數(shù)控機床負載自適應加工控制系統(tǒng)設計分析

王象磊

摘要：數(shù)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(yè)化要求較高。為此，本文將以數(shù)控機床設備為基礎，開發(fā)一套嵌入式自適應加工系統(tǒng)，以便于約束數(shù)控機床主軸負載，有效對機床的進給倍率進行控制，實現(xiàn)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(shù)控機床各項加工參數(shù)進行調節(jié)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與實際加工的集成化，全面提升數(shù)控機床加工的精準度和效率，并且對數(shù)控機床刀具起到一定程度保護作用。

關鍵詞：數(shù)控機床;負載;自適應控制系統(tǒng)

0? 引言

隨著我國自動化技術不斷發(fā)展與進步，我國CAD、CAM技術在數(shù)控機床當中應用廣泛，并且為我國傳統(tǒng)制造加工技術帶來了新的發(fā)展契機，傳統(tǒng)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(fā)展。但是在數(shù)控機床加工的過程中，已經(jīng)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(shù)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(jīng)濟效益，應該致力提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，以便于贏得市場先機。本文將針對數(shù)控機床負載自適應加工控制系統(tǒng)設計進行詳細分析。

1? 數(shù)控機床負載自適應加工控制系統(tǒng)設計可行性分析

結合我國當前普通數(shù)控機床加工切削實際工作來看，一般在實施生產(chǎn)加工時，數(shù)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(shù)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(huán)節(jié)，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。客觀來說，NC程序當中，切削加工的進給率無法維持最優(yōu)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(shù)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(yōu)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(tǒng)數(shù)控機床NC系統(tǒng)存在的弊端，實現(xiàn)數(shù)控加工技術最優(yōu)化。

為了真正實現(xiàn)數(shù)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(shù)控機床的實際情況，科學合理選擇優(yōu)化的自適應系統(tǒng)設目標，做好自適應系統(tǒng)各項設計并且實現(xiàn)智能化設計、智能化控制目的[2]。因為在數(shù)控機床切削運作的過程中，自適應控制系統(tǒng)主要控制的對象為進給率，所以當前社會當中針對數(shù)控機床自適應進給率控制，已經(jīng)有了較為完善的研究，并且自適應系統(tǒng)進給率控制的成果較為理想。

自適應控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時監(jiān)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(shù)控機床負載自適應控制系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)控機床負載自適應控制系統(tǒng)智能控制，可以在一定程度上滿足智能調節(jié)進給率目的，并且造價成本較低，有利于促進數(shù)控機床切削自適應加工領域的發(fā)展進步，具備一定的可行性。

2? 數(shù)控機床控制系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)控機床控制系統(tǒng)工作原理

內置傳感器相比外置傳感器來說，不僅可以實現(xiàn)成本節(jié)約，而且在實際進行自適應系統(tǒng)設計的工作上來說也是非常優(yōu)秀的，可以切實滿足數(shù)控機智能化設計需求。內置傳感器作為控制系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、實時共享，在內部數(shù)據(jù)接口的作用下，將主軸負載情況進行傳輸與取度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息分析控制。當實現(xiàn)主軸負載數(shù)據(jù)信息監(jiān)測、采集工作后，便可以對主軸負載的相關數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)來將進給率信息進行分析，將其取度到數(shù)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(xiàn)進給率調整。

如此便可以隨時隨地的調節(jié)進給率，控制系統(tǒng)借助不斷調整機床進給率，將主軸負載保持在穩(wěn)定狀態(tài)，從而強化數(shù)控加工效率、實現(xiàn)保護刀具作用。

2.2 增量式PID控制算法

傳統(tǒng)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(tài)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(xiàn)運算效率最優(yōu)化[5]。當PID執(zhí)行機構計算機出現(xiàn)了故障，則會出現(xiàn)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(zhí)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(tǒng)反應效率越快。若kp由小到大變化，那么系統(tǒng)將從穩(wěn)定朝著震蕩趨勢發(fā)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(xiàn)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(yōu)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(zhí)行機構位置變化量，這樣若出現(xiàn)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(shù)控機床負載自適應加工控制技術實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)方法有以下幾點內容。①將主軸的機床數(shù)據(jù)MD36730置“1”，借助上位機的手段來獲取主軸負載參數(shù)。②實施內部驅動參數(shù)的計算獲取授權。③將其與NC、PLC交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)NC、PLC數(shù)據(jù)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(tǒng)變量與此公共存儲器相聯(lián)系，在加工程度當中，借助系統(tǒng)變量對該存儲區(qū)域進行實時訪問。

3.2 自適應控制模塊

針對數(shù)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(shù)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(shù)控機床的加工運作需求來對數(shù)控機床負載運行情況實施智能化調節(jié)[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(fā)，在自適應控制之下實現(xiàn)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(shù)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(shù)控機床當前的運作，實現(xiàn)加載同步宏程序。在實施加載同步宏程序的基礎上，可以統(tǒng)籌控制器設計、變量狀態(tài)更新、進給倍率等諸多內容，有效強化數(shù)控機床的實際運行效率。宏程序還可以協(xié)調自適應系統(tǒng)的各項功能，對變量、初始化管理、數(shù)據(jù)信息采集傳輸、增量PID等內容進行把控，真正協(xié)調數(shù)控機床加工各項參數(shù)，確保數(shù)控機床加工的安全穩(wěn)定性。

3.3 人機交互模塊

人機交互模塊是實現(xiàn)數(shù)控機床智能化控制最為關鍵的模塊內容，也是數(shù)控機床加工使用過程當中，設置參數(shù)的主要程序內容。結合本系統(tǒng)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(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)信息進行存儲，實現(xiàn)隨機數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)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(xiàn)智能加工控制的開啟或者停止，實現(xiàn)數(shù)控機床加工參數(shù)調節(jié)，可以有效保障對數(shù)控機床自動化智能控制。

4? 數(shù)控機床負載自適應加工控制系統(tǒng)設計優(yōu)化成果

4.1 有利于提升加工效率

通過科學高效的數(shù)控機床負載自適應加工控制系統(tǒng)設計，能夠有效克服諸多不確定性因素造成切削狀態(tài)變化對數(shù)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(shù)控機床開展柔性加工，切實增強了生產(chǎn)效率。借助本文手段對傳統(tǒng)數(shù)控機床NC系統(tǒng)進行優(yōu)化改進之后，數(shù)控機床系統(tǒng)控制在生產(chǎn)當中展現(xiàn)出其獨特顯著的效果，一臺數(shù)控加工機床設備可以提升20～30%的生產(chǎn)效率。

4.2 有利于延長刀具使用壽命

借助數(shù)控機床負載自適應加工控制系統(tǒng)優(yōu)化設計，可以切實有效延長刀具使用壽命。在自適應系統(tǒng)的控制下，加工參數(shù)會實時、自動的使用刀具負載、切削工況，若出現(xiàn)突發(fā)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(tǒng)則會發(fā)揮出其功效，將給速率自動減小到內部的專家系統(tǒng)所允許的安全值范圍當中。若這些突發(fā)事件過去之后，自適應系統(tǒng)則會再次自動的將速率增加到內部專業(yè)系統(tǒng)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(tǒng)可以始終對數(shù)控機床負的工況實施檢測，這樣便可以明確主軸驅動系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在數(shù)控機床閉環(huán)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)的恒功率自適應控制研究[J].制造技術與機床，2015（8）：38-42.