基于开放式数控系统的恒功率自适应控制研究*＊

徐 剑 叶文华 胡国志 李 尖 梁睿君

(①南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016;②江苏省精密与微细制造技术重点实验室，江苏 南京 210016)

切削加工过程是一个具有高度非线性、不确定性的复杂动态过程，传统的数控机床识别和处理切削过程不确定性情况的能力低下，通常在实际的切削过程中多采用保守的切削参数［1］，从而在一定程度上限制了切削加工效率。而伴随我国航空、航天等行业的快速发展，智能化已成为制造业发展的必然趋势。智能控制技术在处理复杂的动态过程方面具有明显的优势。将智能控制理论合理应用到数控机床的加工过程中，已成为众多学者的研究热点。文献［2］以机床加工过程中的切削力为控制对象，提出了一种基于神经网络的控制方法来实现机床高速切削的自适应控制。文献［3］以主轴负载功率恒定为约束条件，开发了基于主轴功率信号反馈的智能控制器，用模糊智能控制方法实现进给速率的在线调整，在保护刀具的同时提高了机床的加工效率。文献［4 -5］设计开发了能实现基于约束控制的、加工参数可在线调整的自适应开放式智能控制器来实现数控机床的智能化加工。以色列OMAT 公司研发的切削加工自适应控制系统通过实时采集机床主轴负载变化，自动调节机床进给率至最佳值，在保护刀具、主轴的安全的同时能将切削效率-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。建立的模糊控制规则表如表1 所示。模糊变量Ep的隶属函数如图3 所示，Cp和控制量ΔU 的隶属度函数如图4 所示。

表1 模糊控制规则表

将输入变量进行模糊化处理后，根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量)。最后，将得到的控制量进行非模糊化处理，采用重心法进行反模糊化，从而得到合理的倍率调整量。

2 基于840D 数控系统的技术实现

控制系统的技术实现如图5 所示。在信息采集部分中，该系统通过数控系统的OPC 服务器来实时读取机床主轴的功率信号，并将读取的信号输入到HMI(human machine interface)中。HMI 接收到的信号主要包含机床的主轴功率以及功率变化率。模糊控制在非线性、不确定性的控制系统中具有较好的控制效果。因此在控制部分的设计中，为实现加工过程中的智能控制，在HMI 下开发了相应的模糊控制器，模糊控制器可以依据读取的主轴功率经模糊推理最终输出一个相应的进给倍率值。在进给倍率值写入机床的过程中，由于机床的NC 数据不能直接写入PLC，系统以R 参数作为中间变量来实现NC 与PLC 数据交换。其具体的实现方法为:将实时采集到的进给倍率值通过系统内部的DDE(dynamic date exchang)服务器写入到相应的R 参数里，并将该R 参数的数据转换为PLC 内部的DB 块。在将进给倍率值通过DDE 服务器不断写入R 参数的过程中，通过PLC 内部开发的相应程序即可实现进给倍率的实时写入。其中，在PLC 的控制程序中，首先判断是否要屏蔽来自机床控制面板的进给倍率信号，同时将R参数中的数值写入到数控系统中，从而实现从采集主轴功率到控制机床进给速度的完整控制。

由于该自适应控制系统是嵌入到机床内部的实时控制系统，因此开发合理完善的人机交互界面具有重要意义。课题利用HMI -programming pakage 开发了配套的人机交互界面如图6 所示。

该控制界面可在不影响机床加工的条件下随机床数控系统一起启动，可以由用户来选择自适应控制功能的开启和停止。同时可以设定主轴功率的具体数值，用户可以根据不同的工件及加工情况来设定主轴功率的大小。控制系统的运行流程图如图7 所示。

3 自适应控制切削实验

为验证所提出的恒功率自适应控制系统在实际切削加工过程中的控制效果，将所设计的控制系统应用于五轴联动的龙门机床(QLM -27100)。设计了一种凹槽型工件，使其分别在机床使用自适应控制系统前后进行切削加工。其中，工件切削示意图如图8 所示。

由图8 中可以看出，刀具在切削过切深为3 mm，在刀具切削凹槽的时候切深仅为1.5 mm，因此其切削量会相应减少，主轴的功率会相应减小。由于切深的变化会直接影响到主轴功率的变化，因此设计该工件可以有效验证自适应系统的控制效果。工件外形如图9 所示，其材料为铝合金2A12，在切削平面上分别有深度为1.5 mm、宽度为20 mm 的两个凹槽。

实验时，刀具沿垂直凹槽的方向纵向切削，如图8箭头所示。切削过程中所选用的加工参数为:主轴转速为5 000 r/min，切宽为20 mm，切深为3 mm。刀具选用平头立铣刀，其材料为高速钢，齿数为2 齿，直径为20 mm。

3.1 工件的传统切削实验

实验中，首先将该工件在机床未使用自适应控制系统情况下进行切削加工，进给速度为200 mm/min。如图10 所示为实验测得的主轴功率值。

整个切削过程的切削时间为27 s，其中机床刀具切削工件的过程中，由于进给速度始终按照200 mm/min 进行，刀具的实际切深直接影响机床主轴功率的大小。其中在切削两个槽的过程中，主轴功率仅在500～1 000 W 左右，负载较小，在此阶段的机床加工效率有可以进一步提高的空间。而在切削工件凸台的过程中，其主轴的最大功率可达2 500 W，此时主轴承受的负载较大，对刀具及主轴的影响较大，此阶段需要降低进给速度来保护机床和刀具。因此，在机床未使用自适应控制系统的情况下，机床的加工效率受到限制，同时机床在受到较大负载的切削过程中，也无法智能地降低进给速度来有效地保护机床和刀具。

3.2 工件的自适应控制切削实验

在切削过程采用自适应控制的实验中，首先根据刀具切削的情况，设定切削过程中主轴目标功率P 为1 200 W。即整个控制系统以主轴切削功率为1 200 W作为控制目标，来进行自适应控制切削。自适应控制过程中主轴功率及进给速度如图11 所示。

可以看到，整个切削过程中机床的进给速度随着主轴功率的变化而不断进行调整，以此来保证切削过程中主轴功率的恒定。整个切削过程用时仅为18 s。其进给速度最高可达330 mm/min，有效提高了机床的加工效率，缩短了机床的加工时间。同时，机床的主轴功率相对未使用自适应控制时其浮动较小，最大负载时也仅为1 500 W，整个切削过程有效保护了机床及刀具，从而验证了自适应控制系统具有良好的控制效果。

4 结语

本文利用开放式数控机床的开放式接口及可开发性，提出了一种基于内置传感器和控制器的自适应控制系统。该控制系统以主轴功率为控制对象，通过模糊控制来实时改变机床的进给速度，具有以下特点:

(1)铝合金切削实验验证了所提出的面向开放式数控机床的自适应控制系统具有良好的控制效果，可以在保护机床和刀具的同时有效提高机床的加工效率。

(2)所提出的自适应控制系统的开发思路可以有效节省系统的成本，有助于自适应控制系统的使用和推广。同时，本文的研究成果对今后机床自适应控制方面的研究具有一定的参考意义。

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