自適應是指對環(huán)境的變化有自適應能力，即系統(tǒng)按照環(huán)境的變化，調整其自身使得其行為在新的或已經改變的環(huán)境下達到，或者至少是容許的特性和功能。自適應技術起源于飛機的自動駕駛儀。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*自適應控制系統(tǒng)（adaptivecontroloptimization，aco）和約束式自適應控制系統(tǒng)（adaptivecontrolconstraint，acc）兩大類[1]。aco追求一種*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*。acc則是要保持某種約束的恒定，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(wěn)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(shù)控加工就是能夠依據(jù)當前設備負荷的變化、零件的變形、零件余量的不均、不的裝夾狀態(tài)等及時做出調整，以適應當前設備或零件的狀態(tài)，完成特定加工。自適應加工技術可以應用在余量不均的復雜曲面加工、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、工件的不裝夾及提高加工效率等多方面。自適應加工是數(shù)控加工技術發(fā)展到一定階段的產物，是一種*的加工理念，是實現(xiàn)數(shù)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)的重要延伸，通過軟硬件實現(xiàn)對加工過程中設備的功率、負載或速度進行實時自動監(jiān)測與調整，以適應當前的加工狀態(tài)；第2種是基于逆向工程，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裝夾的狀況下，通過測量等手段，快速適應零件的不裝夾狀態(tài)，實現(xiàn)加工。
1應用于數(shù)控設備的自適應控制技術
普通數(shù)控加工切削過程中，數(shù)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、不確定性強的復雜動態(tài)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*。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(shù)也是不斷變化的，刀具斷裂、刀具磨損監(jiān)視手段缺乏。這種狀況就迫切需要數(shù)控設備具有自適應能力。
應用數(shù)控機床數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)控和自動調節(jié)切削參數(shù)的自適應控制技術，可以實時采集監(jiān)控設備參數(shù)，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(tǒng)與自適應控制技術的結合作用下，根據(jù)當前的主軸負載等參數(shù)，將進給速率調節(jié)到*化的數(shù)值，從而提高加工效率，并且具有下列保護功能：銑刀斷裂保護，刀具磨損監(jiān)控，主軸過載保護。國外較早前就開展了自適應設備的研制工作，也研發(fā)了各類自適應加工設備，應用在測刀具磨損、車床、鉆床、電加工、磨床、加工中心等設備，約束目標較單一，如能保持扭矩恒定的鉆床等，目前應用尚不普遍。以色列的omative優(yōu)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*狀態(tài)，然后在加工過程中，實時監(jiān)測主軸功率的變化，及時調整進給率[2]。與之配套的數(shù)控機床網(wǎng)絡化生產管理軟件omat-pro，能夠實現(xiàn)對單臺、多臺數(shù)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(jiān)控記錄生產過程中的數(shù)據(jù)。德國artis刀具監(jiān)控系統(tǒng)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(tài)進行實時監(jiān)控的一套系統(tǒng)，并能通過監(jiān)控主軸扭矩的變化來調節(jié)進給速度，實現(xiàn)自適應控制。omat和artis在國外應用較多，在我所研制的大型數(shù)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，余量分布極不均勻，粗加工過程波動巨大。對于大型復雜曲面零件的加工，由于毛坯采用鑄造方式，余量很不均勻、波動較大，傳統(tǒng)的切削參數(shù)是根據(jù)zui大余量來決定的，一般在整個加工過程中不變，則切削參數(shù)通常偏低以保護刀具和機床，這樣效率就很低下，難以發(fā)揮大型數(shù)控設備的特點。保持恒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，zui終結果相當于得到一個*的平均進給倍率，不但能夠保護設備、刀具，還能明顯提率。若能將恒負荷保持在zui大許用值水平，將可以極大提率。通過我們的切削試驗，安裝omat優(yōu)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(shù)控加工過程中，切削力等復雜的物理因素影響加工質量、效率和安全，而現(xiàn)在普遍的數(shù)控技術還只限于幾何運動控制，對這些復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測量、加工過程的控制策略及自適應加工技術的實現(xiàn)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系、控制的穩(wěn)定性、智能控制系統(tǒng)。自適應控制設備總體上還處于研發(fā)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(huán)境因素還不夠全面，局限性較大。
實現(xiàn)對機床加工過程的實時監(jiān)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，也有助于機床的維護保養(yǎng)和故障診斷。應用數(shù)控設備的實時自動監(jiān)測與調整的自適應加工技術將是未來數(shù)控機床的必然發(fā)展趨勢，也將是未來網(wǎng)絡化制造、數(shù)字化車間與無人工廠的*技術。
2基于逆向工程的建模與編程的適應性加工技術
某些整體葉盤采用焊接工藝將盤體與葉片焊接成一體，然后將焊接部位加工到位。由于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(shù)模進行加工。焊后的清根加工應根據(jù)焊接后葉片的位置及形狀采用自適應加工技術，將理論數(shù)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(shù)模，然后在此數(shù)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，由于整體葉盤工作在高溫高壓的環(huán)境下，工作一段時間后葉片必然有所變形。由于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(shù)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于逆向工程，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件的功能，將設計數(shù)模進行變形，以適應現(xiàn)在變形的葉片，得到新的工藝數(shù)模，用于數(shù)控加工的編程；
（3）對于葉盤修復工作，將葉片損失部位堆焊后，按上述工藝數(shù)模編程，沿葉片本身的形狀與位置將多余焊瘤進行切除。對于焊接式整體葉盤的清根工作，按上述工藝數(shù)模編程進行清根加工（圖1）。
圖2中葉片有局部損傷，經過高溫高壓的工作后葉片也有些變形，將受傷部位堆焊后，若直接用設計數(shù)模編程加工堆焊部位將很難與周邊曲面光滑接平。這時需要采用自適應工作方式，在葉片上測量一組特征點位，輸入到設計數(shù)模，與設計數(shù)模對比分析，采用逆向工程軟件的變形功能，將設計數(shù)模變形使之符合測量特征點，然后在此數(shù)模上編程加工堆焊部位，將能夠與周邊曲面光滑接平。
圖2葉片修復的適應性加工
目前，delcam的adaptivemachining可以實現(xiàn)在線檢測、建模、編程與加工?；谏鲜鲈?，采用通用的測量、建模、編程手段也可實現(xiàn)此類適應性加工，即通過測量機測量或在線檢測，得到變形數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入cad系統(tǒng)，與設計模型進行分析比對，然后采用cad的編輯功能，得到新的工藝數(shù)模，在此工藝數(shù)模上編程加工即可。starrag公司的psi+軟件和rcs葉片加工軟件也具有此功能。
3零件不定位裝夾狀況下的適應性加工技術
若沒有的工裝夾具，要實現(xiàn)零件的調整、裝夾定位通常要花幾個小時，并且由于每個人的操作習慣不同，同批次的零件質量也不易保證。尤其是體積巨大、重達數(shù)噸的工件，位置的微調也極為困難，或者是柔性很大的蒙皮類零件，基本上沒有基準，要實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的的找正與裝夾幾乎不可能。因此，若能夠適應零件的不裝夾，完成加工，此種工作方式也是一種自適應加工。零件重量超過10t，并且其長度超出了工作臺，零件放上工作臺后無法移動，且位置是隨機的。由于零件超出機床的行程范圍，利用機床本身已經無法測量其位置，所以首先用激光跟蹤儀建立機床的加工坐標系，在機床坐標系下測量工件上的幾個特征點，輸入到設計數(shù)模中，然后將設計數(shù)模進行位置的移動與偏轉，與測量的特征點擬合，然后在工作坐標系下建立編程坐標系，所有的加工程序要在新的加工坐標系中重新生成才能使用。零件一端加工完成后，重新掉轉零件，將另一端安放在機床工作臺上，按上述方法重新編制加工程序。
此類適應性加工通常是通過如下步驟完成的：零件在機床工作臺上大致定位安裝后，首先利用機床的在線檢測功能，用事先編好的程序對工件的某些特征進行現(xiàn)場位置檢測，從工件上采集一系列點，這些點可以被一系列*配合過程用于確定工件的位置，然后利用軟件或數(shù)控系統(tǒng)的某些功能，計算得出工件的實際位置與機床坐標系的關系，然后重新偏轉數(shù)控程序或偏置加工坐標系，再調用數(shù)控程序進行加工。
delcam的powerinspect功能是快速裝夾的代表。它利用事先編好的程序對工件進行現(xiàn)場位置檢測，然后利用ncpartlocator能快速重新偏轉數(shù)控程序，用于加工。西門子等數(shù)控系統(tǒng)也具有加工坐標系偏轉的各種指令，通過偏轉加工坐標系而不是偏置零件的方式，使數(shù)控程序的編程坐標系與工件實際位置對應，也能實現(xiàn)零件不定位狀態(tài)下的加工。
快速不裝夾的適應性加工技術在工作實踐中是十分有用的技術，它取消了傳統(tǒng)加工中的使工件基準與機床的坐標系重合的找正環(huán)節(jié)，在某些特殊的情況下能節(jié)省復雜的工裝，縮短加工周期，并且也是未來實現(xiàn)數(shù)字化裝夾、快速裝夾、智能裝夾的*技術。
自適應加工技術的應用展望
自適應控制技術的發(fā)展已有40多年的歷史，在理論和實踐上都得到了很大發(fā)展，特別是隨著逆向工程軟硬件技術、傳感器技術及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為自適應技術創(chuàng)造了有利的條件，自適應控制技術不但在飛機導彈飛行控制等方面得到廣泛應用，而且在數(shù)控加工領域得到發(fā)展，取得了一定的效果，解決零件按事先確定的程序加工與加工過程中工況變化不適應的矛盾。數(shù)控設備具備自適應加工能力將極大提高數(shù)控設備的加工效率，并且能夠對數(shù)控設備起到*的保護作用?；谀嫦蚬こ淘淼淖赃m應加工技術及不定位裝夾加工技術，在整體葉盤修復、大型工件等某些特定領域發(fā)揮了巨大的作用。可以預見的是，在未來的自動化加工、無人工廠及某些特殊加工等領域，自適應數(shù)控加工技術將有巨大的發(fā)展空間。
參考文獻
[1]陳虎，韓至駿。機床自適應控制的新進展，中國機械工程，1998,9（5）,14-16,86.
[2]omative公司.優(yōu)銑控制器使用手冊，2011.
（文章作者：王文理 袁士平）