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张曙教授浅析智能机床发展现状及展望

2017年06月16日 11:04:51来源:弗戈工业在线作者:同济大学现代制造技术研究所名誉所长 张曙教授点击:6494

  【中国机床商务网 市场分析】智能机床是智能制造的基础。如今,机床智能化发展极大地推进了我国机床行业的发展,助推国产机床走向世界,创造了更多的价值。本文,同济大学现代制造技术研究所名誉所长张曙教授对智能机床的现状进行分析以及对未来的展望。以下为主要内容。
 
  智能机床是智能制造的基础。机床智能化可分为3个方面:①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;②数控系统智能化,从加工设备控制器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,融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂;③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。
 
  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。机床在工作过程中,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。
 
  智能机床的核心在于构建一个基于模型的闭环加工系统。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。智能机床的另一功能是网络通信,它是工厂网络的一个节点,可实现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。
 
  智能主轴
 
  智能主轴的特征是自主性、自学习、兼容性和开放性。从感知到决策到控制,再到执行是实现智能的四部曲。主轴的智能化分为两类:①与主轴结构相关,即对温度或热误差、主轴平衡、主轴健康的监控和控制,进而实现温度控制和热误差补偿、不平衡度监控和主动平衡、主轴元器件损坏和失效监控与基于主轴实际状态的预测维护。②与加工过程有关,对颤振、刀具状态、主轴干涉的监控和控制,从而实现颤振的辨识及抑制和控制、刀具磨损和破损监测、刀具变形补偿、有效预防干涉与碰撞。
 
  瑞士StepTec智能主轴是智能主轴的范例,它的智能化系统由电感轴向位移传感器、热电偶温度监控、主轴诊断模块、拉杆位置传感系统、加速度计振动测量、前轴承液压预紧载荷系统组成。可通过V3D三维振动测量和SDS主轴诊断软件优化主轴性能;通过AMS轴向位移传感器、TMS温度控制系统、SDM主轴诊断模块进行误差控制。
 
图1 基于模型的闭环加工系统
 
  德国Prometec公司的主轴传感系统和分析(Spindle Sensor System and Analysis,3SA)环由固定的外环和旋转的内环组成,可安装在任何电主轴的前端,实现主轴智能化。安装在主轴壳体上的固定外环上分布有传感器,与安装在主轴上的旋转内环相互作用,进行主轴工作状态监控。3SA环可记录主轴的载荷状态、监控轴承或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。
 
  智能机床结构
 
  日本Makino T4钛合金加工机床的力控制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,其原理是借助测微计测量移动部件与导轨之间的间隙,控制伺服阀,调整气垫腔的上浮力,从而改变摩擦力,抵消切削力的变化。
 
  增加机床结构的阻尼可减小受激振动的振幅,并使其很快衰减。机床结构阻尼器有两种:调谐阻尼器与主动阻尼器。调谐阻尼器(Turned Damping Device)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(Active Damping Device,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。
 
(来源:弗戈工业在线)


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