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自適(shì)應控製係統(tǒng)在數控機(jī)床閉環控製中的應用研究
2019-4-29  來源:廣東鬆山職業技術學院  作者:楊秀文
      摘 要:利(lì)用自適應控製係統,實現在線檢(jiǎn)測數控加工過程中引起加工誤差的隨機因素參數及工件的精度指標,實時調整切削(xuē)加工(gōng)參數,提高加工(gōng)零件的(de)精(jīng)度。研究適應當(dāng)前數控(kòng)機床(chuáng)的“PC+自適應(yīng)控製器”結構,實現數控機床自適(shì)應閉環(huán)控製,提高數控加工過程的自適應控製能力、加工精(jīng)度及加(jiā)工效率。
  
      關鍵(jiàn)詞:數控(kòng)機床;自適應控製係統;閉環控(kòng)製
   
      1、數控機床伺服控製係統
  
      數控(kòng)機床伺服係統控製方式可分(fèn)為開環控製係統(tǒng)、全閉環控製係統、半閉環控製係統。數控機床半閉環控製係統的檢測裝置為編碼器等,檢測元件安裝在進給(gěi)伺服電機軸端或滾珠絲杠軸端,通過測量電機(jī)軸(zhóu)或絲杠軸的轉角及角速度並與(yǔ)CNC裝置的指令值進行比較,用差值進行控製,間接控製工作台的實際位移;數控機(jī)床全閉環控製係(xì)統的檢測裝置可(kě)采用光柵尺或者(zhě)磁尺等,安裝在(zài)機床工作台上,直接測量工作台的線位(wèi)移和線速度,並與CNC裝置的指令值進行比較,用差值進行(háng)控製。
  
      2、自適應控製係統
  
      自適應控(kòng)製(zhì)係統是指在隨機變化環(huán)境中,對工作過程中監控參數實時在線監測,參照(zhào)給定評(píng)價指標或最佳(jiā)條件不斷地對當時的工作狀態做出判斷,並以閉環(huán)控製方式對工作狀態的判斷(duàn)結果按照一定的處理邏輯(jí)(算法)進行調(diào)節,使係統達到最佳綜合效果的控製係統。
  
      3、數(shù)控機床全閉環(huán)自適(shì)應控製(zhì)係統工作分析
  
      數控機(jī)床(chuáng)全閉環自適應控製係統是在數控係統本身的速度和位置伺服控製之外,利用自適應控(kòng)製係統在線(xiàn)實時監測切削速度、切削進給量、主(zhǔ)軸轉速、機床變形量、刀具磨損量、切(qiē)削力等各種隨(suí)機加工過程參數,將在線檢測到的數據通過信號采集(jí)裝置和數據處理模塊,經過(guò)自適(shì)應控製(zhì)係統運算評價,分(fèn)析(xī)實時加工的(de)尺寸誤差是否超過了零件(jiàn)精度指標所規定的閾值(zhí),並實時校正加工參數(shù),傳送到數控係統(tǒng),數控係統進而(ér)自動調整加工(gōng)過程參數(shù),消除機床加工過程中機床各種狀態變(biàn)化(huà)和外(wài)界擾動因素引起的影響,從而減小加工誤差,優化加工過程。數控機(jī)床全閉環自適應控製係統(tǒng)加工流程如圖1所示。
  
      數控機床常用的全閉環自適應控製係統分為約束自適(shì)應控製(ACC)和優化自適應控製(ACO)兩類。
  
      約束自適應控製(ACC)是在(zài)切削過程中以功率、切削力、切(qiē)削速度(dù)等一個或幾個參(cān)數為約束,預先設置參數的約束(shù)值,並在(zài)切削過程中在線檢測並比較(jiào)規定變量的實際值與約束值之間的差值,進而(ér)實時調整切(qiē)削進給量,使規定的過程參數變量(liàng)控製在規定的約束值範圍內。約束自適應控製係統需要在線檢測的參數較少,是數控機床粗加工過程中適宜采用的自適(shì)應控製係統。
   
  
   
                圖1 數控機(jī)床全閉環自適應控製係統加工流(liú)程(chéng)圖
  
      優化自適應控製係統(ACO)是指在加工過程(chéng)中一個或幾個參數受過程和(hé)係統的(de)約束條件控製,在加工過程中,規定過程變量的約束條件,建立約束評價函數fn=f(x,y,z,…),根據檢測到的可控(kòng)變(biàn)量和過程變量的實時數據,得到約束條件下(xià)對應最優f值的可控參數變量的最佳組合,使加工過程在保證精度的條件(jiàn)下獲得最大生產率和最低生產成本。優化自適應控製係統可保證每個函數都達到最優而不超過約束,以使切削過程達到最優化為目標,是一種較高級的自適應控製(zhì),但控製過程中需要在線辨識的參數較多,計算量大(dà),結構複雜,適宜用在數控機床自動加工模式,如DNC、FMS、CIMS中。
  
      4、數(shù)控機床全閉環自適應控製係統(tǒng)的實現(xiàn)
  
      數控(kòng)係統全閉環自適應控製具有(yǒu)延長刀(dāo)具壽命、提高加工精度、提高工作效率、穩定(dìng)係統、適應(yīng)非線性和時變性等(děng)顯著優點。但是自適應控(kòng)製係統(tǒng)控製(zhì)器參數調整算(suàn)法複雜,計算量大,檢(jiǎn)測係統中傳感器及(jí)檢測裝置一般需要安裝在機床工作台(tái)的下方(fāng),影響正常的加工作業,且可靠性不高。目前自(zì)適應控製係統在數(shù)控加工中的應用不是很普及。隨著計算機技術的迅速發展,控製理論、數學建模(mó)的推廣深化完善和在線檢測技術的發展,數控係統自適(shì)應控製技術必將進(jìn)入迅猛發展的實用階段。目前自適應控製在數控機床控製係統中(zhōng)的實現主要(yào)有以下方式:
  
      4.1 人工自適應控製(zhì)過程
  
      人工自(zì)適應控製工(gōng)作過程是在(zài)數控加工過程中由(yóu)操(cāo)作人員對加工過(guò)程中需要控製的過程參數進行(háng)監(jiān)測(cè)和數據采集,依據事先建立的切削過(guò)程數學模型或數據庫及(jí)操作人員的知識和經驗得出調整(zhěng)參數,由操作人員將調(diào)整參(cān)數輸入給機床控製係統,對需要控(kòng)製(zhì)的切削參數進行校正。該係統的控製效果主(zhǔ)要取決於操作人員的判斷和經驗(yàn)知識,加工過程中狀態變化的獲取和調節(jiē)適應的工作(zuò)主要由人工完成(chéng),其主觀性較強,不具有實時性,但(dàn)繞過了自適應控製過程中在線測量、計算量大的難點。已有文獻(xiàn)說明,人工自適應控製技術可使生產效率明顯提高,是目(mù)前適合我國國情的一種(zhǒng)技術方案,隨著控製效(xiào)果及智能控製技術的應用,這種控製係(xì)統將逐步退出市場(chǎng)。
  
      4.2 基於單片機(jī)控製的數控(kòng)機床自(zì)適應控(kòng)製係統
  
      基於單片機控(kòng)製的數控機床自(zì)適應控製係統的(de)抗幹擾性強、可靠性(xìng)高、指令係統(tǒng)效率高,適用開放型數控係統。該係統通過(guò)光柵、磁柵等檢測單元檢出刀具的絕對(duì)坐標,即工件瞬時直徑,由自適應控製係統得到最佳切削速度和最佳轉速,驅動變頻器實現數控機床主軸電機實時轉速調整控製,從而實(shí)現恒切削速度自適應(yīng)控製。
  
      4.3 基於PC的數控機床自適應控製全閉環控(kòng)製係統(tǒng)

      基於PC的數控(kòng)機床自適應控製全閉環控(kòng)製係統可以在(zài)Windows平台下(xià)自行開發。借助插入控製板的編寫軟件程序,實現數(shù)控機床自適應控製的全閉環控製(zhì),該係統(tǒng)具有工業機的柔性和CNC係統的穩定性和可靠(kào)性。基於PC的數控機床自適應控製全閉環控製係統結構框圖如圖2所示。
   
  
   
 圖2 基於PC的數控(kòng)機床自(zì)適應全閉環控製係統結構框圖(tú)
  
      4.3.1 數據采(cǎi)集器
  
      “PC+自適應控製模塊”控(kòng)製係統的(de)數據采集器模塊可以(yǐ)直接接收由檢測係統處(chù)理好的數字(zì)量,也(yě)可以通過傳感器等檢測裝置對工作過程信號進行數字采樣、組合,並快速傳輸給PC進行(háng)分析和後期處理。數據采集(jí)器工作過程包括信號采集、信號調理、A/D轉(zhuǎn)換、信號觸發控製和數據采集器與局部總線接口的通信處理等(děng)。
  
      4.3.2 運動控製器

      運動控製器(qì)是控製電動機運行(háng)方式的專用控製器。運動控製(zhì)器是決(jué)定數控機床自動控製係統性(xìng)能的主要器件,在數控機床自適應全閉(bì)環控製係統中,對於簡單控製係(xì)統(tǒng),采用單片機設計的運動控製器即(jí)可滿足要求,且性價比較高。為提高加工精度及加工效率,數控(kòng)機(jī)床對加工過程中的實時隨機參數在線檢測要求很高,在數控機床自適(shì)應控製係(xì)統中可以(yǐ)采用基於(yú)PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控製器,PC與運動控製器采用上、下位機模式,將運動控製器嵌入PC機(jī),由運動控製器實現運動參數計算,PC機完成信息(xī)處理,提供數控係統多軸協調運動控製和複雜的運(yùn)動軌跡規劃、實時插補運算、誤差補償、伺服濾波算法。為實現數據快(kuài)速通訊和控製(zhì),PC和運動控(kòng)製(zhì)器(qì)之間可以通(tōng)過ISA工業標準總線形式(shì)進(jìn)行通訊。
  
      5、結束語
  
      數控機床已經廣泛應(yīng)用於加工生(shēng)產,數控機床的精(jīng)度和效率已經成為決定(dìng)生產效率的主要(yào)因素,采用全閉環自適應(yīng)伺服控製係統,能夠通過在線檢測引起加工誤差的隨機因(yīn)素參數,實時調整切削加工參數,實現數控加工過程的在線(xiàn)監測、實時控製,提高加工零件的精度。研究適應當前數控機床的“PC++自適應控製器”自適應閉環控製係統,對提高(gāo)數控係(xì)統的自動化(huà)程度和自適應控製能力具有非常重要的意義
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