基于神经网络的机床智能定位控制系统.pdf

2 0 1 0年 1月 第3 8卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 3 3 基于神经网络的机床智能定位控制系统 马圣乾，姜春玲 泰山学院物理与电子工程学院，山东泰安 2 7 1 0 2 1 摘要提出了一种基于神经网络算法的机床精确定位控制的方法 ，介绍了系统的软硬件设计及软件的实现流程。该智 能定位控制系统以多点控制单元 M C U 为核心，以光栅尺为检测元件 ，以步进电机为驱动部件，采用基于神经网络算法 的控制软件作支持，对机床进行预测定位控制。 关键词神经网络；人工神经元；多点控制单元；流程图 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 8 8 2 I n t e l l i g e nt Or i e n t a t i o n Co n t r o l Sy s t e m o f M a c h i n e To o l Ba s e d o n Ne u r a l Ne t wo r k MA S h e n g q i a n．J I AN G C h u n l i n g I n s t i t u t e o f P h y s i c s a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，T a i s h a n U n i v e r s i t y ，T a i ’ a n S h a n d o n g 2 7 1 0 2 1 ，C h i n a Abs t r a c t A p r e c i s i o n p os i t i o n c o n t r o l me t h o d o f ma c hi ne t o o l ba s e d o n ne u r a l ne t wo r k a rit h me t i c Was p r e s e n t e d． Th e d e s i g n o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e a n d t h e r e a l i z a t i o n f l o w o f s o f twa r e w e r e i n t r o d u c e d ． T h i s i n t e l l i g e n t p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m u s e s t h e mi c r o c o n t r o l l e r u n i t a s c o r e ， t h e g r a t i n g r u l e r a s d e t e c t o r ， t h e s t e p p i n g mo t o r a s d riv i n g p a r t ， t h e c o n t rol s o f t ware b as e d o n n e u r al n e t wo r k a r i t h me t i c t o s up po t he s y s t e m， i t c a n a c h i e v e f o r e c a s t i n g p o s i t i o n i ng c o nt r o l o f mo v i ng pa r t s o f ma c h i n e t o o 1 ． Ke y w o r d s N e u r a l n e t w o r k ；N e r v e c e ll ；Mi c r o c o n t r o ll e r u n i t MC U ；F l o w c h a r t 由于机械电子技术 的飞速发展 ，数控机床作为高 精度、高效率 、稳定性强的自动化加工装备，已经成 为机械行业必不可少 的现代化技术装置。现代化工业 对机床设备的精度 、效率 、可靠性 和经济性等提 出了 越来越高的要求。数控机床的定位精度是影响其高精 度性能的一个重要方 面 ，它综合反映了机床构件和进 给系统的精度及动态特性 ，靠常规的机械设计技术难 以达到其要求。 ⋯笔者采用 以 M C U为核心 、以光栅尺 为检测元件 、以步进 电机为驱动部件 、由基 于神经 网 络算法 的控制软件作 支持 的智能定位控制系统 ，对机 床运动部件进行预测 定位控制 。该系统性 能可靠 、操 作方便 、通用性强 ，在不增加硬件设备的前提下实现 高精度定位控制 ，特别适合 于单机控制 ，具有一定 的 工程实用价值。 1 硬 件配 置 以 P 8 9 C 6 6 8 H B A 为 核 心 ，设 置 工 作 频 率 为 1 2 MH z ，P 0为数据传输 口，数据采集采用位移光栅 尺。步进电机的控制采用 u c n 5 8 0 4 B 。u e n 5 8 0 4 B集成 电路芯片适用于 四相步进 电动机 的单极性驱动 ，它最 大 能输 出 1 ． 5 A电流 、3 5 V电压 ，内部集成有驱动 电 路、脉冲分配器、续流二极管和过热保护电路。它可 以选择工作在单四拍 、双四拍和八拍方式 ，上电自行 复位 ，可以控制转向和输出使能。 从线位移 光栅 尺 获 取 的信号 是 幅值 为 3～ 5 V、 分辨率为 2 0 m，相位角差为 9 O 。 的两路正弦信号。 为了满足控制 精度 要求 ，得 到 分辨率 更 高的位 移信 号 ，须将光栅尺输 出信号进行细分 。考虑到细分速度 及实际测量 过程 中电源波动 、光强 、温度等因素对光 栅尺输出信 号的影 响 ，采用硬件 细分 。 2 神经 网络算法结构的实现 1 神经元 的数学模 型 神经 元 是 一 个 多 输入 单 输 出 的信 息 处 理 单 元 ，而 且 ，它 对 息 的 垄 譬 性 图 1 人 工 神 经 元 模 型 的 。工 程 上 用 的 人 工 神经元模型如图 1 所示 。 在 图 1中， 。 、 、⋯、 是 神 经 元 的 输 入 ， 是来 自前 n个神经元的突触的信息 ；W i 、 、⋯、 是 突 触 的 传 递 效 率 ；Y i 是 i 神 经元 的 输 出； F [ ] 是激发函数 。 2 在机床定位系统中，基于对定位方程的简 化 ，可 以认为定位点 Js 只与 目前的位置 A有关 。下式 表示了神经网络模型输入和输出的基本关系。 A 川 F ，A ，A k 表示采样的序列。 训练样本来自机床定位时的实验数据，速度 一 位 收稿 日期 2 0 0 81 2 3 0 作者简介马圣乾 1 9 6 8 一 ，男，讲师，硕士，机械 电子工程专业 ，主要从 事测控及故障诊断方面的研究。电话 1 3 85 4 81 2 0 49， Ema i l s h qma 1 26． c o m。 第 2期 马圣乾 等 基于神经 网络 的机床智能定位控制系统 8 9 置预测模 型采用 B P网，训练 网络时采 用 了 L E V E N B E R G M A R Q U A R D T算法，其隐层传递函数采用双曲 正切函数 T a n s i n g ，输 出采用 线性 函数 P u r e l i n 。 具体网络神经模型的结构如图 2 所示。 w2 s 2 ， 1 A k 『 J } 6 2 图2 机床定位 B P神经网络模型结构 3 单片机 中实现神经 网络 的函数 神经网络在系统中的实现是指系统提供模型的输 人数据 ，并在微处理器 中完成神经网络预测模 型算 法 的过程，训练结束后，其权值 W和阈值 b 便可固定 ， 如图2示，输入神经元有 a个，隐含层内有 s 个神 经元 ，输 出层 内有 s 个 神经 元 ， 1 ，2 ，⋯ ，s ， k 1 ，2 ，⋯，s ，可表示为如下公式 3 3 3 Y p u r e l i n { ∑u s l ， 。 2 √ ,t 2 a n s i g 3 t a ns ， i g 3 } W J a b W i b i W 1 i b 其 中M 1 ， 2 一 。 ， Y A 由于单片机速度较慢 ，数据容量小 ，所 以要在单 片机系统上实现神经 网络算法 ，需要在模型上修改 以 实现数据处理的实时性 。 在该 系统 中 ，在定位时要根据现在位置与定点位 置的距 离大小决定是否调用神经 网络 函数 ，假定定位 长度为 1 0 m m，在前 9 m m内不调用，那么调用函数 的区间为 [ 0 ， 1 ] ，则上述函数可简化为 Y0 ． 0 7 5 l x 一0． 31 0 4 x 0 ． 9 9 7 6 x 3软件的实现 单片 机初 始 化 二二[ 键 盘输 入 定 位 长度 二] 定 位初 始 点 二[ 距 离大于l mm ／距离 定位 ＼ I Y 图3 完成神经网 图 4 程序主流程图 络的流程图 系统软件主要有初始化程序 、故障诊断程序、采 样程序、数据处理程序、神经网络算法程序、步进电 机控制程序等。文中重点讨论神经网络算法程序的实 现 ，程序流程图如 图 3 、4所示 。 4试 验验证 此种算 法作者在某 台 X K 5 0 2 5型数控 铣床进行 实 验 ， X K 5 0 2 5型数控 铣床 系统 的分辨 率 为 0 ． o o l m m， 进给轴选用位置型交流伺服电机 ，实现半闭环控制。 通过文 中 的 方 法 改 进 后 ，这 台 机 床 的加 工 精 度 在 3 p , m，说明 了这种方法是可行 的。 5 结束语 由于8 9 c 5 2 单片机程序区有 8 k 字节，数据区有 2 5 6 字节，所以在实现算法时要尽可能简化，减少资源的占 用。为了增加定位的效率 ， 在程序设计时对于距离较远 的位置不调用神经网络算法，以减少定位所需时间。 参考文献 【 1 】王东文， 刘明远， 何钺． 智能光栅数显系统 [ J ] ． 工业仪 表与自动化装置， 1 9 9 6 2 2 0 1 2 4 3 ． 【 2 】 求是科技． 单片机典型模块设计实例导航[ M] ． 北京 人 民邮电出版社， 2 0 0 4 ． 5 9 5 1 0 7 ． 【 3 】马忠梅． 单片机的 c 语言应用程序设计[ M ] ． 北京 北京 航空航天大学 出版社 ， 1 9 9 9 ． 1 2 0 3 2 3 9 ． 上接第 7 6页 根据 自动配料工艺过程 ，P L C程序的逻辑控制流 程如 图 4所示 。 3 ． 3 人机 界 面设计 工控机上的人机界面采用北京亚控公 司的组态王 6 ． 5开发设 计 ，该 软件 功能强大 、界面美观 、易 学易 用，具有较高的性价比。通过画面组态，在计算机屏 幕上可显示 和设定重要 的工艺参数 ，根据钢水重量和 成分要求 自动计算各种辅料的配料重量，可模拟显示 自动上料工艺过程 ，对重要数据和报警进行归档存 储 ，可定 时或手动打印生产报表 。该上位 机还通过工 业 以太 网和工厂局域 网相联接 ，使管理层 能通过 网络 随时访 问了解生产情况 。 4结束语 该 自动上料系统 于 2 0 0 6年 2月投 入运行 ，称量 精度在 0 ． 8 ％F ． S左右，完全满足设计要求 ，相 比原 来的手工加料方式，显著提高了生产效率和钢水质 量 ，降低了工人 劳动强度 。系统采用 的工控机 一P L C 控制结 构 ，保证 了系统具有较 高 的可靠性 和灵 活性 ， 可方便 实现整个工厂 的管控一体化 。 参考文献 【 1 】朱超甫， 李元， 陈虎平， 等． 多个力传感器的共同测试技 术[ J ] ． 传感器世界， 2 0 0 1 5 1 61 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