[发明专利]加工工艺的自适应控制

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年6月4日提交的美国临时专利申请No.61/351,635的权益，其全部公开内容包含在此以供参考。

技术领域

本发明涉及一种在执行金属切削工艺的机床中作为刀具相对于工件位置的函数来确定可调自适应控制设定点的方法。

背景技术

自适应控制通常涉及一种特殊类型控制系统，其能够修改其算法，以更好地调整具有时变或不确定动态的物理系统。该系统通常使用高级非线性反馈或前馈的方案，并且常常包括某种技术学习，因此，该控制分析集体反馈，并且随着时间流逝而提高系统性能。

然而，在机床行业中，自适应控制涉及一种相对简单的策略，因此为了维持恒定负载，机床控制根据刀具主轴反馈（通常例如为总功率、扭矩或电流）来调整加工进给速度。自适应控制是在工艺过程中观察功率水平并且向上或向下设置地调整进给速度倍率（override）以维持期望的功率水平的人类操作员的自动化等效物。当然，自适应控制系统比人类更可靠并且以更快的反应时间执行该功能。

在机床领域已知自适应控制几十年。当前，可通过大多数计算机数字控制机床（CNC）生产商或许多其他所谓的第三方供应商市售获得自适应控制系统。机床用户的益处包括：在工件材料、刀具条件或其他工艺条件随时间变化的情况下，更大的工艺稳定性；较少的刀具危险性和工件损伤；较少需要人类干预；以及较少的设置和工艺优化方面的努力。

在加工工艺过程中，自适应控制系统常常开启或关闭，并且通常允许用户在一个周期内对不同刀具或加工操作编程不同的设定点数值，诸如将对具有自动换刀装置的通用加工中心有利。假设在加工工艺过程中，关键工艺条件，诸如接触工件的刀具的啮合长度或面积、冷却剂应用等等都是相对恒定的，大的刀具主轴功率就产生合理的工艺健康情况测量值。在该情况下，目前的自适应控制系统提供上述益处。

图1示出代表典型自适应控制系统的方框图。设定点功率为主命令输入，将其与从该工艺测量到的功率比较。视需要，计算、过滤命令功率和反馈功率之间的差异，并且将其送给至自适应控制模块。自适应控制系统的输出为进给速度的倍率，其用于实时修改零件的加工进给速度，以便尽可能接近经编程设定点地调节实际加工工艺的功率。

图2示出简化的自适应控制函数，其能够在图1的“自适应控制”模块中实施该函数。该函数将应用于至少一种刀具或加工周期的操作。在该图中，沿水平轴线指出系统测量的总功率。沿垂直轴线给出进给速度倍率输出值。在经编程的设定点数值P₀，进给速度倍率输出值为100%。随着加工功率增大，例如由于工件材料中的硬点或刀具锋利性能降低，系统降低进给速度。随着测量到的功率变大，系统提高倍率百分比。图2中所示的自适应控制函数为直线，但是其不必如此。如图中所示，典型的自适应控制系统允许用户指定进给速度倍率的上限和下限。

自适应控制在齿轮制造工艺中（诸如锥齿轮磨削、锥齿轮切削以及杆刃（stick blade）磨削）还未被广泛接受。主要原因在于，在锥齿轮制造工艺中，工件中的刀具啮合度连续地变化。将总功率控制为恒定水平将在磨削轮中产生每一粒度的动态变化负载（或在切削刀具中的每一单位切削刃长度的负载），因此，工艺最优化寻求发现每一粒度的最高恒定负载（或切削刀具中的每一单位切削刃长度）。因此，为有效起见，测量刀具主轴功率的自适应控制系统将另外要求刀具啮合的信息。然而，已知的自适应控制系统不能直接测量和处理该另外的信息，所以不能在锥齿轮应用中提供正常期待的益处。

在锥齿轮制造的应用中，一种在已知自适应控制系统的限制值附近作业的方法将把加工周期分为具有不同自适应控制设定点数值的若干个小段。该方法将对锥齿轮有效，但是除了反复试验以计算不同的设定点数值外，不存在已知方法。因而，自适应控制系统将对每一零件外形都要求耗时和冗长的微调，并且要求操作者有高度的专业技术，因而不利于自适应控制的目的。

在本领域中也已知模拟软件系统，其最优化刀具路径，力图稳定刀具负载。该系统知道工件中的刀具啮合的信息，所以能够在零件加工程序中做出刀具路径（切削的深度和角度）以及进给速度调整，以便维持恒定负载。该模拟系统的限制在于，它们不实时工作，因而不能补偿典型的制造环境的变化，诸如刀具磨损、刀具或工件的材料和外形变化，以及由于人员变化的机床设置改变。另一问题在于，已知模拟系统仅能够对使用具有限定切削刃的工艺来最优化刀具路径，即该软件缺乏处理未限定刀具刃的材料切除工艺诸如磨削的能力。

发明内容