數控機床負載自適應加工控制系統設計分析

王象磊

摘要：數控機床設備當中，葉片、葉盤作為復雜結構件，在加工當中對于專業化要求較高。為此，本文將以數控機床設備為基礎，開發一套嵌入式自適應加工系統，以便于約束數控機床主軸負載，有效對機床的進給倍率進行控制，實現機床切削加工的自適應加工控制，并設置出完善的人機交互及面，對數控機床各項加工參數進行調節，實現控制系統與實際加工的集成化，全面提升數控機床加工的精準度和效率，并且對數控機床刀具起到一定程度保護作用。

關鍵詞：數控機床;負載;自適應控制系統

0? 引言

隨著我國自動化技術不斷發展與進步，我國CAD、CAM技術在數控機床當中應用廣泛，并且為我國傳統制造加工技術帶來了新的發展契機，傳統剛性制造技術朝著更加便捷化、自動化、柔性化的趨勢不斷發展。但是在數控機床加工的過程中，已經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前數控加工處理領域進步的重要因素。在我國當前市場競爭日漸激烈的當下，我國具備了較為先進的機械加工處理技術，為了獲取市場經濟效益，應該致力提高生產效率、降低生產成本，以便于贏得市場先機。本文將針對數控機床負載自適應加工控制系統設計進行詳細分析。

1? 數控機床負載自適應加工控制系統設計可行性分析

結合我國當前普通數控機床加工切削實際工作來看，一般在實施生產加工時，數控機床是按照NC程序，結合不同零件的加工需求，來預設好零件加工進給率，隨之均勻、高效的開展零件加工[1]。在數控機床加工的過程中，金屬切削是一個具備高難度、非線性的加工環節，受到了諸多因素影響，時變、隨機干擾等問題嚴重，具備嚴重的不確定性和復雜性，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?？陀^來說，NC程序當中，切削加工的進給率無法維持最優化，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，在數控機床加工運行時，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，需要進行優化與改進，結合葉片、葉盤等精密性零件的加工特點，有效減低并且控制負載波動，有效改善傳統數控機床NC系統存在的弊端，實現數控加工技術最優化。

為了真正實現數控機床的高效運行、避免因為負載不合適造成不必要資源浪費，那么就應該結合數控機床的實際情況，科學合理選擇優化的自適應系統設目標，做好自適應系統各項設計并且實現智能化設計、智能化控制目的[2]。因為在數控機床切削運作的過程中，自適應控制系統主要控制的對象為進給率，所以當前社會當中針對數控機床自適應進給率控制，已經有了較為完善的研究，并且自適應系統進給率控制的成果較為理想。

自適應控制系統能夠實現實時監測主軸功率變化目的，通過智能化調整進給率，可以有效提升零件加工切削效率，并且保護主軸安全性、保護刀具，切削效率提升了約33%左右[3]。在世界當前數控機床負載自適應控制系統設計的過程中，一般會安裝外置傳感器來對機床實施智能控制，但是外置傳感器具備高成本、安裝調試復雜等諸多問題。借助內置傳感器手段能夠實現數控機床負載自適應控制系統智能控制，可以在一定程度上滿足智能調節進給率目的，并且造價成本較低，有利于促進數控機床切削自適應加工領域的發展進步，具備一定的可行性。

2? 數控機床控制系統設計

2.1 數控機床控制系統工作原理

內置傳感器相比外置傳感器來說，不僅可以實現成本節約，而且在實際進行自適應系統設計的工作上來說也是非常優秀的，可以切實滿足數控機智能化設計需求。內置傳感器作為控制系統當中重要的組成部分，在內置傳感器的作用下可以有效實現內部控制設計。在機床主軸負載設計時，一般是通過內置傳感器來實現數據實時采集、實時共享，在內部數據接口的作用下，將主軸負載情況進行傳輸與取度，實現數據信息分析控制。當實現主軸負載數據信息監測、采集工作后，便可以對主軸負載的相關數據進行智能化計算，以便于獲取主軸負載的進給率。若進給率和數控機床實際操作的要求存在差異，那么便可以通過CNC控制系統來將進給率信息進行分析，將其取度到數控機床的自適應加工控制器當中，通過調整主軸負載率的手段實現進給率調整。

如此便可以隨時隨地的調節進給率，控制系統借助不斷調整機床進給率，將主軸負載保持在穩定狀態，從而強化數控加工效率、實現保護刀具作用。

2.2 增量式PID控制算法

傳統位置式PID控制算法是當前較為成熟的控制算法，在實際應用當中獲取了一定效果。但位置式PID控制輸出與整個過去狀態有關，在實施計算的過程中，應該要對e（k）進行累加，其計算量巨大，很難實現運算效率最優化[5]。當PID執行機構計算機出現了故障，則會出現u（k）大幅度變化的問題。但是針對增量式PID控制算法來說，能夠有效轉變位置式PID控制算法弊端，與當前拍和前兩拍誤差有關，針對一些當執行機構需要的是控制量的增量時，可采用增量式PID實施控制，得出遞推原理為：

若kp越大、系統反應效率越快。若kp由小到大變化，那么系統將從穩定朝著震蕩趨勢發展。若ki較大，那么積分作用非常強烈，消除余差的能力非常強，很容易出現診當問題。

增量式PID控制算法在實際運用的過程中，具備較強的優勢，算式當中不僅不需要累加計算內容，只要控制增量△u（k），便可以確定僅與最近3次的采樣值，很容易借助加權處理的手段獲取較好的控制效果[6]。在實際運行的過程中，計算機每次只要輸出控制增量，便可以得出應執行機構位置變化量，這樣若出現故障問題，可以及時縮小故障影響范圍，及時將故障危害降至最小。

3? 數控機床負載自適應加工控制技術實現

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊實現方法有以下幾點內容。①將主軸的機床數據MD36730置“1”，借助上位機的手段來獲取主軸負載參數。②實施內部驅動參數的計算獲取授權。③將其與NC、PLC交換數據，實現NC、PLC數據信息讀寫和存儲共享。將PLC當中的地址從DB4900.DBB0設置到DBB4095。NC定義系統變量與此公共存儲器相聯系，在加工程度當中，借助系統變量對該存儲區域進行實時訪問。

3.2 自適應控制模塊

針對數控機床自適應模塊來說，自適應控制模塊在實際運用的過程中，主要的作用便是運用同步動作指令，結合數控機床運行要求來編寫PID控制算法程序，這樣便可以結合數控機床的加工運作需求來對數控機床負載運行情況實施智能化調節[7]。自適應控制模塊當中的同步動作指令實施，主要是利用程序零件來實施動作觸發，在自適應控制之下實現動作同步。同步動作編程在實際運用當中具備諸多高效性，可以結合數控機床設備的價公允性要求，對外部事件實施迅速響應，并且還能夠不影響數控機床當前的運作，實現加載同步宏程序。在實施加載同步宏程序的基礎上，可以統籌控制器設計、變量狀態更新、進給倍率等諸多內容，有效強化數控機床的實際運行效率。宏程序還可以協調自適應系統的各項功能，對變量、初始化管理、數據信息采集傳輸、增量PID等內容進行把控，真正協調數控機床加工各項參數，確保數控機床加工的安全穩定性。

3.3 人機交互模塊

人機交互模塊是實現數控機床智能化控制最為關鍵的模塊內容，也是數控機床加工使用過程當中，設置參數的主要程序內容。結合本系統的特點，借助易控天地SCSDA平臺來編輯畫面，實施曲線觀測并調整數據，對數據信息進行存儲，實現隨機數控系統聯合啟動。這樣操作者們在選擇智能加工控制功能時，便可以結合加工實際情況來實現智能加工控制的開啟或者停止，實現數控機床加工參數調節，可以有效保障對數控機床自動化智能控制。

4? 數控機床負載自適應加工控制系統設計優化成果

4.1 有利于提升加工效率

通過科學高效的數控機床負載自適應加工控制系統設計，能夠有效克服諸多不確定性因素造成切削狀態變化對數控加工的影響。在此基礎上可以在較小荷載的情況下增加進給速率，這樣在較大進給速率的同時，促使數控機床開展柔性加工，切實增強了生產效率。借助本文手段對傳統數控機床NC系統進行優化改進之后，數控機床系統控制在生產當中展現出其獨特顯著的效果，一臺數控加工機床設備可以提升20～30%的生產效率。

4.2 有利于延長刀具使用壽命

借助數控機床負載自適應加工控制系統優化設計，可以切實有效延長刀具使用壽命。在自適應系統的控制下，加工參數會實時、自動的使用刀具負載、切削工況，若出現突發事件，例如“刀具工件受到嚴重沖擊、工件毛坯尺寸變化過大”等諸多問題時，自適應系統則會發揮出其功效，將給速率自動減小到內部的專家系統所允許的安全值范圍當中。若這些突發事件過去之后，自適應系統則會再次自動的將速率增加到內部專業系統所允許之下的最大值，這樣便可以切實有效的保護刀具，切實減少刀具磨損問題，切實延長刀具的使用壽命。

4.3 有利于保護主軸驅動效果

自適應系統可以始終對數控機床負的工況實施檢測，這樣便可以明確主軸驅動系統何時達到最大負荷，若檢測到切削負荷超出了主軸驅動裝飾所承載的最大值時，系統則會通過降低給進速率的手段進行響應，直到切削符合在可以承受的范圍之內。在必要時刻借助停止給進的形式避免機床損壞，借助警告的形式來提升操作者。

參考文獻：

[1]楊秀文.自適應控制系統在數控機床閉環控制中的應用研究[J].機械工程與自動化，2018（003）：204-205.

[2]王健.從布拉德福定律識別數控機床加工過程自適應控制技術的核心專利[J].中國科技資源導刊，2018，050（001）：51-56.

[3]程濤，左力，劉艷明，等.數控機床切削加工過程智能自適應控制研究[J].中國機械工程，1999（01）：34-39，4.

[4]逄啟壽，肖順根，宋萌萌.數控機床切削加工過程的模型參考自適應控制研究[J].機床與液壓，2009（03）：58-60.

[5]劉紅奇，李斌，唐小琦，等.面向數控加工的嵌入式自適應控制技術[J].華中科技大學學報：自然科學版，2009（08）：97-100.

[6]李輔翼，高宏力，錢桃林.基于恒主軸電流的機床自適應控制系統的設計[J].機床與液壓，2018，046（004）：130-133.

[7]徐劍，葉文華，胡國志，等.基于開放式數控系統的恒功率自適應控制研究[J].制造技術與機床，2015（8）：38-42.