数控加工自适应控制研究与应用状况及关键技术

在自适应控制应用于CNC系统以前，工艺参数，如主轴速度、进给速度等是由零件的程序员预先规定，因而他们的经验和知识决定了所选工艺参数的优劣。为了保护刀具和机床，即使在最有利的条件下，零件程序编制员也偏向于选择保守的工艺参数，这当然会降低系统的加工速度。随着集成电路技术的迅速发展和人们对加工效率与加工质量要求的日益提高，50年代末60年代初开始了数控加工过程自适应控制的研究。

可以这样来定义自适应控制系统：一个自适应控制控制系统需要测量控制系统的某一性能指标，根据期望性能指标和被测量的性能指标之间的偏差，自适应机构修改可调调节器的参数或控制信号，以便系统的性能指标保持在所期望的范围内。一个常规的反馈控制系统能减小作用在被调变量上的扰动作用，但是它的动态性能在参数扰动作用时将要发生变化。一个自适应控制系统除了含有一个可调参数调节器的反馈回路外，还有一个涉及调节器参数的附加回路，为的是在出现过程参数变化时保持系统的性能。这个附加回路也是一个反馈结构，其中被控变量就是控制系统本身的性能。

1数控系统自适应控制研究概况数控机床的自适应控制系统可以分为两大类：最优化自适应控制（AC0）和约束自适应控制（ACC）。ACO是指系统中一个或几个给定的性能指标（一般为经济型指标）受过程和系统的约束条件（如允许的最大切削力等）支配。虽然在开发ACO系统方面曾经进行了大量的研究，但是由于无法在线测量刀具的磨损，导致不可能建立足够精度的加工过程模型和优化指标模型，加上缺1数控系统自适应控制的研究结合自适应控！“lis电流和功率来间接测量切削力的方法做了详细的。netbookmark3乏在线优化鲁棒算法，因此，到目前为止ACO系统仅在不需要测量刀具磨损的磨削加工和电火花加工中得到应用。STC是和MRAC同步发展的一种模型自适应控制系统。STC系统利用过程的输入和输出实时地估计（辨识）一个模型用以代替过程模型。STC具有两个主要功能：在线辨识切削过程参数和实时控制。由于模型是在线辨识的，可以抑制不确定因素对系统控制性能的影响。智能自适应控制系统，变结构控制15，耦合控制（CCC）、zpetc和ikf等。但是目前的商用数控系统中一直采用的却是”古老“的PID加前馈控制，究其原因，实际上十分明显：因为这些‘优秀”伺服控制算法的基础是基于“过程模型”的。虽然当受控对象（机床）发生不可知的变化时，如切削力增大、温度变化等，常规的反馈控制系统本身具有抗干扰、抗参数变化的能力，但是这种能力要求系统参数的变化范围不超过一定限度而且这种能力是以损失加工精度为代价，即这种能力本身是有限的。

高速数控加工要求的精度更高，对数控系统的参数变化范围限制显然要更加严格，如果继续采用限制机床加工范围的措施得到满足精度要求的设计，就很难提高高速切削的应用范围和发挥实时检测出数控系统的参数变化并修正控制器参数的自适应控制必然成为高速数控加工广泛应用的保证。高速数控系统自适应控制的实用化研究成为当前必然的研究焦点。

目前，高速切削自适应控制的研究主要可以分为以下几个方面：自适应控制的集成系统研究机床数控系统逐渐由分散控制走向集成控制。最有代表性的发展是数控机床的结构模块化和逐步走向市场的基于IPC的开放式数控系统。

数控系统的集成化研究和应用是目前热点和前沿之一，国内外很多大公司在这方面花费了大量人力和物九而且势头有增无减。如：SIMENS、FUNAC、CINCINNATI等国外巨头和华中数控、沈阳蓝天等国内较有实力的数控公司。

目前已经取得了很多进展，但在自适应控制的集成研究方面显然较少。目前，切削载荷自适应控制应用于数控机床的控制器大部分是外挂形式，如以色列的OMAT等，即自适应控制器不是数控机床的有机组成部分，机床数控系统一般不含有载荷和其它加工动态参数的自适应控制器。外挂式自适应控制器一般为通用性，没有考虑机床的实际状况和性能特点，因此，控制结果的优化程度是很有限的。另外这样的控制器只能通过进给速率倍率开关改变进给速度，由于受倍率寄存器位数的限制，只能有级调节，精度无法满足高速切削的要求。因此，高速切削自适应控制的研究目标是依据集成化的思想，将多样化（指适合不同切削类型，如粗加工、精加工等）自适应控制集成设计在数控系统之中，得到更适合于高速加工的切削状况：均匀的切削力和更平滑、更高的切削速度，使系统控制性能得到优化。

粗精合一加工自适应控制研究高速切削的高速、高效精度特点的优符合控系统控制要求的前//必须Muetbookmark4随着高速数控机床电主轴功率的提高，适用于高速切削的刀具材料的日益广泛应用，机床各部件和整体刚度的增大（如采用大理石床身）以及数控系统鲁棒性和稳定性的提高，大功率的高速切削机床在加工常用金属时可以不需要精加工和半精加工而将直接精加工，一次将毛坯切削到所需的表面精度和尺寸要求，这里定义这种高速切削方式为“粗精合一”加工。此时切削力的均匀性和进给速度的均匀性需要同时考虑，这是对高速数控加工提出新的课题。“粗精合一”加工可以大幅度提高高速切削的加工效率，是高速切削发展必然追求的目标。因此要求高速数控控制系统在（3）另外，开发适合数控机床应用的切削力传感器，研究快速、稳定性高、适应性全面的自适应控制算法也将是目前数控系统自适应控制的研究关键问题之一。

4结束语数控系统的自适应控制研究虽然已经比较广泛，但与数控系统的结合还远未达到统一，而且差距还很大，导致数控系统的自适应控制应用还相当不完善。依据成熟的自适应控制理论，进一步研究适用数控系统，特别是高速数控的集成自适应控制系统是数控系统自适应控制真正走向实用的重要保证。