｜智慧化自適應控制技術

摘要：數控工具機在加工生產過程中是根據事先撰寫好的加工程式碼（NC Part Program）來進行工件的切削，一些加工參數如：進給軸速度、主軸轉速、切削深度等都是由加工手冊和操作者的經驗來決定相關參數設定，然而在撰寫加工程式碼時往往無法預先考慮實際加工過程可能會出現的一些狀況如：刀具的磨耗、工件材料的不均勻、加工餘量的不一致等對加工品質的不良影響，而將加工參數設置較為保守，因而降低了工具機和控制器的效能。為了提高加工效率，操作者在加工過程中只能根據實際切削狀況而不斷地調整操作面板上的主軸轉速和進給速率這兩個參數的調整旋鈕，使加工機能在較理想的工作狀態。

本文在於調查國內外工具機在智能調速技術面的研究概況和發展動態，提供工研院在發展智慧化控制系統時的對應關鍵核心技術，以充分發揮工具機與控制器的加工潛力，在維持加工精度的條件下，提高切削效率以降低工件的製造成本，進而提升國產控制器的軟實力。

Abstract: Computer numerical control machine (CNC) machining workpiece depended on parts’ NC part programs. Some cutting parameters, such as feed-axes’ feedrate, spindle's cutting rate, cutting depth etc, are fixed on NC machining reference handbook and manipulator's experience. When they program NC programs and often set conventional cutting parameters for some constraints, such as tools’ wear, material's asymmetry and machining remains that cannot be premeditated, which will be ruined to the quality of the machining workpieces. To raise machining efficiency and make CNC machine operating in a perfect state, manipulator would constantly adjust feedrate and spindle speed trim knobs in the operate panel.

This paper has focused on investigation of the intelligent adaptive control techniques for machine tools. Development of intelligent feedrate adjustment techniques can reduce the cost and enhance efficiency during the machining operations.

關鍵詞：智慧化控制、自適應控制、電腦數值控制

Keywords：Intelligent Control, Adaptive Control, Computer Numerical Control

前言
數控系統中，工具機的自動化是以零件的程式設計為中心，根據既定加工程式控制機台的位置和速度，但是實際加工過程是複雜多變的，加工精度與效率不僅與伺服系統的精度和速度有關，而且也受加工條件的影響。雖然可以靠人為的熟練專業經驗來彌補；但是當加工自動化規模屬於整廠加工時，那麼整個加工系統的效能就不能完全發揮。

近年來，隨著現代控制技術的迅速發展，國內外在運用高等先進控制技術來提高工具機生產效率和可靠度方面取得了一系列成果，自適應控制技術最早被應用在飛機的自動駕駛，自適應控制系統主要包含自校正控制（Self Tuning Control）和模型參考自適應控制（Model Reference Adaptive Control）。為了保護工具機和刀具，確保加工品質的穩定，調速機制以自適應控制法則在加工領域獲得最廣泛的應用。由於檢測訊號的不同，自適應控制形式及其應用範圍也各不同。在現有的美國Bendix公司[1]於1964年提出第一個最佳化自適應系統（Adaptive Control Optimization, ACO）並研發成功地應用於數控銑床，如圖一所示，該自適應控制器利用感測器測量切削力矩、刀具溫度及機械振動等數據來計算一個線上加工性能指標的最大化以獲得最佳化進給速度。

1970年日本Toyota工具機製造廠開發了自適應控制的外圓磨床，以磨削精度和砂輪耐用度作為自適應控制目標，並可自動確定砂輪修整周期，以適應不同尺寸和材料工件的磨削。德國Siemens公司研製一台可控制兩軸方向進給速度的自適應約束型（Adaptive Control Constraint, ACC）控制車床，採用以感測器直接量測加工過程中的力矩訊號來作為調控迴授訊號。1980年，O.Masory[2]假設以二階阻尼系統來描述車床系統，並利用可變增益技術來修對所對應的車削深度和主軸轉速以滿足恆功率切削力適應控制；1989年B.S. Chen [3]在車床上以基於以最小增益理論（Small Gain Theorem）而提出一種強健型PI控制器來穩定在車削過程中非線性時變的恆車削力適應系統；1991年美國Ohio State University 的K. Srinivasn[4]採用刀具和工件的接觸區域，在滿足最大切削速度和最大切削厚度的兩個條件下，提出一個比較固定增益控制器和三個自適應控制器來針對主軸轉速和進給速度的最佳化。1992年希臘Aristotle大學的K. D. Bouzakisa[5]考慮生產成本和加工精度，計算沿著刀具路徑的切削力、刀具磨耗、和進給速度，進而提出可以對NC加工程式碼來最佳化切削速度和進給速度。採用的控制策略是在粗加工時，依照切削刀負荷和主軸功率兩個參數來進行最佳化，在精加工時，依照刀具形狀和進給速度兩個參數來最佳化，此系統須先建立刀具磨耗模型，才能對進給速度和主軸轉速作最佳化的研判。1993年Y.S. Tarng [6] 在車床上以自適應控制技術與神經網路學習能力來修改因車削條件變化時所對應的響應，自動調整進給速度以維持恆車削力；1994年L. Harder [7]在車床上提出了一個新的參數型自適應控制系統來作線上車削力的控制，調整進給速率以補償車削過程的不同切削狀況，其基於以隨機建模 （Stochastic Modeling）、回歸鑑別（Recursive Identification）而提出的恆切削力的線上自適應控制。