智能機床

馬春年 肖 博 于光旭

(北京工研精機股份有限公司，北京 101312)

1 智能機床的提出

中國制造2025擬打造五大工程，其中之一是智能制造。智能制造是基于信息系統、物理系統高度互聯下的制造，其能源管理、供應鏈管理、生產管理及生產設備全部智能化，這就是所謂的智能工廠。用于裝備智能工廠的機床必須是智能機床，我們稱之了幾十年的數控機床將被智能機床所取代。

2 智能機床的概念

智能機床至今尚未有一個權威的解釋，大致可理解為：機床具備感知、推理、決策及學習的能力。隨著電子信息技術的不斷發展與成熟，智能化會有不同的內涵，人們對機床智能化的要求會越來越高，從這個意義上講，智能機床只有更智能，沒有最智能。

機床具有感知能力：就要求機床將裝備更多的傳感器，比如：溫度傳感器、振動傳感器、扭矩傳感器、聲控傳感器等，為智能機床推理、決策提供已知條件或感知條件的變化。

機床具有推理、決策能力：就要求機床能夠根據現有條件得出正確的結果或根據現有條件的變化采取應對措施，以保證結果的正確性。可見智能機床應具有更高的運算速度、具備處理大數據的能力，確保根據感知條件的變化實時決策對現有數據的修正。

機床具有自我學習能力：智能機床會對自己加工過的工件相關數據做記錄與分析，在此基礎上對正在加工的同品種工件做出修正措施，以保證加工結果更精準。即機床能根據上一個工件加工結果檢測數據，決策出對下一個同品種工件加工程序的修正，這種修正有利于工件精度的提高。

3 智能機床對相關產品的新要求

智能機床除了在機床結構設計上要有利于智能化之外，其更多的智能功能要通過反饋元件、控制系統、刀具的智能化得以實現。

反饋元件：數控機床對反饋元件的需求只局限于對角度值、位置值的高精度檢測與可靠性傳輸，而智能機床除此之外，還需要它能承載其他信息，如：溫度信息、振動信息等。

這樣機床上無需另加溫度傳感器，控制系統通過該溫度信息感知機床發熱狀況，從而進行熱位移補償。

這樣機床上無需另加振動傳感器，控制系統通過該振動信息感知機床振動狀況，從而對振動采取抑制措施。

當然在機床相關部件上預埋傳感器，也可以獲取相關信息，這樣會增加走線的復雜性。

刀具附件： 智能機床對刀具的管理更全面，包括：壽命管理(刀具磨損)、破損管理、刀具信息自動獲取及刷新。

刀具壽命管理、刀具破損檢測是由控制系統實現的，刀具信息管理則要求刀具自帶芯片，控制系統可自動獲取其刀具信息，其中最主要的是刀具補償有關信息。

控制系統：智能機床要求系統提供更多的智能功能，比如：

熱補償功能：根據溫度傳感器提供的溫度信息系統可自動實現熱補償。

振動抑制功能：根據振動傳感器提供的振動信息系統可自動實現振動抑制。

防碰撞功能：根據工件圖紙系統可自動生成加工干涉區，結合刀具補償信息實現防碰撞。

進給速率自適應控制：根據主軸負載變化調整進給倍率。

刀具信息化處理：自動讀取刀具。

芯片信息，刷新刀補數據。

具有刀具壽命管理及刀具破損檢測。

具有豐富的自診斷功能，不僅能提供故障內容，還能提供故障點位置。

運算速度更快，具有處理大數據能力。

4 智能機床的現狀

世界各大機床廠家都在機床智能化方面邁出了步伐，初步統計機床已在以下幾個方面實現了智能化：

機床防碰撞功能：系統由工件加工圖自動生成工件三維圖，從而自動生成干涉區域，結合刀具補償數據，實現加工過程中的自動防碰撞。

加工表面質量/速度/精度優先：機床會根據優先級別，自動調整加工程序及系統參數，以實現優先目的。

切削自適應：根據主軸負載變化，自動調節進給速度，以保護刀具、減小振顫。

溫度補償功能：機床根據環境溫度的變化，自動補償機床熱變形。

振動抑制功能：機床根據振動信息的變化，自動采取抑振措施。

刀具信息自動識別：機床自動獲取刀具芯片信息、修正刀補數據。

刀具破損檢測：機床對刀具破損自動檢測。

北京機床研究所也在機床智能方面做了大量工作，主要有：

主軸熱誤差補償技術(一維熱補償)；

X、Y平面內熱誤差補償(二維熱補償)；

三維空間誤差實時補償(綜合誤差，包括：熱、幾何)；

五軸擺臺、擺頭空間干涉區處理。

5 智能機床展望

高精度趨勢：

未來的制造業，對機床的精度要求越來越高。提高機床精度，除絕對提高機床零件精度及機床裝配精度之外，通過控制技術的集成以提高機床精度的作法越來越受青睞。如：熱補償技術、空間誤差補償技術、振顫自抑技術、參數(機床參數、切削參數)自適應調整技術等，均可有效地提高機床精度、提高工件加工精度。

高自動化趨勢：

未來的制造業，對機床的需求不僅僅要求其能加工出高精度的工件，還要求從毛坯到成品，整個過程無人干預，可見機床高度自動化、功能復合化是必然的趨勢。

高度自動化就要求機床必須集成以下相關功能或裝置：

自動門、自動夾具、多工位交換臺、自動裝卸料裝置、刀具破損檢測、工件在線檢測，同時還應具備多序復合加工。

信息化趨勢：物聯網徹底實現了機-機交互，人-機交互將成為歷史，數字化、信息化取代一切。

標準化趨勢：這里的標準化泛指機床接口標準化，在互聯互通的時代，大制造、大協同成為必然，標準化極為重要，包括通信協議、走線接口、追加附件接口等，否則將被網在局外，乃至淘汰。