智能机床的研究现状与发展趋势

基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK200606060)收稿日期:2009年1月

智能机床的研究现状与发展趋势

单以才1,2,李一民1,刘世豪2,章婷

3

1

南京信息职业技术学院;

2

南京航天航空大学; 3

南京工程学院

摘要:详细介绍了智能机床的发展意义和过程,智能机床的研究应用为装备制造业的全面自动化创造了条件。以一种智能机床为例,对其功能系统和特点进行了研究,展示了智能机床的一般工作原理。总结了当前智能机床的最新研究成果,并预测了今后智能机床的发展趋势。

关键词:智能机床;控制系统;网络化;集成化中图分类号:TG50 文献标志码:A

Research Present Status and Development Tendency of Intelligent Machine Tool

Shan Yicai,Li Yiming,Liu Shihao,Zhang Ting

Abstract:The significance and the process of develop ment of in telligent machi ne tool was introduced in detail.The research and application of intelligent machine tool has created condi tion for the full automation of the equipment manufacturing industry.Taking one kind of intelligent machine tool as an example,its functional system and characteris tics had been studied,and the gen -eral work principle of intelligent machine tool had been demonstrated.The newest research resul ts of in telligent machine tool in cur -rent was summarized,and the develop ment trendency of intelligent machine tool was forecasted.

Keywords:intelligent machine tool;control system;network;integration

1 引言

智能机床是对加工制造过程能够做出决定的机床,智能机床了解制造的整个过程,能够监控、诊断和修正生产过程中出现的各类偏差,并且能为生产的最优化提供方案。此外,智能机床还能计算出所使用的切削刀具、主轴、轴承和导轨的剩余寿命,让用户了解其剩余使用时间和替换时间。智能机床的出现和广泛应用,将使机械加工全面走向高层次的智能制造。今后,数控机床的智能水平还将会不断提升。

2 智能机床的研究应用现状

从1952年第一台数控机床问世至今已50多年,其中包括数控技术走向成熟的30年和获得大规模应用的20余年,数控机床依次分别经历了纳米化、高速化、复合化、五轴联动化等技术发展阶段。而2006年智能机床在国际上的出现,标志着现代机床技术在发展的道路上又迈出了重大步伐。

2.1 智能机床发展的意义

机床技术发展的目标是能够实现装备制造业的全面自动化,由单机自动化向FMC 、CIM 、CI MS 发展,提高加工精度、效率,降低制造成本,为人类创造更多的财富。在装备制造业实现全面自动化过程中,

需要解决的技术问题异常复杂,包括工艺、刀具、物流、联网、信息存储、控制等等,不仅要解决代替体力劳动的问题,更要解决代替脑力劳动问题。即如何用智能化代替人的手工和脑力劳动,是制造自动化最关键的核心问题。智能机床的出现,为未来装备制造业实现全面生产自动化创造了条件。

(1)通过自动抑制振动、减少热变形、防止干涉、自动调节润滑油量、减少噪音等,可提高机床的加工精度和效率。

(2)对于进一步发展集成制造系统来说,单个机床自动化水平提高后,可以大大减少人在管理机床方面的工作量。人能有更多的精力和时间来解决机床以外的复杂问题,更能进一步发展智能机床和智能系统。

(3)数控系统的开发创新,对于机床智能化起到了极其重大的推动作用。它能够收容大量信息,对各种信息进行储存、分析、处理、判断、调节、优化、控制。它还具有多种重要功能,包括工夹具数据库、对话型编程、刀具路径检验、工序加工时间分析、开工时间状况解析、实际加工负荷监视、加工导航、调节、优化,以及适应控制等。

2.2 智能机床的发展过程

早在上世纪80年代,美国就曾提出研究发展/适应控制0机床,但由于许多自动化环节如自动检测、自动调节、自动补偿等没有解决,虽进行了各种试验,但研究进展较慢。后来在电加工机床(E DM)

方面,首先实现了/适应控制0,通过对放电间隙、加工工艺参数进行自动选择和调节,提高了机床加工精度、效率和自动化。随后,由美国政府出资创建的机构)))智能机床启动平台(SMPI,是一个由公司、政府部门和机床厂商组成的联合体)对智能机床进行了加速研究。

2006年9月在I MTS 展会上展出的日本MAZ AK 公司研发制造的智能机床,则向未来理想的/适应控制0机床方面大大前进了一步。这种MAZAK 智能机床具有六大特色:

(1)具有自动抑制振动的功能;

(2)能自动测量和自动补偿,减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响;

(3)具有自动防止刀具和工件碰撞的功能;(4)具有自动补充润滑油和抑制噪音的功能。(5)数控系统具有特殊的人机对话功能,在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等,进一步提高了切削效率;

(6)能进行机床故障远距离诊断。 3 智能机床实例研究

近年来,国内开始充分利用计算机的软件资源来提高数控机床的性能。先后借助于MS-DOS 和Windows 操作系统平台来开发基于个人计算机(PC)的新一代数控系统。一般系统采用当前先进的PC +DSP 开放式体系结构,选用高速DSP 作为C PU 来完成实时性的内核任务,实现电机实时控制以及在线检测,而由PC 机来完成非实时性的任务,诸如编程模块中的图形信息提取,通过串行通讯实现上、下位机信息的交互,使数控机床向智能化方向发展。本文以图1所示基于该原理的具备智能功能的数控

机床为例进行研究。

图1 数控机床

3.1 控制系统总体体系结构

该数控机床采用当前先进的PC +DSP 运动控

制卡开放式体系结构,上位机系统负责完成图形信

息提取、刀具路径智能规划、工艺参数数据库优化数

控代码自动生成、加工仿真等大运算量、非实时性功能任务,下位机系统负责进行在线测量、电机控制、直线、圆弧插补运算等实时性强的任务,并通过串行

通讯实现上、下位机信息的交互。这种结构充分利用了上位机丰富的资源和强大的运算能力和下位机实时性强的特点,整套系统功能配置合理,性价比高。系统功能结构如图2所示。

图2 系统功能结构图

3.2 系统工作流程

详细的系统工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程示意图

3.3 测量系统

通过引入测量系统,提高了数控机床的精度、生