智能機(jī)床

馬春年 肖 博 于光旭

(北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101312)

1 智能機(jī)床的提出

中國(guó)制造2025擬打造五大工程，其中之一是智能制造。智能制造是基于信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)高度互聯(lián)下的制造，其能源管理、供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理及生產(chǎn)設(shè)備全部智能化，這就是所謂的智能工廠。用于裝備智能工廠的機(jī)床必須是智能機(jī)床，我們稱之了幾十年的數(shù)控機(jī)床將被智能機(jī)床所取代。

2 智能機(jī)床的概念

智能機(jī)床至今尚未有一個(gè)權(quán)威的解釋，大致可理解為：機(jī)床具備感知、推理、決策及學(xué)習(xí)的能力。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，智能化會(huì)有不同的內(nèi)涵，人們對(duì)機(jī)床智能化的要求會(huì)越來越高，從這個(gè)意義上講，智能機(jī)床只有更智能，沒有最智能。

機(jī)床具有感知能力：就要求機(jī)床將裝備更多的傳感器，比如：溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、扭矩傳感器、聲控傳感器等，為智能機(jī)床推理、決策提供已知條件或感知條件的變化。

機(jī)床具有推理、決策能力：就要求機(jī)床能夠根據(jù)現(xiàn)有條件得出正確的結(jié)果或根據(jù)現(xiàn)有條件的變化采取應(yīng)對(duì)措施，以保證結(jié)果的正確性。可見智能機(jī)床應(yīng)具有更高的運(yùn)算速度、具備處理大數(shù)據(jù)的能力，確保根據(jù)感知條件的變化實(shí)時(shí)決策對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的修正。

機(jī)床具有自我學(xué)習(xí)能力：智能機(jī)床會(huì)對(duì)自己加工過的工件相關(guān)數(shù)據(jù)做記錄與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)正在加工的同品種工件做出修正措施，以保證加工結(jié)果更精準(zhǔn)。即機(jī)床能根據(jù)上一個(gè)工件加工結(jié)果檢測(cè)數(shù)據(jù)，決策出對(duì)下一個(gè)同品種工件加工程序的修正，這種修正有利于工件精度的提高。

3 智能機(jī)床對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的新要求

智能機(jī)床除了在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要有利于智能化之外，其更多的智能功能要通過反饋元件、控制系統(tǒng)、刀具的智能化得以實(shí)現(xiàn)。

反饋元件：數(shù)控機(jī)床對(duì)反饋元件的需求只局限于對(duì)角度值、位置值的高精度檢測(cè)與可靠性傳輸，而智能機(jī)床除此之外，還需要它能承載其他信息，如：溫度信息、振動(dòng)信息等。

這樣機(jī)床上無需另加溫度傳感器，控制系統(tǒng)通過該溫度信息感知機(jī)床發(fā)熱狀況，從而進(jìn)行熱位移補(bǔ)償。

這樣機(jī)床上無需另加振動(dòng)傳感器，控制系統(tǒng)通過該振動(dòng)信息感知機(jī)床振動(dòng)狀況，從而對(duì)振動(dòng)采取抑制措施。

當(dāng)然在機(jī)床相關(guān)部件上預(yù)埋傳感器，也可以獲取相關(guān)信息，這樣會(huì)增加走線的復(fù)雜性。

刀具附件： 智能機(jī)床對(duì)刀具的管理更全面，包括：壽命管理(刀具磨損)、破損管理、刀具信息自動(dòng)獲取及刷新。

刀具壽命管理、刀具破損檢測(cè)是由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，刀具信息管理則要求刀具自帶芯片，控制系統(tǒng)可自動(dòng)獲取其刀具信息，其中最主要的是刀具補(bǔ)償有關(guān)信息。

控制系統(tǒng)：智能機(jī)床要求系統(tǒng)提供更多的智能功能，比如：

熱補(bǔ)償功能：根據(jù)溫度傳感器提供的溫度信息系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償。

振動(dòng)抑制功能：根據(jù)振動(dòng)傳感器提供的振動(dòng)信息系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。

防碰撞功能：根據(jù)工件圖紙系統(tǒng)可自動(dòng)生成加工干涉區(qū)，結(jié)合刀具補(bǔ)償信息實(shí)現(xiàn)防碰撞。

進(jìn)給速率自適應(yīng)控制：根據(jù)主軸負(fù)載變化調(diào)整進(jìn)給倍率。

刀具信息化處理：自動(dòng)讀取刀具。

芯片信息，刷新刀補(bǔ)數(shù)據(jù)。

具有刀具壽命管理及刀具破損檢測(cè)。

具有豐富的自診斷功能，不僅能提供故障內(nèi)容，還能提供故障點(diǎn)位置。

運(yùn)算速度更快，具有處理大數(shù)據(jù)能力。

4 智能機(jī)床的現(xiàn)狀

世界各大機(jī)床廠家都在機(jī)床智能化方面邁出了步伐，初步統(tǒng)計(jì)機(jī)床已在以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了智能化：

機(jī)床防碰撞功能：系統(tǒng)由工件加工圖自動(dòng)生成工件三維圖，從而自動(dòng)生成干涉區(qū)域，結(jié)合刀具補(bǔ)償數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)加工過程中的自動(dòng)防碰撞。

加工表面質(zhì)量/速度/精度優(yōu)先：機(jī)床會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)別，自動(dòng)調(diào)整加工程序及系統(tǒng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先目的。

切削自適應(yīng)：根據(jù)主軸負(fù)載變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，以保護(hù)刀具、減小振顫。

溫度補(bǔ)償功能：機(jī)床根據(jù)環(huán)境溫度的變化，自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)床熱變形。

振動(dòng)抑制功能：機(jī)床根據(jù)振動(dòng)信息的變化，自動(dòng)采取抑振措施。

刀具信息自動(dòng)識(shí)別：機(jī)床自動(dòng)獲取刀具芯片信息、修正刀補(bǔ)數(shù)據(jù)。

刀具破損檢測(cè)：機(jī)床對(duì)刀具破損自動(dòng)檢測(cè)。

北京機(jī)床研究所也在機(jī)床智能方面做了大量工作，主要有：

主軸熱誤差補(bǔ)償技術(shù)(一維熱補(bǔ)償)；

X、Y平面內(nèi)熱誤差補(bǔ)償(二維熱補(bǔ)償)；

三維空間誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償(綜合誤差，包括：熱、幾何)；

五軸擺臺(tái)、擺頭空間干涉區(qū)處理。

5 智能機(jī)床展望

高精度趨勢(shì)：

未來的制造業(yè)，對(duì)機(jī)床的精度要求越來越高。提高機(jī)床精度，除絕對(duì)提高機(jī)床零件精度及機(jī)床裝配精度之外，通過控制技術(shù)的集成以提高機(jī)床精度的作法越來越受青睞。如：熱補(bǔ)償技術(shù)、空間誤差補(bǔ)償技術(shù)、振顫自抑技術(shù)、參數(shù)(機(jī)床參數(shù)、切削參數(shù))自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)等，均可有效地提高機(jī)床精度、提高工件加工精度。

高自動(dòng)化趨勢(shì)：

未來的制造業(yè)，對(duì)機(jī)床的需求不僅僅要求其能加工出高精度的工件，還要求從毛坯到成品，整個(gè)過程無人干預(yù)，可見機(jī)床高度自動(dòng)化、功能復(fù)合化是必然的趨勢(shì)。

高度自動(dòng)化就要求機(jī)床必須集成以下相關(guān)功能或裝置：

自動(dòng)門、自動(dòng)夾具、多工位交換臺(tái)、自動(dòng)裝卸料裝置、刀具破損檢測(cè)、工件在線檢測(cè)，同時(shí)還應(yīng)具備多序復(fù)合加工。

信息化趨勢(shì)：物聯(lián)網(wǎng)徹底實(shí)現(xiàn)了機(jī)-機(jī)交互，人-機(jī)交互將成為歷史，數(shù)字化、信息化取代一切。

標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)：這里的標(biāo)準(zhǔn)化泛指機(jī)床接口標(biāo)準(zhǔn)化，在互聯(lián)互通的時(shí)代，大制造、大協(xié)同成為必然，標(biāo)準(zhǔn)化極為重要，包括通信協(xié)議、走線接口、追加附件接口等，否則將被網(wǎng)在局外，乃至淘汰。