智能机床：现状与展望

智能机床:现状与展望上海市科技功臣全国优秀科技工作者中国机械工程学会荣誉理事同济大学张曙第二届智能制造与高端数控机床创新研修班2017年3月2-3日上海概述智能主轴智能机床结构智能数控系统智能机床案例结束语概述智能机床的现状与展望什么是智能机床？传统的数控机床是按照G指令和M指令驱动机床部件，实现刀具与工件的相对运动，对机床的实际工作状态并无感知和反馈。机床工作时在切削力、惯性力、摩擦力以及内部和环境热载荷的作用下，产生变形和振动，导致刀具的实际路径偏离理论路径，降低加工精度、表面质量和生产效率。借助温度、加速度和位移等传感器监测机床工作状态和环境的变化，实时进行调节和控制，优化切削参数，抑制或消除振动，补偿热变形，充分发挥机床的潜力，是基于模型的闭环制造系统。智能机床的另一特征是网络通信，它是工厂网络的一个节点，可实机床之间和车间管理系统的相互通信，提高生产系统效率和效益。智能机床概述工件加工完毕后的测量数据智能机床是闭环加工系统智能机床概述工序间的测量数据机床的误差模型误差补偿机床性能测定机床性能数据机床加工过程加工过程中的传感数据温升、振动机床的心脏:主轴智能化智能机床的现状与展望智能主轴的特征和关键技术智能主轴自学习刀具状态主轴健康主轴平衡颤振4个特征：•自主性•自学习•兼容性•开放性3项技术：•感知•决策•控制涉及主轴各方面：•温度/热误差•主轴平衡•主轴健康•刀具状态•颤振•干涉•…兼容性开放性自主性感知决策控制温度/热误差干涉…机床的心脏：智能主轴①传感器温度电流位移转速振动力转矩四步曲：感知→决策→控制→执行干涉热误差不平衡②分析和决策颤振刀具磨损/破损损坏/失效③控制热误差补偿主动平衡控制基于状态维护刀具变形补偿颤振 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 /控制干涉碰撞防止嵌入主轴的执行器④执行机床数控系统机床操作者机床的心脏：智能主轴第一类功能与主轴结构有关：①温度/热误差的监控和控制②主轴平衡的监控和控制③主轴健康的监控和控制对智能主轴功能的期望和目标与加工过程有关：①颤振的监控和控制②刀具状态的监控和控制③主轴干涉的监控和控制第二类功能目标颤振的辨识、抑制和控制刀具磨损和破损监测刀具变形补偿预防干涉和碰撞温度监控和热误差补偿不平衡度监控和主动平衡主轴元器件损坏和失效监控基于主轴状态的维护目标机床的心脏：智能主轴智能主轴的基本构成要素传感技术分析决策控制技术系统集成•传感器选择•位置优化•多个协同•…•信号处理•特征提取•智能检测•…•振动控制•误差补偿•预测维护•…特征提取颤振监测决策②加速度计①电涡流传感器振动信号感知信号拾取热电偶温度速度编码器电机定子刀具中心点前轴承颤振频率振动反馈信号控制功率放大器控制器压电执行器机床的心脏：智能主轴智能主轴电感轴向位移传感器热电偶温度监控主轴诊断模块加速度计振动测量拉杆位置传感系统前轴承液压预紧载荷系统机床的心脏：智能主轴误差控制：AMS轴向位移传感器TMS温度监控系统SDM主轴诊断模块性能优化：V3D三维振动测量SDS主轴诊断软件振动大到强：3~10g优化控制后：3g以下振动等级对主轴寿命的影响：<3g:寿命~800h优化区>7g:寿命~2:32h报警区主轴的振动监控及其寿命预测加速度传感器振动时间/s时间/s优化线振动优化线两者寿命相差334倍!机床的心脏：智能主轴主轴传感器系统德国Prometec公司的主轴传感系统和分析(SpindleSensorSystemandAnalysis—3SA)环由固定的外环和旋转的内环组成，固定外环上分布有传感器，与旋转内环相互作用进行工作状态监控。3SA环可记录主轴的载荷状态、监控轴承/主轴的损伤和不平衡度，将信号发送给机床数控系统，补偿主轴的位置误差。3SA环提高了主轴的可用性和性能、以及知识的积累，实现基于主轴工作状态的维护，同时进行刀具和加工过程的监控。3SA环记录主轴工况的变化的所有数据，如连接计算机或数控系统人机界面可随时显示，并对最近90次变化进行趋势分析。机床的心脏：智能主轴3SA环的结构和外环上的传感器外环上9个传感器采集5类参数：内环外环机床的心脏：智能化主轴4个分辨率2μm的电感位移传感器SD，测量主轴在X、Y、Z3个方向的位移(Z方向2个)。3个轴承加速度传感器BA，1个径向、10kHz、ICP信号输出，另外1个径向和1个轴向(1kHz)。主轴转速传感器n，每转1脉冲。1个温度传感器T。2个计时器，分别记录主轴接通电源和运转的时间。智能机床结构智能机床的现状与展望的力控制智能导轨智能机床结构摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力切削力卧式5轴加工中心作用在机床结构上的力载荷主要是切削力和摩擦力两大类智能导轨是一种控制导轨表面摩擦力与切削力保持平衡而消除振动的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 智能导轨摩擦力控制的原理气垫导轨导轨移动部件摩擦力工作载荷导轨移动部件摩擦力增大工作载荷增大传统导轨导轨移动部件摩擦力工作载荷导轨移动部件工作载荷增大智能导轨摩擦力上浮力机床导轨机床移动部件气垫腔摩擦力切削力伺服阀受控气压切削力压缩空气气测微计智能机床结构上浮力智能导轨的摩擦力控制效果时间/secFxFyFz力载荷/kN摩擦力控制未接通(Fy波动~11kN，Fx波动~6kN))时间/sec力载荷/kN摩擦力控制接通后(Fy波动降低到~3kN)(Fx波动降低到~1kN)智能机床结构机床结构的主动阻尼机床结构在受到变化的切削力等激励后，会引起振动，增加阻尼可减小受激振动的振幅，并使其很快衰减，例如：不同材料的机床结构阻尼系数差别很大，树脂混凝土最大、铸铁次之、钢最小。机床结构阻尼器有两种：调谐阻尼器（TurnedDampingDevice)是在主体结构上附加一定质量比的振动系统，用相位差来抵消振动，同时吸收能量并转化成热能耗散，兼具动力吸振和阻尼性能改善。主动阻尼器（ActiveDampingDevice--ADD）是借助传感器感知机床结构的振动，经放大后转换成电信号，通过动圈式作动器改变机床主体结构的阻尼性能，抑制其振动。主动阻尼器具有频率响应范围宽、惯性质量小、安装方便等优点。智能机床结构智能机床结构主动阻尼控制器峰值力45N动块质量2.25kg弹簧刚度630N/m弹簧阻尼ξ=0.15运动行程±3mm响应频率8.4Hz总质量4kgADD床身（地基）机床结构ADD激振力(切削力）mpfacp机床结构控制器电流放大器控制装置传感器kp信号放大器ADD动圈作动器（电流力）工作范围20~20kHz智能机床结构主动阻尼控制的效果滑枕前端安装阻尼器后XMTYMT平面中的最大切削深度量改进后2~4mm接入ADD后切削深度3~7mm原设计~2mm柔度(μm/N)15202530354045频率/Hz原设计改进后接入ADD后XMT方向的频率响应曲线0.500.400.300.200.100ADD-1kNADD装入滑枕机床的大脑:数控系统智能化智能机床的现状与展望机床“大脑”将有什么样的智能？新一代的机床“大脑”应该具有以下功能：自主选择加工参数+优化刀具路径=智能编程，进一步从三维CAD模型提取特征语义，直接生成无G指令的数控程序。数控系统从运动控制器进化为车间管理系统的终端，成为工厂网络的基层节点，并可接入云平台。数控系统嵌入MTConnect适配器和代理应用程序，能够实现机床之间的通信，进行信息交互。数控系统连接到数字双胞胎服务器，与虚拟机床构成镜像，使产品设计、加工制造和测量检验连接成数字主线，实时看到如何相互影响，以便做出更好的决策，更高效、高质量地运行。智能数控系统智能编程之一：工艺向导SolidCam公司的iMachining汇集数百位经验丰富的CAM和CNC工程师所掌握的知识和经验。工艺向导自动计算：进给率主轴转速切削宽度切削深度iMachining可根据主轴的刚性、夹具的刚性和刀具的伸出长度来设置相关的参数。iMachining工艺向导根据机床、材料和刀具优化进给、主轴转速、切削深度和宽度。iMachining工艺向导从第一刀切削开始到加工完毕，都对毛坯、刀具材料和机床规格进行计算自动生成最佳的切削条件。借助“控制步距”技术，iMachining刀具路径保证切削条件严格遵循工艺向导。智能数控系统智能编程之二：刀具路径优化iMachining采用变体螺旋（Morphing）刀路而不是传统的次摆线（Trochoidal）刀路，减少退刀次数，尽量保证”刀具在切削中”。为了保证材料的最大去除率，iMachining会把刀路自动分成几个小的部分，以保证变体螺旋切削的最大效能。iMachining从最初进刀和最后退刀，动态的毛坯更新及追踪，确保刀路始终在切削材料，消除无用时间和运动。iMachining移动刀具从一个位置运动到下一个切深，仅在绝对需要抬刀的时候才退刀。智能数控系统无G指令的STEP-NC编程面向对象结构化的产品几何与制造信息模型，避免各环节间的数据格式转换。可明确地描述需要加工的特征、工艺和允差，如孔：钻#1=工件(Φ9,0.01…)。能够根据高层产品数据对加⼯工过程进行优化，提高生产效率与产品质量。具有通用性和可重用性，STEP-NC文件能不经修改地用于不同的数控机床。智能数控系统双向数据流#1=工件(Φ9,0.01…);#5=材料(TiCN,”TiCN”,0);#101=外表面提供高层信息完整的特征描述面向对象可通用和可重用信息双向传输，下游环节对产品数据的修改可直接保存,并反馈给上游环节。数控系统的作业 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 管理作业指示进展报告按照生产计划编制日程确认作业指示、输入实绩流畅日程管理POPPointOfProduction（生产信息管理）确认作业指示、报告执行情况智能数控系统机床运行状态的统计分析任意期间的实绩统计运行停机报警机床：INTEe-670H32016/09/07-13维修机床名：INTEe-670H32016/09/07-13期间每天实绩的比较09/0709/0809/1209/0909/1009/1109/13：INTEe-670H32016/09/07-13各时间段实绩比较机床：INTEe-670H32016/09/07-130:004:008:0012:0016:0020:0024:0009/0709/0809/1209/0909/1009/1109/13主轴负荷的分析机床：INTEe-670H32016/09/09日平均转速1300r/min,负荷12%0:004:008:0012:0016:0020:0024:0047003525225011750智能数控系统设备互联 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 协议智能数控系统http://machinename:5000/current代理适配器门户5000的互联服务客户端代理代理控制控制执行执行http:获得只读信息，从设计上保证安全性代理将系统的信息和数据文件，通过网络传送到与其兼容的应用领域中，实现机器与机器通信。Web请求/应答无版税开放源的通信协议：MTConnect智能数控系统i5CNC：终端→网络→云平台东北347智能设备数量累计服务机时订单成交数量云协同制造平台加工零件产生数据生产人员管理人员操作者车间信息系统M1系列开机率开机率开机率开机率开机率开机率M4系列M8系列T1系列T3系列T5系列机床网络i5机床机床结构CNC进给机床状态能效加工过程欧盟项目：机床双胞胎控制twincontrol机床特征数据：技术规格加工工艺…物理世界运行数据试验数据机床状态优化机床性能预测机床维修计划补偿和控制设计生产使用机床制造商加工状态记录部件健康记录机床用户云端的机床数据队列参考数据机床的生命周期模型更新虚拟世界智能数控系统Twincontrol实时模型VPN加工实况Firefox浏览器IE浏览器Chrome浏览器波音防火墙飞机零件加工“数字双胞胎”演示波音Renton工厂Okuma机床代理程序适配器数字双胞胎每秒更新数据100次智能数控系统客户端波音总部加工现场演示现场48公里客户端其他数字双胞胎服务器4800公里STEPTools、MTConnect和波音公司在“未来飞行博物馆”举办数字双胞胎演示。机床在波音Ronton工厂加工零件，将加工过程的数据发送给数字双胞胎服务器。在48公里外演示现场与会者可通过客户端观看加工实况直播和数字双胞胎演示。4800公里外的波音总部可对机床下达加工计划并于其他数字双胞胎服务器协调。客户端Webex数字双胞胎服务器的四项用途数字双胞胎服务器接收加工过程所有的数据，生成镜像，同时以100Hz频率刷新。通过AP238协议提供各种智能加工服务，如CAD/CAM、工艺参数选择等。通过AP242协议按公差要求进行在加工过程中间虚拟测量，并可在CMM最终检验。在智能电视、电脑、平板或手机上可通过HTML5文件进行系统优化。数字双胞胎智能数控系统加工制造智能加工服务(MCx,CAx)AP238 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 生成G指令智能测量服务(虚拟测量机)AP242测量检验系统优化HTML智能手机或平板电脑智能机床案例智能机床的现状与展望34的机床智能化技术充分发挥机床能力5种智能化技术：热亲和、防碰撞加工导航伺服导航5轴加工校准智能机床案例生产管理生产指示、作业指示机床状态数据的管理和可视化CAD/CAM动画仿真维护服务编程功能用户信息管理加工管理3D虚拟监视器部件图册ADMACOSPSuite智能数控系统缩短加工时间智能机床制造管控目标缩短加工时间提高运转率缩短准备时间35的机床智能化技术干涉碰撞防止加工导航五轴机床误差校正伺服导航热亲和概念智能机床案例结束语智能机床的现状与展望结束语机床智能化的第一个方面聚焦于机床部件本身，包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化，用以抑制振动和热变形补偿等。第二个方面是从加工设备进化到工厂网络的终端，生产数据能够自动采集，实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信，使生产透明化，机床融入企业的组织和管理，缔造智能化工厂。机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件，从而迈向共享经济新时代，创造更多的价值。将来，数字双胞胎将成为高端机床的不可分割的组成部分，虚实形影不离，对机床的运行状态实时监控，进行加工过程优化，预测性能变化，实现按需维修，“事先诸葛亮”伴随一生。结束语谢谢您的聆听！智能机床的现状与展望