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自適應控製係統在數控機床閉環控製中的應（yīng）用研（yán）究

2019-4-29 來源：廣東（dōng）鬆山職業（yè）技術學（xué）院作者：楊秀文

摘要：利用自（zì）適（shì）應控製係統，實現在線檢測數控加工（gōng）過程中引起加工誤差的隨機因素參數及工件的精度指（zhǐ）標，實（shí）時調整切削加工參數，提（tí）高加工零件的精度。研究適（shì）應當前數控機床的“ＰＣ＋自適應控製器”結構，實（shí）現（xiàn）數控機床自適應閉環控製，提高數控加（jiā）工過程的自適應（yīng）控製能力、加工精度（dù）及加工效率（lǜ）。

關鍵詞（cí）：數控機床；自適應控製係統；閉（bì）環控製（zhì）

1、數控機床伺服控（kòng）製係統

數控（kòng）機床伺服係統控製方式可分為開環（huán）控製係統、全（quán）閉環控製係統、半閉環控製係統。數控機床半閉環控製係統的檢測裝置為編碼器（qì）等，檢（jiǎn）測元件安裝在（zài）進給伺服（fú）電機軸（zhóu）端或滾珠絲杠軸端，通過測量電機軸或絲（sī）杠軸（zhóu）的轉角（jiǎo）及角速度並與CNC裝置的指令值進行比較，用差值進行控（kòng）製，間接控製工作台的實（shí）際（jì）位移；數（shù）控機床全（quán）閉環（huán）控製係統的檢測裝置可（kě）采用光柵尺或者磁尺等，安裝在機（jī）床工作（zuò）台上，直接測量工作台的線位移和線速度，並與CNC裝置（zhì）的指令值進行（háng）比較，用差值進行（háng）控製。

2、自適應控製係統

自適（shì）應控製係統（tǒng）是指在（zài）隨機變（biàn）化環境（jìng）中，對工作（zuò）過程中監控參數實時在線監測，參照給定評價指標或最佳條件（jiàn）不斷地對（duì）當時的工作狀態做出判斷，並以閉環（huán）控製方式對工作狀態的判（pàn）斷結果按照一定（dìng）的處理（lǐ）邏輯（算法）進行調節，使係統達到最（zuì）佳綜合效果（guǒ）的控製係（xì）統。

3、數（shù）控機床全閉環自適（shì）應控製係統（tǒng）工作分析

數控機床全閉環自適應控製係統是（shì）在數控係（xì）統（tǒng）本身的速（sù）度和（hé）位（wèi）置伺服控製（zhì）之外，利用自適應控製係統在線實時監測切削速度、切削（xuē）進（jìn）給量、主（zhǔ）軸轉速、機床變形量、刀具磨損量、切削力等各種（zhǒng）隨機（jī）加工過程（chéng）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，經過自適應控製係統運算評價，分（fèn）析實時加（jiā）工的尺寸誤差是否（fǒu）超過了零件（jiàn）精度指標所規定的閾值，並實時校正加工參數，傳送到數控係統，數控係統進而自動調整加工（gōng）過程參數，消除機床加工過程（chéng）中機床各種狀態變化和外界擾動因素引起的影響，從而減（jiǎn）小加工誤差，優化加工過程。數控（kòng）機床全閉環自適應控製係統加工流程如圖１所示。

數控機床常用的全閉環自適應控製係統分為（wéi）約束自適應控製（ACC）和優化自適應控製（ACO）兩類。

約束自適應控製（ACC）是在切削（xuē）過程中以功率、切（qiē）削力、切（qiē）削速度等一個（gè）或幾個參數為約束，預先設置參（cān）數的約束值，並在切削過程中在線檢測並比較規定變量的實際（jì）值與約束值之（zhī）間（jiān）的差值，進而實時調整（zhěng）切削進給量，使規定的過程參數變量控（kòng）製在規定的約束（shù）值範圍（wéi）內。約束（shù）自適應控製係統需要在線檢測的參數較少（shǎo），是數控機床（chuáng）粗加工過程中（zhōng）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工流程圖

優化自（zì）適（shì）應控製係統（ACO）是指在加工過程中一個（gè）或幾（jǐ）個參數受（shòu）過程和係統的約束條件控製，在（zài）加（jiā）工過程中，規定過程變量的約束條（tiáo）件，建立約束評價函數（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，得到約束條（tiáo）件下對（duì）應最（zuì）優ｆ值（zhí）的可控（kòng）參數變量的最佳組合，使（shǐ）加工過程在保（bǎo）證精度的條件下（xià）獲得最大（dà）生產率和（hé）最低（dī）生產成本。優化自適應控製係統可保證每個函數（shù）都達到最優而不（bú）超過約束，以使（shǐ）切削過（guò）程達到最優化為目標，是一種較高級的自適應控製，但控製過程中需要在線辨識（shí）的參數較多，計算量大，結構複雜，適宜用在數（shù）控機床自動加工模（mó）式，如DNC、FMS、CIMS中。

4、數控機床全閉環自適應控（kòng）製係統的實現

數控係統全閉（bì）環自適應（yīng）控製具有延長刀（dāo）具壽命（mìng）、提高加工精度、提高工作效率、穩定係統、適應非線性和時變性等顯著優點。但（dàn）是自適應（yīng）控製（zhì）係統控（kòng）製器參數調整算法複雜，計算量大，檢測係統中傳感器及檢測裝置一般需要安裝在機床工作台的下方，影響正常的加工（gōng）作業，且（qiě）可靠性不（bú）高（gāo）。目前自適應控製係統（tǒng）在數控加工中的應用不是很普及。隨著計算機技術的迅速（sù）發展，控製理論、數學建模的推廣深化完善（shàn）和在線檢測技術（shù）的發展，數（shù）控係（xì）統自適應控製技術必將進入（rù）迅猛（měng）發展的實（shí）用階段。目前自適應控製在（zài）數（shù）控機床控製係（xì）統中的實現主要有以下方式：

4.1 人工自適應控製過程

人工自適應控製工作過程是在數控加（jiā）工過程中（zhōng）由操作人員對加工過（guò）程（chéng）中需要控製的過程參數進行監測和數據（jù）采集，依（yī）據事先建立的切削過程數學模型或數據庫及操作人員的（de）知識和經驗得出調整（zhěng）參數，由操作人員將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。該係統的控製效果（guǒ）主要取決於操作人員的判斷和經（jīng）驗知識（shí），加（jiā）工過程中狀（zhuàng）態變化的獲取和調（diào）節適應的工作主要由人工完成，其主觀性較強，不具有實（shí）時性，但繞過了自適應控製過程中在線測量、計（jì）算（suàn）量大的難點。已有文獻說明，人工自適應控製技術（shù）可使（shǐ）生產（chǎn）效率明顯提高，是（shì）目前（qián）適合我國國（guó）情的一種技術方（fāng）案（àn），隨著控製效果（guǒ）及智能控製技術的應用，這種控製係統將逐步退出市場。

4.2 基於單片（piàn）機控製的數（shù）控機床自適應（yīng）控製係統

基於單片機控製的數控機床自適應控製係統的抗幹（gàn）擾性強、可（kě）靠性高（gāo）、指令係統效率高，適用開放型數控係統（tǒng）。該係統通過光柵、磁柵等（děng）檢測單元檢出刀具的絕對坐標，即工件瞬時直徑，由自適應控製係統得到最佳切削速（sù）度（dù）和最佳（jiā）轉速，驅動變頻器實現數控機床主軸電機（jī）實時轉速調整控製，從而實現（xiàn）恒切削速度自（zì）適應控製。

4.3 基於PC的數（shù）控機床自適（shì）應控製全閉環控製係統

基（jī）於PC的數控機床自適應控製全閉（bì）環控製係統可以在Windows平台下自行開發。借助插入控製板的編寫（xiě）軟件程（chéng）序，實現數控機床自適（shì）應控製的全閉環控製，該係（xì）統具有工業機的柔性和CNC係統的穩（wěn）定性（xìng）和可靠性。基於PC的數控機床自適應（yīng）控製全閉環控製係統結構框圖如（rú）圖2所（suǒ）示。

圖2 基於PC的數控機床自適應全閉環控（kòng）製係統結構框圖

4.3．1 數據采（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的數字量，也可以通過傳（chuán）感器等檢測裝置對工（gōng）作過程信號進（jìn）行數字采樣、組（zǔ）合，並快速傳輸給PC進行分析和後期處理。數據采集器工作過程包（bāo）括信號采集、信號調（diào）理、A/D轉換、信號（hào）觸發控製和數據采集器與局部總線接口的通信處理等。

4.3．2 運動（dòng）控製器（qì）

運動控製器是控製電動機運行方式的專用控（kòng）製器。運動控製器是（shì）決定數控機床（chuáng）自動控製係統性能的主要器件，在（zài）數（shù）控機床自（zì）適應全閉環控製（zhì）係統中，對於（yú）簡單控（kòng）製係統，采用單（dān）片機設計的運動控製器即可滿足要求，且性（xìng）價比較高。為提高加工（gōng）精度及加工效率，數控機床對加工過程中的實時隨機參數在線（xiàn）檢測要求很高，在數控機床自適應控製係統中可以采用基於PC總線的以DSP和FPGA作為核（hé）心處理器的開放式運動控製器，PC與運動控製器采用上、下位機模式，將運動控製器（qì）嵌入PC機，由運動控製器實現運動參數計算，PC機完成信息處理，提供數控係統多軸協調運動控製和複雜的運動軌（guǐ）跡（jì）規劃（huá）、實時插補運算、誤差補償、伺服濾（lǜ）波算法。為實現數據快速通訊和（hé）控製，PC和運動控製器之（zhī）間可以通過ISA工業（yè）標準總線形式進行通訊。

5、結束語

數控機床已經廣泛應用於加工生產，數控機床的精度和效率（lǜ）已經成為決定生產效率的主要因素，采用全閉環自適（shì）應（yīng）伺服控製係統，能夠通過在（zài）線檢測引起加工誤差的隨機因素參數，實（shí）時調整切削加工（gōng）參（cān）數，實現數控加工過程的在線監（jiān）測、實時控製，提（tí）高加工零件的精（jīng）度（dù）。研究適（shì）應當前數控機床的“PC+＋自適應控製器”自適應閉（bì）環控製係統，對提高數控係統的自動化程度和自適應控製能力具有非常重要的（de）意義

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