自适应控制技术是控制领域中的一个热点,自七十年代始，应用在航天飞行器、巡航导弹、船舶自动驾驶中，用于控制对象在运动过程中能够根据环境参数的变化（例如重心、阻力、风向等的改变），自动进行调整，使控制对象运行在最佳状态。

      由于自适应控制技术在控制活动中具备了像人一样的高度自适应性、学习能力，因此在工业生产过程中的各种复杂控制获得了广泛的应用。

      Omat公司从1990年起，开始研究把自适应控制技术应用于数控加工过程中，1995开发出投入实际应用的成熟产品——omat智能自适应控制系统。

      金属切削加工过程中，众多切削参数的选择对加工生产率和经济效益具有重要的影响，有时即使单个切削参数的改善也可以显著的提高加工效果。

      在常规计算机数控加工系统中，加工参数在加工之前根据编程人员的经验、加工手册或通过离线优化确定。

      而实际的金属切削加工过程是一个具有高度非线性、时变、随机干扰严重、不确定性的复杂动态过程，切削工况是不断变化的（见表1），编程时预先指定的加工参数不能使加工目标总是维持最优。

      由于数控机床识别和处理切削过程中不可预知的、模糊和不确定性情况的能力低下,为避免或减少因不能处理这些情况而可能出现的异常,在实际加工时这些切削参数的选择一般都较保守，编程人员通过这种保守的设置来应对千变万化的切削状况。这不利于充分发挥数控机床的加工潜力和提高切削效率。

      解决该问题的一个办法是给CNC加工系统提供一个能够根据加工条件的变化实时优化加工参数的最优控制系统。而omat智能自适应控制系统正是这样的“以变制变”的优化系统，它是自适应控制技术与omat特有的金属加工专家系统的结合体。

二、进给率实时优化，提高生产效率

      常规数控机床的金属切削过程中，都维持一个固定不变的、由NC程序预先设定好的进给率进行均速的加工，不能够根据加工过程中出现的动态变化对进给率进行弹性的调整，导致低效率。

      在omat智能自适应控制系统的监控下，进给率将不再受这种限制，可以随着实际切削条件的不同实时而变。在内置金属加工专家系统与自适应控制技术的结合作用下，对当前的主轴负载值、刀具及工件的切削参数值综合计算，将每一步走刀的进给率调节到最优化的数值，做到“该快的时候快，该慢的时候慢”。从而缩短加工周期，显著的提高加工效率。如图1所示。

图1 进给率优化曲线

      实际数控加工过程中，应用omat智能自适应控制系统后，轮廓铣削省时约38%，铣槽省时约34%，3D铣面省时约37%，钻孔省时约28% 。典型加工工件的省时效率如表2所示。

表2 典型加工工件的省时效率

      从表2的对比中可分析出omat智能自适应控制系统在生产中提高效率的显著效果。如果一台优铣器在加工中心上提高30%～40%的生产效率，那么使用三部优铣器就将多出一台加工中心设备及利用率，且可节约一台加工中心的运行经费，从而获得明显的经济效益。
 

三、监测刀具磨损，提高刀具利用率

      在制造业中，刀具的磨损或破损不仅会导致工件表面质量差，生产率低，生产成本高，而且严重时还会造成机床的功能失效及整个系统得故障。因此，在切削加工过程中对刀具磨损状态进行准确监测具有积极的现实意义。

1、数字显示磨损量

      在生产中，自适应控制系统在加工第一件工件时就学习对刀具磨损进行监测。在随后的加工中，系统继续对刀具的状况进行监测，并按刀具的当前磨损程度占最大磨损程度的百分比来进行显示。当刀具磨损状况表明应该更换刀具时，他将会显示在显示器上。这样一来，操作者可准确的掌握刀具的磨损程度，充分发挥刀具的性能，提高刀具利用率。

2、刀具磨损补偿

      在相同的进给率设置下，随着刀具的磨损，其切削能力逐渐下降，主轴的负荷因而会逐渐增加，造成潜在的风险。Omat智能自适应控制系统能够实时的根据刀具磨损量，自动计算出最佳的进给率并应用到当前的切削加工中。这样一来数控程序员不需要在编程设定进给率时过分保守。可以象在使用崭新锋利的刀具情况一样设定进给量，由omat系统对刀具的磨损进行补偿。这就意味着加工周期总是最小的，并且没有以牺牲刀具的寿命作为代价。

3、降低刀具磨损，延长刀具寿命

      尽管刀具的正常磨损是不可避免的，但许多极限工况下的过度磨损是可以避免的。例如：在金属切削过程中，刀具进给率固定不变的情况下，由于工件材料硬度的突然增加，机床主轴负载会随之增大，刀具磨损严重，致使刀具使用寿命缩短。这时，omat智能自适应控制系统就实时通过降低机床的进给率来避免这种过度磨损，然后随着切削条件的改善，恢复到内置专家系统所允许的最大进给率，从而延长刀具的使用寿命。

四、实时监控机床运行，对机床、刀具、工件提供保护

      Omat智能自适应控制系统始终对切削工况进行自动监控，避免加工过程中机床、刀具和工件可能出现的损坏，减少停机时间，保障设备安全运行。

1、主轴过载监测与保护

      在铣削、钻削、磨削加工中，当omat系统检测到实际负载达到主轴所能承载的最大允许值时，使机床停止以防止主轴和机床损坏，同时发出警报提醒操作者。

      在车削加工中，当omat系统检测到实际负载达到主轴所能承载的最大允许值时，系统就通过降低进给速率予以响应，直到切削加工中实际负载落在安全范围之内。

2、刀具过载监测与保护

      根据实际的切削加工工况（刀具类型、刀具负载、工件材料等），omat自适应控制系统实时地将刀具进给率调整到最优值，在获得最佳加工效率的同时保障刀具的安全。

      当刀具切削出现过载情况时，omat系统自动将进给率调整到专家系统确定的安全范围值内进行加工。如果情况恶化，系统将在在必要时停止机床以防止主轴和机床损坏，避免工件被划伤，同时发出警报以提醒操作者。

3、实时记录切削加工过程状况，

      Omat自适应控制系统将所有在切削过程中的性能数据统计起来实时生成加工情况报表，形成完整的机床档案，供管理人员进行评估、分析，从而辅助生产管理。这些数据包括：加工工件数、切削时间、主轴功率、刀具的磨损率、切削过程中测到的最小进给倍率等。

五、经济效益分析

      omat自适应控制系统能够从多个方面为用户带来实实在在的效益，为了便于量化分析，以下仅从“提高加工效率”一方面来进行计算。

      影响投资回报周期的因素分析：

(1) 设备的运行费用。包括人力成本，设备成本及管理费用等，设备的费用越高，omat系统发挥的作用越大。

(2) 设备的利用率。设备生产时间越长，开工越充足，则omat系统投资回报期越短。

(3) 提高加工效率的比率。比率越高，omat系统的带来的经济效益越高。

      再考虑到omat系统在以下方面得出色表现，还可进一步缩短回报周期

(1) 保护机床免受损坏——可减少停产时间

(2) 刀具损坏和故障的减少——可延长刀具使用寿命

(3) 工件的划伤和返工的减少——可减少废品的出现

(4) 特别在夜班的时候增加自动化程度

      a、无人操作或较少人员操作

      b、避免操作者在夜班因疲劳和光线等因素而降低生产效率

       一般来说，机床设备的投资回报期通常为3年以上，而omat智能自适应控制系统能在1年内收回投资（平均4~10个月），这是极为划算的。

       如上图所示，“每月节省成本”的累加，获得“累计节省成本”线，当该线与“购买omat产品投资”线相交时，即意味着投资成本的收回。而在相交点之后的收益，相当于omat产品为企业投资带来的长期红利。

六、结束语

      Omat产品创新性的专家系统应用了崭新的自适应控制技术，因其效果显著的实用性，现已被国外许多著名公司使用，如Siemens、Turbinenwerke、Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishe Motors、Toshiba GE和Toyota Motors等。在机械行业正在迅速发展的中国市场，航空航天、纺织、家电等行业的知名企业也陆续使用该技术，使生产车间的数控机床运行在最优的速度，同时延长了刀具的使用寿命。

      Omat产品已在全球范围申请了专利，并获得了CE （对OMAT产品电磁兼容性和安全标准）认证、UL 认证 （美国保险商实验所）、FCC（美国联邦通信委员会）、ISO 9002（质量管理体系）。