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(tǒng)、物理系統(tǒng)高度互聯(lián)下的制造，其能源管理、供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理及生產(chǎn)設(shè)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(shù)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(quán)威的解釋，大致可理解為：機床具備感知、推理、決策及學(xué)習(xí)的能力。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，智能化會有不同的內(nèi)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(jù)現(xiàn)有條件得出正確的結(jié)果或根據(jù)現(xiàn)有條件的變化采取應(yīng)對措施，以保證結(jié)果的正確性?？梢娭悄軝C床應(yīng)具有更高的運算速度、具備處理大數(shù)據(jù)的能力，確保根據(jù)感知條件的變化實時決策對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的修正。

機床具有自我學(xué)習(xí)能力：智能機床會對自己加工過的工件相關(guān)數(shù)據(jù)做記錄與分析，在此基礎(chǔ)上對正在加工的同品種工件做出修正措施，以保證加工結(jié)果更精準(zhǔn)。即機床能根據(jù)上一個工件加工結(jié)果檢測數(shù)據(jù)，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(guān)產(chǎn)品的新要求

智能機床除了在機床結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)、刀具的智能化得以實現(xiàn)。

反饋元件：數(shù)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(tǒng)通過該溫度信息感知機床發(fā)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(tǒng)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(dāng)然在機床相關(guān)部件上預(yù)埋傳感器，也可以獲取相關(guān)信息，這樣會增加走線的復(fù)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(tǒng)實現(xiàn)的，刀具信息管理則要求刀具自帶芯片，控制系統(tǒng)可自動獲取其刀具信息，其中最主要的是刀具補償有關(guān)信息。

控制系統(tǒng)：智能機床要求系統(tǒng)提供更多的智能功能，比如：

熱補償功能：根據(jù)溫度傳感器提供的溫度信息系統(tǒng)可自動實現(xiàn)熱補償。

振動抑制功能：根據(jù)振動傳感器提供的振動信息系統(tǒng)可自動實現(xiàn)振動抑制。

防碰撞功能：根據(jù)工件圖紙系統(tǒng)可自動生成加工干涉區(qū)，結(jié)合刀具補償信息實現(xiàn)防碰撞。

進給速率自適應(yīng)控制：根據(jù)主軸負(fù)載變化調(diào)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(shù)據(jù)。

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(nèi)容，還能提供故障點位置。

運算速度更快，具有處理大數(shù)據(jù)能力。

4 智能機床的現(xiàn)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(tǒng)計機床已在以下幾個方面實現(xiàn)了智能化：

機床防碰撞功能：系統(tǒng)由工件加工圖自動生成工件三維圖，從而自動生成干涉區(qū)域，結(jié)合刀具補償數(shù)據(jù)，實現(xiàn)加工過程中的自動防碰撞。

加工表面質(zhì)量/速度/精度優(yōu)先：機床會根據(jù)優(yōu)先級別，自動調(diào)整加工程序及系統(tǒng)參數(shù)，以實現(xiàn)優(yōu)先目的。

切削自適應(yīng)：根據(jù)主軸負(fù)載變化，自動調(diào)節(jié)進給速度，以保護刀具、減小振顫。

溫度補償功能：機床根據(jù)環(huán)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(jù)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(shù)據(jù)。

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(shù)(一維熱補償)；

X、Y平面內(nèi)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(qū)處理。

5 智能機床展望

高精度趨勢：

未來的制造業(yè)，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(shù)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(shù)、空間誤差補償技術(shù)、振顫自抑技術(shù)、參數(shù)(機床參數(shù)、切削參數(shù))自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)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(yè)，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(yù)，可見機床高度自動化、功能復(fù)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(guān)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(yīng)具備多序復(fù)合加工。

信息化趨勢：物聯(lián)網(wǎng)徹底實現(xiàn)了機-機交互，人-機交互將成為歷史，數(shù)字化、信息化取代一切。

標(biāo)準(zhǔn)化趨勢：這里的標(biāo)準(zhǔn)化泛指機床接口標(biāo)準(zhǔn)化，在互聯(lián)互通的時代，大制造、大協(xié)同成為必然，標(biāo)準(zhǔn)化極為重要，包括通信協(xié)議、走線接口、追加附件接口等，否則將被網(wǎng)在局外，乃至淘汰。