自適應(yīng)是指對環(huán)境的變化有自適應(yīng)能力，即系統(tǒng)按照環(huán)境的變化，調(diào)整其自身使得其行為在新的或已經(jīng)改變的環(huán)境下達到最好，或者至少是容許的特性和功能。自適應(yīng)技術(shù)起源于飛機的自動駕駛儀。自適應(yīng)加工可以分為工藝自適應(yīng)與幾何自適應(yīng)，工藝自適應(yīng)又可分為最佳自適應(yīng)控制系統(tǒng)（Adaptive Control Optimization，ACO）和約束式自適應(yīng)控制系統(tǒng)（Adaptive Control Constraint，ACC）兩大類[1]。ACO追求一種最佳的加工過程指標，如加工時間、切除率或表面質(zhì)量某項指標達到最優(yōu)。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(zhì)量。ACC目前在設(shè)備上的應(yīng)用相對較廣。幾何自適應(yīng)是隨零件的形狀或位置變化而進行的加工，也稱為適應(yīng)性加工。

　　自適應(yīng)數(shù)控加工就是能夠依據(jù)當(dāng)前設(shè)備負荷的變化、零件的變形、零件余量的不均、不精確的裝夾狀態(tài)等及時做出調(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)前設(shè)備或零件的狀態(tài)，完成特定加工。自適應(yīng)加工技術(shù)可以應(yīng)用在余量不均的復(fù)雜曲面加工、焊接式整體葉盤的加工、整體葉盤的修復(fù)、空心葉片的精加工、工件的不精確裝夾及提高加工效率等多方面。自適應(yīng)加工是數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是一種先進的加工理念，是實現(xiàn)數(shù)字化車間及無人加工的前瞻性技術(shù)。

　　自適應(yīng)加工技術(shù)的工作原理及應(yīng)用

　　自適應(yīng)加工在數(shù)控加工領(lǐng)域通常有3種工作方式。第1種是應(yīng)用在設(shè)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(shè)備的功率、負載或速度進行實時自動監(jiān)測與調(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)前的加工狀態(tài)；第2種是基于逆向工程，適應(yīng)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精確裝夾的狀況下，通過測量等手段，快速適應(yīng)零件的不精確裝夾狀態(tài)，實現(xiàn)精確加工。

　　1 應(yīng)用于數(shù)控設(shè)備的自適應(yīng)控制技術(shù)

　　普通數(shù)控加工切削過程中，數(shù)控機床按NC程序預(yù)先設(shè)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(fù)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最優(yōu)。切削工況的變化導(dǎo)致設(shè)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(shè)備具有自適應(yīng)能力。

　　應(yīng)用數(shù)控機床數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)切削參數(shù)的自適應(yīng)控制技術(shù)，可以實時采集監(jiān)控設(shè)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(nèi)置的專家系統(tǒng)與自適應(yīng)控制技術(shù)的結(jié)合作用下，根據(jù)當(dāng)前的主軸負載等參數(shù)，將進給速率調(diào)節(jié)到最優(yōu)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(yīng)設(shè)備的研制工作，也研發(fā)了各類自適應(yīng)加工設(shè)備，應(yīng)用在測刀具磨損、車床、鉆床、電加工、磨床、加工中心等設(shè)備，約束目標較單一，如能保持扭矩恒定的鉆床等，目前應(yīng)用尚不普遍。以色列的OMATIVE優(yōu)銑控制器OMAT-PRO是自適應(yīng)加工技術(shù)的主要代表，它對主軸功率進行約束，通過學(xué)習(xí)和再學(xué)習(xí)掌握主軸功率的最佳狀態(tài)，然后在加工過程中，實時監(jiān)測主軸功率的變化，及時調(diào)整進給率[2]。與之配套的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理軟件OMAT-PRO，能夠?qū)崿F(xiàn)對單臺、多臺數(shù)控機床的綜合生產(chǎn)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(chǎn)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(diào)節(jié)進給速度，實現(xiàn)自適應(yīng)控制。OMAT和ARTIS在國外應(yīng)用較多，在我所研制的大型數(shù)控機床上也得到了應(yīng)用。

　　軍工產(chǎn)品中有很多結(jié)構(gòu)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(fù)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)最大余量來決定的，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(shè)備高效的特點。保持恒定功率或載荷的自適應(yīng)加工方式將能夠很好地應(yīng)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(diào)整，在負載急劇上升時，進給率下降，反之則上升，最終結(jié)果相當(dāng)于得到一個最優(yōu)的平均進給倍率，不但能夠保護設(shè)備、刀具，還能明顯提高效率。若能將恒負荷保持在最大許用值水平，將可以極大提高效率。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(fù)雜的物理因素影響加工質(zhì)量、效率和安全，而現(xiàn)在普遍的數(shù)控技術(shù)還只限于幾何運動控制，對這些復(fù)雜的物理因素還未涉及。自適應(yīng)加工技術(shù)可對這些技術(shù)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精確測量、加工過程的控制策略及自適應(yīng)加工技術(shù)的實現(xiàn)方法。需要深入研究電機驅(qū)動電流和切削力與切削扭矩的關(guān)系、控制的穩(wěn)定性、智能控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制設(shè)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(yīng)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(chǎn)品質(zhì)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(yīng)用數(shù)控設(shè)備的實時自動監(jiān)測與調(diào)整的自適應(yīng)加工技術(shù)將是未來高檔數(shù)控機床的必然發(fā)展趨勢，也將是未來網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化車間與無人工廠的必備技術(shù)。

    2 基于逆向工程的建模與編程的適應(yīng)性加工技術(shù)

　　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(yīng)根據(jù)焊接后葉片的位置及形狀采用自適應(yīng)加工技術(shù)，將理論數(shù)模通過技術(shù)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(fù)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(fù)技術(shù)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(fù)必須適應(yīng)葉片的實際形狀，才能保證修復(fù)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(fù)。所以葉盤修復(fù)類工作也提出了自適應(yīng)加工技術(shù)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；

　?。?）利用逆向工程造型軟件的功能，將設(shè)計數(shù)模進行變形，以適應(yīng)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；

　?。?）對于葉盤修復(fù)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。

　　葉片有局部損傷，經(jīng)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(shè)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(yīng)工作方式，在葉片上測量一組特征點位，輸入到設(shè)計數(shù)模，與設(shè)計數(shù)模對比分析，采用逆向工程軟件的變形功能，將設(shè)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。

　　目前，DELCAM的Adaptive Machining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(yīng)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(shè)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葉片加工專用軟件也具有此功能。

　　3 零件不精確定位裝夾狀況下的適應(yīng)性加工技術(shù)

　　若沒有專用的工裝夾具，要實現(xiàn)零件的精確調(diào)整、裝夾定位通常要花幾個小時，并且由于每個人的操作習(xí)慣不同，同批次的零件質(zhì)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(diào)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)意義上的精確的找正與裝夾幾乎不可能。因此，若能夠適應(yīng)零件的不精確裝夾，完成精確加工，此種工作方式也是一種自適應(yīng)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(jīng)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(shè)計數(shù)模中，然后將設(shè)計數(shù)模進行位置的移動與偏轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(yīng)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?qū)ぜ哪承┨卣鬟M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最佳配合過程用于確定工件的精確位置，然后利用專用軟件或數(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(guān)系，然后重新偏轉(zhuǎn)數(shù)控程序或偏置加工坐標系，再調(diào)用數(shù)控程序進行加工。

　　DELCAM的POWER INSPECT功能是快速裝夾的代表。它利用事先編好的程序?qū)ぜM行現(xiàn)場位置檢測，然后利用NC PARTLOCATOR能快速重新偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的各種指令，通過偏轉(zhuǎn)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(yīng)，也能實現(xiàn)零件不精確定位狀態(tài)下的精確加工。

　　快速不精確裝夾的適應(yīng)性加工技術(shù)在工作實踐中是十分有用的技術(shù)，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(fù)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、智能裝夾的必備技術(shù)。

　　自適應(yīng)加工技術(shù)的應(yīng)用展望

　　自適應(yīng)控制技術(shù)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(shù)、傳感器技術(shù)及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為自適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)造了有利的條件，自適應(yīng)控制技術(shù)不但在飛機導(dǎo)彈飛行控制等方面得到廣泛應(yīng)用，而且在數(shù)控加工領(lǐng)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(yīng)的矛盾。數(shù)控設(shè)備具備自適應(yīng)加工能力將極大提高數(shù)控設(shè)備的加工效率，并且能夠?qū)?shù)控設(shè)備起到極好的保護作用?；谀嫦蚬こ淘淼淖赃m應(yīng)加工技術(shù)及不精確定位裝夾加工技術(shù)，在整體葉盤修復(fù)、大型工件等某些特定領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用?？梢灶A(yù)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(lǐng)域，自適應(yīng)數(shù)控加工技術(shù)將有巨大的發(fā)展空間。