言 据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。 智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。 比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。 2 车辆的存在与通过的检测 (1) 感应线圈(电感式传感器) 电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线(特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋)。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图1(a)中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅(本论文所涉及的检测工作方式)和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。 电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为 2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在％以上[1，2]。 电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑, 它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。 (2) 电路 检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器, 并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成:信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理框图如图2所示, 输出脉冲波形见图1(b)。 (3) 传感器的铺设 车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地(停车线处)以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图3(以典型的十子路口为例)，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。 3用PLC实现智能交通灯控制 控制系统的组成 车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便[3]。 利用PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠。 本设计例中,PLC选用FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。信号灯的选择:在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯(箭头方向型)。 车流量的计量 车流量的计量有多种方式: (1) 每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1(见图3)时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。 (2) 先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向的(见图3)左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。 (3) 统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则(不影响行车安全的多道相向行驶)累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据(下面的例子就是按此种方式)。 以上计算判别全部由PLC完成。可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。 程序流程图 本例就上述所描述的车流量统计方式,就图3中的十字路口给出一例PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图如图5所示，其行车顺序与现实生活中执行的一样[4]，只是时间长短不一样。 (1) 当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时(相当于比较严重的堵车)，红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式; (2) 当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时(反之亦然)，该方向的通行时间=最小通行定时时间＋自适应滞环比较增加的延时时间(是变化的)，但不大于允许的最大通行时间。其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊;最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。进一步的说明在后面的注释中。 (3) 自适应滞环比较(本例的核心控制规律)增加的时间的确定若东、西向车辆滞留量≥南、北向一个偏差量σ(如30辆车或其它值)时，先让东、西向的左转弯车左行15s(定时控制，值可改)，再让直行车直行30s(直行时间的最小值，值可改)后再加一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量σ，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。滞环特性如图6所示。实际应用时σ的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。 流程图注释 (1) 流程图中的15s、30s、75s等时间分别为交管部门定的车辆左转弯时间、直行最小时间、允许的最大通行时间;σ为车流量的偏差量。以上值及其4个路口车流量的满溢值均可在程序初始化中任意更改。 (2) 车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂程度，提高可靠性。 (3) 车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同，不再赘述。 (4) 人行道的红绿灯接线与现用的方式相同，其绿灯点亮的时刻与该方向车辆直行绿灯点亮的时刻同步一致，但要较车辆直行绿灯提前熄灭，采用定时控制，如绿灯定时亮18s。其目的是不让右转弯车辆过分受人行道灯的限制。若人车分流，右转弯车辆不受限制。较简单，流程图中略。 (5) 车流量的计量是不间断的，与控制呈并行关系，该系统属多任务处理，编程尤其应注意。 4 结束语 比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低，特别适合繁忙的、未立交的交通路口，更适合于四个以上的路口，也可方便连网。 参考文献 [1] 黄继昌等. 传感器工作原理及应用实例[M]. 北京:人民邮电出版社,1998. [2 ]张万忠. 可编程控制器应用技术[M]. 北京:化学工业出版社,2001. [3] 英.索尔特. 道路交通分析与设计[M]. 张佐周等译. 北京:中国建筑工业出版社,1982. 不是很完整，您可以拿去做借鉴， 希望对您有帮助。

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