數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程的模型參考自適應(yīng)控制研究

　　根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）思想，建立了數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程MRAC模型，然后對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)過(guò)程仿真。同時(shí)，分別對(duì)加工過(guò)程的反饋閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制進(jìn)行仿真，并將這3種仿真結(jié)果進(jìn)行比較，從仿真結(jié)果可以看出，MRAC的機(jī)床切削加工性能指標(biāo)最好。

1數(shù)控機(jī)床MRAC的工作原理

　　數(shù)控機(jī)床的MRAC是以機(jī)床、刀具、工件系統(tǒng)所完成的切削過(guò)程作為調(diào)節(jié)對(duì)象。該控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。它除了一般數(shù)控機(jī)床的位置和速度控制回路以外，還增加了MRAC反饋回路。當(dāng)系統(tǒng)受到各種隨機(jī)因素的干擾后，切削過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)立刻發(fā)生變化，通過(guò)傳感器隨時(shí)檢測(cè)這些參數(shù)的數(shù)值并經(jīng)轉(zhuǎn)換，在MRAC控制單元中與給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)或約束條件（即期望的性能指標(biāo)）進(jìn)行判別和比較，得到性能指標(biāo)偏差，然后給主機(jī)CNC輸出校正信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的輸人參數(shù)進(jìn)行修正，從而使切削過(guò)程向預(yù)定的指標(biāo)和條件轉(zhuǎn)變，以達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖1數(shù)控機(jī)床MRAC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2機(jī)床切削加工MRAC模型的建立

　　機(jī)床切削加工過(guò)程MRAC模型如圖2所示，由伺服機(jī)構(gòu)、切削過(guò)程、參考模型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、前饋裝置和反饋裝置等環(huán)節(jié)組成。

圖2切削加工過(guò)程MRAC模型框圖

　　伺服環(huán)節(jié)可用一個(gè)二節(jié)系統(tǒng)表示：

　　（1）

　　式中：s為拉氏變換的算子;u為伺服輸入（V）;Kn為伺服增益（mm/（V?s））;ωn為伺服系統(tǒng)的自然頻率（rad/s）;v為進(jìn)給速度（mm/s）;ξ為阻尼系數(shù);f為進(jìn)給量（mm/r），可表示為：

　　（2）

　　式中：n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）;戶為銑削時(shí)刀具的齒數(shù)，車(chē)削時(shí)p=1。

　　考慮到參考模型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是作為理想的性能指標(biāo)，因此，該環(huán)節(jié)依然和伺服機(jī)構(gòu)的環(huán)節(jié)一樣，即

　　切削加工過(guò)程的靜態(tài)切削力Fs可表示為：

　　（3）

　　式中：Ks為切削比力（N/mm2），m為指數(shù)（一般m1），Ks、m都取決于工件材料和刀具形狀;a為背吃刀量（mm）。

　　根據(jù)不同加工過(guò)程特性，F(xiàn)s動(dòng)態(tài)過(guò)程也可由式（3）表示。假設(shè)m=1，其動(dòng)態(tài)過(guò)程可用一個(gè)一階系統(tǒng)來(lái)表示：

　　（4）

　　式中：τ為時(shí)間常數(shù)。