數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢
加工設(shè)備的研制技術(shù)與制造業(yè)水平具有非常緊密的關(guān)系。如圖1所示，制造業(yè)水平的發(fā)展歷程主要可劃分為如下幾個階段。（1）20 世紀(jì)30 年代至50 年代：此階段的加工設(shè)備主要是傳統(tǒng)的機(jī)床，機(jī)械加工主要以手工或人工操作傳統(tǒng)機(jī)床為主；（2）20 世紀(jì)50 年代至70 年代：出現(xiàn)了應(yīng)用電子管、程序紙帶等技術(shù)的第一代數(shù)控機(jī)床，能夠解決傳統(tǒng)機(jī)床在曲線或曲面加工中的難題，同時也促進(jìn)了自動化生產(chǎn)線的發(fā)展；（3）20 世紀(jì)70 年代至20 世紀(jì)末：出現(xiàn)了多功能、復(fù)合化的機(jī)床，以及較為先進(jìn)的柔性制造系統(tǒng)，此階段的先進(jìn)制造技術(shù)主要體現(xiàn)為以信息技術(shù)等為核心的計算機(jī)集成制造；（4）21 世紀(jì)初至今，各大廠商在優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、完善數(shù)控計算內(nèi)核的同時，廣泛研究了智能加工、智能維護(hù)等技術(shù)，制造裝備已向智能化方向發(fā)展，制造技術(shù)也在自動化的基礎(chǔ)上逐步向智能制造發(fā)展。
中國工程學(xué)會給出的智能設(shè)備技術(shù)路線為：在2020 年前，實(shí)現(xiàn)智能感知、智能決策和智能執(zhí)行，其中主要涉及到工況智能感知技術(shù)、智能維護(hù)技術(shù)、智能工藝規(guī)劃技術(shù)以及智能伺服驅(qū)動技術(shù)；在2030 年前，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、推理和自律，其中主要涉及到智能編程技術(shù)、智能數(shù)控技術(shù)。
智能機(jī)床概念
自20世紀(jì)90 年代以來，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所、辛辛那提- 朗姆公司、英國漢普郡大學(xué)等機(jī)構(gòu)都對智能機(jī)床進(jìn)行了研究，世界各知名機(jī)床廠商也分別推出了具備智能化功能的先進(jìn)機(jī)床，如圖2 所示，下面分別對具有代表性的研究進(jìn)行簡要介紹。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所認(rèn)為智能機(jī)床或智能加工中心應(yīng)具有如下行為能力：（1）能夠感知自身狀態(tài)和加工能力并能夠進(jìn)行自我標(biāo)定；（2）能夠監(jiān)視和優(yōu)化加工行為；（3）能夠?qū)ぜ募庸べ|(zhì)量進(jìn)行評估；（4）具有自學(xué)習(xí)能力。瑞士米克朗公司認(rèn)為智能機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)床的互動通信，進(jìn)而將大量的加工信息提供給操作人員，并能夠提供多種工具輔助操作人員優(yōu)化加工過程；同時，智能機(jī)床可以檢查自身狀態(tài)并獨(dú)立優(yōu)化工藝，進(jìn)而提高工藝可靠性和工件加工質(zhì)量。日本Mazak公司認(rèn)為智能機(jī)床能夠進(jìn)行自我監(jiān)控，對與機(jī)床、加工狀態(tài)、環(huán)境等相關(guān)信息進(jìn)行綜合分析，并采取應(yīng)對措施來保證最優(yōu)化的加工。
綜上可見，盡管學(xué)術(shù)界及工業(yè)界尚未給出智能機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)定義，但一般認(rèn)為智能機(jī)床應(yīng)具有自感知、自分析、自適應(yīng)、自維護(hù)、自學(xué)習(xí)等能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)加工優(yōu)化、實(shí)時補(bǔ)償、智能測量、遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷等功能，從而能夠支持加工過程的高效運(yùn)行。
智能機(jī)床技術(shù)體系框架
目前工業(yè)界對智能機(jī)床的研究主要涉及智能數(shù)控系統(tǒng)、智能基礎(chǔ)元器件以及智能化應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域，下面分別針對這些領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要闡述。
智能數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的“大腦”，直接決定了數(shù)控機(jī)床的智能化水平。智能數(shù)控是在傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，集成了開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)采集與分析等關(guān)鍵技術(shù)。
（1）開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)
開放式數(shù)控系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)遵循公開性、可擴(kuò)展性、兼容性等原則開發(fā)，進(jìn)而使得應(yīng)用于機(jī)床中的軟硬件具備互換性、可移植性、可擴(kuò)展性和互操作性。開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)可分為系統(tǒng)平臺和應(yīng)用軟件兩大部分，圖3 所示為某開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)。系統(tǒng)平臺是對機(jī)床運(yùn)動部件實(shí)施數(shù)字量控制的基礎(chǔ)部件，包括硬件平臺和軟件平臺，主要用于運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。硬件平臺是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的物理實(shí)體，主要包括微處理器系統(tǒng)、信息存儲介質(zhì)、電源系統(tǒng)、I/O 驅(qū)動、顯示器、各類功能面板和其他外設(shè)。這些硬件可以分為NC 硬件、PLC 硬件以及計算機(jī)基本硬件等類型，它們在操作系統(tǒng)、支撐軟件和設(shè)備驅(qū)動程序的支持下，執(zhí)行各項任務(wù)。軟件平臺是聯(lián)系硬件平臺和應(yīng)用軟件的紐帶，是開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的核心，由操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)以及開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用編程接口等軟件組成。它通過應(yīng)用程序編程接口向應(yīng)用軟件提供服務(wù)，只有在軟件平臺的作用下，應(yīng)用軟件才能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件資源的利用和控制。軟件平臺的性能在很大程度上影響整個系統(tǒng)的性能，也影響應(yīng)用軟件的開發(fā)效率。
應(yīng)用軟件是以模塊化的結(jié)構(gòu)開發(fā)的，能夠?qū)崿F(xiàn)專門領(lǐng)域的功能要求。應(yīng)用軟件通過不同的應(yīng)用編程接口封裝后可以運(yùn)行在不同的系統(tǒng)平臺上。一般而言，應(yīng)用軟件可分為標(biāo)準(zhǔn)模塊庫、系統(tǒng)配置軟件和用戶應(yīng)用軟件。標(biāo)準(zhǔn)模塊庫中包括運(yùn)動控制模塊、I/O 控制模塊、邏輯控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等；系統(tǒng)配置軟件提供集成、配置功能模塊的工具和方法，以便將所需的模塊配置成一致的、完整的應(yīng)用軟件系統(tǒng)；用戶應(yīng)用軟件可以根據(jù)應(yīng)用協(xié)議自行開發(fā)，也可以由系統(tǒng)制造商開發(fā)。
（2）大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)
隨著數(shù)控機(jī)床的開放性逐步提高，現(xiàn)代機(jī)床可支持的基礎(chǔ)元器件種類顯著增多，同時，針對不同的數(shù)據(jù)采集需求，越來越多的傳感器內(nèi)嵌到數(shù)控機(jī)床中。機(jī)床數(shù)據(jù)采集種類不僅包括機(jī)床內(nèi)部信息，如光柵尺位置、指令信息、主軸電流、力矩電流、G 指令時間、刀具信息等，也包括外加傳感器的信息，如主軸徑向變形、床身振動、機(jī)床熱誤差等。這些數(shù)據(jù)不僅能夠支持一般的制造過程管理，而且足以支持基于大數(shù)據(jù)分析的制造過程優(yōu)化。
從技術(shù)發(fā)展途徑的角度來看，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的加工過程優(yōu)化分為以下3 個步驟：首先，實(shí)現(xiàn)機(jī)床大數(shù)據(jù)的可視化。顯性的、量化的制造過程數(shù)據(jù)是分析與決策的依據(jù)，目前大多數(shù)控系統(tǒng)均提供了數(shù)據(jù)采集接口，能夠方便地從中提取相關(guān)參數(shù)信息，其基本原理如圖4 所示。其次，實(shí)現(xiàn)基于可視化數(shù)據(jù)的輔助智能。當(dāng)制造數(shù)據(jù)被提取出來之后，建立這些數(shù)據(jù)與加工過程、加工指令之間的映射關(guān)系，并通過人工分析影響加工效率或加工質(zhì)量的程序片段予以優(yōu)化。最后，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的人工智能。建立制造數(shù)據(jù)與質(zhì)量、效率之間的關(guān)聯(lián)知識庫，通過對機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時分析來預(yù)判產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)床故障等，并進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而真正達(dá)到自適應(yīng)加工的水平。
數(shù)控加工過程是一種動態(tài)、非線性、時變和非確定性的過程，其中伴隨著大量復(fù)雜的物理現(xiàn)象，它要求數(shù)控機(jī)床具有狀態(tài)監(jiān)測、誤差補(bǔ)償與故障診斷等智能化功能，而具備工況感知與識別功能的基礎(chǔ)元器件是實(shí)現(xiàn)上述功能的先決條件。
傳感器是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中非常重要的元器件，它們能夠?qū)崟r采集加工過程中的位移、加速度、振動、溫度、噪聲、切削力、轉(zhuǎn)矩等制造數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至控制系統(tǒng)參與計算與控制。其中，典型的傳感器類型如表1 所示。
位置傳感器是數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用最多的一類，這類傳感器能夠精準(zhǔn)地獲知機(jī)床運(yùn)動部件的位置信息，進(jìn)而使機(jī)床的加工精度與加工效率獲得極大提升。力傳感器也是數(shù)控機(jī)床中普遍采用的一類，在加工過程中，機(jī)床通過這些傳感器感知工件的夾緊力、切削力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時，在潤滑、液壓、氣動等輔助系統(tǒng)中也安裝有壓力傳感器，用于對這些系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并保證機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。溫度傳感器在數(shù)控機(jī)床中具有廣泛的應(yīng)用，這是由于數(shù)控機(jī)床中采用的部分元器件在工作過程中將產(chǎn)生大量熱，溫度過高不僅會對零件的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時也會對機(jī)床元器件的壽命造成不利影響。例如，機(jī)床的主軸箱、軸承等部位易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，如不及時診斷并加以排除，則可能引起零件的燒損。
除了單純嵌入上述傳統(tǒng)的傳感器之外，智能機(jī)床中還采用了多傳感器融合、智能傳感器等先進(jìn)技術(shù)。如圖5 所示，國外機(jī)床廠商研制的“智能主軸”中嵌入了智能傳感器，能夠同時檢測溫度、振動、位移、距離等信號，實(shí)現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警以及補(bǔ)償，不但具有溫度、振動、夾具壽命監(jiān)控和防護(hù)等功能，而且能夠對加工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化。又如，國外某廠商將集成有力傳感器、扭矩傳感器、溫度傳感器、處理器、無線收發(fā)器等裝置的芯片嵌入到刀具夾具內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)刀具顫動頻率的預(yù)估，并能夠自動計算出合適的主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速率等加工參數(shù)。
在數(shù)控機(jī)床中搭載具有開放性架構(gòu)、支持大數(shù)據(jù)分析等功能的智能數(shù)控系統(tǒng)，并嵌入必要的智能基礎(chǔ)元器件，數(shù)控機(jī)床便具備了智能化的必要條件。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)出智能化應(yīng)用程序并嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中，使設(shè)備能夠充分發(fā)揮其最佳效能，提升產(chǎn)品制造質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的健康監(jiān)控與故障診斷等。在數(shù)控機(jī)床的智能化應(yīng)用技術(shù)研究中，國內(nèi)外主要集中于機(jī)床智能化運(yùn)行、機(jī)床智能化維護(hù)以及機(jī)床智能化管理等方向，其中以智能化運(yùn)行與智能化維護(hù)的研究最具代表性。在機(jī)床智能化運(yùn)行方面，主要的研究涉及機(jī)床熱誤差、幾何誤差等的補(bǔ)償，機(jī)床振動檢測與抑制，機(jī)床防碰撞，在機(jī)質(zhì)量檢測等方面。在機(jī)床的智能化維護(hù)方面，主要研究涉及機(jī)床故障診斷與維護(hù)、刀具磨損與破損的自動檢測方法等方面，以下簡要介紹幾個智能機(jī)床的應(yīng)用技術(shù)。
（1）基于光纖傳感器的機(jī)床熱誤差補(bǔ)償
結(jié)構(gòu)變形是制約高端機(jī)床精度的重要因素之一。然而，機(jī)床的力熱變形規(guī)律呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的時變非線性，采用傳統(tǒng)手段難以進(jìn)行定量計算和預(yù)測，此前只能通過電類傳感器監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，不僅難度大，且技術(shù)穩(wěn)定性較差，補(bǔ)償效果難以滿足需求。
基于光纖傳感器的數(shù)控機(jī)床力熱在線監(jiān)測技術(shù)可以很好地解決上述問題。光纖傳感器是以光纖作為感知材料的傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有敏感度高、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。如圖6 所示為基于光纖的機(jī)床熱誤差監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，為了對機(jī)床表面溫度以及環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)采用多個測量點(diǎn)建立了機(jī)床表面及環(huán)境溫度的測量場，其中床身與立柱上布有15個傳感器，電機(jī)、主軸、變速箱上布置9個傳感器，另外4個傳感器用于對環(huán)境溫度的測量。在測量過程中，以24h為一個周期，記錄期間機(jī)床刀尖位移的熱誤差以及各測量點(diǎn)的溫度變化情況，同時記錄機(jī)床周圍環(huán)境溫度在24h內(nèi)的變化情況，所得的數(shù)據(jù)分別如圖7、圖8所示。在測量完畢后，以溫度數(shù)據(jù)為輸入、刀尖位移的熱誤差為輸出建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對熱誤差進(jìn)行預(yù)測補(bǔ)償，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，未補(bǔ)償前熱誤差的最大值為15μm，在經(jīng)過補(bǔ)償后，最大值顯著降低至5μm，如圖9所示。由此可見，采用光纖傳感器進(jìn)行機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償可以取得良好的效果。
（2）刀具智能管控
刀具管理是智能機(jī)床的一項非常重要的功能，在提高設(shè)備的利用率、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及延長刀具壽命等方面起到關(guān)鍵作用。目前飛機(jī)制造領(lǐng)域中普遍采用的刀具管控系統(tǒng)主要有兩個方面功能，即刀具壽命管理與刀具破損管理。在刀具壽命管理方面，智能機(jī)床的刀庫或機(jī)床所在柔性生產(chǎn)線的刀庫中具有一個刀具列表，其中記錄了所有刀具的參數(shù)。新刀具加入刀庫時，會觸發(fā)刀具管控系統(tǒng)的中央控制器，并觸發(fā)對刀儀進(jìn)行對刀操作，對刀儀讀取刀具上的芯片，并將刀具的信息傳遞到刀具管控系統(tǒng)。在加工開始前，刀具管控系統(tǒng)首先檢測當(dāng)前刀具的剩余壽命，并能夠在將要達(dá)到刀具壽命之前的一段時間內(nèi)進(jìn)行報警。在刀具破損或磨損管理方面，刀具管控系統(tǒng)可實(shí)時檢測刀具的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)刀具破損或磨損的情況，刀具管控系統(tǒng)會自動將刀具退回刀庫中，并進(jìn)行鎖死，直至人工將刀具處理完畢。
圖10 所示為某刀具管控系統(tǒng)的硬件組成，該系統(tǒng)首先在數(shù)控機(jī)床中嵌入了聲波、加速度等不同類型的傳感器，這些傳感器的信號通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，并被傳送至控制單元，然后由控制單元對信號進(jìn)行分析與處理。數(shù)據(jù)采集卡可直接安裝在數(shù)控系統(tǒng)的控制器上，也可單獨(dú)外置。在系統(tǒng)使用之前，首先需要采用試切法完成系統(tǒng)對加工過程的學(xué)習(xí)，在此過程中刀具管控系統(tǒng)記錄加工過程中傳感器的各種信號變化過程。在實(shí)際加工中，系統(tǒng)實(shí)時采集傳感器的數(shù)據(jù)，并與學(xué)習(xí)中所獲得的信號值進(jìn)行比對，如圖11 所示。當(dāng)出現(xiàn)斷刀、缺刀或刀具嚴(yán)重磨損等情況時，系統(tǒng)將會彈出報警信息，進(jìn)而避免機(jī)床或刀具的進(jìn)一步破壞或零件的報廢。
結(jié)束語
機(jī)床是制造業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，高性能的智能機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率的先決條件。雖然我國目前的機(jī)床產(chǎn)出量位居世界前列，但在高端智能機(jī)床的自主研發(fā)方面仍有待提高，尤其是在智能數(shù)控系統(tǒng)、智能元器件以及智能化應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)方面仍需更深入的探索研究。
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