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應用適應性史密斯控制器於工具機切削扭矩控制
作者 蔡孟勳、洪茂棋、吳相儒
刊登日期:2024/11/01
摘要
在加工過程中,透過穩定切削力進行加工進給率最佳化不僅可以提升加工效率,亦可以保護刀具。許多研究提出不同的控制方法來進行進給率調變,然而,大部分研究將工具機切削動態進行簡化,忽略插補器與通訊延遲所造成的影響,進給率容易在加工條件改變時產生振盪或不穩定。在本文中,工具機切削動態拆分成四部分進行建模,分別為插補器、伺服傳動、切削模型以及通訊時間延遲。為了確保系統的強健性與克服通訊時間延遲,本文整合線上參數估測器(online parameter estimator)與史密斯預測器(Smith predictor),提出適應性史密斯控制器(adaptive Smith controller)進行進給率的調變。線上參數估測器不僅可以反映切削條件的改變,亦可以估測刀具磨耗對切削模型的影響,使進給率控制器更加強健。為了驗證本文提出的控制架構能夠有效調變進給率,PI (proportional-integral)控制器、傳統史密斯控制器與適應性史密斯控制器分別用於切削三個不同切深的工件,而本文所提出的控制架構擁有最穩定的效果。同時,透過調整目標切削負載,相較於沒有進行進給率控制的結果,使用本技術進行進給率調變可以提升加工效率達10.5 %。
Abstract
In machining processes, controlling the cutting force by optimizing the feedrate can not only enhance machining efficiency but also protect the cutting tool. Many studies have proposed various control methods for feedrate modulation. However, most studies simplify the dynamics of the cutting process, neglecting the effects of the interpolator and communication delay, which can cause oscillations or instability when machining conditions change. In this article, the dynamics of the cutting process are modeled using four components: the interpolator, servo drive system, cutting model, and communication time delay. To increase system robustness and compensate for communication time delay, this research proposes an adaptive Smith controller, which integrates an online parameter estimator with a Smith predictor to modulate the feedrate. The online parameter estimator can not only reflect changes in cutting conditions but also estimate the effect of tool wear on the cutting model, thereby enhancing the robustness of the feedrate control. To verify the effectiveness of the proposed control architecture for feedrate modulation, three different control strategies were compared: a proportional-integral (PI) controller, a conventional Smith controller, and the adaptive Smith controller. The proposed control architecture demonstrated the most stable performance. By adjusting the reference cutting torque, the proposed control architecture could improve machining efficiency by 10.5 % compared to scenarios without control.
前言
傳統的銑床加工通常會採用較保守的固定進給率進行材料的移除,此進給率一般會根據材料、工序中移除材料的最大體積等,保守的進給率雖能保護刀具,但會降低加工效率。此外,有研究指出加工過程中維持固定切削力可以獲得更佳的表面品質[1],因此如何透過即時控制調整進給率,使切削力或切削負載維持在一定範圍是許多研究探討的主題。
常見的適應性切削控制方法可以分為四大類:強健控制(robust control)、模糊控制(fuzzy control)、適應控制(adaptive control)以及最佳控制(optimal control)。強健控制中,量化回授理論(quantitative feedback theory)是常見的技巧,使設計出來的控制器能夠承受一定範圍的系統不確定性,例如:切深變化、主軸轉速變化等等[2]。而模糊控制則是透過經驗法則設計模糊規則(fuzzy rule),讓控制器依據回授訊號做出對應的控制輸出[3]。適應控制則是透過線上參數估測的方式,即時調整控制器參數,使系統進行閉迴路控制的性能能夠符合需求[4]。最佳控制則是透過最佳化方法計算適合的控制訊號,例如模型預測控制(model predictive control)等[5]。然而,以上大部分研究皆使用高成本的切削動力計作為回授訊號,使技術難以導入實際應用。此外,大部分研究也將切削動態模型簡化為一階或二階系統,且忽略插補器與時間延遲造成的影響,可能造成進給率控制時有振盪產生。
本文提出更全面的動態模型,包含插補器、伺服傳動、切削模型與通訊時間延遲,使控制器設計與模擬能夠準確反映現實切削情況。而在實際應用中仍會有些許不確定性,因此本文導入線上參數估測,能夠即時反應系統的變異,使控制器維持穩定。同時,為了克服通訊延遲的影響,本文提出適應性史密斯控制器,整合動態模型、線上參數估測以及史密斯預測器。從實驗結果可以觀察到本文所提出的控制架構有更佳的穩定性。
研究方法與步驟
本文的研究方法與步驟依照下列順序進行說明:系統架構、加工動態模型建模以及適應性史密斯控制器。
1.系統架構
本文所使用的實驗載具為臺中精機立式綜合加工機(型號:Vcenter-P76),搭載FANUC 0i-MF CNC控制器,進給率調變的演算法安裝於機邊的筆記型電腦,作業系統為Windows 11。CNC控制器與筆記型電腦的通訊採用區域網路(local area network),並使用FANUC所提供的FOCAS函式庫來讀取當下的主軸切削負載與寫入進給率,架構圖如圖1。筆記型電腦上的適應性史密斯控制器將根據當下的主軸切削負載,計算適合的進給率並透過網路傳輸給CNC控制器的PLC,接著CNC控制器內的插補器便會根據PLC設定值調整馬達的運動速度,並進行切削。因為本文採用網路通訊,且從實驗中亦觀察到進給率改寫過程亦有時間延遲,因此時間延遲在適應性切削過程中是需要被考慮的。
圖1 適應性切削系統方塊圖
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