[發明專利]一種與人共融的鏡面加工設備控制系統及方法

在審

• 申請號: 201811202350.0
• 申請日: 2018-10-16
• 公開（公告）號: CN109298681A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 程剛;孟雨彤;顧偉;郭鋒;金祖進
• 申請（專利權）人: 山東中衡光電科技有限公司
• 主分類號: G05B19/4097
• 分類號: G05B19/4097
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

1.一種與人共融的鏡面加工設備控制系統，其特征在于，包括智能人機語音交互模塊、工控機、多軸運動控制器、可編程邏輯控制器、數據采集卡、動平臺驅動單元、刀具架驅動單元、柔性液壓支撐單元、旋轉平臺控制單元和監測單元；智能人機語音交互模塊與工控機傳輸連接，工控機分別與多軸運動控制器、可編程邏輯控制器和數據采集卡傳輸連接；所述的多軸運動控制器輸出端與動平臺驅動控制單元和刀具架驅動控制單元輸入端連接；動平臺驅動單元和刀具架驅動單元均與鏡面加工設備的兩個并聯機械手連接，所述可編程邏輯控制器的輸出端與柔性液壓支撐單元和旋轉平臺控制單元的輸入端傳輸連接；所述的數據采集卡與監測單元傳輸連接。

2.根據權利要求1所述的一種與人共融的鏡面加工設備控制系統，其特征在于，所述智能人機語音交互模塊用于技術人員與鏡面加工設備的自然交互，智能人機語音交互模塊主要由語音采集單元、語音識別單元、語音控制單元、語音合成單元和語音播放單元組成，語音采集單元與語音識別單元連接，語音識別單元與語音控制單元連接，語音控制單元分別與工控機和語音合成單元連接，語音合成單元與語音播放單元連接。

3.根據權利要求1所述的一種與人共融的鏡面加工設備控制系統，其特征在于，所述工控機內設有智能數據庫和模糊神經網絡控制器，智能數據庫用于存儲鏡面加工的各種經驗數據；所述模糊神經網絡控制器為基于Takagi-Sugeno模型的模糊神經網絡，模糊神經網絡的輸入為數據采集卡采集到的實時加工數據以及通過智能語音模塊解碼得到的控制指令，所述模糊神經網絡設為五層，其中第一層為輸入層、第二層為輸入隸屬度層、第三層為規則層、第四層為推理層、第五層為輸出層。

4.根據權利要求1所述的一種與人共融的鏡面加工設備控制系統，其特征在于，所述多軸運動控制器用于控制動平臺驅動單元和刀具架驅動單元、接受來自工控機的指令信息，并實時向工控機反饋加工位置信息，動平臺驅動單元控制兩個并聯機械手的驅動進給，刀具架驅動單元控制刀具架的伸縮運動。

5.根據權利要求1所述的一種與人共融的鏡面加工設備控制系統，其特征在于，所述可編程邏輯控制器用于控制柔性液壓支撐單元的高度和旋轉平臺控制單元的轉速、接收來自工控機的指令信息，同時可編程邏輯控制器實時向工控機反饋柔性液壓支撐單元的高度信息和旋轉平臺的轉速信息。

6.根據權利要求1所述的一種與人共融的鏡面加工設備控制系統，其特征在于，所述監測單元包括溫度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、振動傳感器、慣性檢測單元、速度傳感器、加速度傳感器、光柵尺和編碼器；

所述溫度傳感器分別安裝在兩個并聯機械手的刀具架上，對正在加工的鏡面表面溫度進行實時非接觸測量；

所述壓力傳感器安裝在柔性液壓支撐系統的支撐油缸上，實時監測加工過程中的壓力；

所述力傳感器分別位于驅動運動支鏈與動平臺球鉸鏈間，實時監測加工過程中電動缸的受力情況；

所述振動傳感器分別安裝在兩個并聯機械手的刀具架上，實時監測加工過程中的振動情況；

所述慣性檢測單元分別安裝在兩個并聯機械手的動平臺上，實時監測加工過程中的姿態情況；

所述速度傳感器和加速度傳感器分別安裝在兩個并聯機械手的動平臺上，實時監測并聯機械手研磨加工的速度和加速度情況；

所述光柵尺安裝在加工機械手的各個并聯運動支鏈的電動缸或滾珠絲杠滑塊上，用于向工控機反饋位置信號。

7.一種根據權利要求1所述的與人共融的鏡面加工設備控制系統的工作方法，其特征在于，具體步驟為：

(1)建立智能數據庫、模糊神經網絡、語音識別單元的聲學模型及語言模型、語音合成單元的語音語句及數據匹配：

將鏡面加工經驗數據存儲在智能數據庫中，加工經驗數據包括多種控制指令和不同材料在不同環境溫度下所需的進給速度、磨削深度、加工鏡面溫度以及取得的加工效果；

將神經網絡結合到模糊系統中，構建起基于Takagi-Sugeno模型的模糊神經網絡，并將模糊神經網絡設為五層，其中第一層為輸入層、第二層為輸入隸屬度層、第三層為規則層、第四層為推理層、第五層為輸出層；

基于DNN-HMM系統建立語音識別單元的聲學模型，通過深度學習對語音數據進行建模，利用深度學習的底層網絡將噪聲濾去，高層網絡能提取語音特征中更具有區分性的特征，最終將需要的語音信息保存在上層；采用n-gram模型建立語音識別單元的語言模型，用來表示人機語音交互過程中某一字序列發生的概率；

建立語音合成單元的語音語句與數據匹配，通過預設多組語音語句并使其與對應的數據相匹配；

(2)鏡面加工設備開啟后，工控機等待技術人員的指令，技術人員發出準備工作的語音指令后，語音指令通過語音采集單元進行收集，而后傳輸給語音識別單元進行語音識別，語音識別單元對語音信號進行特征提取，并通過聲學模型和語言模型對提取后的語音特征信號進行解碼；完成后將識別后的文本文件傳送至語音控制單元，語音控制單元根據文本信息與智能數據庫中存儲的多組控制指令進行匹配，匹配成功后，語音控制單元控制語音合成單元調取相應的語音文件，語音合成單元將語音文件合成后通過語音播放單元播放出來，此時技術人員根據智能人機語音交互模塊反饋的語音，通過發出所需加工的參數語音指令，智能人機語音交互模塊重復上述語音識別過程，語音控制單元得到識別后的文本文件，并將其轉換為計算機二進制指令，從而完成加工參數的初始化設置；在技術人員發出開始加工的語音指令后，工控機通過智能數據庫中提取本次加工材料的加工數據，并通過模糊神經網絡，對多軸運動控制器和可編程邏輯控制器傳輸指令；

(3)多軸運動控制器和可編程邏輯控制器接收到控制指令后，其中多軸運動控制器控制動平臺驅動單元和刀具架驅動單元兩個底層模塊控制單元，完成對兩個并聯加工機械手各個并聯運動鏈的驅動控制；可編程邏輯控制器控制柔性液壓支撐單元和旋轉平臺控制單元完成對底層模塊的控制，鏡面被固定在旋轉平臺上，旋轉平臺帶動鏡面旋轉，結合兩個并聯機械手的進給運動動作，開始對鏡面進行研磨加工；

(4)加工過程中，監測單元中的各個傳感器實時測量加工狀態信息，并發送給數據采集卡，數據采集卡對加工過程中的實時狀態信息進行匯總，傳輸給工控機的模糊神經網絡，各個傳感器反饋的數據依次經過輸入層、輸入隸屬度層、規則層、推理層和輸出層后，根據輸出層輸出的控制量，工控機對多軸運動控制器和可編程邏輯控制器進行調控；

(5)同時工控機在加工過程中根據數據采集卡反饋的信息，通過人機交互界面顯示，并每隔一段時間通過智能人機語音交互模塊中的語音合成單元向技術人員匯報實時加工的數據信息；

(6)技術人員通過工控機傳來的實時加工信息進行分析，若確定加工信息正常，則發出確認語音指令，此時工控機保持加工設備繼續加工；若技術人員確定加工信息異常，則技術人員發出參數調整的語音指令，此時智能人機語音交互模塊進行識別后對工控機控制，完成對初始加工指令的調整，工控機將調整后的指令下達給多軸運動控制器和可編程邏輯控制器后，加工設備按照調整后的加工參數進行加工，若反饋的實時加工信息仍存在異常，則技術人員繼續發出參數調整的語音指令直到技術人員確認加工信息正常為止；最后將本次調整的加工數據新建為數據模型存入智能數據庫；

(7)鏡面加工設備在執行完加工過程后，智能人機語音交互模塊通過語音播放單元發出語音提示技術人員加工已完成，經過技術人員檢測后，若鏡面達到所需的表面粗糙程度，則加工結束；若鏡面未達到所需的表面粗糙度，則鏡面加工設備在技術人員的語音指令下重復步驟(6)繼續加工，直至鏡面達到所需的表面粗糙程度，完成本次鏡面加工過程；

(8)工控機在加工設備加工過程中，將當前的加工情況與數據庫中的資料進行對比，結合技術人員的語音調整指令，對多軸運動控制器和可編程邏輯控制器下達調整指令；

(9)本次鏡面加工結束后，工控機把本次加工的實時數據作為新增數據存入智能數據庫中，為后續鏡面加工提供參考。