應用在數控深孔鉆機床上的自適應控制系統
1、問(wèn)題的提出
現在普遍地,數控深孔鉆機床在加工過(guò)程中都維持一個(gè)固定不變的進(jìn)給速率,這個(gè)進(jìn)給量是由加工程序預先設定好的。為了保證生產(chǎn)的安全,編成人員必須按照負荷最大的工況設定這個(gè)進(jìn)給速率,但實(shí)際上這種工況或許只占整個(gè)工序的5%。那么如何提高數控機床的加工效率,優(yōu)化刀具進(jìn)給量,同時(shí)又能自動(dòng)保護機床的主軸系統和昂貴的刀具不受損壞已經(jīng)成為終端用戶(hù)和機床制造廠(chǎng)家十分關(guān)注的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題以色列OMAT公司將自適應控制技術(shù)應用在數控機床上,研發(fā)了成熟的產(chǎn)品――OMAT數控機床自適應系統,并已經(jīng)在全球廣泛應用。
2、工作原理
自適應控制技術(shù)應用在數控加工上,是通過(guò)檢測機床主軸的負載,運用內部的專(zhuān)家系統對采集的主軸負載信號和相應的刀具及工件材料數據進(jìn)行分析處理,實(shí)時(shí)計算出機床最佳的進(jìn)給速率并應用到數控加工過(guò)程中,從而大幅度提高生產(chǎn)效率,并在加工過(guò)程中穩定、連續、自動(dòng)的控制進(jìn)給速率,同時(shí)實(shí)現動(dòng)態(tài)的刀具保護功能(如圖1所示)。


在加工過(guò)程中,自適應控制系統可以依據控制對象的輸入輸出數據,進(jìn)行學(xué)習和再學(xué)習,不斷地辨識模型參數并進(jìn)行修正。隨著(zhù)生產(chǎn)過(guò)程的不斷繼續,模型會(huì )變得越來(lái)越準確,越來(lái)越接近于實(shí)際,最終將自身調整到一個(gè)最優(yōu)的工作狀態(tài),實(shí)現加工過(guò)程的優(yōu)化。
3、主要功能
1) 大幅提高加工效率
OMAT自適應控制系統實(shí)時(shí)采樣機床主軸負載變化,在較小載荷的情況下增大進(jìn)給速率,在較大載荷的情況下減少進(jìn)給速率,達到縮短加工周期、提高加工效率的目的。
2) 保護刀具、機床、工件不受損害
傳統加工刀具斷裂不可檢測和控制、刀具磨損靠手動(dòng)監視、效率低。在自適應控制系統的控制下,加工參數會(huì )實(shí)時(shí)自動(dòng)地適應刀具負荷和切削工況。如果加工中出現突發(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),自適應控制系統會(huì )把進(jìn)給速率自動(dòng)減小到內部的專(zhuān)家系統所允許安全值,必要時(shí)強制機床停機。當這些突發(fā)事件過(guò)去后,系統再把進(jìn)給速率增加到內部的專(zhuān)家系統所允許的最大值,從而有效地保護刀具,減少刀具的磨損,進(jìn)而延長(cháng)刀具的使用壽命。
OMAT自適應控制系統具有下列保護功能:
銑刀斷裂保護(報警并停機防止工件及后續刀具損壞)
深孔鉆道具斷裂保護(報警并停機)
刀具磨損監控(數字顯示磨損量)
主軸過(guò)載保護(報警或停機)
3) 實(shí)時(shí)監控、記錄切削加工狀況
自適應控制系統可以對數控加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控,并將所有在切削過(guò)程中的性能數據(主軸切削負載、進(jìn)給率變化、刀具磨損量、加工工件數、切削時(shí)間等)統計起來(lái)實(shí)時(shí)生成加工情況報表,并輸出圖形、數據至Windows用戶(hù)界面,形成完整的機床檔案,供管理人員進(jìn)行評估、分析,從而輔助生產(chǎn)管理。這些數據還可以存儲在硬盤(pán)供以后查閱存檔。
4、顯著(zhù)效果
提高加工效率等于降低制造成本!典型應用統計:輪廓銑削省時(shí)約38%;銑槽省時(shí)約34%;3D銑面省時(shí)約37%;鉆孔省時(shí)約28%。如果每臺設備提高加工效率按30%~40%計算,那么安裝三部以色列OMAT優(yōu)銑控制器(優(yōu)化數控銑床加工的自適應控制系統),就相當于多出一臺數控機床或加工中心的加工率。據已有的國內外使用數據計算,只需4~9個(gè)月即可收回用于購買(mǎi)OMAT產(chǎn)品的投資。
在生產(chǎn)中,自適應控制系統在加工第一件工件時(shí)就學(xué)習對刀具磨損進(jìn)行監測。在隨后的加工中,系統繼續對刀具的狀況進(jìn)行監測,并按刀具的當前磨損程度占最大磨損程度的百分比來(lái)進(jìn)行顯示。隨著(zhù)刀具的磨損,自適應控制系統能夠實(shí)時(shí)的根據刀具磨損量,自動(dòng)計算出最佳的進(jìn)給速度,刀具磨損到一定程度時(shí)提醒操作者更換刀具。這樣一來(lái)數控程序員可以象在使用嶄新鋒利的刀具情況一樣設定進(jìn)給量。即自適應控制器對刀具的磨損進(jìn)行補償。
綜上,保護刀具延長(cháng)其使用壽命、保護機床減少停機時(shí)間、保護工件減少廢品出現等因素都可進(jìn)一步減少成本,縮短您的投資回報周期。
5、OMAT自適應系統應用現狀及前景
OMAT自適應控制系統因其效果顯著(zhù)的實(shí)用性,現已被國外許多著(zhù)名公司使用,如Siemens、Turbinenwerke、Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishe Motors、Toshiba GE和Toyota Motors等。國內航空航天、紡織、家電等行業(yè)的知名企業(yè)也陸續使用該產(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集成安裝于產(chǎn)品機床THM4680臥式加工中心的840D系統上,還做了大面工件切削對比實(shí)驗,切削率提高約33%。這些已經(jīng)使用了OMAT數控優(yōu)化系統的企業(yè)已經(jīng)獲得了相當可觀(guān)的經(jīng)濟效益。
相信隨著(zhù)數控加工技術(shù)的不斷發(fā)展和應用,自適應加工技術(shù)一定會(huì )得到廣泛應用,為中國制造業(yè)企業(yè)帶來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。