數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制系統(tǒng)設(shè)計分析

王象磊

摘要：數(shù)控機(jī)床設(shè)備當(dāng)中，葉片、葉盤作為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，在加工當(dāng)中對于專業(yè)化要求較高。為此，本文將以數(shù)控機(jī)床設(shè)備為基礎(chǔ)，開發(fā)一套嵌入式自適應(yīng)加工系統(tǒng)，以便于約束數(shù)控機(jī)床主軸負(fù)載，有效對機(jī)床的進(jìn)給倍率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床切削加工的自適應(yīng)加工控制，并設(shè)置出完善的人機(jī)交互及面，對數(shù)控機(jī)床各項加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與實(shí)際加工的集成化，全面提升數(shù)控機(jī)床加工的精準(zhǔn)度和效率，并且對數(shù)控機(jī)床刀具起到一定程度保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;負(fù)載;自適應(yīng)控制系統(tǒng)

0? 引言

隨著我國自動化技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，我國CAD、CAM技術(shù)在數(shù)控機(jī)床當(dāng)中應(yīng)用廣泛，并且為我國傳統(tǒng)制造加工技術(shù)帶來了新的發(fā)展契機(jī)，傳統(tǒng)剛性制造技術(shù)朝著更加便捷化、自動化、柔性化的趨勢不斷發(fā)展。但是在數(shù)控機(jī)床加工的過程中，已經(jīng)存在諸多加工處理效率較低的問題，這些問題也是影響我國當(dāng)前數(shù)控加工處理領(lǐng)域進(jìn)步的重要因素。在我國當(dāng)前市場競爭日漸激烈的當(dāng)下，我國具備了較為先進(jìn)的機(jī)械加工處理技術(shù)，為了獲取市場經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該致力提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，以便于贏得市場先機(jī)。本文將針對數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析。

1? 數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制系統(tǒng)設(shè)計可行性分析

結(jié)合我國當(dāng)前普通數(shù)控機(jī)床加工切削實(shí)際工作來看，一般在實(shí)施生產(chǎn)加工時，數(shù)控機(jī)床是按照NC程序，結(jié)合不同零件的加工需求，來預(yù)設(shè)好零件加工進(jìn)給率，隨之均勻、高效的開展零件加工[1]。在數(shù)控機(jī)床加工的過程中，金屬切削是一個具備高難度、非線性的加工環(huán)節(jié)，受到了諸多因素影響，時變、隨機(jī)干擾等問題嚴(yán)重，具備嚴(yán)重的不確定性和復(fù)雜性，在金屬切削的時，非常容易磨損切削刀具，造成刀具的使用壽命縮短。客觀來說，NC程序當(dāng)中，切削加工的進(jìn)給率無法維持最優(yōu)化，針對葉片、葉盤等精密性零件加工來說，葉緣加工部位的曲率較大，在數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)行時，很容易因直接影響零件加工效率。針對NC程序此種問題來說，需要進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，結(jié)合葉片、葉盤等精密性零件的加工特點(diǎn)，有效減低并且控制負(fù)載波動，有效改善傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床NC系統(tǒng)存在的弊端，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工技術(shù)最優(yōu)化。

為了真正實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高效運(yùn)行、避免因?yàn)樨?fù)載不合適造成不必要資源浪費(fèi)，那么就應(yīng)該結(jié)合數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況，科學(xué)合理選擇優(yōu)化的自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)目標(biāo)，做好自適應(yīng)系統(tǒng)各項設(shè)計并且實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計、智能化控制目的[2]。因?yàn)樵跀?shù)控機(jī)床切削運(yùn)作的過程中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要控制的對象為進(jìn)給率，所以當(dāng)前社會當(dāng)中針對數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)進(jìn)給率控制，已經(jīng)有了較為完善的研究，并且自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)給率控制的成果較為理想。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測主軸功率變化目的，通過智能化調(diào)整進(jìn)給率，可以有效提升零件加工切削效率，并且保護(hù)主軸安全性、保護(hù)刀具，切削效率提升了約33%左右[3]。在世界當(dāng)前數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，一般會安裝外置傳感器來對機(jī)床實(shí)施智能控制，但是外置傳感器具備高成本、安裝調(diào)試復(fù)雜等諸多問題。借助內(nèi)置傳感器手段能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)控制系統(tǒng)智能控制，可以在一定程度上滿足智能調(diào)節(jié)進(jìn)給率目的，并且造價成本較低，有利于促進(jìn)數(shù)控機(jī)床切削自適應(yīng)加工領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，具備一定的可行性。

2? 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)工作原理

內(nèi)置傳感器相比外置傳感器來說，不僅可以實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，而且在實(shí)際進(jìn)行自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計的工作上來說也是非常優(yōu)秀的，可以切實(shí)滿足數(shù)控機(jī)智能化設(shè)計需求。內(nèi)置傳感器作為控制系統(tǒng)當(dāng)中重要的組成部分，在內(nèi)置傳感器的作用下可以有效實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制設(shè)計。在機(jī)床主軸負(fù)載設(shè)計時，一般是通過內(nèi)置傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集、實(shí)時共享，在內(nèi)部數(shù)據(jù)接口的作用下，將主軸負(fù)載情況進(jìn)行傳輸與取度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息分析控制。當(dāng)實(shí)現(xiàn)主軸負(fù)載數(shù)據(jù)信息監(jiān)測、采集工作后，便可以對主軸負(fù)載的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化計算，以便于獲取主軸負(fù)載的進(jìn)給率。若進(jìn)給率和數(shù)控機(jī)床實(shí)際操作的要求存在差異，那么便可以通過CNC控制系統(tǒng)來將進(jìn)給率信息進(jìn)行分析，將其取度到數(shù)控機(jī)床的自適應(yīng)加工控制器當(dāng)中，通過調(diào)整主軸負(fù)載率的手段實(shí)現(xiàn)進(jìn)給率調(diào)整。

如此便可以隨時隨地的調(diào)節(jié)進(jìn)給率，控制系統(tǒng)借助不斷調(diào)整機(jī)床進(jìn)給率，將主軸負(fù)載保持在穩(wěn)定狀態(tài)，從而強(qiáng)化數(shù)控加工效率、實(shí)現(xiàn)保護(hù)刀具作用。

2.2 增量式PID控制算法

傳統(tǒng)位置式PID控制算法是當(dāng)前較為成熟的控制算法，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中獲取了一定效果。但位置式PID控制輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，在實(shí)施計算的過程中，應(yīng)該要對e（k）進(jìn)行累加，其計算量巨大，很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)算效率最優(yōu)化[5]。當(dāng)PID執(zhí)行機(jī)構(gòu)計算機(jī)出現(xiàn)了故障，則會出現(xiàn)u（k）大幅度變化的問題。但是針對增量式PID控制算法來說，能夠有效轉(zhuǎn)變位置式PID控制算法弊端，與當(dāng)前拍和前兩拍誤差有關(guān)，針對一些當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時，可采用增量式PID實(shí)施控制，得出遞推原理為：

若kp越大、系統(tǒng)反應(yīng)效率越快。若kp由小到大變化，那么系統(tǒng)將從穩(wěn)定朝著震蕩趨勢發(fā)展。若ki較大，那么積分作用非常強(qiáng)烈，消除余差的能力非常強(qiáng)，很容易出現(xiàn)診當(dāng)問題。

增量式PID控制算法在實(shí)際運(yùn)用的過程中，具備較強(qiáng)的優(yōu)勢，算式當(dāng)中不僅不需要累加計算內(nèi)容，只要控制增量△u（k），便可以確定僅與最近3次的采樣值，很容易借助加權(quán)處理的手段獲取較好的控制效果[6]。在實(shí)際運(yùn)行的過程中，計算機(jī)每次只要輸出控制增量，便可以得出應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置變化量，這樣若出現(xiàn)故障問題，可以及時縮小故障影響范圍，及時將故障危害降至最小。

3? 數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)方法有以下幾點(diǎn)內(nèi)容。①將主軸的機(jī)床數(shù)據(jù)MD36730置“1”，借助上位機(jī)的手段來獲取主軸負(fù)載參數(shù)。②實(shí)施內(nèi)部驅(qū)動參數(shù)的計算獲取授權(quán)。③將其與NC、PLC交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)NC、PLC數(shù)據(jù)信息讀寫和存儲共享。將PLC當(dāng)中的地址從DB4900.DBB0設(shè)置到DBB4095。NC定義系統(tǒng)變量與此公共存儲器相聯(lián)系，在加工程度當(dāng)中，借助系統(tǒng)變量對該存儲區(qū)域進(jìn)行實(shí)時訪問。

3.2 自適應(yīng)控制模塊

針對數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)模塊來說，自適應(yīng)控制模塊在實(shí)際運(yùn)用的過程中，主要的作用便是運(yùn)用同步動作指令，結(jié)合數(shù)控機(jī)床運(yùn)行要求來編寫PID控制算法程序，這樣便可以結(jié)合數(shù)控機(jī)床的加工運(yùn)作需求來對數(shù)控機(jī)床負(fù)載運(yùn)行情況實(shí)施智能化調(diào)節(jié)[7]。自適應(yīng)控制模塊當(dāng)中的同步動作指令實(shí)施，主要是利用程序零件來實(shí)施動作觸發(fā)，在自適應(yīng)控制之下實(shí)現(xiàn)動作同步。同步動作編程在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中具備諸多高效性，可以結(jié)合數(shù)控機(jī)床設(shè)備的價公允性要求，對外部事件實(shí)施迅速響應(yīng)，并且還能夠不影響數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)加載同步宏程序。在實(shí)施加載同步宏程序的基礎(chǔ)上，可以統(tǒng)籌控制器設(shè)計、變量狀態(tài)更新、進(jìn)給倍率等諸多內(nèi)容，有效強(qiáng)化數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行效率。宏程序還可以協(xié)調(diào)自適應(yīng)系統(tǒng)的各項功能，對變量、初始化管理、數(shù)據(jù)信息采集傳輸、增量PID等內(nèi)容進(jìn)行把控，真正協(xié)調(diào)數(shù)控機(jī)床加工各項參數(shù)，確保數(shù)控機(jī)床加工的安全穩(wěn)定性。

3.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床智能化控制最為關(guān)鍵的模塊內(nèi)容，也是數(shù)控機(jī)床加工使用過程當(dāng)中，設(shè)置參數(shù)的主要程序內(nèi)容。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，借助易控天地SCSDA平臺來編輯畫面，實(shí)施曲線觀測并調(diào)整數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)合啟動。這樣操作者們在選擇智能加工控制功能時，便可以結(jié)合加工實(shí)際情況來實(shí)現(xiàn)智能加工控制的開啟或者停止，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工參數(shù)調(diào)節(jié)，可以有效保障對數(shù)控機(jī)床自動化智能控制。

4? 數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化成果

4.1 有利于提升加工效率

通過科學(xué)高效的數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制系統(tǒng)設(shè)計，能夠有效克服諸多不確定性因素造成切削狀態(tài)變化對數(shù)控加工的影響。在此基礎(chǔ)上可以在較小荷載的情況下增加進(jìn)給速率，這樣在較大進(jìn)給速率的同時，促使數(shù)控機(jī)床開展柔性加工，切實(shí)增強(qiáng)了生產(chǎn)效率。借助本文手段對傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床NC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)之后，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)控制在生產(chǎn)當(dāng)中展現(xiàn)出其獨(dú)特顯著的效果，一臺數(shù)控加工機(jī)床設(shè)備可以提升20～30%的生產(chǎn)效率。

4.2 有利于延長刀具使用壽命

借助數(shù)控機(jī)床負(fù)載自適應(yīng)加工控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，可以切實(shí)有效延長刀具使用壽命。在自適應(yīng)系統(tǒng)的控制下，加工參數(shù)會實(shí)時、自動的使用刀具負(fù)載、切削工況，若出現(xiàn)突發(fā)事件，例如“刀具工件受到嚴(yán)重沖擊、工件毛坯尺寸變化過大”等諸多問題時，自適應(yīng)系統(tǒng)則會發(fā)揮出其功效，將給速率自動減小到內(nèi)部的專家系統(tǒng)所允許的安全值范圍當(dāng)中。若這些突發(fā)事件過去之后，自適應(yīng)系統(tǒng)則會再次自動的將速率增加到內(nèi)部專業(yè)系統(tǒng)所允許之下的最大值，這樣便可以切實(shí)有效的保護(hù)刀具，切實(shí)減少刀具磨損問題，切實(shí)延長刀具的使用壽命。

4.3 有利于保護(hù)主軸驅(qū)動效果

自適應(yīng)系統(tǒng)可以始終對數(shù)控機(jī)床負(fù)的工況實(shí)施檢測，這樣便可以明確主軸驅(qū)動系統(tǒng)何時達(dá)到最大負(fù)荷，若檢測到切削負(fù)荷超出了主軸驅(qū)動裝飾所承載的最大值時，系統(tǒng)則會通過降低給進(jìn)速率的手段進(jìn)行響應(yīng)，直到切削符合在可以承受的范圍之內(nèi)。在必要時刻借助停止給進(jìn)的形式避免機(jī)床損壞，借助警告的形式來提升操作者。

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