數控鏜銑床恒功率自動控制研究

摘要：隨著科學技術的發展，數控機床得到了廣泛的應用，于此同時，人們對數控機床的加工精度也提出了更高的要求，高精度加工成為衡量數控機床的關鍵指標之一。銑削加工過程具有時變性、非線性、不確定性的特點，針對這一特點，本文提出了基于現場總線的銑削加工過程自適應模糊控制的解決方案。采用恒功率作為約束條件和在線自調整比例因子的方法對切削參數變化的進給速度進行在線控制。

關鍵詞：數控鏜銑床 主軸功率 自適應約束控制 模糊控制

0 引言

對于數控加工過程而言，其具有顯著的非線性和不確定性的特點，采用模糊控制理論所提供的方法，可以實現對復雜控制的建模分析，并可以取得良好的效果。RS232串口通信作為傳統的通信手段和方法，其明顯存在抗干擾能力差，響應滯后等不足，這就導致其很難再實際中得到廣泛的應用。工業現場總線標準的控制單元具有很好的靈活性和開放性，而且具有較強的抗干擾性，利用其強大的網絡功能，可以在整個的切削加工過程，實施數控模塊的分散化控制管理與集中化管理的統一。

工業現場總線還具有統一的標準接口，這就使其具有較強的擴展性、開放性和靈活性。本文在分析了現場總線的技術特點的基礎上，提出了一種基于現場總線的，鏜銑床自適應模糊控制解決方案。

1 基于現場總線的模糊控制器設計

在數控鏜銑床切削加工過程中，我們可以采用提高金屬切削率的方法來提高生產效率，提高切削率的最直接有效的方法就是調節給進速度。所以，一般都把給進速度作為控制對象。數據采集和處理環節，一般使用電荷放大器和低通濾波器，然而這些器件的作為模擬信號原件，其信號通常有衰減和共模干擾現象，導致控制精度差。而現場總線是基于數字信號的，這就使得測量和控制的精度從根本上得到了提高了，減少了傳輸誤差。當前，我們一般把保持恒定的切削力作為機床常用的目標值，但是切削力的測量對傳感器和加工工件的尺寸都有很高的要求，而且測力傳感器的價格昂貴。而電動機的功率在測量方面就比較方便，它不需要對機床進行改動，而且信號的獲取也比較方便，具有低成本，易于實現等特點，是一種較為理想的方法。基于以上考慮，本文采用功率作為系統的約束條件，在切削加工的過程中，在恒功率的條件下，實施智能控制，智能調節進給速度。

1.1 加工過程模糊控制系統結構

在銑削加工過程中，控制系統首先將采集來的功率值與給定的功率值進行比對，從而計算功率的偏差和偏差變化率，然后通過模糊推理得到輸出倍率值，將輸出倍率值進行積分，將積分結果送入機床控制系統。系統會自動感知負載端的變化，并作出相應調整，使得負載維持在較為恒定的水平。

1.2 模糊控制器構造

為計算簡單，采用對稱三角形隸屬度函數，模糊子集設定為{PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB}，即{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，模糊論域從(-6，6)共分為13檔。現將操作者在操作過程中要遇到的各種可能出現的情況和相應的控制策略匯總。

1.3 輸出比例因子自調節方法

比例因子在模糊控制器中對模糊控制器的性能影響最大，因此我們把比例因子作為自適應調整對象，根據功率偏差的變化和變化趨勢自適應調整比例因子的大小，調整原則是：當偏差變化率CP和較小偏差EP時，這說明系統已經接近穩態，此時應把系統精度作為首要考慮的問題，減少超調量，因而應采用減小比例因子這一“細調”的方法，即，以減小超調量，提高穩態精度；當偏差變化率CP 和偏差EP較大時，主要考慮系統響應問題，我們可采用加大比例因子這一“粗調”方法，從而使得獲得控制量變得較大，從而使響應加快。

根據上述原則確定自適應算法如下。其中Kuj0是初始比例因子，Kuf是比例因子，EP(t)是每次采樣后計算得到的功率偏差，λ(t)是比例因子系數，CP(t)是功率偏差的變化率。令Kuf=Kuj0，當偏差變化率增大時，如果偏差增大就令λ(t)= ，否則令λ(t)= ，如果偏差變化率減小就令λ(t)=1。Kuj0決定于進給電動機控制電壓的變化范圍，依據經驗選定，對于本文實驗使用的FANUC Kuj0=0.87；由多次實驗，取a=0.16巧合適。

2 應用實例

我們要在配備FANUC系統的數控鏜銑床上進行實驗，為了驗證智能控制系統的智能控制性能，我們把工件的切削深度設定為階梯增加。經過對主軸功率的變化的分析和比較，我們得出以下結論：在不采用智能控制系統的時候，主軸功率隨著銑削深度的變化而發生較為顯著的變化。當加工到一定的深度的時候，機床的道具持續在高負荷下工作，使得刀具的壽命大為縮短；在啟動智能控制系統以后，系統會根據銑削量自動調節給進速度，沒有出現持續高負荷的情況。在實時控制情況下，機床進給倍率的變化情況，當銑削深度大時，進給倍率自動減小，用來實現刀具的保護；當銑削深度較小時，進給倍率增大，提高了加工效率。

3 結束語

現場總線數據傳輸具有強大的抗干擾能力，并且具有高可靠性、響應快、易于系統的擴充和維護的特點。本文提出了基于現場總線的銑削加工過程自適應模糊控制的解決方案。采用恒功率作為約束條件和在線自調整比例因子的方法對切削參數變化的進給速度進行在線控制。實驗表明，該控制方法對于提高加工效率，保護刀具有良好的作用。

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