自适应控制技术在cnc机床上的应用

采用ACM技术优化了金属切削CNC加工过程，提高了加工效率。轮廓铣削省时约38%；铣槽省时约34%；3D铣面省时约37%；钻孔省时约28%。典型的实际应用技术优化了金属切削加工中的特色。

文/刘志兵 杨晓红 交大昆机科技股份有限公司

如何提高金属切削数控机床的加工效率，充分利用机床主轴最大转速、最大负载和轴最大进给速率,加工材质、切削量多变的工件,同时又能自动保护机床和主轴系统,保护较昂贵的进口刀具,这已经越来越受到终端用户和机床制造厂家关注的问题之一。以色列OMAT公司的ACM自适应控制监控系统正是为了适应这种要求，从控制角度为解决该问题提出的理想方案。

OMAT公司ACM作为西门子840D数控系统的重要选件，可以提供多种版本形式，外装式ACM装置、纯软件集成式ACM、PC卡软硬件混合式ACM和单元软硬件混合式ACM。其中，第一种软硬件均做在ACM装置中，外部接线多，但不受数控系统和主轴驱动器的限制，主要针对老系统和不能安装集成ACM系统的机床用。第2、第3种是软件为主的ACM系统，极少或无外部接线，但是受非出口型数控系统限制，要求系统软件版本高，目前在出口到国内的840D系统中难以实现。因此我们在与OMAT公司合作中选用了第4种版本的ACM系统。

单元软硬件混合式ACM系统工作原理

该ACM系统由三部分组成（图1）。

图1 单元软硬件混合式ACM系统

·ACM控制单元：数字量输出至840D系统的NCU，模拟量输入信号来自OMAT功率传感器模块。ACM测量采集的主轴功率信号通过SINUMERIK RS232 串口与CNC的PC部分通讯。
·ACM实时控制软件：集成在ACM控制单元的微处理器中。
·ACM用户画面接口：Windows用户图形界面用于配置和监控自适应控制过程。
ACM是一个实时自适应控制系统，实时采样机床主轴负载变化，据此自动调节机床进给率至最佳值。并且时实监视记录主轴切削负载、进给率变化，刀具磨损量等加工参数，并输出图形、数据至Windows用户图形界面。这些数据还可以存储在硬盘供以后查阅存档。

安装与调试

1．硬件安装
原理图见图2所示，主轴功率经OMAT LA55-P型电流互感器测量，功率转换器放大后，由9芯插头输入至ACM控制单元；进给修调数字量信号输入至PLC输入模块；ACM控制单元与PCU50（用户操作接口）由RS232串口通信连接。此外还有以下控制信号：ACM激活后给PLC的输入信号；ACM出现故障进给保持信号；以及PLC报警使ACM产生复位的ACM RESET信号。

图2 原理图

2．PLC软件编程
（1）下载OMAT标准PLC控制程序FB30并在OB1中调用：
CALL FB30 “OMAT_CYCLIC FB”
ACMFEEDOUT := IB40 //来自ACM的进给修调信号
ACMFEEDOUT := I40.6 //来自ACM的报警进给保持信号
ACMFEEDOUT := I40.7 //来自ACM的激活信号
ACMFEEDOUT := T10 //来自ACM的激活延时信号

（2）局部修改西门子标准MCP（机床控制面板）管理子程序FC19：
U DB50.DBX11.0 "OMAT_CYCLIC FB_IDB". ACMALARMOUT //PLC报警信号
R≠#MST_Inp23 [ 0 ] "NC_STOP" //使NC停止
（3）编程NC报警文本程序（程序略）
（4）修改机床参数：MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[23]=1.3
MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[24]=1.4
MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[25]=1.5

3．ACM用户图形界面PC软件安装
（1）在F:>OEM下创建OPMS新目录
（2）将OMAT软盘上的下列文件拷入新建目录F:>OEMOPMS
·OPMS.MDI ·OPMS.ZUS
（3）将文件025_GR.DLL和025_UK.DLL拷贝到F:>OEMLANGUAGE；
打开文件RE_GR.INI和RE_UK.INI插入语句：HSKT=“OMATIVE ACM”
（4）打开F:>OEM下的文件REGIE.INI插入语句：
TASK=NAME：=OPMS，TimeOut=6000
（5）拷贝OPMS.INI到F:>OEM；拷贝OPMS.EXE到F:>HMI_ADV
（6）安装结束后重新启动西门子HMI。

运行OMAT ACM系统

图3 ACM主画面

ACM PC软件安装完毕，在西门子840D系统主菜单增加名为OMAT ACM的软键，按此键进入ACM主画面（见图3）主画面显示下列信息。ACM运行方式，3种方式选其中之一。状态监视，过载、运行、主轴、在线/离线等状态。主轴功率和进给率是实时变化曲线及数值。当前运行值，参考编号、零件编号、开始加工时间、运行耗时、切削工件耗时、节约用时（%）、最小进给率（%）、最大进给率（%）、当前修调值（%）。

ACM工作模式：

ACM启动/停止方式：通过NC程序H功能自动或者手动启动/停止运行。
切削参数输入方式：切削参数如，刀具类型、齿数、工件材料、切削量（深度）和速度可以手动（Preset）或者在学习（Learn）方式自动记录切削参数，然后在学习后（by learn）方式按照记录参数，监控机床运行。

ACM运行方式：
进给控制方式：ACM连续测量主轴负载并且实时自动调节进给率，出现过载则发出报警停止机床。
监控方式：ACM连续测量主轴负载但不调节进给率，有两种监控模式供选择—最大负载监控或负载允差监控。
事件记录方式：在此方式ACM只是将动态切削数据存储在系统存储器中，不做输出处理。

OMAT ACM的特色和效果

传统金属加工刀具断裂不可检测和控制、刀具磨损靠手动监视、效率低，而OMAT ACM系统的自适应控制技术对传统加工技术提出了挑战，优化了金属切削CNC加工过程，提高了加工效率。典型应用统计：轮廓铣削省时约38%；铣槽省时约34%；3D铣面省时约37%；钻孔省时约28%。并且具有下列保护功能：铣刀断裂保护（报警并停机防止工件及后续刀具损坏）；深孔钻刀具断裂保护（报警并停机）；刀具磨损监控（数字显示磨损量）；主轴过载保护（报警或停机）。

正是由于OMAT ACM独特的自适应控制技术，效果显著的实用性，国外许多著名公司如Siemens AG、 Turbinenwerke、 Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishi Motors, Toshiba GE 和Toyota Motors等公司都已大量使用，取得了明显的效果。

交大昆机科技股份有限公司与以色列OMAT公司合作，成功地将单元软硬件混合式ACM系统集成安装于产品机床THM4680卧式加工中心的840D系统上，还做了大面工件切削对比实验，切削效率提高约33%。ACM的机床负载量化控制以及对刀具、主轴的安全保护功能，使得操作者放心最大限度的满负荷使用机床，而又不至于对机床造成伤害。这尤其适用于面切削、加工铸钢等硬质材料、模具加工业、深孔钻削、使用高价进口刀具等用户。国内航空航天、纺织、家电等行业的知名企业也率先正在陆续使用该产品。相信随着数控加工技术、高速切削等先进金属加工理念在国内企业的普及应用，自适应加工技术一定会得到广泛应用。