宋福田，杜廣

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266061）

機械加工中的自適應(yīng)控制技術(shù)

宋福田，杜廣

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266061）

自適應(yīng)控制技術(shù)是實現(xiàn)自適應(yīng)機械加工的重要基礎(chǔ)。研究分析了自適應(yīng)控制技術(shù)的工作原理，闡述了自適應(yīng)控制技術(shù)的分類及發(fā)展，并提出了自適應(yīng)控制技術(shù)有待于解決的問題。

自適應(yīng)控制；機械加工；自適應(yīng)加工

隨著機械加工制造系統(tǒng)的集成度和自動化水平的提高，自適應(yīng)加工技術(shù)基于傳統(tǒng)加工的特點逐漸發(fā)展起來[1，2]，它將精密數(shù)控機床和精密測量設(shè)備有效集成，對整個加工過程的質(zhì)量進行檢測及監(jiān)控，實現(xiàn)了“加工”—“測量”—“補償加工”閉環(huán)控制，已經(jīng)成為保證零件加工質(zhì)量的重要手段。

自適應(yīng)控制，其含義是：在加工系統(tǒng)或者加工環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)仍然能夠自我調(diào)整加工過程，并按照預(yù)期目標(biāo)完成整個加工過程，這種對加工系統(tǒng)或者加工環(huán)境變化具有自我調(diào)節(jié)能力的控制技術(shù)即為自適應(yīng)控制技術(shù)。早在20世紀(jì)50年代末期，自適應(yīng)控制技術(shù)開始發(fā)展，主要包括模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)和自校正控制技術(shù)兩個分支[1]。自70年代，由于計算能力的飛速提高和對控制理論的更深刻的研究，自適應(yīng)控制無論是在理論上還是在應(yīng)用上都取得了很大的進展，已廣泛應(yīng)用于飛機控制、導(dǎo)彈控制、過程控制等方面，同樣也在機械加工過程中得到廣泛的應(yīng)用，如復(fù)雜曲面、復(fù)雜型腔、焊接、熱處理等，并且取得了良好的經(jīng)濟效益。因此，本文對自適應(yīng)控制技術(shù)的原理及應(yīng)用等進行了研究。

1 自適應(yīng)控制技術(shù)的基本原理

自適應(yīng)控制技術(shù)的基本原理如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)控制的基本原理

首先將數(shù)據(jù)進行輸入，然后通過調(diào)節(jié)器并進入時變時滯過程，同時對系統(tǒng)進行參數(shù)識別，隨后將輸出的數(shù)據(jù)與初始設(shè)定值（即理想值）進行實時比較，根據(jù)比較的結(jié)果，調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)、修正參數(shù)模型，進而完成自適應(yīng)控制過程。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)需具備的主要功能有：

（1）能夠?qū)崟r測量性能指標(biāo)或能夠?qū)崟r辨識加工對象的動態(tài)特性。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)選擇控制過程修改的算法法則。

（3）能夠?qū)崟r調(diào)整控制器的控制參數(shù)。

目前，自適應(yīng)控制技術(shù)可分為MRAC（即模型參考自適應(yīng)控制）和MFAC（無模型自適應(yīng)控制）兩類[3]。如果受控對象已知，但參數(shù)未知，可采用MRAC控制，該方法的基本思想是：

首先將受控對象由微分方程進行表示：

其中，u為輸入控制，F(xiàn)o為輸出。若需要閉環(huán)系統(tǒng)，則輸入輸出特性為：

其中，I為參考輸入，假設(shè)用Fs（t）表示該系統(tǒng)的輸出，則有：

設(shè)受控對象的參數(shù)a0和b0已知，且有b0≠0，且選擇控制器的參數(shù)k1、k2可由下式表示：

進而可得到：

自適應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則就是運用已有數(shù)據(jù)進行在線調(diào)節(jié)，使之逐漸逼近標(biāo)稱值k1、k2.

2 自適應(yīng)控制技術(shù)的分類

世界上第一臺自適應(yīng)控制系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代初美國Bendix公司研制的自適應(yīng)控制銑床，此后各種應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)的機床得到快速發(fā)展?？偟膩碇v，目前自適應(yīng)控制技術(shù)可分三大類[3-10]：

（1）自適應(yīng)控制技術(shù)（AC）

該控制技術(shù)又可細分為約束型自適應(yīng)控制技術(shù)（ACC）和優(yōu)化型自適應(yīng)控制技術(shù)（ACO）。前者以切削狀態(tài)為目標(biāo)，以實現(xiàn)切削用量最大化；后者以使切削過程為目標(biāo)，已實現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。

（2）人工自適應(yīng)控制技術(shù)（MAC）

該技術(shù)的控制過程是：在加工過程中，由操作者人工檢測和采集加工過程中的狀態(tài)信號，并將采集的數(shù)據(jù)傳入計算機（或可編程控制器）中，根據(jù)切削過程的數(shù)學(xué)模型以及操作者個人經(jīng)驗得出調(diào)整信號，再由人工將調(diào)整信號輸入給機床以實現(xiàn)自適應(yīng)控制。

（3）準(zhǔn)適應(yīng)控制（QAC）

該技術(shù)的控制過程是：由計算機自動檢測和采集加工過程中的狀態(tài)信號，并進行數(shù)據(jù)處理、計算，從而得到調(diào)整信號，然后由操作者個人經(jīng)驗進行調(diào)控、修正調(diào)整信號，再反饋給機床。該技術(shù)與自適應(yīng)控制技術(shù)基本一致，但缺乏實時性。

3 自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用

某廠采用Delcam PowerINSPECT NC PartLocator，這是一自適應(yīng)加工模塊，可用于零件的自適應(yīng)加工及工件和夾具精確定位，是DELCAM集近三十年制造業(yè)軟件開發(fā)和應(yīng)用的豐富經(jīng)驗推出的最新產(chǎn)品。

進行自適應(yīng)加工時，可首先使用PowerINSPECT進行離線編程，制定出零件或毛坯的位置測量方案和次序，通過在零件或毛坯上測量出的這些位置點數(shù)據(jù)，即可計算出零件或毛坯在機床上的精確位置，然后將這些數(shù)據(jù)輸入到NC Partlocator.NC Partlocator，將對比產(chǎn)生PowerMILL刀具路徑的名義位置和工件在機床上的實際位置，自動移動或旋轉(zhuǎn)刀具路徑原點位置，從而使刀具路徑和工件對齊并將結(jié)果輸出到機床控制器。這樣經(jīng)幾分鐘對零件進行簡單裝夾定位后，系統(tǒng)即可實時自動對齊定位NC刀具路徑，從而幫助機床操作人員快速準(zhǔn)確地進行工件的重復(fù)裝夾定位，節(jié)省時間，提高定位精度，減少昂貴夾具的需要，節(jié)省資金。其具體過程如下：

（1）校準(zhǔn)測頭座和測頭（圖2）.

圖2 測頭校準(zhǔn)

（2）在PowerINSPECT中編輯檢測路徑，在機床上精確定位零件（圖3）.

圖3 編輯檢測路徑

（3）輸出及執(zhí)行NC程序（圖4）.強大的擬合算法可精確對齊零件并準(zhǔn)確地將對齊定位結(jié)果輸出到機床控制器或是外部應(yīng)用程序。

圖4 執(zhí)行檢測程序

（4）計算結(jié)果數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報告，從而得到比手工設(shè)置更穩(wěn)定的輸出結(jié)果。

（5）根據(jù)檢測報告加工零件（圖5）.

圖5 零件加工

（6）執(zhí)行檢測，即重復(fù)步驟1~4，可減少零件變動和裝夾次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)力。

4 結(jié)束語

近年來，基于自適應(yīng)控制技術(shù)，自適應(yīng)加工在機械加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過自適應(yīng)加工系統(tǒng)，實現(xiàn)了對加工產(chǎn)品質(zhì)量的實時控制，減少了檢測過程中機床操作員的人為錯誤，實現(xiàn)全程序無人干預(yù)，減少問題產(chǎn)品流入到下一加工階段的機率，同時提高了加工效率，加強了對生產(chǎn)過程質(zhì)量的控制，較好地節(jié)省加工時間和精力。

[1]胡俊達，胡慧，自適應(yīng)控制技術(shù)在數(shù)控與組合機床中的應(yīng)用，組合機床與自動化加工技術(shù)，2004（11）：73-75.

[2]孔建，姜超，馬述塨，等.自適應(yīng)控制技術(shù)在機械加工制造業(yè)中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報，2012，25（6）：37-40

[3]郭濤，王巍.自適應(yīng)控制方法研究與發(fā)展[J].安陽師范學(xué)院學(xué)報，2009（5）：81-84.

[4]Procyk T J.A linguistic self-organizing process controller[J]. Automatica，1979，15（1）：15-30.

[5]Shao S.Fuzzy self-organizing controller and its application for dynamic processes[J].Fuzzy Sets and Systems，1988，26（1）：151-164.

[6]Rhee F V D，Vander Rhee F，et al.Knowledge based fuzzy control of systems[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1990，35（2）：148-155.

[7]Linkens D A，Nie J.Constructing rule-bases for multivariable fuzzy control self-learning，Part I，system structureand learning algorithms[J].International Journal of SystemsSciences，1993，24（1）：117-127.

[8]Rhee F V D，Linkens D A.Constructing rule-bases for multivariable fuzzy control self-learning，Part II：rule-base formation and blood pressure control application[J].International Journal of Systems Sciences，1993，24（1）：129-157.

[9]Layne J R，et al..Fuzzy model reference learning control for cargo ship steering[J].IEEE Control System，1993，13（5）：23-24.

[10]戴忠達.一種改進的模糊控制器及其應(yīng)用[J].自動化學(xué)報，1990，16（3）：258-261.

Adaptive Control Technology in Machining

SONG Fu-tian，DU Guang
（China Qingdao Sifang locomotive Limited by Share Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266061，China）

Adaptive control technology is an important basis for adaptive machining.In this paper，the working principle of adaptive control technology is analyzed，and the classification and development of adaptive control technology are described.

adaptive control；machining；adaptive machining

TP273.2

A

1672-545X（2017）06-0091-03

2017-03-07

宋福田（1980-），男，遼寧遼陽人，高級工程師，本科，主要從事鋁合金高速加工方面的研究。