自適應控製係統在數控（kòng）機床閉環控製中的（de）應用研究
2019-4-29 來源：廣東鬆山職業技術（shù）學院 作者：楊秀文
摘 要：利用自適應控（kòng）製係統，實現在線（xiàn）檢測數控加工（gōng）過（guò）程中引起加工誤差的隨機因（yīn）素參數及工件的精度指標，實時調整切削（xuē）加工參數（shù），提高加工零件（jiàn）的（de）精度（dù）。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，提高數控加工過程的自適應控製能力、加工（gōng）精度及（jí）加工效率。
關鍵詞：數控機床（chuáng）；自適應控（kòng）製（zhì）係統；閉環控製
1、數控機床伺服控製係統
數（shù）控機床（chuáng）伺服係統控製（zhì）方式可分（fèn）為開環控製（zhì）係統、全閉環控製係統、半閉環（huán）控製係統。數（shù）控機床半閉環控製係統的檢（jiǎn）測裝置為編碼器（qì）等，檢測元件安裝在進給伺服電機軸端或滾珠絲杠軸端，通過測量電機軸（zhóu）或絲杠軸的轉角及角速（sù）度（dù）並與CNC裝置的指令值進行（háng）比（bǐ）較，用（yòng）差值進行控製（zhì），間接控（kòng）製工作台的實際位移；數控機床全閉環控製係統的檢測裝置可采（cǎi）用光柵尺或者磁尺等，安裝在機床工作台上，直接測量工作台的線位移和線速度，並與CNC裝置（zhì）的指令值進行比較，用差值進行控製。
2、自適應控製係統
自適（shì）應控製（zhì）係統（tǒng）是指在（zài）隨機變化環境中（zhōng），對工作過程中監控參數實時在線監測，參照給定評價指（zhǐ）標或最佳條件不斷（duàn）地對當（dāng）時的工作狀態做出判斷，並以閉環控製方式對工作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（dá）到（dào）最（zuì）佳綜（zōng）合效果的控製係統。
3、數控機床全閉環自適應控製係統工（gōng）作分析
數控機床全（quán）閉環自適應控製係統是在（zài）數控係統本身的速度和位置伺服控製（zhì）之外，利用自適應控製係統在線實時監測切削速度、切削進給（gěi）量、主軸轉速、機床變形量、刀具磨損量、切（qiē）削力等各種隨機加工過程參數，將（jiāng）在線檢測到的數據通（tōng）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）析實時加工的尺寸誤差是（shì）否超過了零件精度（dù）指標所規定的閾值，並實時校正加工（gōng）參數，傳送到數控係統，數控係統進而自動調整（zhěng）加工過程參數，消除機床（chuáng）加工過程中機床各種狀態變化和外界擾動因素引起的影響，從而減小加工誤差（chà），優化加工過程。數控機床全（quán）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（xì）統分為約束自適應控製（ACC）和優化自適應控製（ACO）兩類（lèi）。
約束自適應控製（ACC）是在切削過程中（zhōng）以功率、切削力、切削（xuē）速度等一（yī）個或幾個參數為約束，預先設置參數的約束值，並在（zài）切（qiē）削過程中在線檢測並比較規定變量的實際值與約束值之間的差值，進而實時調整切削進（jìn）給量，使規定的過程參（cān）數變量控製（zhì）在規定的約束值範圍內。約束自適應控製係統需要（yào）在線檢測的參數較少，是數控機床粗加工過程中適宜采（cǎi）用的自適（shì）應控製（zhì）係統。
圖1 數控機床全（quán）閉環（huán）自適應（yīng）控製係統加工流程圖
優化自適應控製係統（ACO）是指在加工過程中一個或幾個參數受過程和係統的約束條件控製，在加工過程中，規定過程變量的約束條件，建立約（yuē）束評（píng）價（jià）函數fn＝f（x，y，z，…），根據（jù）檢測到的可（kě）控變量（liàng）和過程變量的實時數據，得（dé）到約束條（tiáo）件下對應最優ｆ值的可控參（cān）數變量的（de）最佳組合，使加（jiā）工（gōng）過程在保（bǎo）證精度的條件下獲得最大（dà）生產率和最低生產成本。優（yōu）化自適應控製係統可保證每個函（hán）數（shù）都達到最優而（ér）不超（chāo）過約束，以使切削過（guò）程達（dá）到最優化為目標，是一種較高級的自適應（yīng）控製，但控製過程中需要在線辨識的參數較多，計（jì）算量大，結構複雜，適宜用在數控機（jī）床自動加工模式，如（rú）DNC、FMS、CIMS中。
4、數控機床全（quán）閉環自適應控製係（xì）統的實現
數控係統全（quán）閉環自適應控製具有延長刀具壽命、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（diǎn）。但是自適應控製係統控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（yī）般需要（yào）安裝在機（jī）床工作台的下方，影（yǐng）響正常的加工作業（yè），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不是很普及。隨著計算機技術的迅速發展，控製理論、數（shù）學建模的推廣（guǎng）深（shēn）化完善和在線檢測技術的發展，數控係統自適應控製技術必將（jiāng）進入迅猛發展的實用階段。目前自適應控製在數控機床控製係統（tǒng）中的（de）實現（xiàn）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（zhì）工作過程（chéng）是在數控加工過（guò）程中由操作人員對（duì）加工過程中需要控（kòng）製的過程參（cān）數進行監測和數據采集，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知識和經驗得出（chū）調整參數，由（yóu）操作人員將調整參數輸入給機床（chuáng）控製係統，對需要（yào）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（pàn）斷和經驗（yàn）知（zhī）識，加工過程（chéng）中狀態變化的獲取和調節適應（yīng）的工（gōng）作主要（yào）由人工完成，其主觀性較強，不具有實時性，但繞過了自適（shì）應控製過程中在線測量、計算量（liàng）大的難點。已有文獻說明，人（rén）工自適應控製技術可使生產效率明顯提高，是目前適合我國國情的一種技（jì）術方案，隨著控製效果及智能控製技術的應用，這種控製（zhì）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（zhì）係統（tǒng）
基於單片機控製的數控機床自適應控製係統的抗幹擾性強、可靠性高、指令係統效率高，適（shì）用開放型數控係統。該係統通過光柵、磁柵等檢（jiǎn）測單元檢出刀具的絕對坐標，即工件瞬時直（zhí）徑，由自適應控製（zhì）係（xì）統得（dé）到最佳切削速度和（hé）最佳轉速，驅動變頻器實現數控機床主軸電機實時轉速調整控（kòng）製（zhì），從而實現恒切削速度自適應控製（zhì）。
4.3 基（jī）於PC的數控機床自適應控製全閉（bì）環控製係統
基於PC的數控機床（chuáng）自（zì）適應控製全閉環控製係（xì）統可以在Windows平台下自行開發。借助插入控製板的（de）編寫（xiě）軟件程序（xù），實現數控機床自適應控製的全閉環控製，該係統具有工業機的柔（róu）性（xìng）和CNC係統的穩定性和可靠性。基於PC的數控機床自適應控製（zhì）全閉（bì）環控製係統結構框圖如圖2所示。
圖2 基於PC的數控機床自適應全閉環控製係統結構框圖
4.3．1 數據采集器
“PC+自適應控製（zhì）模塊”控製係統的數據采集器模塊（kuài）可（kě）以直接接收由（yóu）檢測係統處理好的數（shù）字量，也可以通過傳（chuán）感器等檢測裝置對工作過程信（xìn）號進行數字采樣、組合，並快速傳輸給PC進行分析和後期處理（lǐ）。數據采集器工作過程包括信號采集（jí）、信號調理、A/D轉換、信號觸發控製和數據采集器與（yǔ）局部總線接口的通信處理等。
4.3．2 運動控製器
運動控製（zhì）器是控製電動機運行方式的專用控製器。運動控製器是決定數控機床自動控製（zhì）係統性能的主要器件，在數控機床自適應全閉環控製係統中，對於簡（jiǎn）單控製係統，采用單片機設計的運動控製器即（jí）可（kě）滿足要求，且性價比較（jiào）高。為提高加工精度及加工效率，數控機床對加（jiā）工過程中的實時（shí）隨（suí）機參（cān）數在線檢測要（yào）求很高，在數控（kòng）機床自適應控製係統中可以采用基於PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的（de）開放式運動控製器，PC與運動控製器采用上、下位機模式，將運動控製器嵌入PC機，由運動控製器（qì）實現運動參數計算，PC機完成信息處理（lǐ），提供數控係統多軸（zhóu）協調運（yùn）動控製和複雜的（de）運動軌跡規劃、實時（shí）插補運算、誤差補償、伺服濾波算法。為實現數據快速（sù）通訊和控製，PC和運動控製器之間可以（yǐ）通過ISA工（gōng）業標準總線形式進行通訊。
5、結束語
數控機床已經廣泛（fàn）應用（yòng）於加工生產，數控機床的精度（dù）和效率已經成為決定生產效率的主要因素，采用全閉環自（zì）適應伺服控製係統，能夠通過在線檢測引起加工誤差的隨機因素參數（shù），實時調整切削加工參數，實現數控加工過程的在線監測、實時控製，提高加工零件的精（jīng）度。研（yán）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（tǒng），對提高數控係統的自（zì）動化程度和自適應（yīng）控製能力具有非常重要的意義
投稿箱：
如果您（nín）有機床行業、企業（yè）相關新聞稿件發表，或（huò）進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編（biān）輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您（nín）有機床行業、企業（yè）相關新聞稿件發表，或（huò）進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本網編（biān）輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更（gèng）多相關信息
