應用適應性史密斯控制器於工具機切削扭矩控制

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。