宋福田，杜廣

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266061）

機(jī)械加工中的自適應(yīng)控制技術(shù)

宋福田，杜廣

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266061）

自適應(yīng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)機(jī)械加工的重要基礎(chǔ)。研究分析了自適應(yīng)控制技術(shù)的工作原理，闡述了自適應(yīng)控制技術(shù)的分類及發(fā)展，并提出了自適應(yīng)控制技術(shù)有待于解決的問題。

自適應(yīng)控制；機(jī)械加工；自適應(yīng)加工

隨著機(jī)械加工制造系統(tǒng)的集成度和自動(dòng)化水平的提高，自適應(yīng)加工技術(shù)基于傳統(tǒng)加工的特點(diǎn)逐漸發(fā)展起來[1，2]，它將精密數(shù)控機(jī)床和精密測(cè)量設(shè)備有效集成，對(duì)整個(gè)加工過程的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)及監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了“加工”—“測(cè)量”—“補(bǔ)償加工”閉環(huán)控制，已經(jīng)成為保證零件加工質(zhì)量的重要手段。

自適應(yīng)控制，其含義是：在加工系統(tǒng)或者加工環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠自我調(diào)整加工過程，并按照預(yù)期目標(biāo)完成整個(gè)加工過程，這種對(duì)加工系統(tǒng)或者加工環(huán)境變化具有自我調(diào)節(jié)能力的控制技術(shù)即為自適應(yīng)控制技術(shù)。早在20世紀(jì)50年代末期，自適應(yīng)控制技術(shù)開始發(fā)展，主要包括模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)和自校正控制技術(shù)兩個(gè)分支[1]。自70年代，由于計(jì)算能力的飛速提高和對(duì)控制理論的更深刻的研究，自適應(yīng)控制無論是在理論上還是在應(yīng)用上都取得了很大的進(jìn)展，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)控制、導(dǎo)彈控制、過程控制等方面，同樣也在機(jī)械加工過程中得到廣泛的應(yīng)用，如復(fù)雜曲面、復(fù)雜型腔、焊接、熱處理等，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文對(duì)自適應(yīng)控制技術(shù)的原理及應(yīng)用等進(jìn)行了研究。

1 自適應(yīng)控制技術(shù)的基本原理

自適應(yīng)控制技術(shù)的基本原理如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)控制的基本原理

首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，然后通過調(diào)節(jié)器并進(jìn)入時(shí)變時(shí)滯過程，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，隨后將輸出的數(shù)據(jù)與初始設(shè)定值（即理想值）進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，根據(jù)比較的結(jié)果，調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)、修正參數(shù)模型，進(jìn)而完成自適應(yīng)控制過程。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)需具備的主要功能有：

（1）能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量性能指標(biāo)或能夠?qū)崟r(shí)辨識(shí)加工對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)選擇控制過程修改的算法法則。

（3）能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整控制器的控制參數(shù)。

目前，自適應(yīng)控制技術(shù)可分為MRAC（即模型參考自適應(yīng)控制）和MFAC（無模型自適應(yīng)控制）兩類[3]。如果受控對(duì)象已知，但參數(shù)未知，可采用MRAC控制，該方法的基本思想是：

首先將受控對(duì)象由微分方程進(jìn)行表示：

其中，u為輸入控制，F(xiàn)o為輸出。若需要閉環(huán)系統(tǒng)，則輸入輸出特性為：

其中，I為參考輸入，假設(shè)用Fs（t）表示該系統(tǒng)的輸出，則有：

設(shè)受控對(duì)象的參數(shù)a0和b0已知，且有b0≠0，且選擇控制器的參數(shù)k1、k2可由下式表示：

進(jìn)而可得到：

自適應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是運(yùn)用已有數(shù)據(jù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，使之逐漸逼近標(biāo)稱值k1、k2.

2 自適應(yīng)控制技術(shù)的分類

世界上第一臺(tái)自適應(yīng)控制系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代初美國(guó)Bendix公司研制的自適應(yīng)控制銑床，此后各種應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)的機(jī)床得到快速發(fā)展?？偟膩碇v，目前自適應(yīng)控制技術(shù)可分三大類[3-10]：

（1）自適應(yīng)控制技術(shù)（AC）

該控制技術(shù)又可細(xì)分為約束型自適應(yīng)控制技術(shù)（ACC）和優(yōu)化型自適應(yīng)控制技術(shù)（ACO）。前者以切削狀態(tài)為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)切削用量最大化；后者以使切削過程為目標(biāo)，已實(shí)現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。

（2）人工自適應(yīng)控制技術(shù)（MAC）

該技術(shù)的控制過程是：在加工過程中，由操作者人工檢測(cè)和采集加工過程中的狀態(tài)信號(hào)，并將采集的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)（或可編程控制器）中，根據(jù)切削過程的數(shù)學(xué)模型以及操作者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)得出調(diào)整信號(hào)，再由人工將調(diào)整信號(hào)輸入給機(jī)床以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。

（3）準(zhǔn)適應(yīng)控制（QAC）

該技術(shù)的控制過程是：由計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)和采集加工過程中的狀態(tài)信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算，從而得到調(diào)整信號(hào)，然后由操作者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)控、修正調(diào)整信號(hào)，再反饋給機(jī)床。該技術(shù)與自適應(yīng)控制技術(shù)基本一致，但缺乏實(shí)時(shí)性。

3 自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用

某廠采用Delcam PowerINSPECT NC PartLocator，這是一自適應(yīng)加工模塊，可用于零件的自適應(yīng)加工及工件和夾具精確定位，是DELCAM集近三十年制造業(yè)軟件開發(fā)和應(yīng)用的豐富經(jīng)驗(yàn)推出的最新產(chǎn)品。

進(jìn)行自適應(yīng)加工時(shí)，可首先使用PowerINSPECT進(jìn)行離線編程，制定出零件或毛坯的位置測(cè)量方案和次序，通過在零件或毛坯上測(cè)量出的這些位置點(diǎn)數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出零件或毛坯在機(jī)床上的精確位置，然后將這些數(shù)據(jù)輸入到NC Partlocator.NC Partlocator，將對(duì)比產(chǎn)生PowerMILL刀具路徑的名義位置和工件在機(jī)床上的實(shí)際位置，自動(dòng)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)刀具路徑原點(diǎn)位置，從而使刀具路徑和工件對(duì)齊并將結(jié)果輸出到機(jī)床控制器。這樣經(jīng)幾分鐘對(duì)零件進(jìn)行簡(jiǎn)單裝夾定位后，系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)齊定位NC刀具路徑，從而幫助機(jī)床操作人員快速準(zhǔn)確地進(jìn)行工件的重復(fù)裝夾定位，節(jié)省時(shí)間，提高定位精度，減少昂貴夾具的需要，節(jié)省資金。其具體過程如下：

（1）校準(zhǔn)測(cè)頭座和測(cè)頭（圖2）.

圖2 測(cè)頭校準(zhǔn)

（2）在PowerINSPECT中編輯檢測(cè)路徑，在機(jī)床上精確定位零件（圖3）.

圖3 編輯檢測(cè)路徑

（3）輸出及執(zhí)行NC程序（圖4）.強(qiáng)大的擬合算法可精確對(duì)齊零件并準(zhǔn)確地將對(duì)齊定位結(jié)果輸出到機(jī)床控制器或是外部應(yīng)用程序。

圖4 執(zhí)行檢測(cè)程序

（4）計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)告，從而得到比手工設(shè)置更穩(wěn)定的輸出結(jié)果。

（5）根據(jù)檢測(cè)報(bào)告加工零件（圖5）.

圖5 零件加工

（6）執(zhí)行檢測(cè)，即重復(fù)步驟1~4，可減少零件變動(dòng)和裝夾次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)力。

4 結(jié)束語

近年來，基于自適應(yīng)控制技術(shù)，自適應(yīng)加工在機(jī)械加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過自適應(yīng)加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，減少了檢測(cè)過程中機(jī)床操作員的人為錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)全程序無人干預(yù)，減少問題產(chǎn)品流入到下一加工階段的機(jī)率，同時(shí)提高了加工效率，加強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制，較好地節(jié)省加工時(shí)間和精力。

[1]胡俊達(dá)，胡慧，自適應(yīng)控制技術(shù)在數(shù)控與組合機(jī)床中的應(yīng)用，組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004（11）：73-75.

[2]孔建，姜超，馬述塨，等.自適應(yīng)控制技術(shù)在機(jī)械加工制造業(yè)中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，25（6）：37-40

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Adaptive Control Technology in Machining

SONG Fu-tian，DU Guang
（China Qingdao Sifang locomotive Limited by Share Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266061，China）

Adaptive control technology is an important basis for adaptive machining.In this paper，the working principle of adaptive control technology is analyzed，and the classification and development of adaptive control technology are described.

adaptive control；machining；adaptive machining

TP273.2

A

1672-545X（2017）06-0091-03

2017-03-07

宋福田（1980-），男，遼寧遼陽人，高級(jí)工程師，本科，主要從事鋁合金高速加工方面的研究。