数控机床负载自适应加工控制系统设计分析

王象磊

摘要：数控机床设备当中，叶片、叶盘作为复杂结构件，在加工当中对于专业化要求较高。为此，本文将以数控机床设备为基础，开发一套嵌入式自适应加工系统，以便于约束数控机床主轴负载，有效对机床的进给倍率进行控制，实现机床切削加工的自适应加工控制，并设置出完善的人机交互及面，对数控机床各项加工参数进行调节，实现控制系统与实际加工的集成化，全面提升数控机床加工的精准度和效率，并且对数控机床刀具起到一定程度保护作用。

关键词：数控机床;负载;自适应控制系统

0  引言

随着我国自动化技术不断发展与进步，我国CAD、CAM技术在数控机床当中应用广泛，并且为我国传统制造加工技术带来了新的发展契机，传统刚性制造技术朝着更加便捷化、自动化、柔性化的趋势不断发展。但是在数控机床加工的过程中，已经存在诸多加工处理效率较低的问题，这些问题也是影响我国当前数控加工处理领域进步的重要因素。在我国当前市场竞争日渐激烈的当下，我国具备了较为先进的机械加工处理技术，为了获取市场经济效益，应该致力提高生产效率、降低生产成本，以便于赢得市场先机。本文将针对数控机床负载自适应加工控制系统设计进行详细分析。

1  数控机床负载自适应加工控制系统设计可行性分析

结合我国当前普通数控机床加工切削实际工作来看，一般在实施生产加工时，数控机床是按照NC程序，结合不同零件的加工需求，来预设好零件加工进给率，随之均匀、高效的开展零件加工[1]。在数控机床加工的过程中，金属切削是一个具备高难度、非线性的加工环节，受到了诸多因素影响，时变、随机干扰等问题严重，具备严重的不确定性和复杂性，在金属切削的时，非常容易磨损切削刀具，造成刀具的使用寿命缩短。客观来说，NC程序当中，切削加工的进给率无法维持最优化，针对叶片、叶盘等精密性零件加工来说，叶缘加工部位的曲率较大，在数控机床加工运行时，很容易因直接影响零件加工效率。针对NC程序此种问题来说，需要进行优化与改进，结合叶片、叶盘等精密性零件的加工特点，有效减低并且控制负载波动，有效改善传统数控机床NC系统存在的弊端，实现数控加工技术最优化。

为了真正实现数控机床的高效运行、避免因为负载不合适造成不必要资源浪费，那么就应该结合数控机床的实际情况，科学合理选择优化的自适应系统设目标，做好自适应系统各项设计并且实现智能化设计、智能化控制目的[2]。因为在数控机床切削运作的过程中，自适应控制系统主要控制的对象为进给率，所以当前社会当中针对数控机床自适应进给率控制，已经有了较为完善的研究，并且自适应系统进给率控制的成果较为理想。

自适应控制系统能够实现实时监测主轴功率变化目的，通过智能化调整进给率，可以有效提升零件加工切削效率，并且保护主轴安全性、保护刀具，切削效率提升了約33%左右[3]。在世界当前数控机床负载自适应控制系统设计的过程中，一般会安装外置传感器来对机床实施智能控制，但是外置传感器具备高成本、安装调试复杂等诸多问题。借助内置传感器手段能够实现数控机床负载自适应控制系统智能控制，可以在一定程度上满足智能调节进给率目的，并且造价成本较低，有利于促进数控机床切削自适应加工领域的发展进步，具备一定的可行性。

2  数控机床控制系统设计

2.1 数控机床控制系统工作原理

内置传感器相比外置传感器来说，不仅可以实现成本节约，而且在实际进行自适应系统设计的工作上来说也是非常优秀的，可以切实满足数控机智能化设计需求。内置传感器作为控制系统当中重要的组成部分，在内置传感器的作用下可以有效实现内部控制设计。在机床主轴负载设计时，一般是通过内置传感器来实现数据实时采集、实时共享，在内部数据接口的作用下，将主轴负载情况进行传输与取度，实现数据信息分析控制。当实现主轴负载数据信息监测、采集工作后，便可以对主轴负载的相关数据进行智能化计算，以便于获取主轴负载的进给率。若进给率和数控机床实际操作的要求存在差异，那么便可以通过CNC控制系统来将进给率信息进行分析，将其取度到数控机床的自适应加工控制器当中，通过调整主轴负载率的手段实现进给率调整。

如此便可以随时随地的调节进给率，控制系统借助不断调整机床进给率，将主轴负载保持在稳定状态，从而强化数控加工效率、实现保护刀具作用。

2.2 增量式PID控制算法

传统位置式PID控制算法是当前较为成熟的控制算法，在实际应用当中获取了一定效果。但位置式PID控制输出与整个过去状态有关，在实施计算的过程中，应该要对e（k）进行累加，其计算量巨大，很难实现运算效率最优化[5]。当PID执行机构计算机出现了故障，则会出现u（k）大幅度变化的问题。但是针对增量式PID控制算法来说，能够有效转变位置式PID控制算法弊端，与当前拍和前两拍误差有关，针对一些当执行机构需要的是控制量的增量时，可采用增量式PID实施控制，得出递推原理为：

若kp越大、系统反应效率越快。若kp由小到大变化，那么系统将从稳定朝着震荡趋势发展。若ki较大，那么积分作用非常强烈，消除余差的能力非常强，很容易出现诊当问题。

增量式PID控制算法在实际运用的过程中，具备较强的优势，算式当中不仅不需要累加计算内容，只要控制增量△u（k），便可以确定仅与最近3次的采样值，很容易借助加权处理的手段获取较好的控制效果[6]。在实际运行的过程中，计算机每次只要输出控制增量，便可以得出应执行机构位置变化量，这样若出现故障问题，可以及时缩小故障影响范围，及时将故障危害降至最小。

3  数控机床负载自适应加工控制技术实现

3.1 数据采集模块

数据采集模块实现方法有以下几点内容。①将主轴的机床数据MD36730置“1”，借助上位机的手段来获取主轴负载参数。②实施内部驱动参数的计算获取授权。③将其与NC、PLC交换数据，实现NC、PLC数据信息读写和存储共享。将PLC当中的地址从DB4900.DBB0设置到DBB4095。NC定义系统变量与此公共存储器相联系，在加工程度当中，借助系统变量对该存储区域进行实时访问。

3.2 自适应控制模块

针对数控机床自适应模块来说，自适应控制模块在实际运用的过程中，主要的作用便是运用同步动作指令，结合数控机床运行要求来编写PID控制算法程序，这样便可以结合数控机床的加工运作需求来对数控机床负载运行情况实施智能化调节[7]。自适应控制模块当中的同步动作指令实施，主要是利用程序零件来实施动作触发，在自适应控制之下实现动作同步。同步动作编程在实际运用当中具备诸多高效性，可以结合数控机床设备的价公允性要求，对外部事件实施迅速响应，并且还能够不影响数控机床当前的运作，实现加载同步宏程序。在实施加载同步宏程序的基础上，可以统筹控制器设计、变量状态更新、进给倍率等诸多内容，有效强化数控机床的实际运行效率。宏程序还可以协调自适应系统的各项功能，对变量、初始化管理、数据信息采集传输、增量PID等内容进行把控，真正协调数控机床加工各项参数，确保数控机床加工的安全稳定性。

3.3 人机交互模块

人机交互模块是实现数控机床智能化控制最为关键的模块内容，也是数控机床加工使用过程当中，设置参数的主要程序内容。结合本系统的特点，借助易控天地SCSDA平台来编辑画面，实施曲线观测并调整数据，对数据信息进行存储，实现随机数控系统联合启动。这样操作者们在选择智能加工控制功能时，便可以结合加工实际情况来实现智能加工控制的开启或者停止，实现数控机床加工参数调节，可以有效保障对数控机床自动化智能控制。

4  数控机床负载自适应加工控制系统设计优化成果

4.1 有利于提升加工效率

通过科学高效的数控机床负载自适应加工控制系统设计，能够有效克服诸多不确定性因素造成切削状态变化对数控加工的影响。在此基础上可以在较小荷载的情况下增加进给速率，这样在较大进给速率的同时，促使数控机床开展柔性加工，切实增强了生产效率。借助本文手段对传统数控机床NC系统进行优化改进之后，数控机床系统控制在生产当中展现出其独特显著的效果，一台数控加工机床设备可以提升20～30%的生产效率。

4.2 有利于延长刀具使用寿命

借助数控机床负载自适应加工控制系统优化设计，可以切实有效延长刀具使用寿命。在自适应系统的控制下，加工参数会实时、自动的使用刀具负载、切削工况，若出现突发事件，例如“刀具工件受到严重冲击、工件毛坯尺寸变化过大”等诸多问题时，自适应系统则会发挥出其功效，将给速率自动减小到内部的专家系统所允许的安全值范围当中。若这些突发事件过去之后，自适应系统则会再次自动的将速率增加到内部专业系统所允许之下的最大值，这样便可以切实有效的保护刀具，切实减少刀具磨损问题，切实延长刀具的使用寿命。

4.3 有利于保護主轴驱动效果

自适应系统可以始终对数控机床负的工况实施检测，这样便可以明确主轴驱动系统何时达到最大负荷，若检测到切削负荷超出了主轴驱动装饰所承载的最大值时，系统则会通过降低给进速率的手段进行响应，直到切削符合在可以承受的范围之内。在必要时刻借助停止给进的形式避免机床损坏，借助警告的形式来提升操作者。

参考文献：

[1]杨秀文.自适应控制系统在数控机床闭环控制中的应用研究[J].机械工程与自动化，2018（003）：204-205.

[2]王健.从布拉德福定律识别数控机床加工过程自适应控制技术的核心专利[J].中国科技资源导刊，2018，050（001）：51-56.

[3]程涛，左力，刘艳明，等.数控机床切削加工过程智能自适应控制研究[J].中国机械工程，1999（01）：34-39，4.

[4]逄启寿，肖顺根，宋萌萌.数控机床切削加工过程的模型参考自适应控制研究[J].机床与液压，2009（03）：58-60.

[5]刘红奇，李斌，唐小琦，等.面向数控加工的嵌入式自适应控制技术[J].华中科技大学学报：自然科学版，2009（08）：97-100.

[6]李辅翼，高宏力，钱桃林.基于恒主轴电流的机床自适应控制系统的设计[J].机床与液压，2018，046（004）：130-133.

[7]徐剑，叶文华，胡国志，等.基于开放式数控系统的恒功率自适应控制研究[J].制造技术与机床，2015（8）：38-42.