淺談數控技術在智能制造中的應用

陳 豪

（江蘇省丹陽中等專業學校，江蘇鎮江 212300）

0 引言

智能制造是智能制造技術與智能制造系統的統稱，是一種人機一體化制造系統，其包含智能機械與專業人員，以一種高度柔性與集成的方式將智能技術融入在制造的各個環節。這種制造模式具有極強的自律能力，系統能夠收集、理解自身與環境信息，并能夠對自身的行為做出分析、判斷及規劃，實現了人機一體化的高度統一。

1 智能制造與數控技術的融合

數控技術是利用數字化信息控制機床運動及加工過程，數控技術是數控機床的核心，也是機床自動化加工的基礎。智能制造領域應用數控技術，可進一步提高產品的加工精度和加工效率。智能制造與數控技術的融合主要體現在以下4 個方面：

（1）通信技術的融合。在制造設備中融入微處理器技術及計算機技術，系統可獲得所需的測量值；數控與智能制造技術的集成促進了機電集成技術的發展，提高了工業生產的穩定性及制造設備的可靠性能。

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

（3）誤差補差技術融合。補償誤差可以提高機床設備的加工精度，目前多源誤差補償技術包括幾何誤差補償、熱誤差補償、主動振動抑制、力誤差補償等。其中力誤差補償可以提高機床的切削能力，減少產品的變形誤差；熱誤差補差則可以減少誤差測量時間，提高誤差預測的準確性；抑制振動顧名思義就是減少加工過程中材料的內部振動作用，提高加工控制性能等。

（4）數據融合。數控技術在智能制造中的應用便于人們收集更多的信息建立更準確的數據模型，根據對應的數據模型可以實現設備信息的監測與處理，全面分析數控機床的加工過程，通過診斷、統計、優化等智能分析方法監測產品的生產狀態。

2 智能制造中數控技術的應用

2.1 高速高精聯動控制技術

與普通機床相比，數控機床能夠實現多軸聯動控制，高速多軸聯動工況下各伺服軸頻繁加減速，各軸運動性能、運動狀態也存在固有差異。多軸聯動工況下機床的控制精確度的難度增加，導致實際輪廓軌跡偏離理想軌跡，因此數控機床的重點技術就是高速高精聯動控制，其主要涉及到以下2 個方面：

（1）信息實時交互式現場總線技術。利用該技術可實現數控設備與數控系統之間高效、可靠、同步的通信，可以更好地滿足傳統脈沖式或模擬式接口無法滿足的控制要求，且后續現場總線技術與以太網或因特網結合應用，將大幅提高傳輸速率，擴大帶寬，通信協議也更加開放。

（2）多軸聯動同步控制技術。多軸聯動同步誤差會對最終運動輪廓誤差產生直接影響，因此需要保證伺服控制精度。數控機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重點及難點。為實現聯動實時同步性能及精度控制的穩定性，數控機床采用網絡同步控制方案，通過分散式多軸同步控制方法構建實時以太網通信專家平臺，關鍵節點的運動采用智能網絡控制，保證了位置同步性能的穩定性。控制算法應用最為廣泛的是PID 反饋控制，其以智能算法為基礎進行多軸高速高精同步控制，抗干擾能力、魯棒性都較強。但智能算法也存在一定不足，即計算量大、運行時間長，因此后續需要進一步加強研究。

2.2 機床多源誤差補償技術

數控機床工作過程中，各零部件的原始制造精度、磨損、安裝等可能導致數控機床多軸聯動加工精度存在誤差，除此之外，相對運動部件之間的運動作用、運動軸的伺服控制、切削力致變形等因素均會導致數控機床工作存在誤差，因此需要采用機床多源誤差補償技術提高數控機床的加工精度。所謂機床多源誤差補償技術是指通過多種分析方法總結機床多源誤差的特點、規律，建立對應的數學模型，通過預設新誤差量減少加工過程的誤差，具有成本低、操作可控等顯著優勢。目前常用的誤差補差技術包括幾何誤差補償和熱誤差補償。

（1）幾何誤差補償。幾何誤差補償主要包括兩種方法，一種是誤差模型解耦分離補償法，即根據幾何誤差模型將空間誤差解耦分離到各運動軸，獲得對應補償量后再通過運動后疊加補償，也可以在運動前直接修改數控代碼，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償法，該方法具有實時補償的優勢，但控制參數整定比較困難，系統的抗擾動能力也相對較差。正是由于幾何誤差補償方法還存在不足，因此目前只應用于完全離線或在加工間隙補償，動態、實時的幾何誤差在線補償技術還有待深入研究。

（2）熱誤差補償技術。熱誤差主要是由于表征機床溫度變化導致的零部件相對位置及形狀發生變化，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，數控機床總誤差源的40%～70%來源于熱誤差。實際誤差補償過程中需要建立準確的熱誤差模型，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。原理性建模方法發展比較緩慢，因為難以確定數值分析邊界條件，且熱傳導精確仿真也比較困難。熱誤差實證建模以人工智能技術為基礎，因此發展更加迅速，提高了機床熱誤差的預測精度。熱誤差補償技術包括原點平移法及反饋攔截積分法等，其中原點平移法是修正誤差模型，通過I/O 口將修正后的數控指令送至數控機床控制器，平移控制系統的參考原點進行熱誤差補償。反饋攔截積分法則是攔截位置傳感元件反饋信號，外部補償裝置疊加熱誤差補償量后再返回數控系統，校正當前機床的實際位置與指令位置偏差。兩種熱誤差補償技術均能實現熱誤差實時補償，但需要添加外部補償器。

2.3 智能控制技術

智能制造大環境下，數控技術也要與智能控制技術相結合。智能控制以大數據技術為基出，建立數控機床加工信息的“數字雙胞胎”模型，利用數據挖掘智能算法采集機床動態數據，并對數控機床的運行狀態進行實時監控，不斷優化數控加工的流程與工藝參數。有了智能化控制技術的支持，數控機床可以實現自學習、自控制、自維護。目前常用的智能控制技術包括采集制造工藝實時數據、加工流程及工藝參數的優化、機床狀態的實時監測與診斷等。

在相同加工條件下，零件加工質量與效率由其工藝流程及工藝參數所定，但數控機床的制造工藝數據體現出復雜異構、多維海量的特點，因此需要利用互聯網技術建立制造工藝數據收集機制與甄別平臺，實現工藝數據的實時采集、管理、控制等，以進一步優化工藝流程及參數。除此之外，還可以利用智能算法分析采集到的實時數據，從中挖掘出有效信息，不斷采集、優化實時數據，以機器學習方式總結經驗，即可實現加工流程與工藝參數的優化，且對下次加工也具有指導作用。

此外，數控機床運行的實時監測與診斷也是智能控制技術的重要內容，同樣是通過數據挖掘、機器學習等技術評估、診斷機床的狀態信息，并在必要時發送控制指令。當然，目前機床狀態的實時監與診斷技術還存在監測系統界面可視化問題、診斷系統診斷規則問題、控制策略的靈活性問題、故障信號處理及學習機制問題等，因此后續要進一步深入研究。

3 數控技術在智能制造中的應用及發展趨勢

隨著數控技術與智能制造技術的發展，可以預見，數控技術在智能制造中的應用將向著高速化與高精度化、高柔性與高可靠性、智能化與網絡化的方向發展。

（1）高速化與高精度化發展。高速運算、快速插補、超高速通信、高速主軸等技術可以實現數控機床計算機系統的高度指令處理，快速計算出伺服系統的移動量；高精度化發展則主要是指提高產品生產質量。

（2）高柔性與高可靠性。數控機床能夠更好地適應不同的加工對象，由單機柔性化向單元柔性化、系統柔性化發展。例如，可以拓展數控機床功能，增加自動化裝置，與工業機器人等組成新的加工中心、柔性制造系統。抗干擾技術還可以提高系統的可靠性，保護系統能夠在高負荷狀態下長時間連續工作等。

（3）智能化與網絡化發展。數控機床引入的自適應控制系統、故障診斷專家系統、智能伺服驅動裝置等技術的應用將會不斷提高數探機床的智能化與網絡化程度。

4 結語

在智能制造中數控技術的應用提高了其加工精度、加工效率，提高了生產管理水平，因此研究數控技術在智能制造中的應用具有重要的現實意義。