顧 巍 邢煥武

（1.沈機(jī)(上海)智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.江門(mén)云科智能裝備有限公司，廣東 江門(mén) 529000）

數(shù)控機(jī)床可以解決復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化、保證高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)防軍工現(xiàn)代化的關(guān)鍵戰(zhàn)略裝備。智能化數(shù)控機(jī)床是可以使制造過(guò)程“透明化”的數(shù)控機(jī)床，可以“感知”主軸運(yùn)轉(zhuǎn)、刀具切削、導(dǎo)軌磨損，這些功能可以讓機(jī)床使用者更好使用機(jī)床，并且可以大幅提高效率以降低成本。

一、智能機(jī)床的特征

智能機(jī)床通過(guò)安裝的各類(lèi)傳感器可以監(jiān)控，診斷和修正機(jī)床在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各類(lèi)偏差，同時(shí)通過(guò)歷史大數(shù)據(jù)的沉淀形成未來(lái)生產(chǎn)過(guò)程最優(yōu)化的解決方案。同時(shí)還可以對(duì)加工過(guò)程中的切削刀具壽命，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)情況，以及軸承和導(dǎo)軌的磨損情況進(jìn)行記錄和預(yù)警，可以說(shuō)智能機(jī)床與普通數(shù)控機(jī)床主要的區(qū)別點(diǎn)在于智能機(jī)床除了具有數(shù)控加工功能外，還具有感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等智能功能[1]。

二、智能機(jī)床的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

今后裝備制造業(yè)實(shí)現(xiàn)全面的生產(chǎn)自動(dòng)化生產(chǎn)離不開(kāi)智能機(jī)床，各國(guó)主要的機(jī)床制造企業(yè)已經(jīng)在智能機(jī)床生產(chǎn)領(lǐng)域取得了很多成果。而在智能機(jī)床的研制與發(fā)展過(guò)程中，加工過(guò)程的智能監(jiān)控以及遠(yuǎn)距離故障診斷一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，主要涉及振動(dòng)、防干涉、溫度、刀具等方面的監(jiān)控與相應(yīng)的補(bǔ)償方法[2]。

（一）熱誤差補(bǔ)償功能

1.熱變形誤差機(jī)理

在機(jī)床運(yùn)行中，環(huán)境溫度上升以及電機(jī)等發(fā)熱，會(huì)使熱量傳導(dǎo)到機(jī)械部件上，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械精度發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)工件加工精度的高低產(chǎn)生影響。所以，一般來(lái)說(shuō)對(duì)高精度機(jī)床的使用環(huán)節(jié)，都要求在恒溫車(chē)間。普通環(huán)境下由于溫度的變化，會(huì)使數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)等產(chǎn)生熱變形，這種情況下就需要通過(guò)熱誤差補(bǔ)償來(lái)提高機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。為了消除由于溫度變化或是自身摩擦造成的溫升影響，一般來(lái)說(shuō)熱誤差補(bǔ)償器要有溫度變化數(shù)據(jù)測(cè)量、熱誤差建模、誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

2.熱誤差誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法

首先通常在數(shù)控機(jī)床靠近絲杠處安裝溫度傳感器，通過(guò)溫度傳感器對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)關(guān)鍵部件絲杠的溫度進(jìn)行測(cè)量，熱誤差補(bǔ)償器中的熱誤差補(bǔ)償模型實(shí)時(shí)計(jì)算各坐標(biāo)軸所修的位移補(bǔ)償值，然后送到數(shù)控系統(tǒng)中完成實(shí)時(shí)熱誤差的補(bǔ)償。

（二）智能化防干涉系統(tǒng)

1.防干涉系統(tǒng)功能

高精度機(jī)床如果出現(xiàn)碰撞的情況，會(huì)對(duì)機(jī)床精度及性能造成非常不利的影響，防干涉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是當(dāng)數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行數(shù)控程序之前，通過(guò)自檢的方式來(lái)判斷刀具、工件、夾具以及機(jī)床結(jié)構(gòu)單元之間的干涉情況，如果有碰撞的可能性，就會(huì)在碰撞之前通過(guò)自動(dòng)停止機(jī)床運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)防碰撞。

防干涉系統(tǒng)帶來(lái)的主要益處是可以減少加工準(zhǔn)備時(shí)間及加工時(shí)間，使機(jī)床有效運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間獲得提升，并且消除潛在的由于碰撞而帶來(lái)的停機(jī)維修時(shí)間，節(jié)約維修費(fèi)用。

2.防干涉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

該技術(shù)通常的實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際加工工作進(jìn)行仿真運(yùn)行，仿真的過(guò)程涉及刀具、工件、夾具等三維模型，除了初值建模的方式以外，還可以利用建模功能輸入刀具、工件、夾具等的三維模型數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程仿真。

虛擬機(jī)床的仿真過(guò)程包括：數(shù)控系統(tǒng)將數(shù)控程序或手動(dòng)操作指令轉(zhuǎn)化成機(jī)械控制信號(hào)；然后將機(jī)床坐標(biāo)軸移動(dòng)信號(hào)先與預(yù)設(shè)的三維動(dòng)畫(huà)仿真模塊相關(guān)聯(lián)，通過(guò)這個(gè)流程就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防，也就是說(shuō)如果通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)仿真發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了干涉，那么在實(shí)際干涉發(fā)生之前就可以減速停止機(jī)床的動(dòng)作，避免碰撞；當(dāng)判斷出不會(huì)出現(xiàn)干涉時(shí)，機(jī)床將保持原有指令完成加工動(dòng)作。

（三）智能刀具監(jiān)控技術(shù)

1.刀具磨損狀態(tài)分析

刀具磨損主要包括三個(gè)階段：初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段，如圖1所示。

圖1 刀具磨損曲線

當(dāng)?shù)毒叩恼Ｄp達(dá)到圖中極限的D點(diǎn)后，隨著切削力和切削溫度的不斷升高，刀具的磨損量會(huì)出現(xiàn)不斷加大的情況，刀具磨損率也將急劇上升進(jìn)入劇烈磨損階段。這時(shí)刀具的切削性能將出現(xiàn)大幅的降低，容易出現(xiàn)報(bào)廢工件，同時(shí)由于切削力的增大，也會(huì)出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)加劇的情況，降低機(jī)床性能甚至引發(fā)安全事故。因此進(jìn)入急劇磨損階段的臨界點(diǎn)必須及時(shí)檢出，及時(shí)更換刀具[3]。

2.刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程

刀具磨損量的監(jiān)測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一個(gè)刀具磨損模式的識(shí)別過(guò)程，被監(jiān)測(cè)刀具、傳感器硬件、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、特征提取與分析模塊、診斷決策基本模塊這些構(gòu)成了刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主體，如圖2所示。

圖2 刀具磨損在線檢測(cè)原理框架圖

刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程主要如下：

第一，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)刀具的切削過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，因此要確定監(jiān)控對(duì)象，包括刀具、毛坯等，并將傳感器裝在機(jī)床主要監(jiān)測(cè)位置。

第二，傳感器檢測(cè)過(guò)程，傳感器的作用是采集刀具切削過(guò)程中發(fā)出的加速度、分貝、功率、電流等各種信號(hào)。

第三，數(shù)據(jù)采集與處理，在這一環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)將上一步傳感器檢測(cè)到的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行采集與分析，這之前要包括進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波、降噪等數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程，然后在時(shí)域、頻域、幅域等對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

第四，通過(guò)專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)，建立各類(lèi)信號(hào)特征和刀具磨損程度之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)這個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具狀態(tài)和磨損量的判斷，并預(yù)測(cè)刀具使用壽命。

三、機(jī)床組件智能化

（一）智能化數(shù)控系統(tǒng)

智能化數(shù)控系統(tǒng)的工藝規(guī)劃和編程要考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)、具體工件的形狀特征及尺寸、工藝系統(tǒng)的物理特性和工作環(huán)境等因素，通過(guò)優(yōu)化機(jī)床加工參數(shù)和各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，保證加工的質(zhì)量和效率，而現(xiàn)有編程系統(tǒng)主要是面向零件幾何的編程，沒(méi)有綜合考慮機(jī)床、工裝和零件材料的特性，無(wú)法適應(yīng)加工條件、應(yīng)力分布、溫度變化的不確定性。同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能工藝規(guī)劃和智能編程還需要逐步積累專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。

研發(fā)的智能化數(shù)控系統(tǒng)具備的功能如下：

1.圖形引導(dǎo)式編程

圖形引導(dǎo)編程是傳統(tǒng)編程方式外的一種全新的編程，基于工序的概念，圖形引導(dǎo)式編程可以將毛坯到成品的加工過(guò)程分解為一系列連續(xù)的工序步驟，然后對(duì)每一工序使用一條工序語(yǔ)言進(jìn)行表示，工序語(yǔ)言可以直觀地顯示出當(dāng)前工序的工藝參數(shù)，這樣操作，人員可以方便地對(duì)使用的刀具、進(jìn)給速度、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等進(jìn)行編輯，提高了編程效率并降低了編程難度。

2.三維加工模擬

數(shù)控系統(tǒng)自身集成了三維圖形模擬軟件，模擬軟件可以對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行在線的實(shí)時(shí)仿真，有多種工件形狀可供選擇，并且工件尺寸完全實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化?？梢宰杂蛇x擇常見(jiàn)的刀具及工裝夾具，加工模擬過(guò)程中可以主動(dòng)進(jìn)行刀具和工件之間的干涉檢查。該功能能夠?qū)β菁y、切槽、鉆孔等復(fù)雜工藝特征的切削效果進(jìn)行直觀觀察。如圖3所示。

3.圖形化診斷工具

圖形化診斷工具的主要功能是用于監(jiān)控機(jī)床電氣部件的工作狀態(tài)是否正常，這一功能為機(jī)床用戶快速診斷機(jī)床電氣故障提供了有力的幫助，把不同部件的I/O狀態(tài)通過(guò)圖形的方式直觀展現(xiàn)出來(lái)，用戶能夠容易地診斷相應(yīng)的電氣故障，圖4為數(shù)控車(chē)床頂尖的圖形化診斷工具。

圖4 圖形化診斷

（二）智能化主軸組

智能化主軸應(yīng)該具有的特征為：可以對(duì)自身運(yùn)行狀況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和優(yōu)化，并且具備對(duì)工藝參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)的自學(xué)能力。

智能化主軸組包含的相關(guān)技術(shù)如下：

1.主軸溫度在線監(jiān)測(cè)、熱誤差補(bǔ)償及冷卻系統(tǒng)智能化控制；

2.主軸回轉(zhuǎn)精度在線檢測(cè)技術(shù)；

3.主軸振動(dòng)在線檢測(cè)、濾波分析及主動(dòng)平衡控制策略。

四、結(jié)語(yǔ)

智能化數(shù)控機(jī)床有著非常廣闊的發(fā)展前景，它代表著效率、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的進(jìn)一步提升與發(fā)展。未來(lái)數(shù)控機(jī)床越趨于智能化，高精度零部件的制造過(guò)程就會(huì)越簡(jiǎn)單，這也是制造行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，我國(guó)機(jī)床行業(yè)在智能化機(jī)床的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化環(huán)節(jié)還有很大的進(jìn)步空間。