浅谈数控技术在智能制造中的应用

陈 豪

（江苏省丹阳中等专业学校，江苏镇江 212300）

0 引言

智能制造是智能制造技术与智能制造系统的统称，是一种人机一体化制造系统，其包含智能机械与专业人员，以一种高度柔性与集成的方式将智能技术融入在制造的各个环节。这种制造模式具有极强的自律能力，系统能够收集、理解自身与环境信息，并能够对自身的行为做出分析、判断及规划，实现了人机一体化的高度统一。

1 智能制造与数控技术的融合

数控技术是利用数字化信息控制机床运动及加工过程，数控技术是数控机床的核心，也是机床自动化加工的基础。智能制造领域应用数控技术，可进一步提高产品的加工精度和加工效率。智能制造与数控技术的融合主要体现在以下4 个方面：

（1）通信技术的融合。在制造设备中融入微处理器技术及计算机技术，系统可获得所需的测量值；数控与智能制造技术的集成促进了机电集成技术的发展，提高了工业生产的稳定性及制造设备的可靠性能。

（2）集成的融合。链路控制可通过数控机床实现多轴链路，并有效控制材料的加工处理过程。不同型号机床的操作状态、性能存在较大差异，在智能制造领域应用数字控制技术，可以提高联合控制的速度与精度，比如多对等工具耦合控制可实现不同工作站产品加工的同步处理，有效解决传统机床加工精度不高、加工效率低的问题。通过多轴补偿实现高速高精链路控制信息的实时传输，保证每个处理链的正常运行。

（3）误差补差技术融合。补偿误差可以提高机床设备的加工精度，目前多源误差补偿技术包括几何误差补偿、热误差补偿、主动振动抑制、力误差补偿等。其中力误差补偿可以提高机床的切削能力，减少产品的变形误差；热误差补差则可以减少误差测量时间，提高误差预测的准确性；抑制振动顾名思义就是减少加工过程中材料的内部振动作用，提高加工控制性能等。

（4）数据融合。数控技术在智能制造中的应用便于人们收集更多的信息建立更准确的数据模型，根据对应的数据模型可以实现设备信息的监测与处理，全面分析数控机床的加工过程，通过诊断、统计、优化等智能分析方法监测产品的生产状态。

2 智能制造中数控技术的应用

2.1 高速高精联动控制技术

与普通机床相比，数控机床能够实现多轴联动控制，高速多轴联动工况下各伺服轴频繁加减速，各轴运动性能、运动状态也存在固有差异。多轴联动工况下机床的控制精确度的难度增加，导致实际轮廓轨迹偏离理想轨迹，因此数控机床的重点技术就是高速高精联动控制，其主要涉及到以下2 个方面：

（1）信息实时交互式现场总线技术。利用该技术可实现数控设备与数控系统之间高效、可靠、同步的通信，可以更好地满足传统脉冲式或模拟式接口无法满足的控制要求，且后续现场总线技术与以太网或因特网结合应用，将大幅提高传输速率，扩大带宽，通信协议也更加开放。

（2）多轴联动同步控制技术。多轴联动同步误差会对最终运动轮廓误差产生直接影响，因此需要保证伺服控制精度。数控机床采用多伺服轴高速高精同步控制，因此控制策略及控制算法一直都是技术重点及难点。为实现联动实时同步性能及精度控制的稳定性，数控机床采用网络同步控制方案，通过分散式多轴同步控制方法构建实时以太网通信专家平台，关键节点的运动采用智能网络控制，保证了位置同步性能的稳定性。控制算法应用最为广泛的是PID 反馈控制，其以智能算法为基础进行多轴高速高精同步控制，抗干扰能力、鲁棒性都较强。但智能算法也存在一定不足，即计算量大、运行时间长，因此后续需要进一步加强研究。

2.2 机床多源误差补偿技术

数控机床工作过程中，各零部件的原始制造精度、磨损、安装等可能导致数控机床多轴联动加工精度存在误差，除此之外，相对运动部件之间的运动作用、运动轴的伺服控制、切削力致变形等因素均会导致数控机床工作存在误差，因此需要采用机床多源误差补偿技术提高数控机床的加工精度。所谓机床多源误差补偿技术是指通过多种分析方法总结机床多源误差的特点、规律，建立对应的数学模型，通过预设新误差量减少加工过程的误差，具有成本低、操作可控等显著优势。目前常用的误差补差技术包括几何误差补偿和热误差补偿。

（1）几何误差补偿。几何误差补偿主要包括两种方法，一种是误差模型解耦分离补偿法，即根据几何误差模型将空间误差解耦分离到各运动轴，获得对应补偿量后再通过运动后叠加补偿，也可以在运动前直接修改数控代码，该方法虽然精度高，但是效率较低。另外一种是轮廓精度反馈控制补偿法，该方法具有实时补偿的优势，但控制参数整定比较困难，系统的抗扰动能力也相对较差。正是由于几何误差补偿方法还存在不足，因此目前只应用于完全离线或在加工间隙补偿，动态、实时的几何误差在线补偿技术还有待深入研究。

（2）热误差补偿技术。热误差主要是由于表征机床温度变化导致的零部件相对位置及形状发生变化，与几何误差相比，热误差具有时滞时变、多向耦合、非线性的特点，数控机床总误差源的40%～70%来源于热误差。实际误差补偿过程中需要建立准确的热误差模型，常用的热误差建模方法包括原理性建模、基于可靠的热误差模型等。原理性建模方法发展比较缓慢，因为难以确定数值分析边界条件，且热传导精确仿真也比较困难。热误差实证建模以人工智能技术为基础，因此发展更加迅速，提高了机床热误差的预测精度。热误差补偿技术包括原点平移法及反馈拦截积分法等，其中原点平移法是修正误差模型，通过I/O 口将修正后的数控指令送至数控机床控制器，平移控制系统的参考原点进行热误差补偿。反馈拦截积分法则是拦截位置传感元件反馈信号，外部补偿装置叠加热误差补偿量后再返回数控系统，校正当前机床的实际位置与指令位置偏差。两种热误差补偿技术均能实现热误差实时补偿，但需要添加外部补偿器。

2.3 智能控制技术

智能制造大环境下，数控技术也要与智能控制技术相结合。智能控制以大数据技术为基出，建立数控机床加工信息的“数字双胞胎”模型，利用数据挖掘智能算法采集机床动态数据，并对数控机床的运行状态进行实时监控，不断优化数控加工的流程与工艺参数。有了智能化控制技术的支持，数控机床可以实现自学习、自控制、自维护。目前常用的智能控制技术包括采集制造工艺实时数据、加工流程及工艺参数的优化、机床状态的实时监测与诊断等。

在相同加工条件下，零件加工质量与效率由其工艺流程及工艺参数所定，但数控机床的制造工艺数据体现出复杂异构、多维海量的特点，因此需要利用互联网技术建立制造工艺数据收集机制与甄别平台，实现工艺数据的实时采集、管理、控制等，以进一步优化工艺流程及参数。除此之外，还可以利用智能算法分析采集到的实时数据，从中挖掘出有效信息，不断采集、优化实时数据，以机器学习方式总结经验，即可实现加工流程与工艺参数的优化，且对下次加工也具有指导作用。

此外，数控机床运行的实时监测与诊断也是智能控制技术的重要内容，同样是通过数据挖掘、机器学习等技术评估、诊断机床的状态信息，并在必要时发送控制指令。当然，目前机床状态的实时监与诊断技术还存在监测系统界面可视化问题、诊断系统诊断规则问题、控制策略的灵活性问题、故障信号处理及学习机制问题等，因此后续要进一步深入研究。

3 数控技术在智能制造中的应用及发展趋势

随着数控技术与智能制造技术的发展，可以预见，数控技术在智能制造中的应用将向着高速化与高精度化、高柔性与高可靠性、智能化与网络化的方向发展。

（1）高速化与高精度化发展。高速运算、快速插补、超高速通信、高速主轴等技术可以实现数控机床计算机系统的高度指令处理，快速计算出伺服系统的移动量；高精度化发展则主要是指提高产品生产质量。

（2）高柔性与高可靠性。数控机床能够更好地适应不同的加工对象，由单机柔性化向单元柔性化、系统柔性化发展。例如，可以拓展数控机床功能，增加自动化装置，与工业机器人等组成新的加工中心、柔性制造系统。抗干扰技术还可以提高系统的可靠性，保护系统能够在高负荷状态下长时间连续工作等。

（3）智能化与网络化发展。数控机床引入的自适应控制系统、故障诊断专家系统、智能伺服驱动装置等技术的应用将会不断提高数探机床的智能化与网络化程度。

4 结语

在智能制造中数控技术的应用提高了其加工精度、加工效率，提高了生产管理水平，因此研究数控技术在智能制造中的应用具有重要的现实意义。