自適應是指對環境的變化有自適應能力,即系統按照環境的變化,調整其自身使得其行為在新的或已經改變的環境下達到最好,或者至少是容許的特性和功能。自適應技術起源於飛機的自動駕駛儀。自適應加工可以分為工藝自適應與幾何自適應,工藝自適應又可分為最佳自適應控制系統(AdaptiveControlOptimization,ACO)和約束式自適應控制系統(AdaptiveControlConstraint,ACC)兩大類[1]。ACO追求一種最佳的加工過程指標,如加工時間、切除率或表面質量某項指標達到最優。ACC則是要保持某種約束的恆定,如扭矩、切削力或切削功率,以提高加工效率、保持加工過程穩定及保證加工質量。ACC目前在設備上的應用相對較廣。幾何自適應是隨零件的形狀或位置變化而進行的加工,也稱為適應性加工。
自適應數控加工就是能夠依據當前設備負荷的變化、零件的變形、零件余量的不均、不精確的裝夾狀態等及時做出調整,以適應當前設備或零件的狀態,完成特定加工。自適應加工技術可以應用在余量不均的複雜曲面加工、焊接式整體葉盤的加工、整體葉盤的修復、空心葉片的精加工、工件的不精確裝夾及提高加工效率等多方面。自適應加工是數控加工技術發展到一定階段的產物,是一種先進的加工理念,是實現數字化車間及無人加工的前瞻性技術。
自適應加工技術的工作原理及應用
自適應加工在數控加工領域通常有3種工作方式。第1種是應用在設備上,是數控系統的重要延伸,通過軟硬體實現對加工過程中設備的功率、負載或速度進行實時自動監測與調整,以適應當前的加工狀態;第2種是基於逆向工程,適應零件形狀的微小變化,隨其變化而加工;第3種是在零件的快速不精確裝夾的狀況下,通過測量等手段,快速適應零件的不精確裝夾狀態,實現精確加工。
1應用於數控設備的自適應控制技術
普通數控加工切削過程中,數控機床按NC程序預先設好的進給率進行勻速加工,而實際的金屬切削過程是一個具有高度非線性、時變、隨機干擾嚴重、不確定性強的複雜動態過程,切削余量及刀具的磨損程度都在不斷變化,NC程序中制定的進給率不能使加工目標維持最優。切削工況的變化導致設備的功率、扭矩、切削力和振顫等參數也是不斷變化的,刀具斷裂、刀具磨損監視手段缺乏。這種狀況就迫切需要數控設備具有自適應能力。
應用數控機床數據實時採集監控和自動調節切削參數的自適應控制技術,可以實時採集監控設備參數,進給速率可以隨著實際切削條件的不同實時變化,在內置的專家系統與自適應控制技術的結合作用下,根據當前的主軸負載等參數,將進給速率調節到最優化的數值,從而提高加工效率,並且具有下列保護功能:銑刀斷裂保護,刀具磨損監控,主軸過載保護。國外較早前就開展了自適應設備的研製工作,也研發了各類自適應加工設備,應用在測刀具磨損、車床、鑽床、電加工、磨床、加工中心等設備,約束目標較單一,如能保持扭矩恆定的鑽床等,目前應用尚不普遍。以色列的OMATIVE優銑控制器OMAT-PRO是自適應加工技術的主要代表,它對主軸功率進行約束,通過學習和再學習掌握主軸功率的最佳狀態,然後在加工過程中,實時監測主軸功率的變化,及時調整進給率[2]。與之配套的數控機床網路化生產管理軟體OMAT-PRO,能夠實現對單台、多台數控機床的綜合生產管理,能夠在屏幕上實時生成負載和進給率的變化曲線,監控記錄生產過程中的數據。德國ARTIS刀具監控系統是對機床加工過程中刀具磨損或斷刀、主軸碰撞、加工過載、刀具不平衡等機床狀態進行實時監控的一套系統,並能通過監控主軸扭矩的變化來調節進給速度,實現自適應控制。OMAT和ARTIS在國外應用較多,在我所研製的大型數控機床上也得到了應用。
軍工產品中有很多結構件毛坯是模鍛件,余量分佈極不均勻,粗加工過程波動巨大。對於大型複雜曲面零件的加工,由於毛坯採用鑄造方式,余量很不均勻、波動較大,傳統的切削參數是根據最大余量來決定的,一般在整個加工過程中不變,則切削參數通常偏低以保護刀具和機床,這樣效率就很低下,難以發揮大型數控設備高效的特點。保持恆定功率或載荷的自適應加工方式將能夠很好地應付此局面。OMAT-PRO可記錄主軸功率和進給率的變化曲線,使進給率隨負載變化進行調整,在負載急劇上升時,進給率下降,反之則上升,最終結果相當於得到一個最優的平均進給倍率,不但能夠保護設備、刀具,還能明顯提高效率。若能將恆負荷保持在最大許用值水平,將可以極大提高效率。通過我們的切削試驗,安裝OMAT優銑控制器的機床其加工效率能提高10%~30%,尤其適合粗加工階段。
數控加工過程中,切削力等複雜的物理因素影響加工質量、效率和安全,而現在普遍的數控技術還只限於幾何運動控制,對這些複雜的物理因素還未涉及。自適應加工技術可對這些技術進行控制,但目前存在一些未解決的問題,主要有切削載荷的在線精確測量、加工過程的控制策略及自適應加工技術的實現方法。需要深入研究電機驅動電流和切削力與切削扭矩的關係、控制的穩定性、智能控制系統。自適應控制設備總體上還處於研發和部分推廣階段,成本較高,在線檢測和實時反應速度方面還有待提高,約束的環境因素還不夠全面,局限性較大。
實現對機床加工過程的實時監控,對自動化無人加工、提高機床加工效率、改善產品質量有一定的保障作用,也有助於機床的維護保養和故障診斷。應用數控設備的實時自動監測與調整的自適應加工技術將是未來高檔數控機床的必然發展趨勢,也將是未來網路化製造、數字化車間與無人工廠的必備技術。
2基於逆向工程的建模與編程的適應性加工技術
某些整體葉盤採用焊接工藝將盤體與葉片焊接成一體,然後將焊接部位加工到位。由於葉片的加工和焊接工藝造成葉片的形狀及位置的誤差較大,無法按理論數模進行加工。焊后的清根加工應根據焊接後葉片的位置及形狀採用自適應加工技術,將理論數模通過技術手段進行移動或變形,從而與零件的實際情況相吻合,得到新的工藝數模,然後在此數模上進行編程加工。整體葉盤或葉片的修復也是類似的工作原理,由於整體葉盤工作在高溫高壓的環境下,工作一段時間後葉片必然有所變形。由於葉盤十分昂貴且加工周期很長,所以葉盤的修復技術就顯得十分必要。整體葉盤的損失通常是其上的葉片局部受損,葉片的局部損傷與修復必須適應葉片的實際形狀,才能保證修復部位與原葉片光滑過渡接平,而不能單純按理論數模進行修復。所以葉盤修復類工作也提出了自適應加工技術的需求,其基本工作原理是基於逆向工程,大致分為如下幾個步驟:
(1)葉片檢測,檢測其變形情況;
(2)利用逆向工程造型軟體的功能,將設計數模進行變形,以適應現在變形的葉片,得到新的工藝數模,用於數控加工的編程;
(3)對於葉盤修復工作,將葉片損失部位堆焊后,按上述工藝數模編程,沿葉片本身的形狀與位置將多餘焊瘤進行切除。
對於焊接式整體葉盤的清根工作,按上述工藝數模編程進行清根加工(圖1)。