CN1323411A - 自适应控制车削操作的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种自适应地控制由车刀在工件上进行的车削操作的自适应控制系统,调节一个已控制的输入操作参数F以将一个输出操作参数△M实际保持在预定值△Mo上并补偿由至少一个操作条件B=B(t)的变化所导致的输出操作参数△M的变化。该系统包括用于提供与当前值△Mc成正比的一个信号的输出操作参数△M传感器(8),和根据kUc用于确定输入操作参数F应该被调节到的值Fc的一个自适应控制器(10),其中k是一个信号传输系数,它包括与△Mo成反比的一个恒定信号传输系数分量ko。自适应控制器(10)包括将信号Uc转换成koUc的一个放大器(14),和将控制操作的输入参数调节为Fc的已控制的一个输入参数超驰单元(9)。自适应控制器(10)还包括计算kcUc的一个校正处理装置(16),其中kc是一个改变的信号传输系数分量其当前值取决于操作条件B=B(t)的变化。该自适应控制器(10)能计算k=f(ko,kc)。

Description

自适应控制车削操作的方法和系统
这个发明涉及在数控机床上切削操作的自适应控制，其中表示切削刀具相对于工件移动特性的输入控制参数，在切削操作期间根据规定劳动生产率所测量的输出操作参数，被不断地调节。本发明尤其涉及在车床上进行的车削操作的自适应控制，其中输入控制参数是切刀的进给速率而输出参数是车床驱动轴的切削扭矩、切削力或消耗功率。
在数控操作车床中，一个程序命令进给装置根据车刀用其切削工件的进给速率进给并命令车床驱动轴根据与此相关的工件应以此被旋转的速度旋转。进给速率和选择的速度是由程序根据预先编制的切削条件为每个切削操作正常确定的输入控制参数，该切削条件例如是切削深度、工件直径、要加工的工件材料、切削刀具类型等。
然而，数控程序的效果受它们不能考虑的切削条件的某些不可预见的实时变化限制，即切削深度的变化、工件材料的不均匀性、刀具磨损等。
在数控机床上以及在很多其它机床上最佳的切削操作方案，通常与切削刀具相对于工件移动的自适应控制有关并且尤其与根据测量的由机床所产生的切削扭矩调节切刀进给速率有关，以补偿切削条件的变化。
图3说明一种供数控操作机床使用，用各个输入控制参数Fo即切刀的基本进给速率和So即主轴的基本旋转速度的预编程值，自适应控制车削操作的已知控制系统；数控操作机床具有由数控程序所命令的一个进给装置和一个驱动轴，以分别建立切削刀具和接近主轴的工件的移动(切刀和工件未表示)。
如图3所看到的，控制系统包括测量由驱动轴所产生的切削扭矩ΔM的扭矩传感器。根据切削条件B不可预见的变化，切削扭矩ΔM可以具有不同的当前值ΔMc，据此扭矩传感器产生与ΔMc成正比的当前信号Uc。控制系统也包括含带信号传输系数k′o的放大器的已知自适应控制器，它将信号Uc转换成K′oUc并随后确定进给速率Fc借助进给速率超驰单元应该被调节的一个值Fc/Fo=f(k′oUc)以便补偿切削条件B的变化并由此保持切削扭矩ΔMc尽可能地接近其最大金属加工能力所要求的最大值ΔMmax。
最大切削扭矩值ΔMmax是在以最大切深切削由驱动轴所产生的预定切削扭矩，而放大器的信号传输系数被定义为：
k’o=1/Umax
其中Umax是来自扭矩传感器对应于最大扭矩ΔMmax的一个信号。
根据下列关系式由自适应控制器按照其信号传输系数k′o、预编程的基本进给速率Fo和信号Uc来规定当前值Fc/Fo：
Fc/Fo=A-k′oUc    (1)
其中A=Fid/Fo，而Fid是空车进给(无切削进给速率)。
系数A表示进给速率Fc相对于它的预编程值Fo可以被增加的程度，通常不超过2。
如上文所提到的，因为信号Uc与切削扭矩ΔMc成正比，为了解释自适应控制器的物理模型，关系式(1)可以被表示如下：
Fc/Fo=A-K′oΔMc=ac    (2)
其中K′o是对应于自适应控制器信号传输系数K′o的一个修正系数并因此被换算为：
K′o=1/ΔMmax
在图4中说明了自适应控制器的物理模型。如所见的，切削条件B的变化影响由自适应控制器所使用的切削扭矩的当前值ΔMc，以确定表示进给速率应被调至的当前值Fc特性的系数ac，并补偿已改变的切削条件B。
据知，在车削操作中，不可预料地随时改变的切削条件和引起切削扭矩变化的主要原因是切削深度hc=hc(t)。当车削给定直径的工件时，切削扭矩ΔMc与切削深度hc成如下的比例关系：
ΔMc=cFchc=CFoachc(3)其中c是为车削操作所建立的静态系数而ac在等式(2)中被规定。
根据等式(3)和(2)，切削扭矩ΔMc可以表达为：
ΔMc=AcFohc/1+cFohcK′o    (4)
如果在等式(4)中，系数A=2而hc=hmax，最大切削扭矩可以被表示为
ΔMc=2cFohmax/1+(cFohmaxK′o)    (5)
同样，当切削深度是很小的值hmin这样使得hmin/hmax＜＜1，切削扭矩ΔMmin也将很小：
ΔMmin≈2cFohmin＜＜ΔMmax(6)
从上文根据所描述的自适应控制器得出，如在图5的曲线Ⅰ中所说明的，在切削期间切削深度在较宽范围内变化，还可以引起切削扭矩ΔMc的显著变化。
本发明的目的是提供一种车削操作自适应控制的方法和系统。
根据本发明的一方面，提供了一种通过控制车刀相对于工件移动的可调节输入操作参数F，使输出操作参数ΔM实际保持在预定值ΔMo并由此补偿由随时改变的至少一个操作条件B=B(t)的变化所导致的所述输出操作参数ΔM的变化，自适应地控制在工件上由车刀进行车削操作的方法，该方法包括以下步骤：
(a)测量输出参数ΔM的当前值ΔMc，
(b)通过ΔMc乘以修正系数K来估算ΔMc与ΔMo之间的关系，系数K包括与ΔMo成反比的一个恒定的修正系数分量Ko，及
(c)根据KΔMc，确定输入操作参数F应被调至的数值Fc；
其特征在于
(d)所述修正系数K包括一个变化的修正系数分量，其当前值Kc根据所述操作条件B=B(t)的变化而改变，步骤(b)进一步包括计算当前值Kc和计算K=f(Ko,Kc)。
最好，K=Ko-Kc。
操作输入参数F最好是车刀的进给速率而操作输出参数ΔM最好是由驱动旋转工件所产生的切削扭矩。然而，操作输出参数也可以是由刀具作用于工件所产生的切削力或者由驱动所消耗的功率。
输出参数的预定值ΔMo最好是最大值ΔMmax，在改变操作条件B区别于其初始值或正常值最大时。
根据本发明的最佳实施例，恒定的修正系数分量Ko被定义为
Ko=A/ΔMmax其中    A=Fid/Fo
Fid是空车进给速率而Fo是预编程基本进给速率。
改变的操作条件B可以是实际的物理参数，例如切削深度hc=hc(t)，工件材料的厚度等，因此可以根据感应这个参数的当前值随后获得改变的系数分量Kc的当前值。另一方面，改变的操作条件B可以是切削过程中一个或多个物理参数的数字关系式。
根据本发明的另一方面，提供了一种通过调节输入控制操作参数F，以将输出操作参数ΔM实际保持在预定值ΔMo并实际上由此补偿由至少一个操作条件B=B(t)的变化所导致的所述输出操作参数ΔM的变化，自适应地控制由车刀在工件上进行车削操作的自适应控制系统，该系统包括：
用于提供与当前值ΔMc成正比的信号Uc的一个输出操作参数ΔM的传感器；
根据kUc，用于确定输入操作参数F应该被调节到的值Fc的一个自适应控制器，其中k是包括与ΔMo成反比的一个恒定信号传输系数分量ko的信号传输系数，所述的控制器包括能将信号Uc转换成koUc的一个放大器；及
能由所述的自适应控制器所控制以将控制的操作输入参数调节为Fc的一个输入参数超驰单元；
其特征在于
所述控制器还包括计算kcUc的修正处理装置，其中kc是变化的信号传输系数分量，其当前值取决于所述操作条件B=B(t)的变化，控制器能计算K=f(ko,kc)。
最好，自适应控制器能计算k=ko-kc，而计算的ko为
ko=A/Uo其中Uo是来自操作输出参数传感器，对应于值ΔMo的一个信号。最好，ΔMo=ΔMmax且Uo=Umax。
最好，输出操作参数ΔM的传感器是一个由驱动旋转的工件所产生的切削转矩传感器而输入参数超驰单元是进给速率超驰单元。
校正处理装置可以包括分别用于感应和计算操作条件B当前值的传感器或计算器，以连续地用于kc的计算。
为了了解本发明及观察它实际上可以如何被进行，现在将通过非限制性的例子，参照附图来描述最佳实施例，其中：
图1A和1B是根据本发明二个不同的实施例，具有自适应控制器的自适应控制系统框图；
图2A和2B说明分别在图1A和1B中所表示的自适应控制器的物理模型；
图3是具有已知自适应控制器的控制系统框图；
图4说明图3所示的已知自适应控制器的物理模型；
图5说明在具有如图3和图4所示已知的自适应控制器(曲线Ⅰ)和具有根据本发明的自适应控制器(曲线Ⅱ)的系统中，切削扭矩ΔMc取决于切削深度hc。
图1A和1B说明根据本发明供自适应控制由切削刀具(未示出)在工件上进行车削操作的数控操作机床使用的一个自适应控制系统的二个不同的实施例。
分别在图1A和1B中指定的1a和1b的控制系统，各具有连接于切削刀具的进给装置2和与工件相连的驱动轴4，它们由数控单元6的一个程序所指令，以便用各个切削刀具基本进给速率Fo和主轴基本旋转速度So的预编程值建立切削刀具和工件之间的相对运动。
各个控制系统1a和1b还包括，用于测量由驱动轴所产生并根据切削深度hc=hc(t)随时改变的切削转矩ΔMc，和产生与切削扭矩ΔMc成正比的一个信号Uc的转矩传感器8。它也具有调节进给速率Fc的进给速率超驰单元9，以便保持切削转矩ΔMc尽可能地接近其最大金属加工能力所要求的最大转矩值ΔMmax。进给速率超驰单元9通过一个自适应控制器10处理来自转矩传感器8的信号Uc来控制，以确定超驰单元9应该将进给速率Fc调节的程度Fc/Fo。
根据在本发明的背景技术中所提到的等式(1)，本文所描述的已知车削操作自适应控制器确定Fc/Fo为：
Fc/Fo=A-k′oUc
其中K′o是已知的自适应控制器的信号传输系数。
现在将解释在本发明自适应控制器10中，信号传输系数k或它的物理等效量一一校正系数K如何以计及切削深度hc变化的方式被计算。
如在本发明的背景技术中所说明的，在车削操作中的切削转矩ΔMc可以根据等式(4)被表示，其中对于本说明来说，A是表示进给速率Fc相对于编程值Fo可以被增加的程度的一个系数。
为了确保条件ΔMc=ΔMmax，从等式(4)得到校正系数K应该是：
K=A/ΔMmax-1/cFohc    (7)
其中根据本发明，A/ΔMmax=AK′o构成恒定的第一正系数分量Ko而1/cFohc构成根据切削深度hc的变化而变化的第二校正系分量Kc。
根据等式(3)
1/cFohc=ac/ΔMc
由此校正系数K也可以表示为：
K=A/ΔMmax-ac/ΔMc    (8)
从上文得出，第二系数分量Kc可以表示为1/cFohc或者ac/ΔMc。
在K不小于零和不超过1/ΔMmax的逻辑条件下，将完成校正系数K的确定。
图2a和2b表示根据上面的等式(7)和(8)确定系数K的物理模型。
在本发明控制系统1a和1b中，由构制的自适应控制器10来执行在图2A和2B中表示的物理模型，以确定kUc=koUc-kcUc，其中Ko是预定的恒定信号传输系数分量而kc是取决于切削深度hc的变化的信号传输系数分量。
系数分量ko和kc以与校正系数Ko和Kc同样的方式被确定。即，恒定的系数分量ko被确定为：
ko=A/Umax
其中Umax是来自转矩传感器8对应于最大转矩ΔMmax的一个信号。变化的系数分量kc或者被确定为
kc=1/cFohc    (9)或者，根据等式(3)确定为
kc=ac/Uc    (10)
为确定kUc，自适应控制器10包括带有恒定信号传输参数Ko的放大器14和带有变化的信号传输系数kc的校正处理装置16。根据确定变化信号传输系数分量kc(根据等式9或等式10)的方式，校正处理装置16可以具有切削深度传感器20a(图1a)或者一个切削条件变化计算器20b(图1b)，和根据在图2A和2B中各自的物理模型分别按照等式(9)或等式(10)确定kcUc当前值的计算元件22。
借助于由本发明控制系统提供的自适应控制，考虑到切削深度hc的变化，可以调节车刀的进给速率，以便在实际上较宽的切削深度范围内，保持切削转矩ΔMc尽可能接近它的最大值ΔMmax，因此增加了金属加工的生产率。在图5中，以及在表示用已知的自适应控制系统和根据本发明的自适应控制系统获得的实验结果的下列表格中，说明了这点：
 hc/hmax     1  0.9  0.8  0.7  0.6  0.5  0.4  0.3  0.2  0.1     0
已知的自适应控制系统(Ⅰ)     aⅠ  1.0  1.0  1.1  1.1  1.2  1.3  1.4  1.5  1.6  1.8  2.0
    ΔMⅠ/ΔMmax  1.0  0.90  0.80  0.72  0.70  0.62  0.50  0.43  0.30  0.20     0
本发明的自适应控制系统(Ⅱ)     aⅡ  1.0  1.1  1.3  1.6  1.9  2.0  2.0  2.0  2.0  2.0  2.0
    ΔMⅡ/ΔMmax  1.0  0.98  0.98  0.98  0.98  0.9  0.82  0.70  0.43  0.25     0
比较的生产率 (aⅡ/aⅠ-1)X100％     0     10     18     41     58     54     43     33     25     11     0
根据本发明自适应控制系统的上述实施例，表示了它的非限制性例子，而对熟练的技术人员显而易见的是在本权利要求的范围之内这个系统可以具有区别于在图中所描述和表示那些特点。

Claims (17)

1．一种自适应地控制由车刀在工件上进行车削操作的方法，控制车刀相对于工件运动的可调节输入操作参数F，以将一个输出操作参数ΔM实际保持在预定值ΔMo上并因此实际上补偿由随时间改变的至少一个操作条件B=B(t)的变化所导致的所述输出操作参数ΔM的变化，该方法包括如下步骤：
(a)测量输出参数ΔM的当前值ΔMc，
(b)通过ΔMc乘以包括与ΔMo成反比的恒定校正系数分量Ko的校正系数K，估算ΔMc与ΔMo之间的关系，及
(c)根据KΔMc，确定输入操作参数F应该被调至的值Fc；
其特征在于
(d)所述修正系数K包括一个变化的校正系数分量，其当前值Kc根据所述操作条件B=B(t)的变化而改变，步骤(b)还包括计算当前值Kc和计算K=f(Ko,Kc)。
2．如权利要求1所述的方法，其中K=Ko-Kc。
3．如权利要求1所述的方法，其中操作输入参数F是车刀的进给速率。
4．如权利要求1所述的方法，其中操作输出参数ΔM是由驱动旋转的工件所产生的切削转矩。
5．如权利要求1所述的方法，其中输出参数的预定值ΔMo是一个最大值，这个参数可以是在变化操作条件B时区别于其初始值或正常值的最大程度时。
6．如权利要求5所述的方法，其中恒定的校正系数分量Ko被定义为：
Ko=A/ΔMmax这里    A=Fid/Fo用Fid表示空载进给速率而Fo表示预编程的基本进给速率。
7．如权利要求1所述的方法，其中变化的操作条件B是一个真实的物理参数。
8．如权利要求7所述的方法，其中所述的参数是切削深度hc=hc(t)。
9．如权利要求7所述的方法，其中根据感应的所述参数的当前值获得改变的系数分量Kc的当前值。
10．如权利要求1所述的方法，其中改变的切削操作条件B是切削过程中一个或多个物理参数的数学关系式。
11．一种自适应地控制由车刀在工件上进行车削操作的自适应控制系统，通过调节输入控制操作参数F，以将输出操作参数ΔM实际保持在预定值ΔMo上并因此实际补偿由至少一个操作条件B=B(t)的变化所导致的所述输出操作参数ΔM的变化，该系统包括：
用于提供与当前值ΔMc成正比的信号Uc的输出操作参数ΔM传感器；
根据kUc，确定输入操作参数F应该被调节到的值Fc的一个自适应控制器，其中k是包括与ΔMo成反比的恒定信号传输系数分量ko的信号传输系数，所述的控制器包括能将信号Uc转换成koUc的一个放大器；及
能由所述自适应控制器控制，以将控制的输入操作参数调节到Fc的一个输入参数超驰单元；
其特征在于
所述的控制器还包括计算kcUc的一个校正处理装置，其中kc是一个改变的信号传输系数分量其当前值取决于所述操作条件B=B(t)的变化，该控制器能计算k=f(ko,kc)。
12．如权利要求11所述的一种自适应控制器，还能计算k=ko-kc，而计算的ko为
ko=A/Uo其中Uo是来自操作输出参数的传感器对应于值ΔMo的一个信号。
13．如权利要求12所述的一种自适应控制器，其中ΔMo=ΔMmax而Uo=Umax。
14．一种如权利要求11所述的自适应控制器，其中输出操作参数ΔM传感器是一个由驱动旋转工件所产生的切削转矩传感器。
15．一如权利要求11所述的自适应控制器，其中所述的输入参数超驰单元是一个进给速率超驰单元。
16．一种如权利要求11所述的自适应控制器，其中所述校正处理装置包括一个传感器或用于感应操作条件B的当前值，以连续地用于ko的计算。
17．如权利要求11所述的一种自适应控制器，其中所述的校正处理装置包括计算操作条件B当前值的一个计算器，以连续地用于kc的计算。
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