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數(shù)控機(jī)床如何實(shí)現(xiàn)智能化?
時(shí)間:2017/06/12
文章來源:山一數(shù)控
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智能機(jī)床最早出現(xiàn)在賴特(P·K·Wright)與伯恩(D·A·Bourne)1998年出版的智能制造研究領(lǐng)域的首本專著《智能制造》(Manufacturing Intelligence)中。由于對先進(jìn)制造業(yè)具有重要作用,智能技術(shù)引起各個國家的重視。美國推出了智能加工平臺計(jì)劃(SMPI);歐洲實(shí)施 “Next Generation Production System”研究;德國推出了“Industry 4.0”計(jì)劃;中國中長期科技發(fā)展對“數(shù)字化智能化制造技術(shù)”提出了迫切需求,并制定了相應(yīng)的“十三五”發(fā)展規(guī)劃;在2006年美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會(IMTS2006)上,日本Mazak公司推出的首次命名為“Intelligent Machine”的智能機(jī)床和日本Okuma公司推出的命名為“thinc”的智能數(shù)控系統(tǒng),開啟了數(shù)控機(jī)床智能化時(shí)代。 本文從傳感器出發(fā),將數(shù)控機(jī)床的智能技術(shù)按層次劃分為智能傳感器、智能功能、智能部件、智能系統(tǒng)等部分,對智能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié),指出不足,揭示了發(fā)展方向,并對未來進(jìn)行了展望。
智能傳感器由機(jī)床、刀具、工件組成的數(shù)控機(jī)床制造系統(tǒng)在加工過程中,隨著材料的切除,伴隨著多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象,隱含著豐富的信息。在這種動態(tài)、非線性、時(shí)變、非確定性環(huán)境中,數(shù)控機(jī)床自身的感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化的基本條件。 數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)智能,需要各種傳感器收集外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)信息,近似人類五官感知環(huán)境變化的功能,如表1所示。對人來講,眼睛是五官中最重要的感覺器官,能獲得90%以上的環(huán)境信息,但視覺傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用還比較少。隨著自動化和智能化水平的提高,視覺功能在數(shù)控機(jī)床中將發(fā)揮越來越重要的作用。表1數(shù)控機(jī)床可用傳感器
隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)、嵌入技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展,傳感器趨向小型化。MEMS微傳感器、薄膜傳感器以及光纖傳感器等微型傳感器的成熟應(yīng)用,為傳感器嵌入數(shù)控機(jī)床奠定了基礎(chǔ)。 由于制造過程中存在不可預(yù)測或不能預(yù)料的復(fù)雜現(xiàn)象和奇怪問題,以及所監(jiān)測到的信息存在時(shí)效性、精確性、完整性等問題,因此,要求傳感器具有分析、推理、學(xué)**等智能,這要求傳感器要有高性能智能處理器來充當(dāng)“大腦”。美國高通公司正在研制能夠模擬人腦工作的人工智能系統(tǒng)微處理器。將來可通過半導(dǎo)體集成技術(shù),將高性能人工智能系統(tǒng)微處理器與傳感器、信號處理電路、I/O接口等集成在同一芯片上,形成大規(guī)模集成電路式智能傳感器,不但具有檢測、識別、記憶、分析等功能,而且具有自學(xué)**甚至思維能力。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、MEMS技術(shù)、高新材料技術(shù)、無線通信技術(shù)等不斷進(jìn)步,智能傳感器將會在數(shù)控機(jī)床智能感知方面帶來全新變革。
智能功能數(shù)控機(jī)床向高速、高效、高精化發(fā)展,要求數(shù)控機(jī)床具有熱補(bǔ)償、振動監(jiān)測、磨損監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等智能功能。融合幾個或幾種智能傳感器,采用人工智能方法,通過識別、分析、判斷及推理,實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能功能,為智能部件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。 數(shù)控機(jī)床的誤差包括幾何誤差、熱(變形)誤差、力(變形)誤差、裝配誤差等。研究表明,幾何誤差、熱誤差占到機(jī)床總誤差的50%以上,是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵因素,如圖1所示。其中,幾何誤差是制造、裝配過程中造成的與機(jī)床結(jié)構(gòu)本身有關(guān)的誤差,隨時(shí)間變化不大,屬于靜態(tài)誤差,誤差預(yù)測模型相對簡單,可以通過系統(tǒng)的補(bǔ)償功能得到有效控制,而熱誤差隨時(shí)間變化很大,屬于動態(tài)誤差,誤差預(yù)測模型復(fù)雜,是國際研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
數(shù)控機(jī)床在加工過程中的熱源包括軸承、滾珠絲杠、電機(jī)、齒輪箱、導(dǎo)軌、刀具等。這些部件的升溫會引起主軸延伸、坐標(biāo)變化、刀具伸長等變化,造成機(jī)床誤差增大。由于溫度敏感點(diǎn)多、分布廣,溫度測試點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)很重要,主要方法有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類、粗糙集、信息論、灰色系統(tǒng)等[6]。在確定了溫度測點(diǎn)的基礎(chǔ)上,常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、灰色系統(tǒng)、支持向量機(jī)等來進(jìn)行誤差預(yù)測與補(bǔ)償。
在航空航天領(lǐng)域,隨著鈦合金、鎳合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的廣泛應(yīng)用,以及高速切削條件下,切削量的不斷增大,刀具、工件間很容易發(fā)生振動,嚴(yán)重影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。由于切削力是切削過程的原始特征信號,最能反映加工過程的動態(tài)特性,因此可以借助切削力監(jiān)測與預(yù)報(bào)進(jìn)行振動監(jiān)測。借助測力儀、力傳感器、進(jìn)給電機(jī)的電流等,利用粒子群算法、模糊理論、遺傳算法、灰色理論等對切削力進(jìn)行建模和預(yù)測。考慮到引起機(jī)床振動的原因主要有主軸、絲杠、軸承等部件,也可以采集這些部件的振動、切削力、聲發(fā)射等信號,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、支持向量機(jī)等智能方法直接進(jìn)行振動監(jiān)測。
刀具安裝在主軸前端,與加工工件接觸,直接切削工件表面,對加工質(zhì)量的影響是最直接和關(guān)鍵的。刀具磨損、破損等異?,F(xiàn)象影響加工精度和工作安全。鑒于直接測量法需要離線檢測的缺陷,常采集電流、切削力、振動、功率、溫度等一種或多種間接信號,采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能算法對刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測。 隨著自動化程度的提高,數(shù)控機(jī)床集成越來越多的功能,復(fù)雜程度不斷提高。為了高效運(yùn)行,對數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與性能評價(jià)、對故障進(jìn)行預(yù)警與診斷十分必要。由于故障模式再現(xiàn)性不強(qiáng),樣本采集困難,因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等要求樣本多的智能方法不適合這種場合。狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷常采用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、支持向量機(jī)、專家系統(tǒng)和多Agent等智能方法。 研究人員不斷探索和研究智能功能的新方法或多種方法的混合,但大部分集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,缺少實(shí)時(shí)性高、在線功能強(qiáng)的方法,尚需深入發(fā)展簡潔、快速、適應(yīng)性強(qiáng)的智能方法。
智能部件數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分主要包括支撐結(jié)構(gòu)件、主傳動件、進(jìn)給傳動件、刀具等部分,涉及到床身、立柱、主軸、刀具、絲杠與導(dǎo)軌以及旋轉(zhuǎn)軸等部件。這些部件可以集成智能傳感器的一種或幾種智能功能構(gòu)成數(shù)控機(jī)床智能部件。
主軸是主傳動部件,作為核心部件,直接關(guān)系到工件加工精度。由于主軸轉(zhuǎn)速較高,特別是電主軸,發(fā)熱、磨損、振動對加工質(zhì)量影響很大,因此,越來越多的智能傳感器被集成到主軸中,實(shí)現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警以及補(bǔ)償?shù)裙δ?。日本山崎馬扎克研制的“智能主軸”,裝有溫度、振動、位移及距離等多種傳感器,不但具有溫度、振動、夾具壽命監(jiān)控和防護(hù)功能,而且能夠根據(jù)溫度、振動狀態(tài),智能協(xié)調(diào)加工參數(shù)。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的電主軸,裝有溫度、加速度、軸向位移等多種傳感器,如圖3所示,能夠進(jìn)行熱補(bǔ)償、振動監(jiān)測等。
文章鏈接:中國機(jī)床商務(wù)網(wǎng) http://www.jc35.com/news/detail/64588.html
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