智能機(jī)床發(fā)展與展望

智能機(jī)床是智能制造的基礎(chǔ)。機(jī)床智能化可分為3個(gè)方面：①機(jī)床部件本身，包括主軸單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)件的智能化，用以抑制振動(dòng)和熱變形補(bǔ)償?shù)?；②?shù)控系統(tǒng)智能化，從加工設(shè)備控制器進(jìn)化到工廠網(wǎng)絡(luò)的終端，生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)床與機(jī)床、機(jī)床與各級(jí)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，使生產(chǎn)透明化，融入企業(yè)的組織和管理，締造智能化工廠；③機(jī)床智能化和網(wǎng)絡(luò)化為制造資源社會(huì)共享、構(gòu)建異地的、虛擬的云工廠創(chuàng)造了條件，從而邁向共享經(jīng)濟(jì)新時(shí)代，創(chuàng)造更多的價(jià)值。

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床是按照G指令和M指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)床的實(shí)際工作狀態(tài)并無(wú)感知和反饋。機(jī)床在工作過(guò)程中，在切削力、慣性力、摩擦力以及內(nèi)部和環(huán)境熱載荷的作用下，產(chǎn)生變形和振動(dòng)，導(dǎo)致刀具的實(shí)際路徑偏離理論路徑，降低加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

智能機(jī)床的核心在于構(gòu)建一個(gè)基于模型的閉環(huán)加工系統(tǒng)。借助溫度、加速度和位移等傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)床工作狀態(tài)和環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，優(yōu)化切削參數(shù)，抑制或消除振動(dòng)，補(bǔ)償熱變形，充分發(fā)揮機(jī)床的潛力。智能機(jī)床的另一功能是網(wǎng)絡(luò)通信，它是工廠網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床之間和車間管理系統(tǒng)的相互通信，提高生產(chǎn)系統(tǒng)效率和效益。

智能主軸

智能主軸的特征是自主性、自學(xué)習(xí)、兼容性和開(kāi)放性。從感知到?jīng)Q策到控制，再到執(zhí)行是實(shí)現(xiàn)智能的四部曲。主軸的智能化分為兩類：①與主軸結(jié)構(gòu)相關(guān)，即對(duì)溫度或熱誤差、主軸平衡、主軸健康的監(jiān)控和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度控制和熱誤差補(bǔ)償、不平衡度監(jiān)控和主動(dòng)平衡、主軸元器件損壞和失效監(jiān)控與基于主軸實(shí)際狀態(tài)的預(yù)測(cè)維護(hù)。②與加工過(guò)程有關(guān)，對(duì)顫振、刀具狀態(tài)、主軸干涉的監(jiān)控和控制，從而實(shí)現(xiàn)顫振的辨識(shí)及抑制和控制、刀具磨損和破損監(jiān)測(cè)、刀具變形補(bǔ)償、有效預(yù)防干涉與碰撞。

瑞士StepTec智能主軸是智能主軸的范例，它的智能化系統(tǒng)由電感軸向位移傳感器、熱電偶溫度監(jiān)控、主軸診斷模塊、拉桿位置傳感系統(tǒng)、加速度計(jì)振動(dòng)測(cè)量、前軸承液壓預(yù)緊載荷系統(tǒng)組成?？赏ㄟ^(guò)V3D三維振動(dòng)測(cè)量和SDS主軸診斷軟件優(yōu)化主軸性能;通過(guò)AMS軸向位移傳感器、TMS溫度控制系統(tǒng)、SDM主軸診斷模塊進(jìn)行誤差控制。

德國(guó)Prometec公司的主軸傳感系統(tǒng)和分析(Spindle Sensor System and Analysis，3SA)環(huán)由固定的外環(huán)和旋轉(zhuǎn)的內(nèi)環(huán)組成，可安裝在任何電主軸的前端，實(shí)現(xiàn)主軸智能化。安裝在主軸殼體上的固定外環(huán)上分布有傳感器，與安裝在主軸上的旋轉(zhuǎn)內(nèi)環(huán)相互作用，進(jìn)行主軸工作狀態(tài)監(jiān)控。3SA環(huán)可記錄主軸的載荷狀態(tài)、監(jiān)控軸承或主軸的損傷和不平衡度，將信號(hào)發(fā)送給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，補(bǔ)償主軸的位置誤差。3SA環(huán)提高了主軸的可用性和性能、以及知識(shí)的積累，實(shí)現(xiàn)基于主軸工作狀態(tài)的維護(hù)，同時(shí)進(jìn)行刀具和加工過(guò)程的監(jiān)控。3SA環(huán)記錄主軸工況變化的所有數(shù)據(jù)，如連接計(jì)算機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面可隨時(shí)顯示，并對(duì)最近90次變化進(jìn)行趨勢(shì)分析。

智能機(jī)床結(jié)構(gòu)

日本Makino T4鈦合金加工機(jī)床的力控制智能導(dǎo)軌是一種控制導(dǎo)軌表面摩擦力與切削力保持平衡而消除振動(dòng)的方法，其原理是借助測(cè)微計(jì)測(cè)量移動(dòng)部件與導(dǎo)軌之間的間隙，控制伺服閥，調(diào)整氣墊腔的上浮力，從而改變摩擦力，抵消切削力的變化。

增加機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼可減小受激振動(dòng)的振幅，并使其很快衰減。機(jī)床結(jié)構(gòu)阻尼器有兩種：調(diào)諧阻尼器與主動(dòng)阻尼器。調(diào)諧阻尼器(Turned Damping Device)是在主體結(jié)構(gòu)上附加一定質(zhì)量比的振動(dòng)系統(tǒng)，用相位差來(lái)抵消振動(dòng)，同時(shí)吸收能量并轉(zhuǎn)化成熱能耗散，兼具動(dòng)力吸振和阻尼性能改善。主動(dòng)阻尼器(Active Damping Device，ADD)是借助傳感器感知機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)動(dòng)圈式作動(dòng)器改變機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的阻尼性能，抑制其振動(dòng)。主動(dòng)阻尼器具有頻率響應(yīng)范圍寬、慣性質(zhì)量小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

智能數(shù)控系統(tǒng)

智能數(shù)控系統(tǒng)是新一代的機(jī)床“大腦”，具有以下4方面功能：①自主選擇加工參數(shù)+優(yōu)化刀具路徑=智能編程，進(jìn)一步從三維CAD模型提取特征語(yǔ)義，直接生成無(wú)G指令的數(shù)控程序;②數(shù)控系統(tǒng)從運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)化為車間管理系統(tǒng)的終端，成為工廠網(wǎng)絡(luò)的基層節(jié)點(diǎn)，并可接入云平臺(tái);③數(shù)控系統(tǒng)嵌入MTConnect適配器和代理應(yīng)用程序，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床之間的通信，進(jìn)行信息交互;④數(shù)控系統(tǒng)連接到數(shù)字鏡像服務(wù)器，與虛擬機(jī)床構(gòu)成數(shù)字雙胞胎，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造和測(cè)量檢驗(yàn)連接成數(shù)字主線，實(shí)時(shí)看到如何相互影響，以便做出更好的決策，更高效、高質(zhì)量地運(yùn)行。

德國(guó)SolidCam公司的iMachining是智能編程的例子，它的“工藝向?qū)А眳R集了數(shù)百位經(jīng)驗(yàn)豐富的CAM和CNC工程師所掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)機(jī)床、材料和刀具優(yōu)化進(jìn)給、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和寬度。從第一刀切削開(kāi)始到加工完畢，iMachining都對(duì)毛坯、刀具材料和機(jī)床規(guī)格進(jìn)行計(jì)算自動(dòng)生成最佳的切削條件，借助“控制步距”技術(shù)，iMachining刀具路徑保證切削條件嚴(yán)格遵循工藝向?qū)?，而?/span>iMachining可根據(jù)主軸的剛性、夾具的剛性和刀具的伸出長(zhǎng)度來(lái)設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。

iMachining能夠進(jìn)行刀具路徑優(yōu)化，采用變體螺旋(Morphing)刀路而不是傳統(tǒng)的次擺線(Trochoidal)刀路，減少退刀次數(shù)，盡量保證“刀具在切削中”;為了保證材料的最大去除率，iMachining會(huì)把刀路自動(dòng)分成幾個(gè)小的部分，以保證變體螺旋切削的最大效能;iMachining從最初進(jìn)刀和最后退刀，動(dòng)態(tài)的毛坯更新及追蹤，確保刀路始終在切削材料，消除無(wú)用時(shí)間和運(yùn)動(dòng);iMachining移動(dòng)刀具從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)切深，僅在絕對(duì)需要抬刀的時(shí)候才退刀。

日本OKUMA的OSP Suite是智能數(shù)控系統(tǒng)的范例，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)熱親和、防碰撞、加工導(dǎo)航、伺服導(dǎo)航、5軸機(jī)床誤差校正這5項(xiàng)智能化技術(shù)，同時(shí)讓生產(chǎn)指示、作業(yè)指示，以及機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的管理可視化，從而縮短加工時(shí)間、提高運(yùn)轉(zhuǎn)率、縮短準(zhǔn)備時(shí)間。

此外，無(wú)G指令的STEP-NC編程能夠根據(jù)髙層產(chǎn)品數(shù)據(jù)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量;可明確地描述需要加工的特征、工藝和允差;面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品幾何與制造信息模型，避免各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換;具有通用性和可重用性，STEP-NC文件能不經(jīng)修改地用于不同的數(shù)控機(jī)床;實(shí)現(xiàn)信息雙向傳輸，下游環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的修改可直接保存，并反饋給上游環(huán)節(jié)。

終端-網(wǎng)絡(luò)-云平臺(tái)

在互聯(lián)網(wǎng)條件下，數(shù)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床與機(jī)床的互聯(lián)，還是一個(gè)能夠生成車間管理數(shù)據(jù)、并與有關(guān)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)終端。通過(guò)制造過(guò)程的“數(shù)據(jù)透明”，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程和生產(chǎn)管理的無(wú)縫連接。這不僅為了方便加工零件，同時(shí)產(chǎn)生服務(wù)于管理、財(cái)務(wù)、生產(chǎn)、銷售的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)計(jì)、制造、供應(yīng)鏈、人力、財(cái)務(wù)、銷售、庫(kù)存等一系列生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)的資源整合與信息互聯(lián)，減少浪費(fèi)，提高效率。

在數(shù)控系統(tǒng)提供“透明”數(shù)據(jù)的前提下，需要與商業(yè)模式相配合的云端平臺(tái)和云端應(yīng)用。沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)旗下智能云科公司研發(fā)的云協(xié)同制造平臺(tái)(i-Smart Engineering&Services Online，iSESOL)平臺(tái)，通過(guò)i5智能機(jī)床的在線信息，打造了一套云端產(chǎn)能分享平臺(tái)，用戶可以將閑置產(chǎn)能公示于iSESOL產(chǎn)能平臺(tái)，有產(chǎn)能需求的用戶無(wú)需購(gòu)買設(shè)備即可快速獲得制造能力，通過(guò)這種方式產(chǎn)能提供方可以利用閑置產(chǎn)能獲得收益，產(chǎn)能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過(guò)分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會(huì)改變制造業(yè)的組織形式，并且充分挖掘社會(huì)閑置制造資源，進(jìn)行產(chǎn)能切換，從閑置資源中獲得利益最大化。基于iSESOL平臺(tái)的智能機(jī)床互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用框架如圖2所示。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)床智能化的第一個(gè)方面聚焦于機(jī)床部件本身，包括主軸單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)件的智能化，用以抑制振動(dòng)和熱變形補(bǔ)償?shù)?。第二個(gè)方面是從加工設(shè)備進(jìn)化到工廠網(wǎng)絡(luò)的終端，生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)床與機(jī)床、機(jī)床與各級(jí)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，使生產(chǎn)透明化，機(jī)床融入企業(yè)的組織和管理，締造智能化工廠。機(jī)床智能化和網(wǎng)絡(luò)化為制造資源社會(huì)共享、構(gòu)建異地的、虛擬的云工廠創(chuàng)造了條件，從而邁向共享經(jīng)濟(jì)新時(shí)代，創(chuàng)造更多的價(jià)值。