一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繞線機(jī)控制方法及繞線機(jī)技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繞線機(jī)控制方法，包括以下步驟：步驟一：確定三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層向量，中間層向量，以及輸出層向量；步驟二：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)獲取訓(xùn)練樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；步驟三：按照一定的采樣周期使用傳感器測(cè)量繞線機(jī)內(nèi)部溫度T、振動(dòng)速率U、排線器與繞線骨架之間的拉力F、主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速ωa、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速ωb、放線電機(jī)轉(zhuǎn)速ωc，并將上述參數(shù)進(jìn)行規(guī)格化，得到輸入層向量和輸出層向量；步驟四：對(duì)主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速、放線電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；步驟五、根據(jù)輸出層向量中緊急停機(jī)信號(hào)，判斷繞線機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本發(fā)明專利技術(shù)能降低繞線斷線頻率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)器平均無故障時(shí)間，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及繞線機(jī)自動(dòng)控制
，特別涉及一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繞線機(jī) 控制方法。
技術(shù)介紹
隨著工業(yè)4. 0和中國制造2025的提出，智能制造技術(shù)得到了空前發(fā)展。繞線機(jī)是 一種繞制線圈的自動(dòng)化設(shè)備，常用的電子產(chǎn)品如電動(dòng)機(jī)線圈、引腳電感、變壓器、電磁閥、點(diǎn) 火線圈、RFID、聚焦線圈等都是通過繞線機(jī)生產(chǎn)的。繞線技術(shù)經(jīng)歷了手工、半自動(dòng)、全自動(dòng)的 發(fā)展歷程，下一步將朝著智能化方向發(fā)展。智能化繞線裝置的關(guān)鍵技術(shù)是運(yùn)動(dòng)控制，即對(duì)機(jī) 械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參 數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 目前世界上比較有影響力的繞線機(jī)廠商主要在日本和歐美，其中以日本、意大利、 美國、德國生產(chǎn)的繞線機(jī)設(shè)備最先進(jìn)，基本實(shí)現(xiàn)了繞線機(jī)的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，其繞 線機(jī)質(zhì)量可靠，生產(chǎn)效率高，在繞制精密線圈和特殊用途線圈等方面占有極大優(yōu)勢(shì)。百度百 科"數(shù)控技術(shù)"詞條資料表明，國外數(shù)控裝置的MTBF(平均無故障時(shí)間）值已達(dá)6000小時(shí) 以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000小時(shí)以上。相比而言，國內(nèi)相關(guān)設(shè)備還有很大差距。 對(duì)于繞線機(jī)來說，每一個(gè)繞線程序?qū)?yīng)于一種產(chǎn)品。在生產(chǎn)過程中，同一種產(chǎn)品 需要生產(chǎn)數(shù)千甚至上萬個(gè)。繞線機(jī)長年累月地高速運(yùn)轉(zhuǎn)，極易產(chǎn)生機(jī)器"疲勞"現(xiàn)象。這種 情況一方面會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降和成品合格率降低；另一方面，導(dǎo)致設(shè)備易老化，增加維修 率。實(shí)踐表明，控制合理的繞線速度是解決上述問題的重要手段之一。 目前繞線速度控制有手工方式、機(jī)械調(diào)節(jié)方式、單片機(jī)控制方式。專利技術(shù)專利《自動(dòng) 旋轉(zhuǎn)環(huán)形繞線機(jī)》（申請(qǐng)公布號(hào)為CN104733178A)中通過手工方式調(diào)節(jié)調(diào)速按鈕實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 專利技術(shù)專利《一種速度可控的電機(jī)線圈的繞線機(jī)》（授權(quán)公告號(hào)為CN103095067B)中是通過摩 擦力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來控制繞線速度。專利技術(shù)專利《一種磁體超導(dǎo)線繞制控制裝置》（申請(qǐng)公布號(hào)為 CN104051149A)中使用單片機(jī)檢測(cè)張力的變化來控制繞線速度。 手工方式和機(jī)械方式調(diào)速都不適合于高速度、高精度繞線機(jī)的調(diào)速需求。基于單 片機(jī)的繞線速度控制器大部分都是通過PID控制方式來實(shí)現(xiàn)的。PID方式對(duì)于繞線過程中 的多參數(shù)、非線性的控制問題，存在一定的局限性。具體表現(xiàn)如下： 現(xiàn)有繞線速度控制是根據(jù)伺服電機(jī)的角速度、位置等反饋，通過PID方法實(shí)現(xiàn)的。 這種控制模式比較單一，調(diào)試復(fù)雜，耗時(shí)較長，不具備預(yù)測(cè)和自我學(xué)習(xí)功能。 現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制器大多只考慮線性問題，但是影響繞線運(yùn)動(dòng)控制的因素很多，包括 運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型、摩擦力、設(shè)備振動(dòng)、繞線的張力、絲桿的累積誤差、工作環(huán)境的溫度、噪 聲等。例如：機(jī)床的振動(dòng)有可能造成排線定位不準(zhǔn)確，從而造成繞線不均勻；不同繞線的張 力和摩擦力變化會(huì)導(dǎo)致排線器與繞線骨架之間的拉力不恒定，從而導(dǎo)致繞線的松緊程度不 一致，影響產(chǎn)品的質(zhì)量；設(shè)備的高速運(yùn)轉(zhuǎn)有可能引起機(jī)器內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致繞線變形。這 一方面會(huì)影響繞線的質(zhì)量，另一方面容易斷線。這些因素綜合在一起使得繞線機(jī)的速度調(diào) 節(jié)成為多參數(shù)、非線性系統(tǒng)的控制問題，很難用PID控制器建立一個(gè)良好的速度控制模型。 現(xiàn)有插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制是由運(yùn)動(dòng)控制芯片實(shí)現(xiàn)的，PID控制則是由單片機(jī)及下位機(jī)軟 件實(shí)現(xiàn)的，繞線程序和繞線速度是在上位機(jī)軟件中設(shè)定的。因而集成度不高、實(shí)時(shí)性弱、自 適應(yīng)性差。 此外，繞線機(jī)還存在其他一些問題，如絲桿在常年累月的工作中會(huì)磨損，沖撞變 形，從而會(huì)產(chǎn)生累積誤差，導(dǎo)致不同伺服電機(jī)之間的不同步；繞線機(jī)采用通用運(yùn)動(dòng)控制芯 片，沒有針對(duì)繞線這種特定行業(yè)應(yīng)用的插補(bǔ)模型和算法。對(duì)于這些問題本專利不做研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繞線機(jī)控制方法，目的是克服現(xiàn)有繞 線機(jī)控制系統(tǒng)控制模式比較單一、調(diào)試復(fù)雜，耗時(shí)較長的缺陷，使控制過程中能夠自動(dòng)調(diào)節(jié) 繞線參數(shù)，減小繞線斷線頻率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)器平均無故障時(shí)間。 本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案為： -種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繞線機(jī)控制方法，包括以下步驟： 步驟一、按照采樣周期，通過傳感器測(cè)量繞線機(jī)內(nèi)部溫度T、振動(dòng)速率U、排線器與 繞線骨架之間的拉力F、主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速coa、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速cob、放線電機(jī)轉(zhuǎn)速ω。； 步驟二、依次將上述參數(shù)進(jìn)行規(guī)格化，確定三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層向量X= {Xi，X2,X3,X4,X5,X6};其中Xi為內(nèi)部溫度系數(shù)、X2為振動(dòng)系數(shù)、X3為張力系數(shù)、X4為主軸電機(jī) 速度系數(shù)、x5S排線電機(jī)速度系數(shù)、X6為放線電機(jī)速度系數(shù)； 步驟三、所述輸入層向量映射到中間層，所述中間層向量y= {y^y2,…，ym} ;m為 中間層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)； 步驟四、得到輸出層向量〇 = {〇〇 〇2, 〇3, 〇4}沖為主軸電機(jī)速度調(diào)節(jié)系數(shù)、〇 2為排 線電機(jī)速度調(diào)節(jié)系數(shù)、〇3為放線電機(jī)的調(diào)節(jié)系數(shù)、〇 4為緊急停機(jī)信號(hào)； 步驟五、控制主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速和放線電機(jī)轉(zhuǎn)速，使 其中，0丨、$分別為第i次采樣周期輸出層向量前三個(gè)參數(shù)，c〇a__、c〇b__、 ω。__分別為主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速， ωa(i+l)、0b(i + l)、0c(i + l)分別 為第i+1個(gè)采樣周期時(shí)主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速。 優(yōu)選的是，步驟五之后還包括：根據(jù)第i次周期中的溫度、振動(dòng)、張力采樣信號(hào)，判 定第i+Ι次周期時(shí)繞線機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)輸出信號(hào)<=〇時(shí)，進(jìn)行緊急停車。 優(yōu)選的是，所述中間層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)m滿足： ，其中η為輸入層節(jié)點(diǎn) 個(gè)數(shù)，Ρ為輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。優(yōu)選的是，繞線機(jī)內(nèi)設(shè)置有ητ個(gè)溫度傳感器，采集的溫度值分別為Τ/，Τ2'，… V，···，!；/，根據(jù)振動(dòng)傳感器的位置賦予該溫度值權(quán)值WTl，通過下式計(jì)算內(nèi)部溫度Τ 優(yōu)選的是，繞線機(jī)內(nèi)設(shè)置有η,個(gè)振動(dòng)傳感器，采集的振動(dòng)速率分別為IV，υ2'，···ιν，···，υηΤ'，根據(jù)振動(dòng)傳感器的位置賦予該振動(dòng)速率權(quán)值，通過下式計(jì) 算振動(dòng)速率U 優(yōu)選的是，步驟三中，將內(nèi)部溫度T、振動(dòng)速率U、排線器與繞線骨架之間的拉力F、 主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速cob、放線電機(jī)轉(zhuǎn)速ω。進(jìn)行規(guī)格化的公式為： 其中，Xj為輸入層向量中的參數(shù)，X及別為測(cè)量參數(shù)T、U、F、ωa、cob、ω。，j= 1，2, 3, 4, 5, 6;Xj_和Xj_分別為相應(yīng)測(cè)量參數(shù)中的最大值和最小值。 優(yōu)選的是，步驟四中，采用S曲線速度控制方法對(duì)主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速和 放線電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 優(yōu)選的是，步驟三中，初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足 經(jīng)驗(yàn)值： ω3〇=〇.7ωanax ωω= 〇. 7ωbnax ωε0=〇. 1ωcnax 其中，ω3。、ωΜ、ω。。分別為主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速，ωanax、 ωb_mM、ωcjmx分別為主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。 本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有自學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)功能，使本 系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和調(diào)控的準(zhǔn)確性。本專利技術(shù)能夠處理多參數(shù)、非線性系統(tǒng)的控制問題， 能根據(jù)工作中設(shè)備的溫度變化、振動(dòng)、繞線的張力變化等情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)繞線轉(zhuǎn)速，降低斷 繞頻率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使用這種裝置的系統(tǒng)工作更穩(wěn)定，故障率更低。本專利技術(shù)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 算法集成到芯片中，構(gòu)成了片上系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的集成度本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繞線機(jī)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、按照采樣周期，通過傳感器測(cè)量繞線機(jī)內(nèi)部溫度T、振動(dòng)速率U、排線器與繞線骨架之間的拉力F、主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速ωa、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速ωb、放線電機(jī)轉(zhuǎn)速ωc；步驟二、依次將上述參數(shù)進(jìn)行規(guī)格化，確定三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6}；其中x1為內(nèi)部溫度系數(shù)、x2為振動(dòng)系數(shù)、x3為張力系數(shù)、x4為主軸電機(jī)速度系數(shù)、x5為排線電機(jī)速度系數(shù)、x6為放線電機(jī)速度系數(shù)；步驟三、所述輸入層向量映射到中間層，所述中間層向量y＝{y1,y2,…,ym}；m為中間層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；步驟四、得到輸出層向量o＝{o1,o2,o3,o4}；o1為主軸電機(jī)速度調(diào)節(jié)系數(shù)、o2為排線電機(jī)速度調(diào)節(jié)系數(shù)、o3為放線電機(jī)的調(diào)節(jié)系數(shù)、o4為緊急停機(jī)信號(hào)；步驟五、控制主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、排線電機(jī)轉(zhuǎn)速和放線電機(jī)轉(zhuǎn)速，使ωa(i+1)=o1iωa_max]]>ωb(i+1)=o2iωb_max]]>ωc(i+1)=o3iωc_max]]>其中，分別為第i次采樣周期輸出層向量前三個(gè)參數(shù)，ωa_max、ωb_max、ωc_max分別為主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速，ωa(i+1)、ωb(i+1)、ωc(i+1)分別為第i+1個(gè)采樣周期時(shí)主軸電機(jī)、排線電機(jī)和放線電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：文全剛，梁艷春，吳春國，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：吉林大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：吉林;22