自適應(yīng)控制系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制中的應(yīng)用研究

楊秀文

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126)

1 數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)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(jī)床半閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測(cè)裝置為編碼器等，檢測(cè)元件安裝在進(jìn)給伺服電機(jī)軸端或滾珠絲杠軸端，通過測(cè)量電機(jī)軸或絲杠軸的轉(zhuǎn)角及角速度并與CNC裝置的指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制，間接控制工作臺(tái)的實(shí)際位移；數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)控制系統(tǒng)的檢測(cè)裝置可采用光柵尺或者磁尺等，安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，直接測(cè)量工作臺(tái)的線位移和線速度，并與CNC裝置的指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。

2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)

自適應(yīng)控制系統(tǒng)是指在隨機(jī)變化環(huán)境中，對(duì)工作過程中監(jiān)控參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，參照給定評(píng)價(jià)指標(biāo)或最佳條件不斷地對(duì)當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)做出判斷，并以閉環(huán)控制方式對(duì)工作狀態(tài)的判斷結(jié)果按照一定的處理邏輯(算法)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳綜合效果的控制系統(tǒng)。

3 數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)工作分析

數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)自適應(yīng)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(yīng)控制系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削速度、切削進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)床變形量、刀具磨損量、切削力等各種隨機(jī)加工過程參數(shù)，將在線檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過信號(hào)采集裝置和數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)過自適應(yīng)控制系統(tǒng)運(yùn)算評(píng)價(jià)，分析實(shí)時(shí)加工的尺寸誤差是否超過了零件精度指標(biāo)所規(guī)定的閾值，并實(shí)時(shí)校正加工參數(shù)，傳送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整加工過程參數(shù)，消除機(jī)床加工過程中機(jī)床各種狀態(tài)變化和外界擾動(dòng)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(jī)床全閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)加工流程如圖1所示。

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

約束自適應(yīng)控制(ACC)是在切削過程中以功率、切削力、切削速度等一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)為約束，預(yù)先設(shè)置參數(shù)的約束值，并在切削過程中在線檢測(cè)并比較規(guī)定變量的實(shí)際值與約束值之間的差值，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整切削進(jìn)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(yīng)控制系統(tǒng)需要在線檢測(cè)的參數(shù)較少，是數(shù)控機(jī)床粗加工過程中適宜采用的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

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

優(yōu)化自適應(yīng)控制系統(tǒng)(ACO)是指在加工過程中一個(gè)或幾個(gè)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(píng)價(jià)函數(shù)fn=f(x,y，z，…)，根據(jù)檢測(cè)到的可控變量和過程變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到約束條件下對(duì)應(yīng)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(yīng)控制系統(tǒng)可保證每個(gè)函數(shù)都達(dá)到最優(yōu)而不超過約束，以使切削過程達(dá)到最優(yōu)化為目標(biāo)，是一種較高級(jí)的自適應(yīng)控制，但控制過程中需要在線辨識(shí)的參數(shù)較多，計(jì)算量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適宜用在數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工模式，如 DNC、FMS、CIMS中。

4 數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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

4.1 人工自適應(yīng)控制過程

人工自適應(yīng)控制工作過程是在數(shù)控加工過程中由操作人員對(duì)加工過程中需要控制的過程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，依據(jù)事先建立的切削過程數(shù)學(xué)模型或數(shù)據(jù)庫及操作人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)得出調(diào)整參數(shù)，由操作人員將調(diào)整參數(shù)輸入給機(jī)床控制系統(tǒng)，對(duì)需要控制的切削參數(shù)進(jìn)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(yàn)知識(shí)，加工過程中狀態(tài)變化的獲取和調(diào)節(jié)適應(yīng)的工作主要由人工完成，其主觀性較強(qiáng)，不具有實(shí)時(shí)性，但繞過了自適應(yīng)控制過程中在線測(cè)量、計(jì)算量大的難點(diǎn)。已有文獻(xiàn)說明，人工自適應(yīng)控制技術(shù)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(shù)方案，隨著控制效果及智能控制技術(shù)的應(yīng)用，這種控制系統(tǒng)將逐步退出市場(chǎng)。

4.2 基于單片機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)的抗干擾性強(qiáng)、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(cè)單元檢出刀具的絕對(duì)坐標(biāo)，即工件瞬時(shí)直徑，由自適應(yīng)控制系統(tǒng)得到最佳切削速度和最佳轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)變頻器實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)整控制，從而實(shí)現(xiàn)恒切削速度自適應(yīng)控制。

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

基于PC的數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)控制全閉環(huán)控制系統(tǒng)可以在Windows平臺(tái)下自行開發(fā)。借助插入控制板的編寫軟件程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)控制的全閉環(huán)控制，該系統(tǒng)具有工業(yè)機(jī)的柔性和CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。基于PC的數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)控制全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于PC的數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.3.1 數(shù)據(jù)采集器

“PC+自適應(yīng)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(cè)系統(tǒng)處理好的數(shù)字量，也可以通過傳感器等檢測(cè)裝置對(duì)工作過程信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣、組合，并快速傳輸給PC進(jìn)行分析和后期處理。數(shù)據(jù)采集器工作過程包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)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(yùn)動(dòng)控制器

運(yùn)動(dòng)控制器是控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的專用控制器。運(yùn)動(dòng)控制器是決定數(shù)控機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的主要器件，在數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器即可滿足要求，且性價(jià)比較高。

為提高加工精度及加工效率，數(shù)控機(jī)床對(duì)加工過程中的實(shí)時(shí)隨機(jī)參數(shù)在線檢測(cè)要求很高，在數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)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(yùn)動(dòng)控制器，PC與運(yùn)動(dòng)控制器采用上、下位機(jī)模式，將運(yùn)動(dòng)控制器嵌入PC機(jī)，由運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算，PC機(jī)完成信息處理，提供數(shù)控系統(tǒng)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速通訊和控制，PC和運(yùn)動(dòng)控制器之間可以通過ISA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線形式進(jìn)行通訊。

5 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加工生產(chǎn)，數(shù)控機(jī)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(yīng)伺服控制系統(tǒng)，能夠通過在線檢測(cè)引起加工誤差的隨機(jī)因素參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整切削加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工過程的在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制，提高加工零件的精度。研究適應(yīng)當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的“PC+自適應(yīng)控制器”自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)提高數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和自適應(yīng)控制能力具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉華聰.基于PC的數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2013(10)：116-118.

[2] 李宏勝.數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差的研究[J].機(jī)床與液壓，2007(2)：69-72.

[3] 王立新.數(shù)控機(jī)床的自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究及其應(yīng)用[C]//中國電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)分會(huì)機(jī)械加工專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì).北京：中國電子學(xué)會(huì)，1997：40-46.

[4] 汪德才.數(shù)控加工自適應(yīng)控制研究與應(yīng)用狀況及關(guān)鍵技術(shù)[J].模具技術(shù)，2001(6)：69-71.

[5] 胡俊達(dá).自適應(yīng)控制技術(shù)在數(shù)控與組合機(jī)床中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(11)：73-75.

[6] 吳玉茵.自適應(yīng)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用和發(fā)展[J].儀器儀表用戶，2007(12)：126-127.

[7] 郗志剛，周宏甫.運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2005(6)：10-14.