數(shù)控裝備中的智能自動與人工干預

中國中車戚墅堰機車有限公司 蔣曉倩 虞行國

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數(shù)控裝備中的智能自動與人工干預

中國中車戚墅堰機車有限公司 蔣曉倩 虞行國

本文主要介紹數(shù)控設(shè)備中的先期自動化到具有智能功能的后置處理的典型設(shè)備，以及人工干預參與數(shù)控設(shè)備加工的實例。

我國的數(shù)控裝備從20世紀70年代中期發(fā)展至今，從國外引進使用、消化吸收、自行設(shè)計制造到發(fā)明創(chuàng)新智造，經(jīng)歷了從認識、認知和認同的多個發(fā)展階段，才使數(shù)控設(shè)備在企業(yè)中得到廣泛地應用（見圖1）。一大批數(shù)控設(shè)備的投入應用促進老企業(yè)的發(fā)展，在生產(chǎn)管理上得到了提升，在產(chǎn)品質(zhì)量上得到了保證，在產(chǎn)品成本上得到了控制。

圖1　企業(yè)使用中的數(shù)控設(shè)備

對數(shù)控設(shè)備配置多種功能應用的認知

20世紀80年代，我們公司從德國引進了ELB蠕動磨床，主要用于柴油機配件中連桿體和連桿蓋安裝齒型結(jié)合面的磨削（見圖2）。在柴油機實際的工況中，連桿大孔中心圍繞曲軸的連桿頸作360°作功，它將受到來自不同角度的拉力、推力和剪切力，為了避免這種力使連桿體和連桿蓋連接面出現(xiàn)位移，造成大孔精度和形位公差的超差及變形，在結(jié)合面上設(shè)計加工成齒形，通過連桿螺釘克服上下位移，通過齒形面結(jié)合克服連桿體和連桿蓋的左右位移，并且通過定位銷克服軸向位移。從圖2可以看到工件的實際結(jié)構(gòu)狀況。

這個工件關(guān)鍵在于齒形的加工，它是采用蠕動的加工工藝。所謂蠕動磨床，它的磨削方法和普通的平面磨床的加工方法有所不同，它的齒形全齒高達到6 mm左右，直接通過成形砂輪磨削而成，同時砂輪又不斷地需要成形修正，因為直接磨削，所以造成砂輪磨損非常厲害。為了保證加工面表面粗糙度，砂輪線速度要求特別高。在砂輪磨損非常厲害的情況下，主軸旋轉(zhuǎn)的速度必須得到不斷地自動補償。在當時使用程序控制的設(shè)備中，人機對話只能通過人工打孔后，采用多通道的讀卡和讀帶機進行通信，現(xiàn)在已經(jīng)在機床上設(shè)計通過修正器運動軸的位移，帶動電位器電流的變化對主軸速度進行調(diào)整，從而具有自動補償?shù)墓δ?。砂輪的修正及所有程序都通過讀帶機獲得（見圖3）。在當今數(shù)控發(fā)達的時代，要使主軸速度做到無級變速和線速度自動補償是輕而易舉的，只需要通過系統(tǒng)配置和編制軟件就能做到。在頻繁更換砂輪的工序中，原先由人工把螺母端面緊固砂輪的方法，已經(jīng)被帶自動夾緊和松開功能的數(shù)控設(shè)備所替代（見圖4）。

目前斯來福臨集團磨床系列中，有好幾款磨床都自動更換砂輪系統(tǒng)（見圖5）。其中瑞士MAGERLE磨削中心配置CB轉(zhuǎn)臺，擴大了加工范圍，它是集齒形磨削、成形圓弧磨削、非規(guī)則形狀磨削、螺紋磨削、端齒磨削、銑削工序和鉆、鉸以及測量多形式的具有自動更換自動加工功能的數(shù)控設(shè)備（見圖6）。

以上設(shè)備已經(jīng)具備了自動加工能力的要素，但是具備智能功能的元素不足。數(shù)控技術(shù)的突飛猛進和高端市場的強力增長，為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了加速引擎。在如今數(shù)控裝備的大家庭里，加工工藝的組合、加工功能的復合是大勢所趨，是發(fā)展的方向。用戶更關(guān)注的是在自動化的數(shù)控設(shè)備中，具有多少高科技的智能功能成為用戶所需。在軌道交通應用的數(shù)控曲軸磨中，為防止曲軸在加工夾裝中因太長而造成中間下垂，而設(shè)計制造具有隨機跟蹤測量并且通過數(shù)控自動中心架得到補償?shù)闹悄芄δ苓€沒有得到廣泛的應用，還在用原始的百分表等高測量的人工干預調(diào)整中心架的方法。這種操作法既降低了工作效率，也因人為的不斷地參與調(diào)整，改變了精度的一致性，從而也會影響所加工的相關(guān)關(guān)聯(lián)的精度（見圖7）。

圖2　待加工的工件和加工完成的工件

圖3　讀帶機

圖4　砂輪夾緊機構(gòu)

圖5　砂輪更換庫

圖6　瑞士MAGERLE磨削中心

當前世界數(shù)控機床的發(fā)展主要有高精度與精度保持性，高速與高效，高可靠性，復合化與柔性化、綠色化以及智能化等幾個趨勢。其中，智能化是21世紀制造技術(shù)發(fā)展的大方向。機床的智能化使其有適應控制的能力，可實現(xiàn)優(yōu)化加工程序，以最短時間達到最佳的加工質(zhì)量，從而提高加工效率，降低勞動強度。

德國瓦德里西龍門加工中心就具備了智能的自適應控制能力的功能。當?shù)毒咴诩庸で邢鲿r，主軸轉(zhuǎn)速、工作臺走刀量、切削深度恒定時，主軸電動機的切削力、驅(qū)動的伺服電動機轉(zhuǎn)矩也將恒定。但是當工件表面的加工余量增加起變化，主軸電動機、伺服驅(qū)動電動機也將發(fā)生改變，一旦超過設(shè)備的額定參數(shù)就要損壞機床。在啟動智能自適應控制能力的功能后，它將自動降低主軸的轉(zhuǎn)速，減小工作臺走刀量來保護設(shè)備的完好。PAMA落地式鏜銑床的HTC專利就具有帶自動檢測并補償工作臺過載產(chǎn)生的傾斜力矩。百超則采用來自瑞士的尖端技術(shù)，在折彎機的壓腳上能檢測到板材的厚度，不同板材成形除去變形量的有效折彎壓力行程，以達到先進的制造水平，讓折彎更智能（見圖8）。

圖7　人工調(diào)整的中心托架

對數(shù)控設(shè)備自動化前提下智能功能的追求

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學。

人工智能是計算機科學的一個分支，通過它可以了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種全新的，并能以人類大腦智能相似的方式做出反應和處理的智能機器。

為了適應這個趨勢，我們應該在數(shù)控裝備制造和數(shù)控設(shè)備再制造時，大力開發(fā)和消化吸收應用智能功能在高端機床上的配置。例如在大型數(shù)控臥式車床新設(shè)備制造時，就可以應用在加工大型軸類零件對主軸轉(zhuǎn)速和Z軸走刀的自適應控制功能，同時具有自動檢測、補償加工軸直線度帶自動調(diào)節(jié)功能中心架的應用（見圖9）。

圖8　內(nèi)置式動態(tài)撓度補償技術(shù)的折彎機

圖9　數(shù)控臥式車床

在再制造中，原先一些龍門加工中心更換附件銑頭和銑頭分度都是人工干預的，只要我們在滑枕和銑頭的之間加裝連接過度板，在連接過度板中做文章就可以改造成全自動更換和分度的功能，如果再加傳感器又可增加多種功能。只有想不到?jīng)]有做不到，我們有理由相信人工智能技術(shù)會變得更加的擬人化，在智能功能上更加符合人類發(fā)展的需求。□