智能机床的现状与展望

作者:同济大学现代制造技术研究所名誉所长 张曙教授 文章来源:MM《现代制造》 点击数:72 发布时间:2017-03-29
智能机床是智能制造的基础。机床智能化可分为3个方面:①机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等;②数控系统智能化,从加工设备控制器进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂...
智能机床的现状与展望

智能机床是智能制造的基础。机床智能化可分为3个方面:①机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等;②数控系统智能化,从加工设备控制器进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂;③机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件,从而迈向共享经济新时代,创造更多的价值。

传统的数控机床是按照G指令和M指令驱动机床部件,实现刀具与工件的相对运动,对机床的实际工作状态并无感知和反馈。机床在工作过程中,在切削力、惯性力、摩擦力以及内部和环境热载荷的作用下,产生变形和振动,导致刀具的实际路径偏离理论路径,降低加工精度、表面质量和生产效率

智能机床的核心在于构建一个基于模型的闭环加工系统。借助温度、加速度和位移等传感器监测机床工作状态和环境的变化,实时进行调节和控制,优化切削参数,抑制或消除振动,补偿热变形,充分发挥机床的潜力。智能机床的另一功能是网络通信,它是工厂网络的一个节点,可实现机床之间和车间管理系统的相互通信,提高生产系统效率和效益。

智能主轴

智能主轴的特征是自主性、自学习、兼容性和开放性。从感知到决策到控制,再到执行是实现智能的四部曲。主轴的智能化分为两类:①与主轴结构相关,即对温度或热误差、主轴平衡、主轴健康的监控和控制,进而实现温度控制和热误差补偿、不平衡度监控和主动平衡、主轴元器件损坏和失效监控与基于主轴实际状态的预测维护。②与加工过程有关,对颤振、刀具状态、主轴干涉的监控和控制,从而实现颤振的辨识及抑制和控制、刀具磨损和破损监测、刀具变形补偿、有效预防干涉与碰撞。

瑞士StepTec智能主轴是智能主轴的范例,它的智能化系统由电感轴向位移传感器、热电偶温度监控、主轴诊断模块、拉杆位置传感系统、加速度计振动测量、前轴承液压预紧载荷系统组成。可通过V3D三维振动测量和SDS主轴诊断软件优化主轴性能;通过AMS轴向位移传感器、TMS温度控制系统、SDM主轴诊断模块进行误差控制。

图1  基于模型的闭环加工系统

德国Prometec公司的主轴传感系统和分析(Spindle Sensor System and Analysis,3SA)环由固定的外环和旋转的内环组成,可安装在任何电主轴的前端,实现主轴智能化。安装在主轴壳体上的固定外环上分布有传感器,与安装在主轴上的旋转内环相互作用,进行主轴工作状态监控。3SA环可记录主轴的载荷状态、监控轴承或主轴的损伤和不平衡度,将信号发送给机床数控系统,补偿主轴的位置误差。3SA环提高了主轴的可用性和性能、以及知识的积累,实现基于主轴工作状态的维护,同时进行刀具和加工过程的监控。3SA环记录主轴工况变化的所有数据,如连接计算机或数控系统人机界面可随时显示,并对最近90次变化进行趋势分析。

智能机床结构

日本Makino T4钛合金加工机床的力控制智能导轨是一种控制导轨表面摩擦力与切削力保持平衡而消除振动的方法,其原理是借助测微计测量移动部件与导轨之间的间隙,控制伺服阀,调整气垫腔的上浮力,从而改变摩擦力,抵消切削力的变化。

增加机床结构的阻尼可减小受激振动的振幅,并使其很快衰减。机床结构阻尼器有两种:调谐阻尼器与主动阻尼器。调谐阻尼器(Turned Damping Device)是在主体结构上附加一定质量比的振动系统,用相位差来抵消振动,同时吸收能量并转化成热能耗散,兼具动力吸振和阻尼性能改善。主动阻尼器(Active Damping Device,ADD)是借助传感器感知机床结构的振动,经放大后转换成电信号,通过动圈式作动器改变机床主体结构的阻尼性能,抑制其振动。主动阻尼器具有频率响应范围宽、惯性质量小、安装方便等优点。

智能数控系统

智能数控系统是新一代的机床“大脑”,具有以下4方面功能:①自主选择加工参数+优化刀具路径=智能编程,进一步从三维CAD模型提取特征语义,直接生成无G指令的数控程序;②数控系统从运动控制器进化为车间管理系统的终端,成为工厂网络的基层节点,并可接入云平台;③数控系统嵌入MTConnect适配器和代理应用程序,能够实现机床之间的通信,进行信息交互;④数控系统连接到数字镜像服务器,与虚拟机床构成数字双胞胎,使产品设计、加工制造和测量检验连接成数字主线,实时看到如何相互影响,以便做出更好的决策,更高效、高质量地运行。

德国SolidCam公司的iMachining是智能编程的例子,它的“工艺向导”汇集了数百位经验丰富的CAM和CNC工程师所掌握的知识和经验,根据机床、材料和刀具优化进给、主轴转速、切削深度和宽度。从第一刀切削开始到加工完毕,iMachining都对毛坯、刀具材料和机床规格进行计算自动生成最佳的切削条件,借助“控制步距”技术,iMachining刀具路径保证切削条件严格遵循工艺向导,而且iMachining可根据主轴的刚性、夹具的刚性和刀具的伸出长度来设置相关的参数。

iMachining能够进行刀具路径优化,采用变体螺旋(Morphing)刀路而不是传统的次摆线(Trochoidal)刀路,减少退刀次数,尽量保证“刀具在切削中”;为了保证材料的最大去除率,iMachining会把刀路自动分成几个小的部分,以保证变体螺旋切削的最大效能;iMachining从最初进刀和最后退刀,动态的毛坯更新及追踪,确保刀路始终在切削材料,消除无用时间和运动;iMachining移动刀具从一个位置运动到下一个切深,仅在绝对需要抬刀的时候才退刀。

日本OKUMA的OSP Suite是智能数控系统的范例,该系统不仅能够实现热亲和、防碰撞、加工导航、伺服导航、5轴机床误差校正这5项智能化技术,同时让生产指示、作业指示,以及机床状态数据的管理可视化,从而缩短加工时间、提高运转率、缩短准备时间。

此外,无G指令的STEP-NC编程能够根据髙层产品数据对加工过程进行优化,提高生产效率与产品质量;可明确地描述需要加工的特征、工艺和允差;面向对象结构化的产品几何与制造信息模型,避免各环节间的数据格式转换;具有通用性和可重用性,STEP-NC文件能不经修改地用于不同的数控机床;实现信息双向传输,下游环节对产品数据的修改可直接保存,并反馈给上游环节。

终端-网络-云平台

在互联网条件下,数控系统不仅能够实现机床与机床的互联,还是一个能够生成车间管理数据、并与有关部门进行数据交换的网络终端。通过制造过程的“数据透明”,实现制造过程和生产管理的无缝连接。这不仅为了方便加工零件,同时产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据。实现了设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联,减少浪费,提高效率。

图2  沈阳机床i5智能机床和云协同制造平台

在数控系统提供“透明”数据的前提下,需要与商业模式相配合的云端平台和云端应用。沈阳机床集团旗下智能云科公司研发的云协同制造平台(i-Smart Engineering&Services Online,iSESOL)平台,通过i5智能机床的在线信息,打造了一套云端产能分享平台,用户可以将闲置产能公示于iSESOL产能平台,有产能需求的用户无需购买设备即可快速获得制造能力,通过这种方式产能提供方可以利用闲置产能获得收益,产能需求方可以以较低的成本获得制造能力,双方通过分享获得利益最大化。这种制造能力的分享模式将会改变制造业的组织形式,并且充分挖掘社会闲置制造资源,进行产能切换,从闲置资源中获得利益最大化。基于iSESOL平台的智能机床互联网应用框架如图2所示。

结束语

机床智能化的第一个方面聚焦于机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等。第二个方面是从加工设备进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,机床融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂。机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件,从而迈向共享经济新时代,创造更多的价值。