智能機(jī)床最早出現(xiàn)在賴特(P·K·Wright)與伯恩(D·A·Bourne)1998年出版的智能制造研究領(lǐng)域的首本專著《智能制造》(Manufacturing Intelligence)中清玉。

由于對(duì)先進(jìn)制造業(yè)具有重要作用弧劳，智能技術(shù)引起各個(gè)國家的重視。美國推出了智能加工平臺(tái)計(jì)劃(SMPI);歐洲實(shí)施 “Next Generation Production System”研究;德國推出了“Industry 4.0”計(jì)劃;在2006年美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會(huì)(IMTS2006)上，日本Mazak公司推出的首次命名為“Intelligent Machine”的智能機(jī)床和日本Okuma公司推出的命名為“thinc”的智能數(shù)控系統(tǒng)伞缺，開啟了數(shù)控機(jī)床智能化時(shí)代苍糠。

智能傳感器

數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)智能，需要各種傳感器收集外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)信息啤誊，近似人類五官感知環(huán)境變化的功能岳瞭，如表1所示。對(duì)人來講蚊锹，眼睛是五官中最重要的感覺器官瞳筏，能獲得90%以上的環(huán)境信息，但視覺傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用還比較少牡昆。隨著自動(dòng)化和智能化水平的提高姚炕，視覺功能在數(shù)控機(jī)床中將發(fā)揮越來越重要的作用。

表1 數(shù)控機(jī)床可用傳感器

隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)丢烘、嵌入技術(shù)柱宦、智能材料與結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，傳感器趨向小型化播瞳。MEMS微傳感器掸刊、薄膜傳感器以及光纖傳感器等微型傳感器的成熟應(yīng)用，為傳感器嵌入數(shù)控機(jī)床奠定了基礎(chǔ)赢乓。

需要傳感器具備分析忧侧、推理、學(xué)習(xí)等智能子钱，這要求傳感器要有高性能智能處理器來充當(dāng)“大腦”据篇。美國高通公司正在研制能夠模擬人腦工作的人工智能系統(tǒng)微處理器。將來可通過半導(dǎo)體集成技術(shù)码果，將高性能人工智能系統(tǒng)微處理器與傳感器担泥、信號(hào)處理電路、I/O接口等集成在同一芯片上佛殉，形成大規(guī)模集成電路式智能傳感器辜辰，不但具有檢測(cè)、識(shí)別惠翼、記憶束敦、分析等功能，而且具有自學(xué)習(xí)甚至思維能力支摹。

智能功能

數(shù)控機(jī)床向高速匾瓣、高效、高精化發(fā)展代郊，要求數(shù)控機(jī)床具有熱補(bǔ)償袱耽、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、磨損監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等智能功能朱巨。融合幾個(gè)或幾種智能傳感器史翘，采用人工智能方法，通過識(shí)別冀续、分析琼讽、判斷及推理，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能功能洪唐，為智能部件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)钻蹬。

數(shù)控機(jī)床的誤差包括幾何誤差、熱(變形)誤差凭需、力(變形)誤差问欠、裝配誤差等。研究表明粒蜈，幾何誤差顺献、熱誤差占到機(jī)床總誤差的50%以上，是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵因素枯怖，如圖1所示墅瑟。

圖1 數(shù)控機(jī)床加工誤差來源(百分比)

研究人員不斷探索和研究智能功能的新方法或多種方法的混合，但大部分集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下疯蓄，缺少實(shí)時(shí)性高、在線功能強(qiáng)的方法咬跷，尚需深入發(fā)展簡潔猩镰、快速、適應(yīng)性強(qiáng)的智能方法演避。

智能部件

數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分主要包括支撐結(jié)構(gòu)件氨鹤、主傳動(dòng)件、進(jìn)給傳動(dòng)件偶咸、刀具等部分何煞，涉及到床身、立柱殊泼、主軸柿患、刀具、絲杠與導(dǎo)軌以及旋轉(zhuǎn)軸等部件码日。這些部件可以集成智能傳感器的一種或幾種智能功能構(gòu)成數(shù)控機(jī)床智能部件森枪，如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床智能部件

主軸是主傳動(dòng)部件审孽，作為核心部件县袱，直接關(guān)系到工件加工精度。由于主軸轉(zhuǎn)速較高，特別是電主軸式散，發(fā)熱筋遭、磨損、振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量影響很大暴拄，因此漓滔，越來越多的智能傳感器被集成到主軸中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的監(jiān)控揍移、預(yù)警以及補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

日本山崎馬扎克研制的“智能主軸”次和，裝有溫度、振動(dòng)那伐、位移及距離等多種傳感器踏施，不但具有溫度、振動(dòng)披滑、夾具壽命監(jiān)控和防護(hù)功能徒锄，而且能夠根據(jù)溫度、振動(dòng)狀態(tài)羹卷，智能協(xié)調(diào)加工參數(shù)安芋。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的電主軸淀胞，裝有溫度售芳、加速度、軸向位移等多種傳感器两军，如圖3所示肿犁，能夠進(jìn)行熱補(bǔ)償、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等备秋。

圖3 瑞士斯特普電主軸傳感器分布

絲杠整空、導(dǎo)軌是數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)和定位的關(guān)鍵部件，其性能直接影響坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性聂祈，對(duì)工件加工質(zhì)量影響很大偶凝，因此監(jiān)測(cè)絲杠副、導(dǎo)軌副在加工中的性能變化及壽命預(yù)測(cè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的智能化具有重要作用陆爽。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)什往、功率、切削力慌闭、聲音等傳感器信號(hào)恶守，結(jié)合進(jìn)給速度、切削深度贡必、絲杠轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)兔港，可對(duì)絲杠庸毫、導(dǎo)軌的磨損情況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)衫樊，及時(shí)報(bào)警飒赃，預(yù)防重大生產(chǎn)事故。

軸承是數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的關(guān)鍵部件科侈，起著支撐載荷载佳、減小摩擦系數(shù)的作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和可靠性臀栈。軸承在高轉(zhuǎn)速下摩擦劇烈柿扣，發(fā)熱量大疗韵，是最易損壞的部件蛮究，因此監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)摇皿，可避免因軸承問題而導(dǎo)致設(shè)備異常或損壞孝揉。瑞典SKF公司生產(chǎn)外掛式智能軸承如圖4所示[15]摇值，利用應(yīng)用環(huán)境自供電，對(duì)轉(zhuǎn)速垃批、溫度茫步、速度、振動(dòng)以及載荷等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量枢竟，并利用無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送自身狀態(tài)信息拿豺，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖4 瑞典SKF公司外掛式智能軸承

刀具直接與工件接觸坤搂，切削工件表面發(fā)熱量大咱缭，容易產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)表面質(zhì)量的影響很大衣右，因此刀具中融合越來越多的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的磨損監(jiān)控彬祖、振動(dòng)監(jiān)測(cè)茁瘦、斷裂報(bào)警等功能〈⑿Γ克里斯托弗甜熔、羅伯特等發(fā)明的智能刀具夾具如圖5所示，集成有力/扭矩突倍、溫度腔稀、處理器、無線收發(fā)器等芯片羽历，能夠估計(jì)和預(yù)測(cè)顫動(dòng)頻率焊虏、建議穩(wěn)定的主軸速度淡喜、磨損監(jiān)視以及建議進(jìn)給速率等。

瑞士ACTICUT公司的生產(chǎn)的智能刀具內(nèi)部由機(jī)構(gòu)诵闭、傳感器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成,用于精密數(shù)控車削,可對(duì)磨損炼团、速度、溫度等進(jìn)行監(jiān)控疏尿。

圖5 智能刀具夾具

智能系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床一般由數(shù)控系統(tǒng)存妇、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及機(jī)床本體組成禁微，如圖6所示唉奇。隨著人工智能技術(shù)的不斷成熟，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)恢核、模糊理論以及專家系統(tǒng)等方法逐漸應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)闻街、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)苞惰、自適應(yīng)控制蜂澄、加工過程監(jiān)控、智能診斷等功能咕诊。

圖6 數(shù)控機(jī)床組成

航空制造領(lǐng)域需要加工的部件含有很多孔墨攻、溝、槽焚卖、腔等特征汹魁，加工工藝復(fù)雜，因此在數(shù)控機(jī)床中嵌入工藝參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)成為必然晰绎。專家系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)將某領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)或多個(gè)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)固化到程序中寓落，模擬人類專家的決策過程，進(jìn)行推理和判斷荞下，以便解決加工中的復(fù)雜問題伶选。

瑞士米克朗公司匯集了幾十年銑削經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，開發(fā)了操作者支持模塊OSS(Operator Support System),能夠根據(jù)加工要求調(diào)整相關(guān)的工藝參數(shù)尖昏，優(yōu)化加工程序仰税，獲得更理想的加工結(jié)果。

隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展抽诉，主流數(shù)控系統(tǒng)廠家在產(chǎn)品中嵌入了自適應(yīng)控制陨簇、加工過程監(jiān)控、智能診斷等實(shí)用功能迹淌。

西門子數(shù)控系統(tǒng)具有電機(jī)參數(shù)自適應(yīng)運(yùn)算河绽、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載、刀具壽命監(jiān)控唉窃、安全集成等功能耙饰，與以色列的OMATIVE優(yōu)銑控制器OMAT-PRO相結(jié)合纹笼，可對(duì)主軸功率進(jìn)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)献舍，然后在加工過程中逛指，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸功率的變化，及時(shí)調(diào)整進(jìn)給率苟及。

奧地利WFL的Crash Guard防撞衛(wèi)士系統(tǒng)骤转，利用CNC系統(tǒng)的高速處理能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)夷钥，確保機(jī)床在手動(dòng)锚蛀、自動(dòng)等各種運(yùn)動(dòng)模式下均正常工作，降低運(yùn)行過程機(jī)床突發(fā)事故的產(chǎn)生婿残，提高機(jī)床工作的安全性和可靠性核宿。

GE Fanuc公司的Proficy軟件監(jiān)控和分析機(jī)床設(shè)備復(fù)雜的基本數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)床的工作狀態(tài)襟腹、健康狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷顾篡。

德國ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)，通過學(xué)習(xí)摊哟，獲取監(jiān)控信號(hào)的特征在竹，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程中的斷刀、刀具磨損梅屉、碰撞等異常行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控值纱。

展望

智能化是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的高級(jí)階段，能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動(dòng)化坯汤，進(jìn)一步解放人類的腦力智能虐唠。隨著技術(shù)水平的發(fā)展和需求的提高，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)越來越多智能功能惰聂、智能部件以及智能系統(tǒng)疆偿。盡管其智能水平還處于發(fā)展階段，但隨著人工智能技術(shù)搓幌、計(jì)算機(jī)技術(shù)杆故、傳感器微型化與智能化以及微處理器技術(shù)等發(fā)展，實(shí)現(xiàn)真正意義上的 “自學(xué)習(xí)鼻种、自進(jìn)化”的具有人類智能水平的數(shù)控機(jī)床將不再是“夢(mèng)”反番。

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