基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)軌跡補(bǔ)償方法

吳庭貴

[摘? ? 要]目前針對輪廓、倒邊的制作過程，因?yàn)槭艿街T如夾持情況下的不均勻受力等的外力影響，極易發(fā)生輪廓扭曲。加工的標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的范圍內(nèi)確定每次的切割量，不然就會(huì)導(dǎo)致不均勻的倒角寬度。文章分析的實(shí)時(shí)軌跡補(bǔ)償方式是實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，首先測量計(jì)算測量點(diǎn)位置形變，通過獲取的測量點(diǎn)位置神經(jīng)訓(xùn)練模型和形變量。是一種基于測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軌跡補(bǔ)償?shù)姆椒?，將軌跡點(diǎn)在理論軌跡上的位置引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，軌跡點(diǎn)位置的變形量等同于輸出函數(shù)值，通過疊加變形量和理論軌跡獲取具體位置量，該方法可以有效地避免軌跡的拐點(diǎn)，易于得到補(bǔ)償值，更加準(zhǔn)確反映工件變形量。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控加工;測量數(shù)據(jù);軌跡補(bǔ)償

[中圖分類號]TP391.3;TP183 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–0–02

Real - time Track Compensation Method for?Measurement Data Based on Neural Network

Wu Ting-gui

[Abstract]The current production process of contour and inversion edge is easily distorted due to the external force such as the uneven force under the clamp condition. The standard of processing is to determine the amount of each cut within the specified scope， otherwise it will lead to an uneven chamfer width. The real - time trajectory compensation method is realized based on measurement data， the technique in the paper is the method of realizing real - time trajectory compensation， introducing the deformation of the track point to the output function value of the track， easily get the compensation value and more accurately reflect the deformation of the workpiece.

[Keywords]CNC processing; measurement data; trajectory compensation

目前針對輪廓、倒邊的制作過程，因?yàn)槭艿街T如夾持情況下的不均勻受力等的外力影響，極易發(fā)生輪廓扭曲。而加工的標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的范圍內(nèi)確定每次的切割量，不然就會(huì)導(dǎo)致不均勻的倒角寬度。力求最大限度解決以上的技術(shù)難題中的至少一個(gè)，提出了一種簡單的基于實(shí)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，以避免路徑拐點(diǎn)，獲得補(bǔ)償值。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型概述

1.1 基本思想

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對每個(gè)加工軌跡量進(jìn)行預(yù)測變化量。為了實(shí)現(xiàn)軌跡點(diǎn)的平滑過渡，可以采用不同的模型核函數(shù)構(gòu)建：高斯函數(shù)，距離差等，或者采用SVR回歸分析預(yù)測。

1.2 構(gòu)建三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由輸入層、隱層及輸出層構(gòu)建的單純的三層網(wǎng)絡(luò)格局。利用非線性完成從輸入空間到隱藏空間的變換，而從隱藏空間到輸出空間的變換是線性的。流程如圖1所示。

采用高斯函數(shù)作為核函數(shù)可表示為：

2 現(xiàn)有軌跡補(bǔ)償應(yīng)用的幾種方式

伴隨社會(huì)的不斷進(jìn)步，對工件制作的要求也更高，尤其是輪廓度和精準(zhǔn)度。現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軌跡加工補(bǔ)償和仿形加工，提出不同的加工方法。

2.1 使用樣條曲線進(jìn)行樣條插值

根據(jù)測量值，擬合樣條曲線，并對理論值進(jìn)行樣條插值。此方法在每個(gè)加工點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圓滑過渡，但此方法會(huì)在某些軌跡點(diǎn)產(chǎn)生過擬合，導(dǎo)致加工過切。

2.2 直線插補(bǔ)，濾波平滑處理拐點(diǎn)

對加工軌跡作預(yù)處理，每個(gè)軌跡點(diǎn)疊加直線變化量（存在系統(tǒng)量中），對于軌跡拐點(diǎn)（曲率較大的），系統(tǒng)使用濾波處理，實(shí)現(xiàn)平滑過渡。此方法實(shí)現(xiàn)簡單，但只用于簡單加工軌跡。

2.3 實(shí)時(shí)計(jì)算軌跡

對于帶有CAM的數(shù)控系統(tǒng)，此方法可以根據(jù)測量量，可實(shí)時(shí)修正加工模型，重新計(jì)算加工軌跡。此方法生成的加工軌跡較符合工件的形變趨勢。但此方法計(jì)算量較大，且需在數(shù)控系統(tǒng)帶有CAM功能，增加成本。

3 實(shí)時(shí)軌跡補(bǔ)償技術(shù)方案

3.1 技術(shù)特征

這是以檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的完成實(shí)時(shí)路徑補(bǔ)償?shù)氖侄?，具體特征表現(xiàn)在以下方面。

（1）測量點(diǎn)的確定。利用測量頭測量每個(gè)點(diǎn)，并計(jì)算每個(gè)測量點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)輪廓數(shù)據(jù)的偏差，計(jì)算結(jié)果就是待制作產(chǎn)品測量點(diǎn)的形變量;

（2）通過所述形變量和對應(yīng)的測量點(diǎn)位置，進(jìn)行神經(jīng)模型的訓(xùn)練;

（3）將軌跡點(diǎn)在理論軌跡上的位置引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)施預(yù)測，以獲取理論制作軌跡中路徑點(diǎn)的形變量;

（4）將所述形變量疊加至理論加工軌跡，控制刀具根據(jù)疊加后的路徑移動(dòng)。

考慮改進(jìn)技術(shù)方案的措施，確定測量點(diǎn)必須先在待制作的工件輪廓上均勻布置，再利用熟知部件關(guān)鍵裝夾變形的點(diǎn)位，在關(guān)鍵的變形點(diǎn)位添增測量點(diǎn)。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立是選擇合適的函數(shù)完成的;特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是輸入和輸出之間的關(guān)系，也就是路徑點(diǎn)的位置和變形量的關(guān)系，即所述定義為：

式（5）（6）中，D表示為形變量矩陣。

W可以通過式（6）計(jì)算得出，構(gòu)建F（X）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

變形量的預(yù)測就是利用該模型，把理論制作軌跡路徑點(diǎn)引入式（4）中，對與其相對照的路徑點(diǎn)變形量進(jìn)行計(jì)算。

理論制作軌跡的確定可以利用工件的基準(zhǔn)輪廓數(shù)據(jù)和刀具半徑計(jì)算，諸多路徑點(diǎn)組成制作軌跡，所有路徑點(diǎn)都會(huì)與一個(gè)路徑直線段相對應(yīng)。

4 具體實(shí)施方式

根據(jù)以上的補(bǔ)償手段，具體實(shí)施方式包括如下步驟。

（1）確定測量點(diǎn)。在部件理論制作軌跡上設(shè)置20個(gè)測點(diǎn)，產(chǎn)品工件圖見圖2，利用測量圖逐個(gè)檢測，通過測頭逐一測量，計(jì)算各測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)輪廓數(shù)據(jù)之間的偏差，就可以獲取待處理產(chǎn)品的測點(diǎn)的變形量;并且部件的檢測不局限于某種測量模式，在本文的案例介紹中，部件基準(zhǔn)輪廓相對照的理論制作軌跡路徑點(diǎn)可以是三維空間向量，測頭測量點(diǎn)的位置也等同，所述形變量即為兩個(gè)三維空間向量差。

（2）利用變形量以及對照的測點(diǎn)位置，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;實(shí)際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型體現(xiàn)變形量與路徑點(diǎn)位的關(guān)系，即所述定義為式（4）;式（5）φ·W=D;式（6）系數(shù)的待定獲取公式為：W=φ-1·D;其中，針對測量點(diǎn)，D表示為形變量矩陣。W可以利用式（3）獲取，構(gòu)建F（X）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

（3）變形量的預(yù)測就是利用該模型，把理論制作軌跡路徑點(diǎn)引入式（1）中，對與其相對照的路徑點(diǎn)變形量進(jìn)行計(jì)算。

（4）在理論制作軌跡疊加變形量，控制刀具根據(jù)疊加后的路徑移動(dòng)。考慮改進(jìn)技術(shù)方案的措施，確定測量點(diǎn)必須先在待制作的工件輪廓上均勻布置，在利用熟知部件關(guān)鍵裝夾變形的點(diǎn)位，在關(guān)鍵的變形點(diǎn)位添增測量點(diǎn)。對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步訓(xùn)練可以利用初步的檢測以及初步檢測值進(jìn)行，通過給模型初步預(yù)測到的偏差，在理論制作軌跡中疊加構(gòu)成初步的制作路徑;通過認(rèn)真觀察根據(jù)初步制作路徑制作出來的工件，對變形區(qū)域進(jìn)行確定，在關(guān)鍵的變形區(qū)增添測量點(diǎn)。

5 基于測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)軌跡補(bǔ)償方法有益效果

本文中的技術(shù)是一種基于測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軌跡補(bǔ)償?shù)姆椒?，先測量和計(jì)算測量點(diǎn)位置形變量，網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練可利用得到的形變量和測量點(diǎn)位置進(jìn)行。將軌跡點(diǎn)在理論軌跡上的位置引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，軌跡點(diǎn)位置的變形量等同于輸出函數(shù)值，通過疊加變形量和理論軌跡獲取具體位置量。該方法可以有效地避免軌跡的拐點(diǎn)，易于得到補(bǔ)償值，更加快速準(zhǔn)確。

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