自適應(yīng)控制系統(tǒng)在數(shù)控機床上應(yīng)用

　　1、問題的提出

　　現(xiàn)在普遍地，數(shù)控機床在加工過程中都維持一個固定不變的進給速率，這個進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)定這個進給速率，但實際上這種工況或許只占整個工序的5%。那么如何提高數(shù)控機床的加工效率，優(yōu)化刀具進給量，同時又能自動保護機床的主軸系統(tǒng)和昂貴的刀具不受損壞已經(jīng)成為終端用戶和機床制造廠家十分關(guān)注的問題。為了解決這個問題以色列OMAT公司將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控機床上，研發(fā)了成熟的產(chǎn)品――OMAT數(shù)控機床自適應(yīng)系統(tǒng)，并已經(jīng)在全球廣泛應(yīng)用。

　　2、工作原理

　　自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控加工上，是通過檢測機床主軸的負(fù)載，運用內(nèi)部的專家系統(tǒng)對采集的主軸負(fù)載信號和相應(yīng)的刀具及工件材料數(shù)據(jù)進行分析處理，實時計算出機床最佳的進給速率并應(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)、自動的控制進給速率，同時實現(xiàn)動態(tài)的刀具保護功能（如圖1所示）。

圖1 根據(jù)切削狀況變化實時調(diào)節(jié)刀具進給率

　　在加工過程中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以依據(jù)控制對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，進行學(xué)習(xí)和再學(xué)習(xí)，不斷地辨識模型參數(shù)并進行修正。隨著生產(chǎn)過程的不斷繼續(xù)，模型會變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近于實際，最終將自身調(diào)整到一個最優(yōu)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)加工過程的優(yōu)化。

　　3、主要功能

　　1） 大幅提高加工效率

　　OMAT自適應(yīng)控制系統(tǒng)實時采樣機床主軸負(fù)載變化，在較小載荷的情況下增大進給速率，在較大載荷的情況下減少進給速率，達(dá)到縮短加工周期、提高加工效率的目的。

　　2） 保護刀具、機床、工件不受損害

　　傳統(tǒng)加工刀具斷裂不可檢測和控制、刀具磨損靠手動監(jiān)視、效率低。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制下，加工參數(shù)會實時自動地適應(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)會把進給速率自動減小到內(nèi)部的專家系統(tǒng)所允許安全值，必要時強制機床停機。當(dāng)這些突發(fā)事件過去后，系統(tǒng)再把進給速率增加到內(nèi)部的專家系統(tǒng)所允許的最大值，從而有效地保護刀具，減少刀具的磨損，進而延長刀具的使用壽命。

　　OMAT自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有下列保護功能：

　　銑刀斷裂保護（報警并停機防止工件及后續(xù)刀具損壞）
　　深孔鉆道具斷裂保護（報警并停機）
　　刀具磨損監(jiān)控（數(shù)字顯示磨損量）
　　主軸過載保護（報警或停機）

　　3） 實時監(jiān)控、記錄切削加工狀況

　　自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以對數(shù)控加工過程進行實時的監(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、進給率變化、刀具磨損量、加工工件數(shù)、切削時間等）統(tǒng)計起來實時生成加工情況報表，并輸出圖形、數(shù)據(jù)至Windows用戶界面，形成完整的機床檔案，供管理人員進行評估、分析，從而輔助生產(chǎn)管理。這些數(shù)據(jù)還可以存儲在硬盤供以后查閱存檔。

　　4、顯著效果

　　提高加工效率等于降低制造成本！典型應(yīng)用統(tǒng)計：輪廓銑削省時約38%；銑槽省時約34%；3D銑面省時約37%；鉆孔省時約28%。如果每臺設(shè)備提高加工效率按30%～40%計算，那么安裝三部以色列OMAT優(yōu)銑控制器（優(yōu)化數(shù)控銑床加工的自適應(yīng)控制系統(tǒng)），就相當(dāng)于多出一臺數(shù)控機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)計算，只需4～9個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就學(xué)習(xí)對刀具磨損進行監(jiān)測。在隨后的加工中，系統(tǒng)繼續(xù)對刀具的狀況進行監(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行顯示。隨著刀具的磨損，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r的根據(jù)刀具磨損量，自動計算出最佳的進給速度，刀具磨損到一定程度時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)定進給量。即自適應(yīng)控制器對刀具的磨損進行補償。

　　綜上，保護刀具延長其使用壽命、保護機床減少停機時間、保護工件減少廢品出現(xiàn)等因素都可進一步減少成本，縮短您的投資回報周期。

　　5、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)因其效果顯著的實用性，現(xiàn)已被國外許多著名公司使用，如Siemens、Turbinenwerke、Chevron Aerospace、Boeing、 General Electric、Mitsubishe Motors、Toshiba GE和Toyota Motors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)品機床THM4680臥式加工中心的840D系統(tǒng)上，還做了大面工件切削對比實驗，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)濟效益。

　　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)一定會得到廣泛應(yīng)用，為中國制造業(yè)企業(yè)帶來突飛猛進的發(fā)展。