数控机床智能化技术 (数控机床智能化发展趋势)

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• 数控机床智能化技术
• 人工智能在机械设计畛域的运行
• 人工智能有哪些运行畛域？

数控机床智能化技术

数控机床智能化技术

数控机床的控制系统能够逻辑地处置具有控制编码或其余符号指令规则的程序，并将其译码，用代码化的数字示意，经过消息载体输入数控装置。

当天我带来的是事对于数控机床智能化技术的引见内容，欢迎大家浏览。

智能机床最早出如今赖特(P·K·Wright)与伯恩(D·A·Bourne)1998年出版的智能制作钻研畛域的首本专著《智能制作》(Manufacturing Intelligence)中1]。

因为对先进制作业具有关键作用，智能技术惹起各个国度的注重。

美国推出了智能加工平台方案(SMPI);欧洲实施 “Next Generation Production System”钻研;德国推出了“Industry 4.0”方案;中国中常年科技开展对“数字化智能化制作技术”提出了迫切需求，并制订了相应的“十二五”开展布局;在2006年美国芝加哥国内制作技术展览会(IMTS2006)上，日本Mazak公司推出的初次命名为“Intelligent Machine”的智能机床和日本Okuma公司推出的命名为“thinc”的智能数控系统，开启了数控机床智能化时代2]。

本文从传感器登程，将数控机床的智能技术按档次划分为智能传感器、智能性能、智能部件、智能系统等局部，对智能技术启动了总结，指出无余，提醒了开展方向，并对未来启动了展望。

智能传感器

由机床、刀具、工件组成的数控机床制作系统在加工环节中，随着资料的切除，随同着多种复杂的物理现象，隐含着丰盛的消息3]。

在这种灵活、非线性、时变、非确定性环境中，数控机床自身的感知技术是成功智能化的基本条件。

数控机床要成功智能，须要各种传感器搜集外部环境和外部形态消息，近似人类五官感知环境变动的性能，如表1所示。

对人来讲，眼睛是五官中最关键的觉得器官，能取得90%以上的环境消息，但视觉传感器在数控机床中的运行还比拟少。

随着智能化和智能化水平的提高，视觉性能在数控机床中将施展越来越关键的作用。

随着MEMS(微机电系统)技术、嵌入技术、智能资料与结构等技术的开展，传感器趋势小型化。

MEMS微传感器、薄膜传感器以及光纤传感器等微型传感器的成熟运行，为传感器嵌入数控机床奠定了基础。

因为制作环节中存在无法预测或不能预料的复杂现象和奇异疑问，以及所监测到的消息存在时效性、准确性、完整性等疑问，因此，要求传感用具有剖析、推理、学习等智能，这要求传感器要有高性能智能处置器来充任“大脑”。

美国高通公司正在研制能够模拟人脑上班的人工智能系统微处置器。

未来可经过半导体集成技术，将高性能人工智能系统微处置器与传感器、信号处置电路、I/O接口等集成在同一芯片上，构成大规模集成电路式智能传感器，岂但具有检测、识别、记忆、剖析等性能，而且具有自学习甚至思想才干4]。

置信随着计算机技术、信号处置技术、MEMS技术、高新资料技术、无线通讯技术等始终提高，智能传感器将会在数控机床智能感知方面带来全新改革。

智能性能

数控机床向高速、高效、高精化开展，要求数控机床具有热补救、振动监测、磨损监测、形态监测与缺点诊断等智能性能。

融合几个或几种智能传感器，驳回人工智能方法，经过识别、剖析、判别及推理，成功数控机床的智能性能，为智能部件的成功打下基础。

数控机床的误差包含几何误差、热(变形)误差、力(变形)误差、装配误差等。

钻研标明，几何误差、热误差占到机床总误差的50%以上，是影响机床加工精度的关键要素，如图1所示5]。

其中，几何误差是制作、装配环节中形成的与机床结构自身无关的误差，随期间变动不大，属于静态误差，误差预测模型相对方便，可以经过系统的补救性能失掉有效控制，而热误差随期间变动很大，属于灵活误差，误差预测模型复杂，是国内钻研的难点和热点。

数控机床在加工环节中的热源包含轴承、滚珠丝杠、电机、齿轮箱、导轨、刀具等。

这些部件的升温会惹起主轴加长、坐标变动、刀具伸长等变动，形成机床误差增大。

因为温度敏感点多、散布广，温度测试点位置优化设计很关键，关键方法有遗传算法、神经网络、含糊聚类、毛糙集、消息论、灰色系统等6]。

在确定了温度测点的基础上，罕用神经网络、遗传算法、含糊逻辑、灰色系统、允许向量机等来启动误差预测与补救7]。

在航空航天畛域，随着钛合金、镍合金、高强度钢等难加工资料的宽泛运行，以及高速切削条件下，切削量的始终增大，刀具、工件间很容易出现振动，严重影响工件的加工精度和外表品质。

因为切削力是切削环节的原始特色信号，最能反映加工环节的灵活特性，因此可以借助切削力监测与预告启动振动监测。

借助测力仪、力传感器、进给电机的电流等，应用粒子群算法、含糊切实、遗传算法、灰色切实等对切削力启动建模和预测8]。

思考到惹起机床振动的要素关键有主轴、丝杠、轴承等部件，也可以采集这些部件的振动、切削力、声发射等信号，应用神经网络、含糊逻辑、允许向量机等智能方法直接启动振动监测。

刀具装置在主轴前端，与加工工件接触，直接切削工件外表，对加工品质的影响是最直接和关键的。

刀具磨损、破损等意内现象影响加工精度和上班安保。

鉴于直接测量法须要离线检测的缺点，常采集电流、切削力、振动、功率、温度等一种或多种直接信号，驳回RBF神经网络、含糊神经网络、小波神经网络、允许向量机等智能算法对刀具磨损形态启动智能监测。

随着智能化水平的提高，数控机床集成越来越多的性能，复杂水平始终提高。

为了高效运转，对数控机床的外部形态启动监测与性能评估、对缺点启动预警与诊断十分必要。

因为缺点形式再现性不强，样本采集艰巨，因此BP神经网络等要求样本多的智能方法不适宜这种场所。

形态监测与缺点诊断常驳回SOM神经网络、含糊逻辑、允许向量机、专家系统和多Agent等智能方法。

钻研人员始终探求和钻研智能性能的新方法或多种方法的混合，但大局部集中在试验室环境下，缺少实时性高、在线性能强的方法，尚需深化开展繁复、极速、顺应性强的智能方法。

智能部件

数控机床机械局部关键包含撑持结构件、主传动件、进给传动件、刀具等局部，触及到床身、立柱、主轴、刀具、丝杠与导轨以及旋转轴等部件。

这些部件可以集成智能传感器的一种或几种智能性能构成数控机床智能部件，如图2所示。

主轴是主传动部件，作为外围部件，直接相关到工件加工精度。

因为主轴转速较高，特意是电主轴，发热、磨损、振动对加工品质影响很大，因此，越来越多的智能传感器被集成到主轴中，成功对上班形态的监控、预警以及补救等性能。

日本山崎马扎克研制的“智能主轴”，装有温度、振动、位移及距离等多种传感器，岂但具有温度、振动、夹具寿命监控和防护性能，而且能够依据温度、振动形态，智能协调加工参数13]。

瑞士Step-Tec、IBAG等制作的电主轴，装有温度、减速度、轴向位移等多种传感器14]，如图3所示，能够启动热补救、振动监测等。

丝杠、导轨是数控机床坐标静止和定位的关键部件，其性能直接影响坐标静止精度和灵活特性，对工件加工品质影响很大，因此监测丝杠副、导轨副在加工中的性能变动及寿命预测对数控机床的智能化具有关键作用。

经过电机驱动电流信号、功率、切削力、声响等传感器信号，联合进给速度、切削深度、丝杠转速等工艺参数，可对丝杠、导轨的磨损状况启动监控，对残余寿命启动预测，及时报警，预防严重消费意外。

轴承是数控机床旋转轴的关键部件，起着撑持载荷、减小摩擦系数的作用，其运转形态直接影响机床的运转精度和牢靠性。

轴承在高转速下摩擦猛烈，发热量大，是最易损坏的部件，因此监测轴承运转形态，可防止因轴承疑问而造成设施意外或损坏。

瑞典SKF公司消费外挂式智能轴承如图4所示15]，应用运行环境自供电，对转速、温度、速度、振动以及载荷等关键参数启动测量，并应用无线网络发送自身形态消息，成功对轴承形态监测。

刀具直接与工件接触，切削工件外表发热量大，容易发生振动，对外表品质的影响很大，因此刀具中融合越来越多的传感器，成功对刀具的磨损监控、振动监测、断裂报警等性能。

克里斯托弗、罗伯特等发明的智能刀具夹具如图5所示，集成有力/扭矩、温度、处置器、无线收发器等芯片，能够预计和预测抖动频率、倡导稳固的主轴速度、磨损监督以及倡导进给速率等16]。

瑞士ACTICUT公司的消费的智能刀具外部由机构、传感器和驱动器构成,用于精细数控车削,可对磨损、速度、温度等启动监控17]。

智能系统

数控机床普通由数控系统、驱动系统、辅佐系统以及机床本体组成，如图6所示。

随着人工智能技术的始终成熟，神经网络、含糊切实以及专家系统等方法逐渐运行到数控系统、驱动系统以及辅佐系统中，成功工艺参数优化专家系统、自顺应控制、加工环节监控、智能诊断等性能。

航空制作畛域须要加工的部件含有很多孔、沟、槽、腔等特色，加工工艺复杂，因此在数控机床中嵌入工艺参数优化专家系统成为肯定。

专家系统应用人工智能技术将某畛域内一个或多个专家的常识和阅历固化到程序中，模拟人类专家的决策环节，启动推理和判别，以便处置加工中的复杂疑问。

瑞士米克朗公司会集了几十年铣削阅历的结晶，开发了操作者允许模块OSS(Operator Support System),能够依据加工要求调整相关的工艺参数，优化加工程序，取得更现实的加工结果18]。

随着数控系统的开展，干流数控系统厂家在产品中嵌入了自顺应控制、加工环节监控、智能诊断等适用性能。

西门子数控系统具有电机参数自顺应运算、智能识别负载、刀具寿命监控、安选集成等性能，与以色列的OMATIVE优铣控制器OMAT-PRO相联合，可对主轴功率启动束缚，经过学习和再学习把握主轴功率的最佳形态，而后在加工环节中，实时监测主轴功率的变动，及时调整进给率19]。

奥天时WFL的Crash Guard防撞卫士系统，应用CNC系统的高速处置才干，实时监控机床的静止，确保机床在手动、智能等各种静止形式下均反常上班，降落运转环节机床突发意外的发生，提高机床上班的安保性和牢靠性3]。

GE Fanuc公司的Proficy软件监控和剖析机床设施复杂的基本数据，对机床的上班形态、肥壮状况启动远程诊断20]。

德国ARTIS监控系统是对上班形态启动监控的系统，经过学习，失掉监控信号的特色，成功对加工环节中的断刀、刀具磨损、碰撞等意外行为的实时监控21]。

展望

智能化是数控机床开展的初级阶段，能够成功高度智能化，进一步束缚人类的脑力智能。

随着技术水平的开展和需求的提高，数控机床出现越来越多智能性能、智能部件以及智能系统。

虽然其智能水平还处于开展阶段，但随着人工智能技术、计算机技术、传感器微型化与智能化以及微处置器技术等开展，成功真正意义上的 “自学习、自退化”的具有人类智能水平的数控机床将不再是“梦”。

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人工智能在机械设计畛域的运行

人工智能在机械设计畛域的运行如下：

智能制作，是在基于互联网的物联网意义上成功的包含企业与社会在内的全环节的制作，把工业4.0的“智能工厂”、“智能消费”、“智能物流”进一步裁减到“智能消费”、“智能服务”等全环节的智能化中去，只在这些意义上。

才干真正地意识到咱们所面临的史无前例的情势。

人工智能在制作业的运行关键有三个方面：首先是智能装备，包含智能识别设施、人机交互系统、工业机器人以及数控机床等详细设施。

其次是智能工厂，包含智能设计、智能消费、智能治理以及集成优化等详细内容。

最后是智能服务，包含大规模共性化定制、远程运维以及预测性保养等详细服务形式。

虽然目先人工智能的处置方案尚不能齐全满足制作业的要求，但作为一项通用性技术，人工智能与制作业融合是大势所趋。

家居智能家居关键是基于物联网技术，经过智能配件、软件系统、云计算平台构成一套完整的家居生态圈。

用户可以启动远程控制设施，设施间可以互联互通，并启动自我学习等，来全体优化家居环境的安保性、节能性、方便性等。

值得一提的是，近两年随着智能语音技术的开展，智能音箱成为一个迸发点。

智能音箱不只是音响产品，同时是涵盖了内容服务、互联网服务及语音交互性能的智能化产品，不只具有WiFi衔接性能，提供音乐、有声读物等外容服务及消息查问、网购等互联网服务。

人工智能有哪些运行畛域？

1. 制作业：人工智能在制作业的运行正推进消费智能化和智能化。

智能设施如智能识别系统、工业机器人和数控机床正逐渐取代传统设施。

智能工厂的概念触及智能设计、消费、治理和优化。

智能服务则包含定制化消费、远程运维和预测性保养。

2. 智能家居：以物联网为外围，智能家居经过配件、软件和云计算构建生态系统。

用户能够远程控制设施，成功互联，并应用自主学习才干优化家居安保、节能和方便性。

智能音箱作为入口，提供音频文娱、消息查问和智能家居控制等性能。

3. 金融行业：人工智能在金融畛域的运行优化了服务效率微危险治理才干。

智能客户失掉、身份识别、大数据风控、智能投资治理和客户服务等畛域都清楚受益于AI技术。

4. 批发业：批发业的AI运行正扭转购物形式。

无人驾驶便利店、智能供应链治理、客流剖析和无人驾驶仓库/车辆等技术正优化资源性能，优化企业利润和消费者体验。

5. 交通：智能交通系统应用大数据和AI技术提高交通效率。

经过对交通流和速度的剖析，成功交通监控、调度，缩小拥挤，降落环境污染。

人工智能的运行畛域宽泛，涵盖了制作业、智能家居、金融、批发和交通等多个行业，始终推进着各行各业的智能化转型和效率优化。