自適應控制系統(tǒng)在數(shù)控機床閉環(huán)控制中的應用研究

楊秀文

(廣東松山職業(yè)技術學院，廣東 韶關 512126)

1 數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)控制方式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)控機床半閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測裝置為編碼器等，檢測元件安裝在進給伺服電機軸端或滾珠絲杠軸端，通過測量電機軸或絲杠軸的轉(zhuǎn)角及角速度并與CNC裝置的指令值進行比較，用差值進行控制，間接控制工作臺的實際位移；數(shù)控機床全閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測裝置可采用光柵尺或者磁尺等，安裝在機床工作臺上，直接測量工作臺的線位移和線速度，并與CNC裝置的指令值進行比較，用差值進行控制。

2 自適應控制系統(tǒng)

自適應控制系統(tǒng)是指在隨機變化環(huán)境中，對工作過程中監(jiān)控參數(shù)實時在線監(jiān)測，參照給定評價指標或最佳條件不斷地對當時的工作狀態(tài)做出判斷，并以閉環(huán)控制方式對工作狀態(tài)的判斷結果按照一定的處理邏輯(算法)進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達到最佳綜合效果的控制系統(tǒng)。

3 數(shù)控機床全閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)工作分析

數(shù)控機床全閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)是在數(shù)控系統(tǒng)本身的速度和位置伺服控制之外，利用自適應控制系統(tǒng)在線實時監(jiān)測切削速度、切削進給量、主軸轉(zhuǎn)速、機床變形量、刀具磨損量、切削力等各種隨機加工過程參數(shù)，將在線檢測到的數(shù)據(jù)通過信號采集裝置和數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)過自適應控制系統(tǒng)運算評價，分析實時加工的尺寸誤差是否超過了零件精度指標所規(guī)定的閾值，并實時校正加工參數(shù)，傳送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)進而自動調(diào)整加工過程參數(shù)，消除機床加工過程中機床各種狀態(tài)變化和外界擾動因素引起的影響，從而減小加工誤差，優(yōu)化加工過程。數(shù)控機床全閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)加工流程如圖1所示。

數(shù)控機床常用的全閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)分為約束自適應控制(ACC)和優(yōu)化自適應控制(ACO)兩類。

約束自適應控制(ACC)是在切削過程中以功率、切削力、切削速度等一個或幾個參數(shù)為約束，預先設置參數(shù)的約束值，并在切削過程中在線檢測并比較規(guī)定變量的實際值與約束值之間的差值，進而實時調(diào)整切削進給量，使規(guī)定的過程參數(shù)變量控制在規(guī)定的約束值范圍內(nèi)。約束自適應控制系統(tǒng)需要在線檢測的參數(shù)較少，是數(shù)控機床粗加工過程中適宜采用的自適應控制系統(tǒng)。

圖1 數(shù)控機床全閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)加工流程圖

優(yōu)化自適應控制系統(tǒng)(ACO)是指在加工過程中一個或幾個參數(shù)受過程和系統(tǒng)的約束條件控制，在加工過程中，規(guī)定過程變量的約束條件，建立約束評價函數(shù)fn=f(x,y，z，…)，根據(jù)檢測到的可控變量和過程變量的實時數(shù)據(jù)，得到約束條件下對應最優(yōu)f值的可控參數(shù)變量的最佳組合，使加工過程在保證精度的條件下獲得最大生產(chǎn)率和最低生產(chǎn)成本。優(yōu)化自適應控制系統(tǒng)可保證每個函數(shù)都達到最優(yōu)而不超過約束，以使切削過程達到最優(yōu)化為目標，是一種較高級的自適應控制，但控制過程中需要在線辨識的參數(shù)較多，計算量大，結構復雜，適宜用在數(shù)控機床自動加工模式，如 DNC、FMS、CIMS中。

4 數(shù)控機床全閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)自適應控制具有延長刀具壽命、提高加工精度、提高工作效率、穩(wěn)定系統(tǒng)、適應非線性和時變性等顯著優(yōu)點。但是自適應控制系統(tǒng)控制器參數(shù)調(diào)整算法復雜，計算量大，檢測系統(tǒng)中傳感器及檢測裝置一般需要安裝在機床工作臺的下方，影響正常的加工作業(yè)，且可靠性不高。目前自適應控制系統(tǒng)在數(shù)控加工中的應用不是很普及。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，控制理論、數(shù)學建模的推廣深化完善和在線檢測技術的發(fā)展， 數(shù)控系統(tǒng)自適應控制技術必將進入迅猛發(fā)展的實用階段。目前自適應控制在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)主要有以下方式：

4.1 人工自適應控制過程

人工自適應控制工作過程是在數(shù)控加工過程中由操作人員對加工過程中需要控制的過程參數(shù)進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，依據(jù)事先建立的切削過程數(shù)學模型或數(shù)據(jù)庫及操作人員的知識和經(jīng)驗得出調(diào)整參數(shù)，由操作人員將調(diào)整參數(shù)輸入給機床控制系統(tǒng)，對需要控制的切削參數(shù)進行校正。該系統(tǒng)的控制效果主要取決于操作人員的判斷和經(jīng)驗知識，加工過程中狀態(tài)變化的獲取和調(diào)節(jié)適應的工作主要由人工完成，其主觀性較強，不具有實時性，但繞過了自適應控制過程中在線測量、計算量大的難點。已有文獻說明，人工自適應控制技術可使生產(chǎn)效率明顯提高，是目前適合我國國情的一種技術方案，隨著控制效果及智能控制技術的應用，這種控制系統(tǒng)將逐步退出市場。

4.2 基于單片機控制的數(shù)控機床自適應控制系統(tǒng)

基于單片機控制的數(shù)控機床自適應控制系統(tǒng)的抗干擾性強、可靠性高、指令系統(tǒng)效率高，適用開放型數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過光柵、磁柵等檢測單元檢出刀具的絕對坐標，即工件瞬時直徑，由自適應控制系統(tǒng)得到最佳切削速度和最佳轉(zhuǎn)速，驅(qū)動變頻器實現(xiàn)數(shù)控機床主軸電機實時轉(zhuǎn)速調(diào)整控制，從而實現(xiàn)恒切削速度自適應控制。

4.3 基于PC的數(shù)控機床自適應控制全閉環(huán)控制系統(tǒng)

基于PC的數(shù)控機床自適應控制全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以在Windows平臺下自行開發(fā)。借助插入控制板的編寫軟件程序，實現(xiàn)數(shù)控機床自適應控制的全閉環(huán)控制，該系統(tǒng)具有工業(yè)機的柔性和CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?；赑C的數(shù)控機床自適應控制全閉環(huán)控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

圖2 基于PC的數(shù)控機床自適應全閉環(huán)控制系統(tǒng)結構框圖

4.3.1 數(shù)據(jù)采集器

“PC+自適應控制模塊”控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器模塊可以直接接收由檢測系統(tǒng)處理好的數(shù)字量，也可以通過傳感器等檢測裝置對工作過程信號進行數(shù)字采樣、組合，并快速傳輸給PC進行分析和后期處理。數(shù)據(jù)采集器工作過程包括信號采集、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、信號觸發(fā)控制和數(shù)據(jù)采集器與局部總線接口的通信處理等。

4.3.2 運動控制器

運動控制器是控制電動機運行方式的專用控制器。運動控制器是決定數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)性能的主要器件，在數(shù)控機床自適應全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對于簡單控制系統(tǒng)，采用單片機設計的運動控制器即可滿足要求，且性價比較高。

為提高加工精度及加工效率，數(shù)控機床對加工過程中的實時隨機參數(shù)在線檢測要求很高，在數(shù)控機床自適應控制系統(tǒng)中可以采用基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器，PC與運動控制器采用上、下位機模式，將運動控制器嵌入PC機，由運動控制器實現(xiàn)運動參數(shù)計算，PC機完成信息處理，提供數(shù)控系統(tǒng)多軸協(xié)調(diào)運動控制和復雜的運動軌跡規(guī)劃、實時插補運算、誤差補償、伺服濾波算法。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速通訊和控制，PC和運動控制器之間可以通過ISA工業(yè)標準總線形式進行通訊。

5 結束語

數(shù)控機床已經(jīng)廣泛應用于加工生產(chǎn)，數(shù)控機床的精度和效率已經(jīng)成為決定生產(chǎn)效率的主要因素，采用全閉環(huán)自適應伺服控制系統(tǒng)，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(diào)整切削加工參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)控加工過程的在線監(jiān)測、實時控制，提高加工零件的精度。研究適應當前數(shù)控機床的“PC+自適應控制器”自適應閉環(huán)控制系統(tǒng)，對提高數(shù)控系統(tǒng)的自動化程度和自適應控制能力具有非常重要的意義。

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