數(shù)控加工的過(guò)程監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)控制

王鎖會(huì)

摘 要：文章詳細(xì)闡述了目前在數(shù)控加工過(guò)程中采用的相關(guān)監(jiān)控技術(shù)與裝置，以及在智能制造環(huán)境下加工過(guò)程自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用，并且分析了其在工業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；過(guò)程檢測(cè)；自適應(yīng)控制

引言

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，制造業(yè)面臨著越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本控制要求不斷增高，使自動(dòng)化的引入成為必然趨勢(shì)。自從上世紀(jì)七十年代數(shù)控機(jī)床（CNC）首次被提出以來(lái)，現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)代化裝備制造業(yè)的重要基石。目前，在許多高端裝備制造領(lǐng)域，尤其是航空航天與核工業(yè)中，由于其零件的性能要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且越來(lái)越多地采用了各種新型的難加工材料。在采用傳統(tǒng)方法加工該類零件時(shí)，由于無(wú)法在線監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中力、熱等物理量以及加工變形等幾何量的變化情況，也不能根據(jù)工況的變化進(jìn)行即時(shí)決策，會(huì)導(dǎo)致加工前后材料表面力學(xué)性能變化，加工精度不能完全控制，產(chǎn)品質(zhì)量及其一致性難以保證，最終導(dǎo)致零件服役性能差、壽命短，甚至引發(fā)安全事故。因此，在高性能、難加工材料零件的加工過(guò)程中必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，對(duì)加工狀態(tài)和時(shí)變工況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。

數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)控的基礎(chǔ)是生產(chǎn)加工的自動(dòng)化控制技術(shù)，而其執(zhí)行則需要對(duì)加工過(guò)程的主要參數(shù)進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)量，因此大量聲、光、電、熱等各類在線傳感器以及電磁感應(yīng)系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。在數(shù)控加工過(guò)程中，由于刀具磨損與斷裂會(huì)造成頻繁停機(jī)，所以導(dǎo)致對(duì)于刀具的監(jiān)控其成為了金屬切削領(lǐng)域中主要問(wèn)題之一。研究表明，一臺(tái)普通的機(jī)床由于刀具斷裂而導(dǎo)致停機(jī)的幾率幾乎接近20%。另外，制造業(yè)將越來(lái)越朝著高效和低耗的方向發(fā)展，其對(duì)環(huán)境的影響也是一個(gè)重要因素，而加工過(guò)程的在線監(jiān)控與自主優(yōu)化則成為現(xiàn)代制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力源泉。

1 數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)測(cè)原理與裝置

1.1 監(jiān)測(cè)原理

監(jiān)控技術(shù)在數(shù)控加工過(guò)程中的應(yīng)用傳統(tǒng)上被分為兩類：直接型和間接型。直接監(jiān)測(cè)可以達(dá)到很高的精確度，但是由于眾多實(shí)際條件的限制，目前只能用于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究；相對(duì)而言，間接監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然精確度不如直接監(jiān)測(cè)，但是非常符合實(shí)際加工需求，因此經(jīng)常用于車間的實(shí)際加工。

很多直接的監(jiān)測(cè)方法需要利用視覺系統(tǒng)，但在整個(gè)大的生產(chǎn)環(huán)境中，由于存在光、切削液等諸多因素會(huì)干擾監(jiān)控系統(tǒng)和刀具，常常導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了避免這些不足，一些新興的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。以刀具磨損為例，可以使用激光傳感器來(lái)測(cè)量位移和光強(qiáng)度，從而避免了外界環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)。這些方法測(cè)量刀具后刀面的磨損量達(dá)到40微米以內(nèi)；此外，CCD攝像機(jī)組合可以用來(lái)在加工過(guò)程中同時(shí)獲取刀具的圖像。其測(cè)量的基本原理是，在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，建立關(guān)于刀具圖像的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)實(shí)測(cè)刀具圖像與理論圖像的對(duì)比進(jìn)行刀具磨損量及磨損狀態(tài)的數(shù)據(jù)分析。這些關(guān)于刀具磨損的監(jiān)控系統(tǒng)正在獲得更為廣泛的工程應(yīng)用，并在應(yīng)用中得到了進(jìn)一步的完善。有代表性的監(jiān)控系統(tǒng)包括：OMATIVE 自適應(yīng)控制系統(tǒng)、ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)、BRANKAMP-CNC 集成刀具監(jiān)控系統(tǒng)以及MONTRONIX 與NORDMANN 刀具監(jiān)測(cè)與過(guò)程控制系統(tǒng)等。

除了直接監(jiān)測(cè)方法外，對(duì)于加工過(guò)程信息的間接測(cè)量方法的研究也備受關(guān)注。這種測(cè)量方法是通過(guò)監(jiān)控信號(hào)的發(fā)射和傳遞來(lái)間接的測(cè)量工況參數(shù)，如力、扭矩、加速度、噪聲等。在這種監(jiān)控方法中，影響監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要因素就是數(shù)據(jù)采集和特征信號(hào)的相關(guān)性，這是因?yàn)椴⒎撬蓄愋偷膫鞲衅鞫伎梢詼y(cè)量同一種物理量，并且具有相同的精度。另外，間接測(cè)量的方法目前更多的用于實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控，而不能夠直接用于工業(yè)應(yīng)用。以切削力監(jiān)控為例，測(cè)力傳感器通常裝在測(cè)力臺(tái)或者進(jìn)給軸上面，這往往會(huì)給實(shí)際加工帶來(lái)很多不便。

1.2 常用的監(jiān)測(cè)傳感器

為了使系統(tǒng)能夠在復(fù)雜環(huán)境中、在無(wú)人干預(yù)的條件下正常工作，就必須使系統(tǒng)具有類似于人類的信息處理能力，即智能決策。智能決策需要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程來(lái)獲得信息。因此，適用于加工過(guò)程的具有高實(shí)時(shí)性、高精度和高可靠性的傳感器是實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。目前，用于加工過(guò)程監(jiān)測(cè)的傳感器主要有：功率傳感器、力傳感器、扭矩傳感器、聲發(fā)射傳感器、振動(dòng)傳感器等。

（1）功率傳感器用于監(jiān)測(cè)機(jī)床主軸的功率數(shù)據(jù)，可對(duì)功率變化中出現(xiàn)的起伏、波紋、尖峰及短時(shí)下降進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)，并通過(guò)相關(guān)算法對(duì)功率曲線做平滑處理。此外，主軸有效功率還可以表征刀具的切削力，根據(jù)切削力與主軸功率的關(guān)系，可將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的主軸功率轉(zhuǎn)換為刀具的切削力，從而計(jì)算出切削力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）力傳感器是加工過(guò)程監(jiān)控中應(yīng)用比較普遍的一類傳感器，如瑞士Kistler公司的切削力測(cè)量設(shè)備。切削力是評(píng)價(jià)加工過(guò)程最常用的技術(shù)參數(shù)，也是自適應(yīng)控制系統(tǒng)常用的傳感參數(shù)。這類傳感器通過(guò)對(duì)金屬切屑分離過(guò)程所產(chǎn)生的力進(jìn)行精確地測(cè)量和分析，可以識(shí)別出切削過(guò)程中的加工載荷、切削顫振以及刀具磨損和加工工件的損傷等情況。

（3）扭矩傳感器所測(cè)得的扭矩可以更準(zhǔn)確地表征刀具的切削力，尤其是在鉆孔、攻絲和多主軸加工過(guò)程的監(jiān)測(cè)中，使用測(cè)量主軸扭矩的方法來(lái)獲得切削力更為有效。加工過(guò)程的扭矩測(cè)量可以通過(guò)非接觸扭矩傳感器得以實(shí)現(xiàn)，但是，在高速切削條件下，系統(tǒng)慣性是必須要考慮的問(wèn)題。

（4）聲發(fā)射傳感器能監(jiān)測(cè)到在切削過(guò)程中產(chǎn)生的聲波信號(hào)從而獲得加工過(guò)程信息。在加工過(guò)程中，聲發(fā)射傳感器可以監(jiān)測(cè)到非常小的聲波信號(hào)，頻率范圍廣、敏感性高、抗干擾能力強(qiáng)是這類監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)。在刀具監(jiān)測(cè)方面，聲發(fā)射傳感器對(duì)小鉆頭和絲錐的破損監(jiān)測(cè)尤為有效。當(dāng)切削量變化較大時(shí)，需要結(jié)合其他監(jiān)控方法進(jìn)行綜合分析。

（5）振動(dòng)傳感器可以監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)，并進(jìn)而分析加工中的刀具磨破損、系統(tǒng)顫振以及機(jī)械碰撞等信息。在航空等弱剛性薄壁零件的銑削加工中，振動(dòng)傳感器的應(yīng)用極為普遍，這是由于航空材料難加工、零件剛性差，極易誘發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)和刀具磨損。目前，對(duì)振動(dòng)的測(cè)量大多采用加速度計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 加工過(guò)程的在線監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)加工過(guò)程中，一般只考慮數(shù)控機(jī)床或者加工過(guò)程本身，缺乏對(duì)機(jī)床與加工過(guò)程中交互作用機(jī)理的綜合理解。而這種交互作用又經(jīng)常產(chǎn)生難以預(yù)知的效果，大大增加了加工過(guò)程控制的難度。因此，利用在線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)、時(shí)變工況等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行建模與仿真，可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的智能決策與自主優(yōu)化控制。以此為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的智能化，即智能加工系統(tǒng)。其基本架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能加工系統(tǒng)基本架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在加工過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)部件的移動(dòng)和切削等都會(huì)產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生熱變形，影響零件加工精度。因此監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備熱誤差監(jiān)測(cè)功能，以識(shí)別主軸、立柱和床身熱變形的影響，提高加工精度。刀具失效是引起加工過(guò)程中斷的首要因素。實(shí)踐表明，切削中實(shí)施刀具的有效監(jiān)測(cè)可以減少機(jī)床故障停機(jī)70%，提高生產(chǎn)率10%～60%，提高機(jī)床利用率50%以上。實(shí)現(xiàn)刀具磨損和破損的自動(dòng)監(jiān)測(cè)是完善未來(lái)機(jī)床發(fā)展不可缺少的部分。

現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)的特點(diǎn)是生產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)，依靠人工監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能化程度日益提高的要求。因此，在監(jiān)控過(guò)程中應(yīng)該借助先進(jìn)的傳感分析技術(shù)對(duì)機(jī)床與刀具狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與誤差補(bǔ)償。可定期通過(guò)測(cè)試設(shè)備與傳感器測(cè)定設(shè)備的性能參數(shù)，并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)進(jìn)行更新。

2.2 時(shí)變工況監(jiān)測(cè)

在加工過(guò)程中，切削界面上的熱力耦合效應(yīng)與材料、結(jié)構(gòu)、加工過(guò)程具有較強(qiáng)的相關(guān)性，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法難以建立精確的工藝模型。由模型不精確導(dǎo)致的工藝過(guò)程預(yù)測(cè)和控制誤差對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。因此，需要將試切融入到加工過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取加工過(guò)程中的界面狀態(tài)和交互行為信息，并對(duì)時(shí)變工況特征進(jìn)行在線辨識(shí)，為加工過(guò)程的智能決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

時(shí)變工況在線監(jiān)測(cè)可借助各種傳感器、聲音和視頻系統(tǒng)對(duì)加工過(guò)程中的力、振動(dòng)、噪聲、溫度、工件表面質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)和預(yù)先建立的多個(gè)模型判定實(shí)際加工參數(shù)、工件變形、振動(dòng)狀態(tài)以及加工質(zhì)量，為工藝模型的在線學(xué)習(xí)與切削參數(shù)優(yōu)化、加工誤差補(bǔ)償?shù)戎悄軟Q策過(guò)程提供支持。

3 加工過(guò)程的自適應(yīng)控制

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了很多方案、技術(shù)和模型用于開發(fā)決策系統(tǒng)的功能。目前最常用于監(jiān)測(cè)加工過(guò)程的系統(tǒng)模型就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯。由于通過(guò)自適應(yīng)控制處理系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，可以提高加工效率、刀具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，因此監(jiān)控系統(tǒng)大多被構(gòu)造成自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

自適應(yīng)控制（Adaptive Control）能修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化，已被作為在線優(yōu)化加工變量的方法，主要分為三類：約束自適應(yīng)控制 （Adaptive Control with Constraints）、優(yōu)化自適應(yīng)控制（Adaptive Control with Optimization）以及幾何自適應(yīng)控制（Geometry Adaptive Control）。一般來(lái)說(shuō)，ACC系統(tǒng)多用于粗加工，其材料去除速率的提高是通過(guò)優(yōu)化切削力來(lái)實(shí)現(xiàn)，以此來(lái)避免斷刀的危險(xiǎn)；在ACO系統(tǒng)中，基于某個(gè)性能指標(biāo)的最優(yōu)化而對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比較常用的如生產(chǎn)時(shí)間或者單位成本。ACO系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)切削變量的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)材料去除率的最大化，如表面粗糙度，功耗，切削力，加工時(shí)間，成本等。在GAC系統(tǒng)中，過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題是通過(guò)產(chǎn)品質(zhì)量需求來(lái)控制的，如尺寸精度，表面粗糙度等，因此該系統(tǒng)常用于精加工工序，以達(dá)到要求的工件質(zhì)量的目的。

針對(duì)不同的加工目標(biāo)和加工工藝，人們開發(fā)出了很多自適應(yīng)控制系統(tǒng)。在五軸加工中，特別是在葉輪等復(fù)雜曲面零件的加工中，由于刀具方向的改變和切削深度的不同，會(huì)產(chǎn)生很大的切削力且變化劇烈。因此，科研工作者一直致力于研制一種可以保持恒定切削力的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。通過(guò)工藝參數(shù)尤其是進(jìn)給速率的實(shí)時(shí)調(diào)控實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中切削力的調(diào)整是較為有效的方法。此方法包括了在線和離線優(yōu)化。切削變量首先在離線狀態(tài)進(jìn)行初步確定，然后再利用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)以及通過(guò)微粒群群優(yōu)化算法進(jìn)一步的優(yōu)化。在加工過(guò)程中，用測(cè)量到的切削力值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，并且通過(guò)控制系統(tǒng)保持切削力的恒定對(duì)進(jìn)給速率進(jìn)行控制。

然而，在過(guò)程監(jiān)控中使用了專用的設(shè)備（例如傳感器等），增加了自適應(yīng)系統(tǒng)的成本。因此，無(wú)傳感器的自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在這種控制系統(tǒng)中，各軸的切削力是間接的通過(guò)伺服電機(jī)電流來(lái)進(jìn)行測(cè)量。由于沒有額外的監(jiān)控設(shè)備，這種監(jiān)控方法還存在很大的提升空間。在這種控制模式中，控制器通過(guò)電流監(jiān)測(cè)切削力，并將實(shí)際測(cè)量的切削力和理想值之間的差異來(lái)控制進(jìn)給速度，進(jìn)而確保產(chǎn)品質(zhì)量。有些科研工作者正在研究一種在加工過(guò)程中對(duì)切削力的調(diào)控具有抗積分飽和的自適應(yīng)PI控制系統(tǒng)，這種控制算法與模擬仿真中應(yīng)用的動(dòng)態(tài)和非線性模型已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在加工過(guò)程中，這種方法對(duì)力的調(diào)控非常有效。雖然切削狀態(tài)不斷改變，但是該系統(tǒng)仍具有很好的操控性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

加工過(guò)程的監(jiān)控已經(jīng)開始成為制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以顯著提高加工工藝的可靠性和可控性。雖然上世紀(jì)六十年代已經(jīng)開始研究自適應(yīng)系統(tǒng)，但是若干關(guān)鍵技術(shù)一直沒有成熟到可以直接應(yīng)用于工程實(shí)際中。文章總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于在線監(jiān)控和自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究成果，分析了各種傳感器及控制方法的適用領(lǐng)域及存在問(wèn)題。由于各種政策法規(guī)以及環(huán)境的影響，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率和可持續(xù)發(fā)展要求越來(lái)越高。因此，推廣和實(shí)施在線監(jiān)控系統(tǒng)、提高工藝過(guò)程的智能化程度是實(shí)現(xiàn)資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)必經(jīng)之路。