阅读说明：本技术 一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法 (self-adaptive control processing method with constant spindle power as target ) 是由 *** 薛文璞 宋世毅 田朝阳 何兵 高鸣 张雷雷 王合增 王裕喆 温留伟 王雷 于 2019-08-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法,以加工过程中主轴功率恒定为目标,通过改变进给速度控制主轴功率,进给速度调节量Δf的计算公式简单,利用实验对目标功率差值ΔP、进给速度f、转速S、径向切深d、轴向切深a<Sub>p</Sub>与进给速度调节量Δf的公式进行拟合,利用采集系统实时获取上述加工参数,将加工参数传递至控制系统中,在控制系统中对加工需要调节速度Δf进行计算,调节进给速度f,保证对工件的恒功率加工,算法公式简单、运算时间短,更容易嵌入到西门子、FANUC等通用的数控系统中,且无需外加设备,利用系统自带的PLC和CNC便可以搭建,具有良好的移植性能,可以实现在高精度加工过程中的自适应控制。(the invention relates to a self-adaptive control processing method taking constant main shaft power as a target, the main shaft power is controlled by changing the feeding speed in the processing process, the calculation formula of the feeding speed regulating quantity delta f is simple, the formula of a target power difference value delta P, the feeding speed f, the rotating speed S, the radial cutting depth d, the axial cutting depth ap and the feeding speed regulating quantity delta f is fitted by using an experiment, the processing parameters are obtained in real time by using an acquisition system, the processing parameters are transmitted to a control system, the processing speed delta f needing to be regulated is calculated in the control system, the feeding speed f is regulated, the constant power processing of workpieces is ensured, the algorithm formula is simple, the operation time is short, the self-contained PLC and the CNC of the system can be built without additional equipment, the method has good transplanting performance and can realize self-adaptive control in the high-precision machining process.)

一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法

技术领域

本发明涉及精密加工技术领域，具体涉及一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法。

背景技术

自适应控制系统是根据控制对象本身参数或周围环境的变化，自动调整控制器参数以获得满意性能的自动控制系统，自适应控制通常包括识别对象的动态特性、在识别对象的基础上采取决策、以及根据决策指令改变系统动作，自适应控制与常规的反馈控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，不同的是，自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。

在机床加工领域使用自适应控制，能够在工件材料、刀具等随时间变化的情况下，获得更大的工艺稳定性。传统的自适应控制方法，通常是采用自搭建数控系统，或者外加采集设备以及控制设备对数控系统的加工参数进行控制，达到主轴功率恒定或切削力恒定的目的，以此保护刀具和提高加工效率，目前自适应控制方法一般使用在开发式数控系统或者自搭建数控系统中，这些控制系统难以达到复杂零件精加工效果，已有的自适应控制方法难以嵌入到FANUC 及西门子数控系统中。

例如，文献一：“基于直线电机伺服系统的数控铣削自适应控制系统的数学建模”(胡蒲希，钱炜，陈靖菲.科学技术与工程，2011，11(4):838-840)，该文献中利用外加采集设备和控制设备对数控系统的加工参数进行控制，可以利用复杂算法对控制量进行运算，然而由于自搭建数控系统一般联动精度不高，并且利用自搭建采集设备和控制设备对已有机床进行进给量控制会影响已有机床的精度，要达到在高精度复杂形状工件上实现自适应控制比较困难。

文献二：“基于模糊小波神经网络的加工过程自适应控制”(赖兴余，鄢春艳，叶邦彦，等.工具技术，2008，42(4):71-74.)，该文献将模糊控制的定性知识表达能力与小波分析优异的局部控制性能和神经网络的定量学***台中，加工精度低，嵌入性较差的缺点。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法，本发明提供的自适应控制加工方法由于算法公式简单，运算时间短，响应速度快，相比现有技术，更容易嵌入到西门子、FANUC等通用的数控系统中，且无需外加设备，利用系统自带的PLC和CNC便可以搭建，具有良好的移植性能，可以实现在高精度加工过程中的自适应控制。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法，包括以下步骤：

S1、进行铣削实验，选取工件和刀具，在刀具允许的范围内设计至少 200组间隔均匀的实验参数，包括轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深 d、以及目标变化功率ΔP，然后根据所设计的实验参数进行铣削实验，并采集记录每组实验参数对应的进给速度调节量Δf；

S2、根据步骤S1实验采集的数据进行线下公式拟合，进给速度调节量Δf与目标功率差值ΔP、进给速度f、转速S、径向切深d、轴向切深a_p之间的计算公式如下：

Δf＝C₁+C₂ΔP+C₃f+C₄S+C₅d+C₆a_p (1)

通过最小二乘法对上述公式中的系数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆进行辨识；

S3、进行铣削加工，在加工过程中采集记录主轴功率值，并限定主轴功率变化范围；

S4、当主轴功率超出主轴允许功率变化范围时，通过公式(1)计算进给速度调节量Δf，采用分段铣削策略对进给速度f进行调整，保证对工件的恒功率加工；

S5、对加工工艺参数进行积累，根据积累的数据，利用步骤S2中的方法重新计算公式(1)新的系数值，然后按照步骤S4的方法对加工参数进行调整。

进一步地，步骤S1的具体步骤如下：

S1.1、实验开始前将工件上表面进行铣削，使其平行于工作台平面，保证实验切深准确性；

S1.2、根据刀具厂商给定的刀具在切削某种工件时的合理切削速度、单齿进给量以及轴向切深、径向切深，在合理范围内设计至少200组间隔均匀的轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率ΔP；

S1.3、根据所设计的至少200组实验参数进行铣削实验，当刀具以恒定进给速度f、恒定转速S、以及恒定轴向切深a_p切入工件时，切削至稳定阶段时，记录机床控制面板所示功率百分比P₀，功率百分比P₀为主轴电机当前功率值与主轴电机总功率值的比值；

S1.4、在每组实验的铣削稳定阶段，调节机床进给倍率旋钮，调节进给速度f，使功率变化量达到实验预设参数ΔP，并记录下进给速度调节量Δf。

进一步地，步骤S2确定公式系数C1、C2、C3、C4、C5、C6的具体方法为：

设立目标函数

l＝(Δf-Δ'f)² (2)

其中Δf′为每组实验中实际调节的进给速度变化量，Δf为将实验数据：轴向切深轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率ΔP 代入公式(1)后计算得出的结果，当公式(2)的目标函数l取得极小值时，则公式(1)的模型预测结果得到的Δf与实验结果Δf′最为贴近，计算下述公式(3)：

将实验数据：轴向切深轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率△P代入公式(3)中，求得C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆六个系数。

进一步地，步骤S3具体为：

S3.1、利用机床PLC快速返回主轴功率参数及各进给轴速度参数，并在控制轴运动的数控系统上进行显示；

S3.2、在铣削过程中，利用热像仪对工件与刀具接触点进行拍照，根据加工工件过程中，工件与刀尖点接触温度范围，设定热像仪温度档位，记录铣削过程中温度对应的主轴功率值；

S3.3、利用Ansys热变形分析进行仿真，建立不同材料及不同直径刀具的刀尖形变与铣削温度的关系，在仿真模型中在刀尖位置加载接触温度范围内的切削温度，采集刀尖点的形变情况，根据刀尖形变范围为±5μm时，限定切削温度范围，根据仿真中得出的切削温度范围以及S3.2中实验结果，限定主轴功率变化范围。

进一步地，步骤S4具体包括下述步骤：

S4.1、设定机床PLC采集主轴功率，判断主轴功率是否超出步骤S3中设定范围，当主轴功率超出主轴允许功率范围时，根据需调节功率△P及目前切削工艺参数，利用步骤S2中公式(1)计算进给速度调节量Δf；

S4.2、采用分段铣削策略，对进给速度f进行调整，即将一段行程分成多段子行程进行加工，每一段子行程均对加工过程中的进给速度进行修改一次，每段子行程走尽量短的行程，设定响应时间t及变速段行程x，df为每段子行程的速度变化量：

利用公式(4)计算每段子行程的速度变化量df，根据df对进给速度f 进行修改。

进一步地，步骤S5的具体过程为，

S5.1、在加工工位附近设立加工数据参数记录平台，对每个工件加工过程中主轴功率、工件材料、刀具材料数据进行录入，将所记录的加工参数及数据传送至工厂服务器，建立工艺参数轴向切深轴向切深a_p、转速S、进给速度f、径向切深d、主轴功率以及工件材料牌号及刀具材料牌号的服务器数据库；

S5.2、在服务器数据库中，根据转速S、轴向切深a_p以及径向切深d、工件材料、刀具材料对数据进行分类，将相同轴向切深a_p、转速S、径向切深 d以及工件材料牌号和刀具材料牌号的数据分为一个集合，并计算每类别数据中两两数据间的Δf以及ΔP；

S5.3、将各项工艺参数及Δf、ΔP代入到公式(1)中，利用步骤S2中提到的最小二乘法重新计算新的系数值，并按照步骤S4中的方法对加工参数进行调整。

有益效果：

1、本发明提出一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法，以加工过程中主轴功率恒定为目标，通过改变进给速度控制主轴功率，进给速度调节量Δf的计算公式简单，利用实验对目标功率差值ΔP、进给速度f、转速S、径向切深d、轴向切深a_p与进给速度调节量Δf的公式进行拟合，利用采集系统实时获取上述加工参数，将加工参数传递至控制系统中，在控制系统中对加工需要调节速度Δf进行计算，调节进给速度f，保证对工件的恒功率加工。该种自适应控制加工方法公式简单、算法运算时间短，相比较其他方法，更容易嵌入到西门子、FANUC等通用的数控系统中，且无需外加设备，利用系统自带的 PLC和CNC便可以搭建，具有良好的移植性能，可以实现在高精度加工过程中的自适应控制。

2、该方法可以在铣床加工过程中通过目标功率差值ΔP、进给速度f、转速S、径向切深d、轴向切深a_p，在控制系统中计算出进给速度需调节量Δf，保证主轴功率P保持在用户要求功率范围内。通过这种方法在铣削工件过程中遇到加工硬点时可以自适应降低进给速度，可以保护刀具不受加工过程中的突增功率的影响，避免刀具受到磨损，同时又可以在功率过小的情况下调节进给速率，提高加工效率。

3、本发明在调节进给速度时采用分段铣削策略，既保证了响应速度，又保证进给速度的渐变，以保护进给机构。

附图说明

图1为本发明的控制流程示意图；

图2为刀具铣削工件实验中各项参数示意图；

图3为机床控制面板显示图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明提出了一种以主轴功率恒定为目标的自适应控制加工方法，通过改变进给速度控制主轴功率，以此保护刀具并提高加工效率。

本发明以加工过程中主轴功率恒定为目标，利用实验对目标功率差值ΔP、进给速度f、转速S、径向切深d、轴向切深a_p与进给速度调节量Δf的公式进行拟合，利用采集系统实时获取上述加工参数，将加工参数传递至控制系统中，在控制系统中对加工需要调节速度Δf进行计算，调节进给速度f，保证对工件的恒功率加工。

本发明的控制流程如图1所示，首先需要对不同参数组下的轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率ΔP与进给速度调节量Δf进行实验采集，然后经线下辨识系统，根据采集的实验数据建立回归方程，对本发明自适应控制过程中采用的算法公式的系数进行识别，之后将建立的算法公式存入数控系统的寄存器中，即将算法嵌入到数控系统中，寄存器与机床控制系统连接，加工过程中，功率采集系统采集机床主轴功率并寄存到寄存器中，控制系统读取功率值并与限定的功率变化范围进行比对，判断功率是否超出范围，如果超出范围，则根据加工参数和算法公式计算所需要的进给速度调节量Δf，对进给速度进行修改，通过控制进给速度达到功率恒定的目的，加工的同时，还积累加工过程中的各项工艺参数，并传送到加工数据数据库中，根据加工数据数据库中的参数通过线下辨识系统重新计算算法公式系数值，然后再将更新过的公式存入控制系统，按照前述方法对进给速度进行调整。

本方法的技术关键在于对轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深 d、以及目标变化功率ΔP与进给速度调节量Δf之间的公式进行建立，在机床使用算法之前首先需对该算法公式系数进行识别，需要对不同参数组下的轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率△P与需调节进给速度量Δf进行实验采集，本发明的具体方法步骤如下。

步骤S1、利用工件进行铣削实验，如图2所示，实验用工件为长 200mm宽200mm、高170mm的灰铸铁，实验用立铣刀直径为16mm，具体实验步骤如下：

步骤S1.1、实验开始前以0.5mm切深将工件上表面进行铣削，使其平行于工作台平面，保证实验切深准确性。

步骤S1.2、根据刀具厂商给定的刀具在切削某种工件时的合理切削速度、单齿进给量以及切深、径向切深，例如，实验用ISCAR刀具MM EFS080B05- 4T05在切削含碳量小于0.25％的钢件时，刀具厂商给定的合理切削速度为260- 280m/min，刀具有效切削长度为35mm，切深应小于等于35mm，在其允许范围内设计200组间隔均匀的实验参数：轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率△P；本实验使用铣刀直径为16mm，刀具有效切削长度35mm，合理切削转速270-300m/min，实验工件材料航空铝合金7050，需要说明的是，200组为最少实验组数，采集实验组数据越多，模型越精确。

步骤S1.3、将铣刀整体切入工件视为切削稳定阶段，根据所设计的200 组实验参数进行铣削实验，当刀具以恒定进给速度f、恒定转速S、以及恒定轴向切深a_p切入工件时，切削至稳定阶段时，记录机床控制面板上显示的功率百分比，机床控制面板如图3所示，右下角数值为功率百分比P₀，功率百分比P₀为主轴电机当前功率值与主轴电机总功率值的比值。

步骤S1.4、在每组实验的稳定铣削阶段，调节机床进给倍率旋钮，调节进给速度f，使功率变化量达到实验预设参数△P，记录下进给速度变化量Δf。

步骤S2、通过实验辨识算法公式系数，公式如下所示：

Δf＝C₁+C₂ΔP+C₃f+C₄S+C₅d+C₆a_p (1)

根据最小二乘法对公式系数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆进行辨识，具体包括:

设立目标函数：

l＝(Δf-Δf′)² (2)

其中Δf′为每组实验中实际调节的进给速度变化量，Δf为将实验数据轴向切深a_p、进给速度f、转速S、径向切深d、以及目标变化功率ΔP代入公式 (1)计算得出的结果，当公式(2)的目标函数l取得极小值时，则模型预测结果Δf与实验结果最为贴近，计算公式(3)：

将实验数据代入公式(3)中，求得C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆六个系数，得到进给速度调节梁Δf的计算公式。

步骤S3、得到速度变化值Δf计算公式后，用如下方法对不同材料功率变动范围进行确定：

步骤S3.1、利用PLC快速返回主轴功率参数及各进给轴速度参数，每 8ms(参数返回和显示时间根据系统硬件性能及PLC程序段限制而定，实际使用时可能不同，不局限于8ms)在控制轴运动的机床数控系统上进行显示，机床控制面板如图3所示。

步骤S3.2、在铣削过程中，利用热像仪对工件与刀具接触点进行拍照，根据加工过程中工件与刀尖点接触温度范围设定热像仪的温度档位，例如，在干铣铝合金工件过程中，铝合金工件与刀尖点接触温度一般为300～600℃，据此设定热像仪温度档位，本实验采用高德C640热像仪，设定测量温度档位为 150～800℃，记录铣削过程中温度对应的主轴功率值。

步骤S3.3、利用Ansys热变形分析进行仿真，建立不同材料及直径刀具刀尖形变与铣削温度的关系，在仿真模型中在刀尖位置加载从300～600℃范围内的切削温度，采集刀尖点的形变情况，根据刀尖形变范围为±5μm时，限定切削温度范围，根据仿真中得出的切削温度限定范围以及步骤S3.2中实验结果，限定主轴功率变化范围。本实验中机床主轴功率变化范围限定在电机额定功率的0～83％间。

步骤S4、当主轴功率超出主轴允许功率变化范围时，通过计算出总的进给速度调节量Δf，然后通过分段铣削策略对工件进行铣削，在保证响应速度的情况下，同时保证了进给速度的渐变，以保护进给机构，具体包含以下步骤。

步骤S4.1、设定机床PLC采集主轴功率，每8ms(该时间根据系统硬件性能及PLC程序段限制而设定，实际加工时不局限于该数值)将主轴功率从低位到高位保存至CNC(数控机床)控制器上#1000～#1056寄存器，CNC采集 #1000～#1056寄存器数据，在CNC程序中判断主轴功率是否超出步骤S3中第 S3.3步设定的范围，当主轴功率超出主轴允许功率范围时，根据需调节功率△ P及目前切削工艺参数，利用步骤S2中公式(1)，在CNC中计算进给速度调节量Δf，存至寄存器中。

步骤S4.2、由于加工过程中CNC G代码存入到缓存后，无法实时更改进给速度，因此提出分段铣削策略，对进给速度进行调整，分段铣削策略即在联动或者是各轴单动的过程中，将一段总行程分多段子行程(多步)进行加工，每一段子行程(每步)均对加工过程中的进给速度进行修改一次，每段子行程可以走尽量短的行程，在保证响应速度的情况下，同时保证进给速度的渐变，以保护进给机构。

df为每一段子行程速度变化量，x为变速段行程，设定响应时间t(每步的时长)及变速段行程x，利用公式(4)计算每一段子行程(每步)速度变化量df：

其中t(f+0.5Δf)为近似每步步长(每段子行程的行程长度)， x/t(f+0.5Δf)为分几个子行程(分几步)达到目标速度。

根据多次实验得出，在硬件条件限制下，计算控制系统与PLC信号传输时间以及算法执行时间，可设置最快响应时间为20ms。

步骤S5、对加工工艺参数数据进行积累，具体包括以下步骤：

步骤S5.1、在加工工位附近设立加工数据参数记录平台，工人对每个工件加工过程中主轴功率、工件材料、刀具材料等数据进行录入，利用工厂局域网将所记录的加工参数及数据传送至工厂服务器，建立工艺参数轴向切深a_p、转速S、进给速度f、径向切深d、主轴功率P以及工件材料牌号和刀具材料牌号的服务器数据库。

步骤S5.2、在服务器数据库中，根据转速S、轴向切深a_p以及径向切深 d、工件材料、刀具材料对数据进行分类，将相同轴向切深a_p、转速S、径向切深d以及工件材料牌号合刀具材料牌号的数据分为一个集合，并计算每类别数据中两两数据间的Δf以及ΔP。

步骤S5.3、将工艺参数及Δf、ΔP代入到公式(1)中，利用步骤S2中提到的最小二乘法重新计算新的系数值，并按照步骤4中的方法对加工参数进行调整。

将该算法嵌入到FANUC系统中，通过实验证明，在宏程序加速度设置合适情况下，该自适应控制算法反应速度可以达到二十毫秒，适用于实际加工过程中。

本发明提出的自适应控制加工方法，算法公式简单、运算时间短，相比较现有技术其他方法，更容易嵌入到西门子、FANUC等通用的数控系统中，且无需外加设备，利用系统自带的PLC和CNC便可以搭建，具有良好的移植性能，可以实现在高精度加工过程中的自适应控制。