[摘要]针对叶片、叶盘等复杂结构件的加工特点，开发了一套嵌入式的自适应加工控制系统。该控制系统以机床主轴负载为约束目标，以机床的进给倍率为控制对象，实现机床切削加工的自适应加工控制，设计良好的人机交互界面实现控制系统与实际加工的集成。试验结果表明，所设计的嵌入式自适应加工控制系统在加工过程中具有良好的控制效果，可以保护机床和刀具。
[关键词]自适应加工控制系统；增量式PID控制；同步动作；主轴负载
1前言
在叶片、叶盘等零件的叶缘加工部位曲率大，在加工过程中，由于刀尖进给编程造成直线轴和旋转轴速率的突变，影响加工质量。因此针对叶片、叶盘等复杂结构件的加工特点，降低加工负载波动，展开数控机床自适应加工控制系统的开发具有很大的工程应用价值。选择合适的优化约束目标和信号反馈方法是智能加工控制的关键，在数控切削加工过程中，采用以进给速率为控制对象的自适应控制技术得到了广泛的应用。文献[2-4]开发了基于主轴功率/负荷信号反馈的自适应控制器，用模糊控制方法实现进给倍率的在线调整，从而保护刀具、提高加工效率。以色列OMAT公司研发的自适应控制系统，在加工过程中，实时监测主轴功率的变化，及时调整进给率，在保护刀具、主轴安全的同时能将切削效率提高33%[5]。上述研究普遍采用了附加外置传感器和控制器的方法来实现机床智能控制，存在成本高、安装调试复杂等问题。而现代开放式数控系统因其具有开放的软硬件接口，已经允许用户获取数控机床内部传感器的信息并进行相应的二次开发[6]。基于内置传感器来实现机床自适应加工控制的研究相对较少。因此，利用开放式数控机床的特点开发一套嵌入式的自适应加工控制系统，将有助于切削自适应加工的研究与推广应用。
2控制系统设计
2.1控制系统工作原理
本文基于西门子828D数控系统平台，应用其内置传感器及NC同步动作子程序开发原理，设计开发一套基于内置传感器的自适应加工控制系统。该控制系统以机床主轴负载为约束目标，以机床的进给倍率为控制对象来实现机床切削加工的自适应加工控制，并设计良好的人机交互界面来实现控制系统与实际加工的集成。最后通过机床切削实验进行验证。控制系统都在机床的内部完成，没有任何外加的传感器和控制器。其中机床的主轴负载是通过机床的内置传感器来实时采集的，并且通过机床内部的数据接口来完成机床的主轴负载的实时读取。同时，在数控系统内部开发相应的自适应加工控制器。在机床完成主轴负载的实时采集后，自适应加工控制器通过接受机床的主轴负载，通过智能计算得到合适的进给倍率并传输到机床的CNC控制系统中。机床的CNC控制系统实时读取到自适应加工控制器的相关数据并实时改变机床的进给倍率。控制系统通过不断调整机床进给倍率将主轴负载维持在一个相对稳定值，从而可以保护机床和刀具。
2.2增量式PID控制算法
传统的位置式PID控制器由于其技术成熟，在过程控制中获得了广泛的应用，但位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大，累计误差大。位置式PID控制器输出对应执行机构的实际位置，若计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构大幅度变化。而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关，对于一些当执行机构需要的是控制量的增量时，可采用增量式PID控制。
3自适应加工控制系统的技术实现
自适应加工控制系统通过机床加工的特征数据分析计算，实现加工参数的自适应调整，系统主要由数据采集模块、自适应控制模块以及人机交互模块3个模块构成，其中数据采集模块主要负责机床加工状态采集；自适应调整模块针对加工状态进行过程控制，确定加工参数调整量；加工参数调整模块负责执行加工参数的实时修改；人机交互模块负责参数调整、数据存储和分析、实时曲线显示等。
3.1数据采集模块
基于西门子828D数控系统，实时采集主轴负载和机床进给倍率，具体实现方法如下：①将主轴的轴机床数据MD36730（$MA_DRIVE_SIGNAL_TRACKING）置“1”，通过上位机获取主轴负载参数。②需对828D数控系统选项：basic型内部驱动参数的计算（6FC5800-0AS53-0YB0）获取授权。③基于828D系统PLC编程工具PLCProgrammingTool，编写NC与PLC数据交换与采集程序。828D系统提供了4096字节的存储空间用于NC与PLC交换数据，NC和PLC都可以进行读和写。在PLC中的地址从DB4900.DBB0到DB4900.DBB4095。NC定义系统变量对应于这个公共存储器，在加工程序中可以利用系统变量对该存储区进行访问。通过该方法把R参数（主轴负载、实时计算进给倍率、控制算法设定参数、采样时间、设定加工进给速率）传递给PLC变量。
3.2自适应控制模块
利用同步动作指令编写增量式PID控制算法宏程序。同步动作是指当前的零件程序执行时触发几个不同的动作，并使它们同步执行[8]。同步动作编程的优点在于不停止预处理，可快速响应一个外部事件，在加工程序中加载同步宏程序。宏程序包括变量定义及初始化、数据采集、增量PID控制器设计、变量状态更新、进给倍率输出五部分内容，负责实时执行增量PID算法及变量数据的采集。3.3人机交互模块通过易控天地SCADA平台编辑画面，观测曲线，调整参数，存储数据。该控制界面可在不影响机床加工的条件下随机床数控系统一起启动，可以由用户来选择智能加工控制功能的开启或停止；可以根据不同的工件及加工情况来设定主轴目标负载的大小。
4自适应加工控制铣削实验
为验证所提出的负载自适应加工控制系统在实际铣削加工过程中的控制效果，将所设计的控制系统应用于VMCL850三坐标立式加工中心，并设计零件的加工轨迹如图1所示。铣削过程中所选用的加工参数为：加工材料铝合金，主轴转速5000r/min，铣削深度5mm。刀具选用硬质合金铣刀，齿数为2齿，直径20mm。
4.1工件传统铣削实验
加工时，进给速度为400mm/min，数据采集采样时间为100ms。加工负载变化曲线如图2所示，切深的变化会直接影响到主轴负载的变化，切深值大，主轴负载相应增大。机床在受到较大负载的切削过程中，无法有效地降低进给速度保护机床和刀具。
4.2工件的自适应加工控制切削实验
在铣削过程采用自适应加工控制的实验中，首先根据刀具铣削的情况，设定铣削过程中主轴目标负载（单位为%）为10。即整个控制系统以主轴铣削负载为10作为控制目标，来进行自适应加工控制切削。当控制器处于实时智能控制模式情况下，机床根据主轴负载情况自动调整进给倍率，以实现恒负载约束铣削。图3为启动自适应加工控制启动时，增量PID设定的参数为Kp=2，Ki=5,Kd=0此时系统响应慢，且在10附近振荡，控制效果不理想；提高比例增益Ki=20，减小积分时间Ki=3，振荡消除，响应速度提高，取得较理想加工效果。
5结论
从主轴负载及进给倍率变化曲线图可以看出：在加工过程中，机床将根据铣削深度自动地调整进给倍率，当铣削深度较浅时，机床将提高进给倍率，使主轴负载增加到6左右，尽可能发挥加工能力，提高铣削效率；当铣削深度较深时，机床将降低进给倍率，使主轴负载减少到10左右，避免出现在铣削量较大处出现持续高负荷，实现对刀具和主轴电机的保护。切削实验验证了自适应加工控制系统在数控机床应用中取得了良好的控制效果，可以保护机床和刀具；同时所提出的自适应加工控制系统的开发思路可以有效节省成本，有助于自适应加工控制系统的使用和推广。
参考文献
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[2]程涛,左力,刘艳明等.数控机床切削加工过程智能自适应控制研究[J].中国机械工程,1999,10（1）:26-31
[3]黄华,李爱平,林献坤.基于恒功率约束的自适应加工控制系统开发[J].同济大学学报：自然科学版,2008,36(7):956-961.
[4]李茂月,富宏亚,韩振宇等.基于机床行为模型的恒负荷切削在线适应控制研究[J].计算机集成制造系统,2013,19(7):1585-1594.
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[6]徐剑,叶文华,胡国志等.基于开放式数控系统的恒功率自适应控制研究[J].制造技术与机床,2015,8:38-42
[7]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2014
[8]刘浩波,钱龙宇,秦东.西门子数控系统同步动作的应用[J].机械与电子,2010（1）:78-79
作者:魏芳 铁铎 卢经纬 高诚 单位:中国航空制造技术研究院
