自適應(yīng)控制數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)一自適應(yīng)控制1952年美國麻省理工學(xué)院研究制造出第一臺(tái)測試性數(shù)字控制系統(tǒng)，而后隨著電子技能和節(jié)制技能的飛速度完成長，現(xiàn)在的數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展很壯大。尤其是最近幾年來，國內(nèi)外數(shù)字控制系統(tǒng)在柔性、精確性等方面取得了飛速的成長，許多理論與技能問題獲得了較好的解決。數(shù)字控制技能和數(shù)字控制設(shè)備是打造工業(yè)現(xiàn)代化的根蒂根基，是一個(gè)國度經(jīng)濟(jì)成長和綜合國力的體現(xiàn)，而數(shù)字控制系統(tǒng)是數(shù)字控制技能和數(shù)字控制設(shè)備的核心。與此同時(shí)加工技能和一些其它相關(guān)技能的成長對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)的成長和進(jìn)步提出了新的要求。目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床在加工過程中都維持一個(gè)固定不變的進(jìn)給速率，這個(gè)進(jìn)給量是由加工程序預(yù)先設(shè)定好的。為了保證生產(chǎn)的安全，編成人員必須按照負(fù)荷最大的工況設(shè)定這個(gè)進(jìn)給速率，但實(shí)際上這種工況或許只占整個(gè)工序的5%。那么如何提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，優(yōu)化刀具進(jìn)給量，同時(shí)又能自動(dòng)保護(hù)機(jī)床的主軸系統(tǒng)和昂貴的刀具不受損壞已經(jīng)成為終端用戶和機(jī)床制造廠家十分關(guān)注的問題。為了解決這個(gè)問題以色列OMAT公司將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，研發(fā)了成熟的產(chǎn)品——OMAT數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)系統(tǒng)，并已經(jīng)在全球廣泛應(yīng)用。所謂“自適應(yīng)”一般是指系統(tǒng)按照環(huán)境的變化調(diào)整其自身使得其行為在新的或者已經(jīng)改變了的環(huán)境下達(dá)到最好或者至少是容許的特性和功能這種對(duì)環(huán)境變化具有適應(yīng)能力的控制系統(tǒng)稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控加工上應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)是通過檢測機(jī)床主軸的負(fù)載，運(yùn)用內(nèi)部的專家系統(tǒng)對(duì)采集的主軸負(fù)載信號(hào)和相應(yīng)的刀具及工件材料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)計(jì)算出機(jī)床最佳的進(jìn)給速率并應(yīng)用到數(shù)控加工過程中，從而大幅度提高生產(chǎn)效率，并在加工過程中穩(wěn)定、連續(xù)、自動(dòng)的控制進(jìn)給速率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的刀具保護(hù)功能。在加工過程中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以依據(jù)控制對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行學(xué)習(xí)和再學(xué)習(xí)，不斷地辨識(shí)模型參數(shù)并進(jìn)行修正。隨著生產(chǎn)過程的不斷繼續(xù)，模型會(huì)變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實(shí)際，最終將自身調(diào)整到一個(gè)最優(yōu)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加工過程的優(yōu)化。RM何曠 Al映訊LP圖1根據(jù)切削狀況變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刀具進(jìn)給率自適應(yīng)控制系統(tǒng)的主要功能OMAT自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣機(jī)床主軸負(fù)載變化，在較小載荷的情況下增大進(jìn)給速率，在較大載荷的情況下減少進(jìn)給速率，達(dá)到縮短加工周期、提高加工效率的目的。同時(shí)可以克服傳統(tǒng)加工刀具斷裂不可檢測和控制、刀具磨損靠手動(dòng)監(jiān)視、效率低等缺點(diǎn)。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制下，加工參數(shù)會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)地適應(yīng)刀具負(fù)荷和切削工況。如果加工中出現(xiàn)突發(fā)性事件造成超載（例如刀具或工件受到的沖擊、工件毛坯的直徑增加太大等），自適應(yīng)控制系統(tǒng)會(huì)把進(jìn)給速率自動(dòng)減小到內(nèi)部的專家系統(tǒng)所允許安全值,必要時(shí)強(qiáng)制機(jī)床停機(jī)。當(dāng)這些突發(fā)事件過去后，系統(tǒng)再把進(jìn)給速率增加到內(nèi)部的專家系統(tǒng)所允許的最大值，從而有效地保護(hù)刀具，減少刀具的磨損，進(jìn)而延長刀具的使用壽命。對(duì)刀具還有一些保護(hù)功能如：銃刀斷裂保護(hù)（報(bào)警并停機(jī)防止工件及后續(xù)刀具損壞）、深孔鉆道具斷裂保護(hù)（報(bào)警并停機(jī)）、刀具磨損監(jiān)控（數(shù)字顯示磨損量）、主軸過載保護(hù)（報(bào)警或停機(jī)）。自適應(yīng)控制系統(tǒng)還可以對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并將所有在切削過程中的性能數(shù)據(jù)（主軸切削負(fù)載、進(jìn)給率變化、刀具磨損量、加工工件數(shù)、切削時(shí)間等）統(tǒng)計(jì)起來實(shí)時(shí)生成加工情況報(bào)表，并輸出圖形、數(shù)據(jù)至Windows用戶界面，形成完整的機(jī)床檔案，供管理人員進(jìn)行評(píng)估、分析，從而輔助生產(chǎn)管理。典型應(yīng)用統(tǒng)計(jì):輪廓銃削省時(shí)約38%；銃槽省時(shí)約34%；3D銃面省時(shí)約37%；鉆孔省時(shí)約28%。如果每臺(tái)設(shè)備提高加工效率按30%?40%計(jì)算，那么安裝三部以色列OMAT優(yōu)銃控制器（優(yōu)化數(shù)控銃床加工的自適應(yīng)控制系統(tǒng)），就相當(dāng)于多出一臺(tái)數(shù)控機(jī)床或加工中心的加工率。據(jù)已有的國內(nèi)外使用數(shù)據(jù)計(jì)算，只需4?9個(gè)月即可收回用于購買OMAT產(chǎn)品的投資。在生產(chǎn)中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)在加工第一件工件時(shí)就學(xué)習(xí)對(duì)刀具磨損進(jìn)行監(jiān)測。在隨后的加工中，系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)刀具的狀況進(jìn)行監(jiān)測，并按刀具的當(dāng)前磨損程度占最大磨損程度的百分比來進(jìn)行顯示。隨著刀具的磨損，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的根據(jù)刀具磨損量，自動(dòng)計(jì)算出最佳的進(jìn)給速度，刀具磨損到一定程度時(shí)提醒操作者更換刀具。這樣一來數(shù)控程序員可以象在使用嶄新鋒利的刀具情況一樣設(shè)定進(jìn)給量。即自適應(yīng)控制器對(duì)刀具的磨損進(jìn)行補(bǔ)償。自適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)具有顯著提高加工效率的效果。一般來說，提高加工效率等于降低制造成本！綜上，保護(hù)刀具延長其使用壽命、保護(hù)機(jī)床減少停機(jī)時(shí)間、保護(hù)工件減少廢品出現(xiàn)等因素都可進(jìn)一步減少成本，縮短您的投資回報(bào)周期。OMAT自適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景OMAT自適應(yīng)控制系統(tǒng)因其效果顯著的實(shí)用性，現(xiàn)已被國外許多著名公司使用，女口Siemens、Turbinenwerke、ChevronAerospace、Boeing、GeneralElectric、MitsubisheMotors、ToshibaGE和ToyotaMotors等。國內(nèi)航空航天、紡織、家電等行業(yè)的知名企業(yè)也陸續(xù)使用該產(chǎn)品。交大昆機(jī)科技股份有限公司與以色列OMAT公司合作成功地將系統(tǒng)集成安裝于產(chǎn)品機(jī)床THM4680臥式加工中心的840D系統(tǒng)上，還做了大面工件切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，切削率提高約33%。這些已經(jīng)使用了OMAT數(shù)控優(yōu)化系統(tǒng)的企業(yè)已經(jīng)獲得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制系、上海交通大學(xué)航空航天信息與控制研究所和新疆獨(dú)山子石化公司計(jì)量檢測中心共同設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制器設(shè)計(jì)也是自適應(yīng)控制系統(tǒng)的很好說明?；诶钛牌罩Z夫穩(wěn)定性理論與動(dòng)態(tài)逆方法,將自適應(yīng)魯棒控制與連續(xù)監(jiān)督控制策略應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中,用來補(bǔ)償摩擦非線性、參數(shù)不確定性以及模型不確定性的影響,能顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能魯棒性.對(duì)該方法進(jìn)行了理論分析并與基于擾動(dòng)觀測器的控制器進(jìn)行了對(duì)比仿真,仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性.。四川工業(yè)學(xué)院數(shù)控研究所的數(shù)控機(jī)床速度伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制研究也是自適應(yīng)控制系統(tǒng)其中之一，速度伺服系統(tǒng)的質(zhì)量和性能在很大程度上影響數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量和性能。目前國內(nèi)大多數(shù)數(shù)控機(jī)床中CNC與速度伺服單元都是通過模擬量相聯(lián)。我們通過對(duì)FAGOR-8025及MTC-2M的測試*,檢測到在CNC的模擬輸出電壓上存在較強(qiáng)干擾,它使電機(jī)產(chǎn)生顫動(dòng),在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生速度波動(dòng),在零位時(shí)顫動(dòng)較嚴(yán)重。另外還實(shí)測了這些系統(tǒng)的速度死區(qū)，對(duì)于FAGOR-8025,其速度死區(qū)高達(dá)0~05r/min,有的系統(tǒng)還更高。參數(shù)漂移也是一個(gè)較普遍現(xiàn)象。這一切都嚴(yán)重影響數(shù)控機(jī)床的精度。為了確定采取什么控制方式更合理,我們?cè)鴮?duì)PID控制與模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）作過對(duì)比，認(rèn)為采用后者能解決問題。如果采用MRAC方法，特別是要付諸于應(yīng)用，必須考慮兩個(gè)重要因素。第一個(gè)因素是關(guān)于高階狀態(tài)變量識(shí)別，一些文獻(xiàn)介紹的某些方法都較復(fù)雜［2］。我們采用一種比目前常用的加濾波器的方法或其他方法更簡單和更容易實(shí)現(xiàn)的方法,把該法移植到電機(jī)伺服系統(tǒng)中取得良好果。第二個(gè)因素即MRAC的魯棒性問題，我們從工程應(yīng)用的目的對(duì)此進(jìn)行了研究。由于在伺服系統(tǒng)中有界擾動(dòng)是一個(gè)比較突出的問題，如采用MRAC方法。由于純積分作用會(huì)產(chǎn)生參數(shù)漂移而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。在數(shù)控機(jī)床調(diào)速系統(tǒng)中相對(duì)于未建模動(dòng)態(tài)而言,有界擾動(dòng)是一個(gè)更突出的問題。當(dāng)存在外界擾動(dòng)時(shí),前面的自適應(yīng)算法不具有穩(wěn)定魯棒性,這是因?yàn)榧兎e分作用,將引起嚴(yán)重的參數(shù)漂移?？紤]到這一點(diǎn),如果對(duì)自適應(yīng)算法中的積分算法作適當(dāng)修改,則可以解決這一問題。相信隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，自適應(yīng)加工技術(shù)一定會(huì)得到廣泛應(yīng)用，為中國制造業(yè)企業(yè)帶來突飛猛進(jìn)的發(fā)展。上述只是現(xiàn)代數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展的幾個(gè)典型說明，說明自適應(yīng)控制系統(tǒng)的技能獨(dú)特之處和成長趨向。事實(shí)上，最近幾年來現(xiàn)代數(shù)字控制系統(tǒng)的技能成長遠(yuǎn)不止這些，個(gè)別公司數(shù)字控制系統(tǒng)的技能各有其獨(dú)特之處。了解和掌握國外進(jìn)步先輩的數(shù)字控制技能，對(duì)我國數(shù)字控制技術(shù)發(fā)展的成長至關(guān)重要，只有不停地學(xué)習(xí)進(jìn)步，標(biāo)新立異，我國的數(shù)字控制技能和數(shù)字控制技術(shù)發(fā)展才可能走在世界的列。參考文獻(xiàn)[1]黎亞元兩相交流伺服電機(jī)自適應(yīng)研究[C]計(jì)算機(jī)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用國際學(xué)術(shù)會(huì)議(CIMI92)論文集上海:1992[2]韓曾嚴(yán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983[3]李清泉自適應(yīng)控制[M] 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