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自適應控製係統在數控機床閉（bì）環控製中的應用研究

2019-4-29 來源：廣東鬆山職（zhí）業技術學院作者：楊秀文

摘（zhāi）要：利用自適應（yīng）控製係統（tǒng），實現在線檢測數（shù）控加工過程中引起加工誤差的隨機因素參數及工件的精度指標，實時調（diào）整切削加工參數（shù），提高加工零件的精度。研究適應當前數控機床的“ＰＣ＋自適應控製器”結構，實現數控機床自適應閉環控製，提高數控加工過程（chéng）的自（zì）適應控製（zhì）能力、加工精度及（jí）加工效（xiào）率。

關鍵詞：數控機床；自適應控製係統；閉環控製

1、數控機床伺服控製係統

數（shù）控機床伺服係統（tǒng）控製（zhì）方式（shì）可分為開（kāi）環（huán）控製係統、全閉環控製係統、半閉環控製係統。數控機床（chuáng）半閉環控製係統的檢測裝置為編碼器等，檢測元件安裝在進（jìn）給伺服電機軸端或滾珠（zhū）絲杠軸端，通過測量電機軸或絲杠軸的轉角及角速度並與CNC裝置的指（zhǐ）令值進行比較，用差值進行控製（zhì），間接控製工作台（tái）的實際（jì）位移（yí）；數控機床全閉環控製係統的檢測裝置可采用光（guāng）柵尺或者磁尺（chǐ）等，安裝在機床（chuáng）工（gōng）作台上，直接測量工作台的線位移和線速度，並與CNC裝置的指令值進行比（bǐ）較，用差值進行控製。

2、自適應控製係統

自適應控（kòng）製係統是指在隨（suí）機變（biàn）化環境中，對工作（zuò）過程（chéng）中監控參數實時在線監測，參照（zhào）給定評價指標或最佳條件不斷地對當時的工作狀（zhuàng）態（tài）做出（chū）判斷，並以閉環控製方式對工作（zuò）狀態的判斷結果按照一定的處理邏輯（算法）進行調節，使係統達到最佳綜合效果的（de）控製係統（tǒng）。

3、數控機（jī）床全閉環自適應控製係統工作分析

數控機（jī）床全閉環自適（shì）應控製係統是在數控（kòng）係統本身的速度和（hé）位置伺服控製之外，利用自適（shì）應控製係統在線實時監測切削速度、切削進給（gěi）量、主軸轉速、機床變形（xíng）量、刀具（jù）磨損量、切削力等各種隨（suí）機加（jiā）工（gōng）過程參數，將在線（xiàn）檢測到的數據通過信號采集裝置和數據處理模塊，經過自適應（yīng）控製係統運算評價，分析實（shí）時加（jiā）工的尺寸誤差是否超過了零件精度指標所規定的閾值，並實時校（xiào）正加工（gōng）參（cān）數（shù），傳送到數控係統，數控係統（tǒng）進而自動調整加工過程（chéng）參數，消除機床加工過程中機床（chuáng）各種狀態變（biàn）化和外界擾動因素（sù）引起的影響，從而減小（xiǎo）加工（gōng）誤差，優化加工過程。數控機床全閉環（huán）自（zì）適（shì）應控（kòng）製係統加工流程（chéng）如圖１所（suǒ）示。

數控機床常用的全閉（bì）環自適應控製係統分為約束自適應控（kòng）製（ACC）和（hé）優化自適應控製（ACO）兩類。

約束自適應控製（ACC）是在切削過（guò）程中以功率（lǜ）、切削力（lì）、切削速度等一個或幾個參（cān）數為約束，預先設置參數的約束值（zhí），並（bìng）在切削過程中在線檢測並比較規（guī）定變量的實際值與約束值之間的差值，進而實時（shí）調整切（qiē）削進給量（liàng），使規定的（de）過程參數變量控製在規定的約束值範圍內。約束自適應控製係統需要在線檢測的參數較少，是數控機床粗加（jiā）工過程中適宜采用的自適應控製係統。

圖1 數控機床全閉環自適應控製係統加（jiā）工流（liú）程（chéng）圖

優化自適應控製係統（ACO）是指在加工過程中一（yī）個或幾個參數受過程（chéng）和係統的約束條件控製，在加（jiā）工過程中，規定過程變量的約束條件，建立（lì）約（yuē）束評（píng）價函數（shù）fn＝f（x，y，z，…），根據檢測到的可控變量和過程變量的實時數據，得（dé）到約束條件下對應最優ｆ值的可（kě）控參數變量的最佳組合，使加工過程在保證（zhèng）精（jīng）度的條件下獲得最大生產率和最（zuì）低（dī）生產成本。優化自適應控製係統（tǒng）可保證每個函數都達到最優而不超過約束，以使切削過程（chéng）達到最優（yōu）化為目標，是一（yī）種較高級的自適應控製，但控製過程中需要在線辨識的參數（shù）較多，計算（suàn）量（liàng）大，結構複雜，適宜用在數控機床自動加工模式，如DNC、FMS、CIMS中。

4、數控機床全閉（bì）環自適應控製係統的實現

數控係統（tǒng）全閉環自適應（yīng）控製（zhì）具有延（yán）長刀具壽命、提（tí）高加工精度、提（tí）高工作效率、穩定係統、適應非線性和（hé）時變性等顯著優點。但是自適應（yīng）控製係統控製（zhì）器參數調整（zhěng）算法複雜，計算量（liàng）大，檢測（cè）係統中傳感器及（jí）檢測裝置一般需要安裝（zhuāng）在機床工作台的下方，影響正常的（de）加工作業，且可靠性不（bú）高。目前自適應控製係統在數控加工中的應用（yòng）不（bú）是很普及。隨著計算機技術的迅速發展，控製理論、數學建模的推廣深化完善和在線檢測技術的發展，數控係（xì）統自適應控（kòng）製技術必將進（jìn）入迅猛發展的實用階段。目前自適（shì）應控製在（zài）數（shù）控機床控製（zhì）係統中的實現主要有以下方式：

4.1 人工自適應控製過程

人工（gōng）自適應控製工作（zuò）過程是（shì）在數控加（jiā）工過程中由操作人員對加工過程中（zhōng）需要控（kòng）製的過程（chéng）參數進行（háng）監測和數據采集，依據事先建立的切削過程數學模型（xíng）或數據庫及操作人員的知識和經驗得出調整參數，由操作人員將（jiāng）調整參數輸入給機床控製係統，對需要控製的切削參數進行校正。該係統（tǒng）的控製效果主要取決於操作人員的判斷和經（jīng）驗知識，加工過程中狀態變化的獲取和調節適應的工作主要由人（rén）工完成，其主觀性較（jiào）強，不具有實時性，但繞過了自（zì）適應控製（zhì）過程（chéng）中（zhōng）在線測量、計算量大的（de）難點。已（yǐ）有文獻（xiàn）說（shuō）明，人工自適應控製技術可使生產效率明顯提高，是目前（qián）適合我國國情的一種技術方（fāng）案，隨著控製效果及智能控製技術的應用，這種（zhǒng）控製係統將逐步退出市場。

4.2 基於單片機控製的數控機床自適應控製係統（tǒng）

基於單片機控（kòng）製的數控機床自適應控製（zhì）係統的抗（kàng）幹擾性強、可靠性高、指（zhǐ）令係統效率高，適用（yòng）開放型數控係統。該係統（tǒng）通過光柵、磁柵等檢測（cè）單元檢出刀具的絕（jué）對（duì）坐標，即工件瞬（shùn）時直徑，由自適應（yīng）控製係（xì）統得到最佳切削速度和最佳轉速，驅動變頻器（qì）實（shí）現數控機床主軸電機實（shí）時轉速調整控製，從而實現恒切削速度自適應控製。

4.3 基於PC的數控機床自適應控製全閉環控製係統

基於PC的數控機床（chuáng）自適應（yīng）控製（zhì）全閉環控製（zhì）係統可以在Windows平台下（xià）自行（háng）開發。借助插入（rù）控製板的編寫軟件程序，實現數控機床自適應控製的全閉（bì）環控製，該（gāi）係統具有工業機的柔性和（hé）CNC係統的穩定性和可靠性。基於PC的（de）數控機床自適應控製全閉環控製係統結（jié）構框圖如圖2所（suǒ）示。

圖（tú）2 基於PC的數控機床自適應全閉環（huán）控製係統結構框圖

4.3．1 數據（jù）采（cǎi）集器

“PC+自適應控製模塊”控製係統的數據采集器模塊可以直接接收由檢測係統處理好（hǎo）的數字量，也可（kě）以通過傳感器等檢測裝置對工作過（guò）程信號進行（háng）數字采樣、組合，並快速傳輸給PC進（jìn）行分析和後期處理。數據采集器工作過程包括信號采集、信（xìn）號調理、A/D轉換、信號觸發控製和數據采集器與局部總（zǒng）線接口的通信處理等。

4.3．2 運動控製（zhì）器（qì）

運動控製器是控製電動機運行方式（shì）的專用（yòng）控製器（qì）。運動控製器是決定數控（kòng）機床自動控製係統性能的主要器件（jiàn），在數控機床自適應全閉環控製係統中，對於簡單控製（zhì）係統，采用單片（piàn）機（jī）設計的運動控製器即可滿足要求，且性價比較高。為（wéi）提高（gāo）加工精度及加工效（xiào）率，數控機床對加工過（guò）程中的實時隨機參數在線檢（jiǎn）測要求很高，在數控機床（chuáng）自適應控製係（xì）統中可以采（cǎi）用基於PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的（de）開放式運動控製器（qì），PC與運動（dòng）控製器采用上、下位機模式，將運動控製器嵌入PC機，由（yóu）運動控（kòng）製器實現運動（dòng）參數計算（suàn），PC機完成信息（xī）處理，提供數控（kòng）係統多軸協調運動控製和複雜的運動軌跡規劃（huá）、實時插補運算、誤差補（bǔ）償、伺服濾波算法。為實現數據快速（sù）通訊（xùn）和控製，PC和（hé）運動控製器之間可以通過ISA工業標準（zhǔn）總線形式進行通訊（xùn）。

5、結束語

數控機（jī）床已經廣泛應（yīng）用於加工生產，數控機床的精度和（hé）效率已（yǐ）經成為決定生（shēng）產效率的主要因素，采用全閉環自適應伺服控製係統，能夠（gòu）通過在線檢測引（yǐn）起加工誤差（chà）的隨機因素（sù）參數，實（shí）時調整切削加工參（cān）數，實（shí）現數控加（jiā）工過程的在線監測、實（shí）時控（kòng）製，提高加工零件的精度。研究適應當前數控機床的“PC+＋自適應控製器”自適應閉環控製係統，對提高數控係統的自動（dòng）化程度和自適應控製能（néng）力具有非常重要的意義（yì）

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