智能化協(xié)同制造開(kāi)辟金屬切削機(jī)床新紀(jì)元
發(fā)布日期:2022-12-20
【機(jī)床商務(wù)網(wǎng) 市場(chǎng)分析】金屬切削機(jī)床的產(chǎn)量和水平在某種程度上代表了一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)能力和競(jìng)爭(zhēng)力。金屬切削機(jī)床的智能化，將使得多品種、小批量、定制式的智能化協(xié)同制造成為企業(yè)的主要生產(chǎn)制造模式，在我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的過(guò)程中起著重要的基礎(chǔ)支撐作用。 金屬切削機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代表了一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)制造業(yè)正在實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的歷史性跨越，由此引發(fā)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)必將中國(guó)機(jī)加工行業(yè)從低端向制造轉(zhuǎn)型。而當(dāng)前存在的機(jī)床生產(chǎn)效率偏低，人員成本持續(xù)升高以及機(jī)加工工藝水平有限等一系列問(wèn)題，正成為嚴(yán)重制約金屬切削行業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的瓶頸。智能金屬切削技術(shù)所具有的無(wú)人化加工、率制造和工藝整合能力有助于解決上述難題，平衡效率、成本和質(zhì)量三者之間的關(guān)系，為金屬切削機(jī)床的制造和應(yīng)用提供新的發(fā)展模式和發(fā)展方向�！ ≈悄芙饘偾邢骷夹g(shù)的定義 從20世紀(jì)50年代以來(lái)，機(jī)械制造技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入現(xiàn)代制造技術(shù)時(shí)代，并經(jīng)歷了4個(gè)主要發(fā)展階段，包括實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過(guò)程自動(dòng)化的直接數(shù)控（DNC）技術(shù)、實(shí)現(xiàn)在線過(guò)程調(diào)度與規(guī)劃的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP技術(shù)綜合及其與管理、經(jīng)營(yíng)集成的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和當(dāng)前正在成為研究熱點(diǎn)的智能制造系統(tǒng)（IMS）和智能制造技術(shù)（IMT）。IMS/IMT主要解決制造知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的形式化描述，研究不確定性和不完全信息下的制造約束問(wèn)題求解，通過(guò)智能化的手段來(lái)增強(qiáng)制造系統(tǒng)柔性與自治性。也就是說(shuō)，DNC和FMS主要用來(lái)替代人的體力勞動(dòng)，CIMS強(qiáng)調(diào)物流和信息流的集成，而IMS/IMT則更注重制造系統(tǒng)的自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力。 智能制造技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其本質(zhì)是將計(jì)算模型、仿真工具和科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于制造裝備、制造過(guò)程和制造系統(tǒng)的定量描述與分析，通過(guò)對(duì)制造全過(guò)程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象和信息演變過(guò)程進(jìn)行定量計(jì)算、模擬與控制，結(jié)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)，揭示制造活動(dòng)乃至產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中的科學(xué)規(guī)律，提高制造裝備的自律性和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程和產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)和有效控制，增強(qiáng)制造系統(tǒng)的可維護(hù)性和制造信息的可重用性，促使制造活動(dòng)由部分定量、經(jīng)驗(yàn)的試湊模式向全面數(shù)字化的計(jì)算和推理模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)的高性能制造。智能制造強(qiáng)調(diào)信息集成與知識(shí)融合、制造系統(tǒng)與制造過(guò)程之間協(xié)同、虛擬仿真和數(shù)字加工軟硬件技術(shù)并重，更多關(guān)注數(shù)字建模、數(shù)字加工等底層技術(shù)以及制造過(guò)程中物理因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響機(jī)理和高速、高精度數(shù)字加工裝備的實(shí)現(xiàn)�！ 〗饘偾邢鳈C(jī)床是智能化制造的主要組成單元，其本身也是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。當(dāng)前，在全球化競(jìng)爭(zhēng)的背景下，高、精、尖裝備的生產(chǎn)不斷向金屬切削機(jī)床的極限能效提出新的挑戰(zhàn)，亟需綜合運(yùn)用信息與計(jì)算技術(shù)、多學(xué)科聯(lián)合仿真方法和科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，通過(guò)對(duì)切削過(guò)程中的復(fù)雜物理行為的數(shù)字化建模、仿真和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的定量主動(dòng)控制。國(guó)外21世紀(jì)初就提出了“智能機(jī)床”的概念，旨在通過(guò)數(shù)字化制造技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用來(lái)取代人的部分腦力勞動(dòng)，通過(guò)自主監(jiān)控和決策來(lái)控制加工質(zhì)量。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家也通過(guò)制定研究計(jì)劃，如PMI、SMPI、NEXT計(jì)劃等，用于機(jī)床智能化的研究。因此，將智能制造技術(shù)應(yīng)用于金屬切削機(jī)床，在加工設(shè)備與加工過(guò)程之間建立協(xié)同關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造更高層次的智能化奠定基礎(chǔ)，是國(guó)家科技戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向之一。 金屬切削機(jī)床的智能化技術(shù) 目前，對(duì)智能機(jī)床尚無(wú)規(guī)范完整的定義。美國(guó)的SMPI計(jì)劃給出了智能機(jī)床的基本特征，主要包括：（1）知曉自身的加工能力和工作條件；（2）能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化自身的運(yùn)行狀態(tài)；（3）可以測(cè)量和判斷產(chǎn)品加工質(zhì)量；（4）具備自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力；（5）機(jī)器之間能夠無(wú)障礙地進(jìn)行交流。 與普通或的主要區(qū)別在于，智能化的金屬切削機(jī)床除了具有功能外，還具有感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等智能功能，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面�！ �1、工序集成與模塊化加工 工序集成化通常也稱為復(fù)合加工或完整加工，是指在一臺(tái)機(jī)床上能加工完一個(gè)零件的所有工序。例如，德國(guó)INDEX公司的車銑復(fù)合加工中心就能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等許多工序，完成復(fù)雜零件的全部加工。不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡(jiǎn)化，而且使透明度明顯提高，無(wú)需復(fù)雜的計(jì)劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化。工件越復(fù)雜，它相對(duì)傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢(shì)就越明顯�！ ≡谌缟纤f(shuō)的工序集成過(guò)程中，采用了不同的加工模塊進(jìn)行合理調(diào)配；在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，為滿足柔性化制造要求，不但需要即插即用的智能工作單元，同時(shí)也需要模塊化制造技術(shù)來(lái)統(tǒng)籌安排加工方案和加工過(guò)程。模塊化制造有2個(gè)關(guān)鍵的概念，一是標(biāo)準(zhǔn)化、特征化的可重構(gòu)智能加工單元；二是快速設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和使用單元組合方案的決策系統(tǒng)，尤其需要考慮避免工藝冗余和坐標(biāo)干涉的問(wèn)題。瑞典Modig公司的柔性制造系統(tǒng)（TransFlexSystem），采取倒置式龍門(mén)配置，可以很方便地以串聯(lián)或并聯(lián)的方式，加上物流系統(tǒng)及裝卸機(jī)械手組成自動(dòng)生產(chǎn)線或無(wú)人化加工車間，將率的大批量生產(chǎn)和柔性制造結(jié)合起來(lái)。德國(guó)DS-Technologie公司按照飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝的特點(diǎn)，性地推出采用并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的SprintZ3型動(dòng)力頭（如圖1），并充分利用其可重構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了Ecospeed系列加工中心，兼顧了加工空間和加工效率的要求，已在航空制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用�！ � 近年來(lái)，Mikron、DMG、EMAG等品牌都開(kāi)發(fā)了各自的工件托盤(pán)管理模塊，和傳統(tǒng)的托盤(pán)交換模塊不同之處在于，新的模塊包含智能化且獨(dú)立于機(jī)床控制系統(tǒng)以外的專用控制系統(tǒng)，操作員可以把不同工件混編在一起，并且可以在線更改、增刪工件的加工內(nèi)容和排序，而不影響機(jī)床加工過(guò)程，如圖1所示。 2、監(jiān)控決策自主化 智能機(jī)床需具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)功能。在加工過(guò)程中，可借助各種傳感器、聲頻和視頻系統(tǒng)對(duì)加工過(guò)程中的力、振動(dòng)、噪聲、溫度、工件表面質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而通過(guò)預(yù)先建立的系統(tǒng)性能參數(shù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)進(jìn)行切削參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化與誤差補(bǔ)償。同時(shí)，根據(jù)健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，保障加工質(zhì)量，減少停工時(shí)間�！ ∪鹗縈ikron公司配置智能加工系統(tǒng)的MikronHSM系列高速銑削加工中心（如圖2）可選用加工過(guò)程監(jiān)控模塊，以便用戶能夠觀察銑削過(guò)程是否正常。通過(guò)電主軸殼體中前端軸承附近安裝的加速度傳感器，使銑削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)可以加速度“g載荷”值的形式顯示，振動(dòng)大小在0~10g范圍內(nèi)分為10級(jí)，并可預(yù)測(cè)在該振動(dòng)級(jí)主軸部件的工作壽命，操作員可根據(jù)振動(dòng)級(jí)別采取不同處理措施�！ 〈送猓摴鹃_(kāi)發(fā)的ITC智能熱補(bǔ)償系統(tǒng)，采用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸切削端溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將這些溫度變化反應(yīng)至數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)中內(nèi)置了熱補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)值的智能熱控制模塊，可以根據(jù)溫度變化自動(dòng)調(diào)整刀尖位置，避免Z方向的嚴(yán)重漂移。 Fischer公司推出具有軸向位移補(bǔ)償?shù)碾娭鬏S，這種結(jié)構(gòu)在電主軸的殼體中安裝了軸向位移傳感器，可以檢測(cè)由溫升引起的熱變形和機(jī)械力造成的軸向位移，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理并輸入數(shù)控系統(tǒng)后，就可以進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，提高工作臺(tái)的移動(dòng)精度�！ 〗陙�(lái)，各數(shù)控系統(tǒng)制造商（如SIEMENS、FANUC等）推出的系統(tǒng)都具有較好的刀具監(jiān)控功能，如在西門(mén)子SINUMERIK810/840D系統(tǒng)內(nèi)就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采樣機(jī)床主軸負(fù)載變化，記錄主軸切削負(fù)載、進(jìn)給率變化、刀具磨損量等加工參數(shù)，并輸出數(shù)據(jù)至Windows用戶圖形界面。GEfanuc智能平臺(tái)公司ProficyMTE設(shè)備效率監(jiān)控與分析軟件，可將工廠各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信息數(shù)字化，構(gòu)建成一個(gè)可以在任何地點(diǎn)、時(shí)間通過(guò)任何方式訪問(wèn)的虛擬工廠，可根據(jù)用戶需要生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖表。同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備使用情況預(yù)測(cè)維護(hù)時(shí)間點(diǎn)，制訂維護(hù)計(jì)劃，并通過(guò)遠(yuǎn)程診斷工具延長(zhǎng)機(jī)床平均故障工作時(shí)間，縮短維護(hù)時(shí)間�！ �3、信息化和網(wǎng)絡(luò)化 對(duì)于現(xiàn)代制造工廠來(lái)說(shuō)，除了要提高機(jī)床的智能化水平，更要使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間的底層之間及底層與上層之間通信暢通無(wú)阻，從而充分發(fā)揮智能機(jī)床的制造能力和特點(diǎn)。而對(duì)計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等現(xiàn)代通信設(shè)備的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了其與加工裝備的語(yǔ)音、圖形、視像和文本的通信功能。設(shè)備還可通過(guò)與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)反映機(jī)床工作狀態(tài)和加工進(jìn)度。操作者在授權(quán)后可在各類終端上觀察加工過(guò)程及故障報(bào)警，并進(jìn)行在線處理。 日本Mazak公司生產(chǎn)的車銑復(fù)合加工機(jī)床，不僅能夠進(jìn)行零件的復(fù)合加工，在一臺(tái)機(jī)床上完成全部加工工序，還可通過(guò)配置信息塔（e-Tower）設(shè)備，通過(guò)不同終端實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的在線計(jì)劃調(diào)度和信息處理，如圖3所示。 企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)可以安排一周的加工任務(wù)，并發(fā)送到信息塔。信息塔向操作者發(fā)出指令，并在屏幕上顯示機(jī)床的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。操作者可以按照作業(yè)計(jì)劃下載零件的數(shù)控程序，按照屏幕指示進(jìn)行模擬仿真，無(wú)誤后進(jìn)行加工，并將機(jī)床狀態(tài)和任務(wù)完成情況報(bào)告給有關(guān)人員�！ ≈悄芮邢骷夹g(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 目前，應(yīng)用于金屬切削機(jī)床上的智能化技術(shù)主要是由數(shù)字化制造技術(shù)衍生發(fā)展而來(lái)，其主要目標(biāo)是智能化的閉環(huán)加工，即通過(guò)智能傳感裝置將機(jī)床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變、振動(dòng)、熱變形等實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋到控制器中，通過(guò)采用針對(duì)性的控制算法，對(duì)加工軌跡進(jìn)行在線補(bǔ)償，從而有效提高加工精度、表面質(zhì)量和加工效率；通過(guò)工序智能集成和模塊化加工方式縮短加工流程，提高加工效率；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床之間、機(jī)床與人的智能交互。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的不斷成熟，未來(lái)的智能機(jī)床將呈現(xiàn)以下形式�！ �1、基于智能體的制造技術(shù) 當(dāng)前的金屬切削加工中，智能化技術(shù)主要集中應(yīng)用于機(jī)床這個(gè)加工體上，工件、刀具等仍然處于被加工、被操作地位，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其各種智能元件的微型化、自主化，使得工件、刀具甚至機(jī)床的各工作模塊作為智能體存在成為可能。在未來(lái)的制造過(guò)程中，工件可以作為施令方來(lái)根據(jù)自身特點(diǎn)和加工目標(biāo)確定工藝流程、選擇和控制工裝夾具，直至完成對(duì)自身的質(zhì)量檢測(cè)；刀具可以根據(jù)工藝要求“毛遂自薦”，與機(jī)床、工件進(jìn)行“多向選擇”，可以根據(jù)工況條件調(diào)整加工參數(shù)，并根據(jù)日常使用情況預(yù)測(cè)自身的使用壽命；在模塊化加工方式中，各模塊之間可以互相協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，既能夠向中央控制系統(tǒng)提供自己的使用特點(diǎn)和應(yīng)用方向，也可以對(duì)系統(tǒng)下達(dá)的組合方案和調(diào)配指令提出整改或優(yōu)化意見(jiàn)。由于各級(jí)智能體的存在，金屬切削過(guò)程將由現(xiàn)在的自上而下形式轉(zhuǎn)變?yōu)樽韵露闲问�，各生產(chǎn)制造要素得到充分調(diào)動(dòng)，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高�！ �2、開(kāi)放式制造模式 多年以來(lái)，我國(guó)的機(jī)床（尤其是機(jī)床）進(jìn)口量和持有量均“高居世界”，然而這些機(jī)床的生產(chǎn)效能并未得到充分發(fā)揮，平均利用率遠(yuǎn)低于世界主要工業(yè)國(guó)家。這其中有管理的原因，也有生產(chǎn)制造模式的原因，許多企業(yè)雖然建成了企業(yè)層級(jí)生產(chǎn)制造網(wǎng)絡(luò)，但終究是各自為戰(zhàn)，機(jī)床資源沒(méi)有得到充分利用，而許多好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造思想又由于資源匱乏而擱置、放棄�！ ∵@個(gè)問(wèn)題不僅存在于中國(guó)，在世界范圍內(nèi)也越來(lái)越受到重視。美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究規(guī)劃局（DARPA）由此提出了開(kāi)放式制造的思想，即充分利用社會(huì)制造資源，降低生產(chǎn)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，使好的創(chuàng)意盡快轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。 而機(jī)床企業(yè)能夠做的，就是沿著這一“世界大同”的發(fā)展思路，運(yùn)用日益成熟可靠的云計(jì)算技術(shù)，賦予機(jī)床“云端制造”的能力。這不但要求企業(yè)具有良好的信息化基礎(chǔ)，也需要攻克許多技術(shù)難關(guān)，例如知識(shí)的制造資源云端化，制造云管理引擎、云制造應(yīng)用協(xié)同、云可視化等技術(shù)都是未來(lái)需要攻克的重要基礎(chǔ)技術(shù)。 結(jié)束語(yǔ) 金屬切削機(jī)床的智能化，將使得多品種、小批量、定制式的智能化協(xié)同制造成為企業(yè)的主要生產(chǎn)制造模式，在我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的過(guò)程中起著重要的基礎(chǔ)支撐作用。 智能機(jī)床相關(guān)技術(shù)已有部分實(shí)現(xiàn)了商品化，但是仍存在技術(shù)難點(diǎn)需要解決，例如知識(shí)庫(kù)與專家系統(tǒng)的創(chuàng)建、多學(xué)科信息融合與處理技術(shù)以及智能化標(biāo)準(zhǔn)體系的建立等，需要結(jié)合我國(guó)數(shù)控裝備的特點(diǎn)和需要，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新平臺(tái)，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化，從而充分推動(dòng)我國(guó)智能金屬切削機(jī)床以及智能加工技術(shù)的快速向前發(fā)展。（原標(biāo)題：金屬切削機(jī)床的智能化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)）
（來(lái)源：航空制造技術(shù)）
|
