智能化数控机床的关键技术研究

顾 巍 邢焕武

（1.沈机(上海)智能系统研发设计有限公司，辽宁 沈阳 110142；2.江门云科智能装备有限公司，广东 江门 529000）

数控机床可以解决复杂、精密、小批量、多品种的零件加工，是一种典型的机电一体化产品，数控机床是实现制造技术和装备现代化、保证高技术产业发展和国防军工现代化的关键战略装备。智能化数控机床是可以使制造过程“透明化”的数控机床，可以“感知”主轴运转、刀具切削、导轨磨损，这些功能可以让机床使用者更好使用机床，并且可以大幅提高效率以降低成本。

一、智能机床的特征

智能机床通过安装的各类传感器可以监控，诊断和修正机床在生产过程中出现的各类偏差，同时通过历史大数据的沉淀形成未来生产过程最优化的解决方案。同时还可以对加工过程中的切削刀具寿命，主轴运转情况，以及轴承和导轨的磨损情况进行记录和预警，可以说智能机床与普通数控机床主要的区别点在于智能机床除了具有数控加工功能外，还具有感知、推理、决策、学习等智能功能[1]。

二、智能机床的几个关键技术

今后装备制造业实现全面的生产自动化生产离不开智能机床，各国主要的机床制造企业已经在智能机床生产领域取得了很多成果。而在智能机床的研制与发展过程中，加工过程的智能监控以及远距离故障诊断一直是人们关注的重点，主要涉及振动、防干涉、温度、刀具等方面的监控与相应的补偿方法[2]。

（一）热误差补偿功能

1.热变形误差机理

在机床运行中，环境温度上升以及电机等发热，会使热量传导到机械部件上，可能会导致机械精度发生变化，进而对工件加工精度的高低产生影响。所以，一般来说对高精度机床的使用环节，都要求在恒温车间。普通环境下由于温度的变化，会使数控机床进给系统、主轴系统等产生热变形，这种情况下就需要通过热误差补偿来提高机床的定位精度和重复定位精度。为了消除由于温度变化或是自身摩擦造成的温升影响，一般来说热误差补偿器要有温度变化数据测量、热误差建模、误差补偿等功能。

2.热误差误差补偿的实现方法

首先通常在数控机床靠近丝杠处安装温度传感器，通过温度传感器对进给系统关键部件丝杠的温度进行测量，热误差补偿器中的热误差补偿模型实时计算各坐标轴所修的位移补偿值，然后送到数控系统中完成实时热误差的补偿。

（二）智能化防干涉系统

1.防干涉系统功能

高精度机床如果出现碰撞的情况，会对机床精度及性能造成非常不利的影响，防干涉系统的实现方式是当数控机床在运行数控程序之前，通过自检的方式来判断刀具、工件、夹具以及机床结构单元之间的干涉情况，如果有碰撞的可能性，就会在碰撞之前通过自动停止机床运动来实现防碰撞。

防干涉系统带来的主要益处是可以减少加工准备时间及加工时间，使机床有效运转时间获得提升，并且消除潜在的由于碰撞而带来的停机维修时间，节约维修费用。

2.防干涉系统的实现技术

该技术通常的实现方式是通过三维动画仿真技术对数控机床的实际加工工作进行仿真运行，仿真的过程涉及刀具、工件、夹具等三维模型，除了初值建模的方式以外，还可以利用建模功能输入刀具、工件、夹具等的三维模型数据来实现加工过程仿真。

虚拟机床的仿真过程包括：数控系统将数控程序或手动操作指令转化成机械控制信号；然后将机床坐标轴移动信号先与预设的三维动画仿真模块相关联，通过这个流程就可以实现对潜在碰撞风险的预防，也就是说如果通过三维动画仿真发现出现了干涉，那么在实际干涉发生之前就可以减速停止机床的动作，避免碰撞；当判断出不会出现干涉时，机床将保持原有指令完成加工动作。

（三）智能刀具监控技术

1.刀具磨损状态分析

刀具磨损主要包括三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段，如图1所示。

图1 刀具磨损曲线

当刀具的正常磨损达到图中极限的D点后，随着切削力和切削温度的不断升高，刀具的磨损量会出现不断加大的情况，刀具磨损率也将急剧上升进入剧烈磨损阶段。这时刀具的切削性能将出现大幅的降低，容易出现报废工件，同时由于切削力的增大，也会出现机床振动加剧的情况，降低机床性能甚至引发安全事故。因此进入急剧磨损阶段的临界点必须及时检出，及时更换刀具[3]。

2.刀具状态监测过程

刀具磨损量的监测过程简单来说就是一个刀具磨损模式的识别过程，被监测刀具、传感器硬件、数据采集与处理模块、特征提取与分析模块、诊断决策基本模块这些构成了刀具监测系统的主体，如图2所示。

图2 刀具磨损在线检测原理框架图

刀具状态监测系统的工作流程主要如下：

第一，刀具状态监测系统是通过对刀具的切削过程进行状态监测，因此要确定监控对象，包括刀具、毛坯等，并将传感器装在机床主要监测位置。

第二，传感器检测过程，传感器的作用是采集刀具切削过程中发出的加速度、分贝、功率、电流等各种信号。

第三，数据采集与处理，在这一环节监测系统会将上一步传感器检测到的各类信号进行采集与分析，这之前要包括进行数模转换、滤波、降噪等数据预处理过程，然后在时域、频域、幅域等对采集的数据进行分析。

第四，通过专家数据库，建立各类信号特征和刀具磨损程度之间的数学模型，通过这个数学模型来实现对刀具状态和磨损量的判断，并预测刀具使用寿命。

三、机床组件智能化

（一）智能化数控系统

智能化数控系统的工艺规划和编程要考虑到机床结构、具体工件的形状特征及尺寸、工艺系统的物理特性和工作环境等因素，通过优化机床加工参数和各轴的运动轨迹，保证加工的质量和效率，而现有编程系统主要是面向零件几何的编程，没有综合考虑机床、工装和零件材料的特性，无法适应加工条件、应力分布、温度变化的不确定性。同时实现智能工艺规划和智能编程还需要逐步积累专家经验与知识，建立相应的数据库和知识库。

研发的智能化数控系统具备的功能如下：

1.图形引导式编程

图形引导编程是传统编程方式外的一种全新的编程，基于工序的概念，图形引导式编程可以将毛坯到成品的加工过程分解为一系列连续的工序步骤，然后对每一工序使用一条工序语言进行表示，工序语言可以直观地显示出当前工序的工艺参数，这样操作，人员可以方便地对使用的刀具、进给速度、进给量、主轴转速等进行编辑，提高了编程效率并降低了编程难度。

2.三维加工模拟

数控系统自身集成了三维图形模拟软件，模拟软件可以对加工过程进行在线的实时仿真，有多种工件形状可供选择，并且工件尺寸完全实现了参数化。可以自由选择常见的刀具及工装夹具，加工模拟过程中可以主动进行刀具和工件之间的干涉检查。该功能能够对螺纹、切槽、钻孔等复杂工艺特征的切削效果进行直观观察。如图3所示。

3.图形化诊断工具

图形化诊断工具的主要功能是用于监控机床电气部件的工作状态是否正常，这一功能为机床用户快速诊断机床电气故障提供了有力的帮助，把不同部件的I/O状态通过图形的方式直观展现出来，用户能够容易地诊断相应的电气故障，图4为数控车床顶尖的图形化诊断工具。

图4 图形化诊断

（二）智能化主轴组

智能化主轴应该具有的特征为：可以对自身运行状况进行自动检测和优化，并且具备对工艺参数、运行状态的自学能力。

智能化主轴组包含的相关技术如下：

1.主轴温度在线监测、热误差补偿及冷却系统智能化控制；

2.主轴回转精度在线检测技术；

3.主轴振动在线检测、滤波分析及主动平衡控制策略。

四、结语

智能化数控机床有着非常广阔的发展前景，它代表着效率、自动化、智能化、网络化、集成化的进一步提升与发展。未来数控机床越趋于智能化，高精度零部件的制造过程就会越简单，这也是制造行业发展的新趋势，我国机床行业在智能化机床的研发及产业化环节还有很大的进步空间。