智能化數控機床的關鍵技術研究

顧 巍 邢煥武

（1.沈機(上海)智能系統研發設計有限公司，遼寧 沈陽 110142；2.江門云科智能裝備有限公司，廣東 江門 529000）

數控機床可以解決復雜、精密、小批量、多品種的零件加工，是一種典型的機電一體化產品，數控機床是實現制造技術和裝備現代化、保證高技術產業發展和國防軍工現代化的關鍵戰略裝備。智能化數控機床是可以使制造過程“透明化”的數控機床，可以“感知”主軸運轉、刀具切削、導軌磨損，這些功能可以讓機床使用者更好使用機床，并且可以大幅提高效率以降低成本。

一、智能機床的特征

智能機床通過安裝的各類傳感器可以監控，診斷和修正機床在生產過程中出現的各類偏差，同時通過歷史大數據的沉淀形成未來生產過程最優化的解決方案。同時還可以對加工過程中的切削刀具壽命，主軸運轉情況，以及軸承和導軌的磨損情況進行記錄和預警，可以說智能機床與普通數控機床主要的區別點在于智能機床除了具有數控加工功能外，還具有感知、推理、決策、學習等智能功能[1]。

二、智能機床的幾個關鍵技術

今后裝備制造業實現全面的生產自動化生產離不開智能機床，各國主要的機床制造企業已經在智能機床生產領域取得了很多成果。而在智能機床的研制與發展過程中，加工過程的智能監控以及遠距離故障診斷一直是人們關注的重點，主要涉及振動、防干涉、溫度、刀具等方面的監控與相應的補償方法[2]。

（一）熱誤差補償功能

1.熱變形誤差機理

在機床運行中，環境溫度上升以及電機等發熱，會使熱量傳導到機械部件上，可能會導致機械精度發生變化，進而對工件加工精度的高低產生影響。所以，一般來說對高精度機床的使用環節，都要求在恒溫車間。普通環境下由于溫度的變化，會使數控機床進給系統、主軸系統等產生熱變形，這種情況下就需要通過熱誤差補償來提高機床的定位精度和重復定位精度。為了消除由于溫度變化或是自身摩擦造成的溫升影響，一般來說熱誤差補償器要有溫度變化數據測量、熱誤差建模、誤差補償等功能。

2.熱誤差誤差補償的實現方法

首先通常在數控機床靠近絲杠處安裝溫度傳感器，通過溫度傳感器對進給系統關鍵部件絲杠的溫度進行測量，熱誤差補償器中的熱誤差補償模型實時計算各坐標軸所修的位移補償值，然后送到數控系統中完成實時熱誤差的補償。

（二）智能化防干涉系統

1.防干涉系統功能

高精度機床如果出現碰撞的情況，會對機床精度及性能造成非常不利的影響，防干涉系統的實現方式是當數控機床在運行數控程序之前，通過自檢的方式來判斷刀具、工件、夾具以及機床結構單元之間的干涉情況，如果有碰撞的可能性，就會在碰撞之前通過自動停止機床運動來實現防碰撞。

防干涉系統帶來的主要益處是可以減少加工準備時間及加工時間，使機床有效運轉時間獲得提升，并且消除潛在的由于碰撞而帶來的停機維修時間，節約維修費用。

2.防干涉系統的實現技術

該技術通常的實現方式是通過三維動畫仿真技術對數控機床的實際加工工作進行仿真運行，仿真的過程涉及刀具、工件、夾具等三維模型，除了初值建模的方式以外，還可以利用建模功能輸入刀具、工件、夾具等的三維模型數據來實現加工過程仿真。

虛擬機床的仿真過程包括：數控系統將數控程序或手動操作指令轉化成機械控制信號；然后將機床坐標軸移動信號先與預設的三維動畫仿真模塊相關聯，通過這個流程就可以實現對潛在碰撞風險的預防，也就是說如果通過三維動畫仿真發現出現了干涉，那么在實際干涉發生之前就可以減速停止機床的動作，避免碰撞；當判斷出不會出現干涉時，機床將保持原有指令完成加工動作。

（三）智能刀具監控技術

1.刀具磨損狀態分析

刀具磨損主要包括三個階段：初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段，如圖1所示。

圖1 刀具磨損曲線

當刀具的正常磨損達到圖中極限的D點后，隨著切削力和切削溫度的不斷升高，刀具的磨損量會出現不斷加大的情況，刀具磨損率也將急劇上升進入劇烈磨損階段。這時刀具的切削性能將出現大幅的降低，容易出現報廢工件，同時由于切削力的增大，也會出現機床振動加劇的情況，降低機床性能甚至引發安全事故。因此進入急劇磨損階段的臨界點必須及時檢出，及時更換刀具[3]。

2.刀具狀態監測過程

刀具磨損量的監測過程簡單來說就是一個刀具磨損模式的識別過程，被監測刀具、傳感器硬件、數據采集與處理模塊、特征提取與分析模塊、診斷決策基本模塊這些構成了刀具監測系統的主體，如圖2所示。

圖2 刀具磨損在線檢測原理框架圖

刀具狀態監測系統的工作流程主要如下：

第一，刀具狀態監測系統是通過對刀具的切削過程進行狀態監測，因此要確定監控對象，包括刀具、毛坯等，并將傳感器裝在機床主要監測位置。

第二，傳感器檢測過程，傳感器的作用是采集刀具切削過程中發出的加速度、分貝、功率、電流等各種信號。

第三，數據采集與處理，在這一環節監測系統會將上一步傳感器檢測到的各類信號進行采集與分析，這之前要包括進行數模轉換、濾波、降噪等數據預處理過程，然后在時域、頻域、幅域等對采集的數據進行分析。

第四，通過專家數據庫，建立各類信號特征和刀具磨損程度之間的數學模型，通過這個數學模型來實現對刀具狀態和磨損量的判斷，并預測刀具使用壽命。

三、機床組件智能化

（一）智能化數控系統

智能化數控系統的工藝規劃和編程要考慮到機床結構、具體工件的形狀特征及尺寸、工藝系統的物理特性和工作環境等因素，通過優化機床加工參數和各軸的運動軌跡，保證加工的質量和效率，而現有編程系統主要是面向零件幾何的編程，沒有綜合考慮機床、工裝和零件材料的特性，無法適應加工條件、應力分布、溫度變化的不確定性。同時實現智能工藝規劃和智能編程還需要逐步積累專家經驗與知識，建立相應的數據庫和知識庫。

研發的智能化數控系統具備的功能如下：

1.圖形引導式編程

圖形引導編程是傳統編程方式外的一種全新的編程，基于工序的概念，圖形引導式編程可以將毛坯到成品的加工過程分解為一系列連續的工序步驟，然后對每一工序使用一條工序語言進行表示，工序語言可以直觀地顯示出當前工序的工藝參數，這樣操作，人員可以方便地對使用的刀具、進給速度、進給量、主軸轉速等進行編輯，提高了編程效率并降低了編程難度。

2.三維加工模擬

數控系統自身集成了三維圖形模擬軟件，模擬軟件可以對加工過程進行在線的實時仿真，有多種工件形狀可供選擇，并且工件尺寸完全實現了參數化。可以自由選擇常見的刀具及工裝夾具，加工模擬過程中可以主動進行刀具和工件之間的干涉檢查。該功能能夠對螺紋、切槽、鉆孔等復雜工藝特征的切削效果進行直觀觀察。如圖3所示。

3.圖形化診斷工具

圖形化診斷工具的主要功能是用于監控機床電氣部件的工作狀態是否正常，這一功能為機床用戶快速診斷機床電氣故障提供了有力的幫助，把不同部件的I/O狀態通過圖形的方式直觀展現出來，用戶能夠容易地診斷相應的電氣故障，圖4為數控車床頂尖的圖形化診斷工具。

圖4 圖形化診斷

（二）智能化主軸組

智能化主軸應該具有的特征為：可以對自身運行狀況進行自動檢測和優化，并且具備對工藝參數、運行狀態的自學能力。

智能化主軸組包含的相關技術如下：

1.主軸溫度在線監測、熱誤差補償及冷卻系統智能化控制；

2.主軸回轉精度在線檢測技術；

3.主軸振動在線檢測、濾波分析及主動平衡控制策略。

四、結語

智能化數控機床有著非常廣闊的發展前景，它代表著效率、自動化、智能化、網絡化、集成化的進一步提升與發展。未來數控機床越趨于智能化，高精度零部件的制造過程就會越簡單，這也是制造行業發展的新趨勢，我國機床行業在智能化機床的研發及產業化環節還有很大的進步空間。