【機床商務網 市場分析】智能機床是智能制造的基礎。如今，機床智能化發展極大地推進了我國機床行業的發展，助推國產機床走向世界，創造了更多的價值。本文，同濟大學現代制造技術研究所名譽所長張曙教授對智能機床的現狀進行分析以及對未來的展望。以下為主要內容。
 

　　智能機床是智能制造的基礎。機床智能化可分為3個方面：①機床部件本身，包括主軸單元、進給驅動、結構件的智能化，用以抑制振動和熱變形補償等；②數控系統智能化，從加工設備控制器進化到工廠網絡的終端，生產數據能夠自動采集，實現機床與機床、機床與各級管理系統的實時通信，使生產透明化，融入企業的組織和管理，締造智能化工廠；③機床智能化和網絡化為制造資源社會共享、構建異地的、虛擬的云工廠創造了條件，從而邁向共享經濟新時代，創造更多的價值。
 

　　傳統的數控機床是按照G指令和M指令驅動機床部件，實現刀具與工件的相對運動，對機床的實際工作狀態并無感知和反饋。機床在工作過程中，在切削力、慣性力、摩擦力以及內部和環境熱載荷的作用下，產生變形和振動，導致刀具的實際路徑偏離理論路徑，降低加工精度、表面質量和生產效率。
 

　　智能機床的核心在于構建一個基于模型的閉環加工系統。借助溫度、加速度和位移等傳感器監測機床工作狀態和環境的變化，實時進行調節和控制，優化切削參數，抑制或消除振動，補償熱變形，充分發揮機床的潛力。智能機床的另一功能是網絡通信，它是工廠網絡的一個節點，可實現機床之間和車間管理系統的相互通信，提高生產系統效率和效益。
 

　　智能主軸
 

　　智能主軸的特征是自主性、自學習、兼容性和開放性。從感知到決策到控制，再到執行是實現智能的四部曲。主軸的智能化分為兩類：①與主軸結構相關，即對溫度或熱誤差、主軸平衡、主軸健康的監控和控制，進而實現溫度控制和熱誤差補償、不平衡度監控和主動平衡、主軸元器件損壞和失效監控與基于主軸實際狀態的預測維護。②與加工過程有關，對顫振、刀具狀態、主軸干涉的監控和控制，從而實現顫振的辨識及抑制和控制、刀具磨損和破損監測、刀具變形補償、有效預防干涉與碰撞。
 

　　瑞士StepTec智能主軸是智能主軸的范例，它的智能化系統由電感軸向位移傳感器、熱電偶溫度監控、主軸診斷模塊、拉桿位置傳感系統、加速度計振動測量、前軸承液壓預緊載荷系統組成?？赏ㄟ^V3D三維振動測量和SDS主軸診斷軟件優化主軸性能;通過AMS軸向位移傳感器、TMS溫度控制系統、SDM主軸診斷模塊進行誤差控制。
 

圖1 基于模型的閉環加工系統
 

　　德國Prometec公司的主軸傳感系統和分析(Spindle Sensor System and Analysis，3SA)環由固定的外環和旋轉的內環組成，可安裝在任何電主軸的前端，實現主軸智能化。安裝在主軸殼體上的固定外環上分布有傳感器，與安裝在主軸上的旋轉內環相互作用，進行主軸工作狀態監控。3SA環可記錄主軸的載荷狀態、監控軸承或主軸的損傷和不平衡度，將信號發送給機床數控系統，補償主軸的位置誤差。3SA環提高了主軸的可用性和性能、以及知識的積累，實現基于主軸工作狀態的維護，同時進行刀具和加工過程的監控。3SA環記錄主軸工況變化的所有數據，如連接計算機或數控系統人機界面可隨時顯示，并對近90次變化進行趨勢分析。
 

　　智能機床結構
 

　　日本Makino T4鈦合金加工機床的力控制智能導軌是一種控制導軌表面摩擦力與切削力保持平衡而消除振動的方法，其原理是借助測微計測量移動部件與導軌之間的間隙，控制伺服閥，調整氣墊腔的上浮力，從而改變摩擦力，抵消切削力的變化。
 

　　增加機床結構的阻尼可減小受激振動的振幅，并使其很快衰減。機床結構阻尼器有兩種：調諧阻尼器與主動阻尼器。調諧阻尼器(Turned Damping Device)是在主體結構上附加一定質量比的振動系統，用相位差來抵消振動，同時吸收能量并轉化成熱能耗散，兼具動力吸振和阻尼性能改善。主動阻尼器(Active Damping Device，ADD)是借助傳感器感知機床結構的振動，經放大后轉換成電信號，通過動圈式作動器改變機床主體結構的阻尼性能，抑制其振動。主動阻尼器具有頻率響應范圍寬、慣性質量小、安裝方便等優點。