淺談數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

陳 豪

（江蘇省丹陽中等專業(yè)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江 212300）

0 引言

智能制造是智能制造技術(shù)與智能制造系統(tǒng)的統(tǒng)稱，是一種人機(jī)一體化制造系統(tǒng)，其包含智能機(jī)械與專業(yè)人員，以一種高度柔性與集成的方式將智能技術(shù)融入在制造的各個環(huán)節(jié)。這種制造模式具有極強(qiáng)的自律能力，系統(tǒng)能夠收集、理解自身與環(huán)境信息，并能夠?qū)ψ陨淼男袨樽龀龇治?、判斷及?guī)劃，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)一體化的高度統(tǒng)一。

1 智能制造與數(shù)控技術(shù)的融合

數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化信息控制機(jī)床運(yùn)動及加工過程，數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床的核心，也是機(jī)床自動化加工的基礎(chǔ)。智能制造領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，可進(jìn)一步提高產(chǎn)品的加工精度和加工效率。智能制造與數(shù)控技術(shù)的融合主要體現(xiàn)在以下4 個方面：

（1）通信技術(shù)的融合。在制造設(shè)備中融入微處理器技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)可獲得所需的測量值；數(shù)控與智能制造技術(shù)的集成促進(jìn)了機(jī)電集成技術(shù)的發(fā)展，提高了工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性及制造設(shè)備的可靠性能。

（2）集成的融合。鏈路控制可通過數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)多軸鏈路，并有效控制材料的加工處理過程。不同型號機(jī)床的操作狀態(tài)、性能存在較大差異，在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字控制技術(shù)，可以提高聯(lián)合控制的速度與精度，比如多對等工具耦合控制可實(shí)現(xiàn)不同工作站產(chǎn)品加工的同步處理，有效解決傳統(tǒng)機(jī)床加工精度不高、加工效率低的問題。通過多軸補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)高速高精鏈路控制信息的實(shí)時傳輸，保證每個處理鏈的正常運(yùn)行。

（3）誤差補(bǔ)差技術(shù)融合。補(bǔ)償誤差可以提高機(jī)床設(shè)備的加工精度，目前多源誤差補(bǔ)償技術(shù)包括幾何誤差補(bǔ)償、熱誤差補(bǔ)償、主動振動抑制、力誤差補(bǔ)償?shù)取Ｆ渲辛φ`差補(bǔ)償可以提高機(jī)床的切削能力，減少產(chǎn)品的變形誤差；熱誤差補(bǔ)差則可以減少誤差測量時間，提高誤差預(yù)測的準(zhǔn)確性；抑制振動顧名思義就是減少加工過程中材料的內(nèi)部振動作用，提高加工控制性能等。

（4）數(shù)據(jù)融合。數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用便于人們收集更多的信息建立更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的監(jiān)測與處理，全面分析數(shù)控機(jī)床的加工過程，通過診斷、統(tǒng)計、優(yōu)化等智能分析方法監(jiān)測產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)。

2 智能制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高速高精聯(lián)動控制技術(shù)

與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動控制，高速多軸聯(lián)動工況下各伺服軸頻繁加減速，各軸運(yùn)動性能、運(yùn)動狀態(tài)也存在固有差異。多軸聯(lián)動工況下機(jī)床的控制精確度的難度增加，導(dǎo)致實(shí)際輪廓軌跡偏離理想軌跡，因此數(shù)控機(jī)床的重點(diǎn)技術(shù)就是高速高精聯(lián)動控制，其主要涉及到以下2 個方面：

（1）信息實(shí)時交互式現(xiàn)場總線技術(shù)。利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)之間高效、可靠、同步的通信，可以更好地滿足傳統(tǒng)脈沖式或模擬式接口無法滿足的控制要求，且后續(xù)現(xiàn)場總線技術(shù)與以太網(wǎng)或因特網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用，將大幅提高傳輸速率，擴(kuò)大帶寬，通信協(xié)議也更加開放。

（2）多軸聯(lián)動同步控制技術(shù)。多軸聯(lián)動同步誤差會對最終運(yùn)動輪廓誤差產(chǎn)生直接影響，因此需要保證伺服控制精度。數(shù)控機(jī)床采用多伺服軸高速高精同步控制，因此控制策略及控制算法一直都是技術(shù)重點(diǎn)及難點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)聯(lián)動實(shí)時同步性能及精度控制的穩(wěn)定性，數(shù)控機(jī)床采用網(wǎng)絡(luò)同步控制方案，通過分散式多軸同步控制方法構(gòu)建實(shí)時以太網(wǎng)通信專家平臺，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動采用智能網(wǎng)絡(luò)控制，保證了位置同步性能的穩(wěn)定性?？刂扑惴☉?yīng)用最為廣泛的是PID 反饋控制，其以智能算法為基礎(chǔ)進(jìn)行多軸高速高精同步控制，抗干擾能力、魯棒性都較強(qiáng)。但智能算法也存在一定不足，即計算量大、運(yùn)行時間長，因此后續(xù)需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

2.2 機(jī)床多源誤差補(bǔ)償技術(shù)

數(shù)控機(jī)床工作過程中，各零部件的原始制造精度、磨損、安裝等可能導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床多軸聯(lián)動加工精度存在誤差，除此之外，相對運(yùn)動部件之間的運(yùn)動作用、運(yùn)動軸的伺服控制、切削力致變形等因素均會導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床工作存在誤差，因此需要采用機(jī)床多源誤差補(bǔ)償技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。所謂機(jī)床多源誤差補(bǔ)償技術(shù)是指通過多種分析方法總結(jié)機(jī)床多源誤差的特點(diǎn)、規(guī)律，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過預(yù)設(shè)新誤差量減少加工過程的誤差，具有成本低、操作可控等顯著優(yōu)勢。目前常用的誤差補(bǔ)差技術(shù)包括幾何誤差補(bǔ)償和熱誤差補(bǔ)償。

（1）幾何誤差補(bǔ)償。幾何誤差補(bǔ)償主要包括兩種方法，一種是誤差模型解耦分離補(bǔ)償法，即根據(jù)幾何誤差模型將空間誤差解耦分離到各運(yùn)動軸，獲得對應(yīng)補(bǔ)償量后再通過運(yùn)動后疊加補(bǔ)償，也可以在運(yùn)動前直接修改數(shù)控代碼，該方法雖然精度高，但是效率較低。另外一種是輪廓精度反饋控制補(bǔ)償法，該方法具有實(shí)時補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢，但控制參數(shù)整定比較困難，系統(tǒng)的抗擾動能力也相對較差。正是由于幾何誤差補(bǔ)償方法還存在不足，因此目前只應(yīng)用于完全離線或在加工間隙補(bǔ)償，動態(tài)、實(shí)時的幾何誤差在線補(bǔ)償技術(shù)還有待深入研究。

（2）熱誤差補(bǔ)償技術(shù)。熱誤差主要是由于表征機(jī)床溫度變化導(dǎo)致的零部件相對位置及形狀發(fā)生變化，與幾何誤差相比，熱誤差具有時滯時變、多向耦合、非線性的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床總誤差源的40%～70%來源于熱誤差。實(shí)際誤差補(bǔ)償過程中需要建立準(zhǔn)確的熱誤差模型，常用的熱誤差建模方法包括原理性建模、基于可靠的熱誤差模型等。原理性建模方法發(fā)展比較緩慢，因?yàn)殡y以確定數(shù)值分析邊界條件，且熱傳導(dǎo)精確仿真也比較困難。熱誤差實(shí)證建模以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，因此發(fā)展更加迅速，提高了機(jī)床熱誤差的預(yù)測精度。熱誤差補(bǔ)償技術(shù)包括原點(diǎn)平移法及反饋攔截積分法等，其中原點(diǎn)平移法是修正誤差模型，通過I/O 口將修正后的數(shù)控指令送至數(shù)控機(jī)床控制器，平移控制系統(tǒng)的參考原點(diǎn)進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。反饋攔截積分法則是攔截位置傳感元件反饋信號，外部補(bǔ)償裝置疊加熱誤差補(bǔ)償量后再返回數(shù)控系統(tǒng)，校正當(dāng)前機(jī)床的實(shí)際位置與指令位置偏差。兩種熱誤差補(bǔ)償技術(shù)均能實(shí)現(xiàn)熱誤差實(shí)時補(bǔ)償，但需要添加外部補(bǔ)償器。

2.3 智能控制技術(shù)

智能制造大環(huán)境下，數(shù)控技術(shù)也要與智能控制技術(shù)相結(jié)合。智能控制以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基出，建立數(shù)控機(jī)床加工信息的“數(shù)字雙胞胎”模型，利用數(shù)據(jù)挖掘智能算法采集機(jī)床動態(tài)數(shù)據(jù)，并對數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，不斷優(yōu)化數(shù)控加工的流程與工藝參數(shù)。有了智能化控制技術(shù)的支持，數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自控制、自維護(hù)。目前常用的智能控制技術(shù)包括采集制造工藝實(shí)時數(shù)據(jù)、加工流程及工藝參數(shù)的優(yōu)化、機(jī)床狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測與診斷等。

在相同加工條件下，零件加工質(zhì)量與效率由其工藝流程及工藝參數(shù)所定，但數(shù)控機(jī)床的制造工藝數(shù)據(jù)體現(xiàn)出復(fù)雜異構(gòu)、多維海量的特點(diǎn)，因此需要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立制造工藝數(shù)據(jù)收集機(jī)制與甄別平臺，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、管理、控制等，以進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程及參數(shù)。除此之外，還可以利用智能算法分析采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)，從中挖掘出有效信息，不斷采集、優(yōu)化實(shí)時數(shù)據(jù)，以機(jī)器學(xué)習(xí)方式總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，即可實(shí)現(xiàn)加工流程與工藝參數(shù)的優(yōu)化，且對下次加工也具有指導(dǎo)作用。

此外，數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)測與診斷也是智能控制技術(shù)的重要內(nèi)容，同樣是通過數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)評估、診斷機(jī)床的狀態(tài)信息，并在必要時發(fā)送控制指令。當(dāng)然，目前機(jī)床狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)與診斷技術(shù)還存在監(jiān)測系統(tǒng)界面可視化問題、診斷系統(tǒng)診斷規(guī)則問題、控制策略的靈活性問題、故障信號處理及學(xué)習(xí)機(jī)制問題等，因此后續(xù)要進(jìn)一步深入研究。

3 數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

隨著數(shù)控技術(shù)與智能制造技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見，數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用將向著高速化與高精度化、高柔性與高可靠性、智能化與網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

（1）高速化與高精度化發(fā)展。高速運(yùn)算、快速插補(bǔ)、超高速通信、高速主軸等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床計算機(jī)系統(tǒng)的高度指令處理，快速計算出伺服系統(tǒng)的移動量；高精度化發(fā)展則主要是指提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

（2）高柔性與高可靠性。數(shù)控機(jī)床能夠更好地適應(yīng)不同的加工對象，由單機(jī)柔性化向單元柔性化、系統(tǒng)柔性化發(fā)展。例如，可以拓展數(shù)控機(jī)床功能，增加自動化裝置，與工業(yè)機(jī)器人等組成新的加工中心、柔性制造系統(tǒng)?？垢蓴_技術(shù)還可以提高系統(tǒng)的可靠性，保護(hù)系統(tǒng)能夠在高負(fù)荷狀態(tài)下長時間連續(xù)工作等。

（3）智能化與網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。數(shù)控機(jī)床引入的自適應(yīng)控制系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、智能伺服驅(qū)動裝置等技術(shù)的應(yīng)用將會不斷提高數(shù)探機(jī)床的智能化與網(wǎng)絡(luò)化程度。

4 結(jié)語

在智能制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用提高了其加工精度、加工效率，提高了生產(chǎn)管理水平，因此研究數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。