本文從傳感器出發(fā)，將數(shù)控機床的智能技術按層次劃分為智能傳感器、智能功能、智能部件、智能系統(tǒng)等部分，對智能技術進行了總結，指出不足，揭示了發(fā)展方向，并對未來進行了展望。
智能傳感器
由機床、刀具、工件組成的數(shù)控機床制造系統(tǒng)在加工過程中，隨著材料的切除，伴隨著多種復雜的物理現(xiàn)象，隱含著豐富的信息。在這種動態(tài)、非線性、時變、非確定性環(huán)境中，數(shù)控機床自身的感知技術是實現(xiàn)智能化的基本條件。
數(shù)控機床要實現(xiàn)智能，需要各種傳感器收集外部環(huán)境和內部狀態(tài)信息，近似人類五官感知環(huán)境變化的功能，如表1所示。對人來講，眼睛是五官中最重要的感覺器官，能獲得90％以上的環(huán)境信息，但視覺傳感器在數(shù)控機床中的應用還比較少。隨著自動化和智能化水平的提高，視覺功能在數(shù)控機床中將發(fā)揮越來越重要的作用。
隨著MEMS（微機電系統(tǒng)）技術、嵌入技術、智能材料與結構等技術的發(fā)展，傳感器趨向小型化。MEMS微傳感器、薄膜傳感器以及光纖傳感器等微型傳感器的成熟應用，為傳感器嵌入數(shù)控機床奠定了基礎。
由于制造過程中存在不可預測或不能預料的復雜現(xiàn)象和奇怪問題，以及所監(jiān)測到的信息存在時效性、精確性、完整性等問題，因此，要求傳感器具有分析、推理、學習等智能，這要求傳感器要有高性能智能處理器來充當“大腦”。美國高通公司正在研制能夠模擬人腦工作的人工智能系統(tǒng)微處理器。將來可通過半導體集成技術，將高性能人工智能系統(tǒng)微處理器與傳感器、信號處理電路、I/O接口等集成在同一芯片上，形成大規(guī)模集成電路式智能傳感器，不但具有檢測、識別、記憶、分析等功能，而且具有自學習甚至思維能力。相信隨著計算機技術、信號處理技術、MEMS技術、高新材料技術、無線通信技術等不斷進步，智能傳感器將會在數(shù)控機床智能感知方面帶來全新變革。
智能功能
數(shù)控機床向高速、高效、高精化發(fā)展，要求數(shù)控機床具有熱補償、振動監(jiān)測、磨損監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等智能功能。融合幾個或幾種智能傳感器，采用人工智能方法，通過識別、分析、判斷及推理，實現(xiàn)數(shù)控機床的智能功能，為智能部件的實現(xiàn)打下基礎。
數(shù)控機床的誤差包括幾何誤差、熱（變形）誤差、力（變形）誤差、裝配誤差等。研究表明，幾何誤差、熱誤差占到機床總誤差的50%以上，是影響機床加工精度的關鍵因素，如圖1所示。其中，幾何誤差是制造、裝配過程中造成的與機床結構本身有關的誤差，隨時間變化不大，屬于靜態(tài)誤差，誤差預測模型相對簡單，可以通過系統(tǒng)的補償功能得到有效控制，而熱誤差隨時間變化很大，屬于動態(tài)誤差，誤差預測模型復雜，是國際研究的難點和熱點。
數(shù)控機床在加工過程中的熱源包括軸承、滾珠絲杠、電機、齒輪箱、導軌、刀具等。這些部件的升溫會引起主軸延伸、坐標變化、刀具伸長等變化，造成機床誤差增大。由于溫度敏感點多、分布廣，溫度測試點位置優(yōu)化設計很重要，主要方法有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊聚類、粗糙集、信息論、灰色系統(tǒng)等。在確定了溫度測點的基礎上，常用神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊邏輯、灰色系統(tǒng)、支持向量機等來進行誤差預測與補償。
在航空航天領域，隨著鈦合金、鎳合金、高強度鋼等難加工材料的廣泛應用，以及高速切削條件下，切削量的不斷增大，刀具、工件間很容易發(fā)生振動，嚴重影響工件的加工精度和表面質量。由于切削力是切削過程的原始特征信號，最能反映加工過程的動態(tài)特性，因此可以借助切削力監(jiān)測與預報進行振動監(jiān)測。借助測力儀、力傳感器、進給電機的電流等，利用粒子群算法、模糊理論、遺傳算法、灰色理論等對切削力進行建模和預測。考慮到引起機床振動的原因主要有主軸、絲杠、軸承等部件，也可以采集這些部件的振動、切削力、聲發(fā)射等信號，利用神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、支持向量機等智能方法直接進行振動監(jiān)測。
刀具安裝在主軸前端，與加工工件接觸，直接切削工件表面，對加工質量的影響是最直接和關鍵的。刀具磨損、破損等異?，F(xiàn)象影響加工精度和工作安全。鑒于直接測量法需要離線檢測的缺陷，常采集電流、切削力、振動、功率、溫度等一種或多種間接信號，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡、小波神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等智能算法對刀具磨損狀態(tài)進行智能監(jiān)測。
隨著自動化程度的提高，數(shù)控機床集成越來越多的功能，復雜程度不斷提高。為了高效運行，對數(shù)控機床的內部狀態(tài)進行監(jiān)測與性能評價、對故障進行預警與診斷十分必要。由于故障模式再現(xiàn)性不強，樣本采集困難，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡等要求樣本多的智能方法不適合這種場合。狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷常采用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、支持向量機、專家系統(tǒng)和多Agent等智能方法。
研究人員不斷探索和研究智能功能的新方法或多種方法的混合，但大部分集中在實驗室環(huán)境下，缺少實時性高、在線功能強的方法，尚需深入發(fā)展簡潔、快速、適應性強的智能方法。
智能部件
數(shù)控機床機械部分主要包括支撐結構件、主傳動件、進給傳動件、刀具等部分，涉及到床身、立柱、主軸、刀具、絲杠與導軌以及旋轉軸等部件。這些部件可以集成智能傳感器的一種或幾種智能功能構成數(shù)控機床智能部件，如圖2所示。
主軸是主傳動部件，作為核心部件，直接關系到工件加工精度。由于主軸轉速較高，特別是電主軸，發(fā)熱、磨損、振動對加工質量影響很大，因此，越來越多的智能傳感器被集成到主軸中，實現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)控、預警以及補償?shù)裙δ?。日本山崎馬扎克研制的“智能主軸”，裝有溫度、振動、位移及距離等多種傳感器，不但具有溫度、振動、夾具壽命監(jiān)控和防護功能，而且能夠根據(jù)溫度、振動狀態(tài)，智能協(xié)調加工參數(shù)。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的電主軸，裝有溫度、加速度、軸向位移等多種傳感器，如圖3所示，能夠進行熱補償、振動監(jiān)測等。
絲杠、導軌是數(shù)控機床坐標運動和定位的關鍵部件，其性能直接影響坐標運動精度和動態(tài)特性，對工件加工質量影響很大，因此監(jiān)測絲杠副、導軌副在加工中的性能變化及壽命預測對數(shù)控機床的智能化具有重要作用。通過電機驅動電流信號、功率、切削力、聲音等傳感器信號，結合進給速度、切削深度、絲杠轉速等工藝參數(shù)，可對絲杠、導軌的磨損情況進行監(jiān)控，對剩余壽命進行預測，及時報警，預防重大生產(chǎn)事故。
軸承是數(shù)控機床旋轉軸的關鍵部件，起著支撐載荷、減小摩擦系數(shù)的作用，其運行狀態(tài)直接影響機床的運轉精度和可靠性。軸承在高轉速下摩擦劇烈，發(fā)熱量大，是最易損壞的部件，因此監(jiān)測軸承運行狀態(tài)，可避免因軸承問題而導致設備異?；驌p壞。瑞典SKF公司生產(chǎn)外掛式智能軸承如圖4所示，利用應用環(huán)境自供電，對轉速、溫度、速度、振動以及載荷等關鍵參數(shù)進行測量，并利用無線網(wǎng)絡發(fā)送自身狀態(tài)信息，實現(xiàn)對軸承狀態(tài)監(jiān)測。
刀具直接與工件接觸，切削工件表面發(fā)熱量大，容易產(chǎn)生振動，對表面質量的影響很大，因此刀具中融合越來越多的傳感器，實現(xiàn)對刀具的磨損監(jiān)控、振動監(jiān)測、斷裂報警等功能。克里斯托弗、羅伯特等發(fā)明的智能刀具夾具如圖5所示，集成有力/扭矩、溫度、處理器、無線收發(fā)器等芯片，能夠估計和預測顫動頻率、建議穩(wěn)定的主軸速度、磨損監(jiān)視以及建議進給速率等。瑞士ACTICUT公司的生產(chǎn)的智能刀具內部由機構、傳感器和驅動器構成,用于精密數(shù)控車削,可對磨損、速度、溫度等進行監(jiān)控。
智能系統(tǒng)
數(shù)控機床一般由數(shù)控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及機床本體組成，如圖6所示。隨著人工智能技術的不斷成熟，神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊理論以及專家系統(tǒng)等方法逐漸應用到數(shù)控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)中，實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)、自適應控制、加工過程監(jiān)控、智能診斷等功能。
航空制造領域需要加工的部件含有很多孔、溝、槽、腔等特征，加工工藝復雜，因此在數(shù)控機床中嵌入工藝參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)成為必然。專家系統(tǒng)利用人工智能技術將某領域內一個或多個專家的知識和經(jīng)驗固化到程序中，模擬人類專家的決策過程，進行推理和判斷，以便解決加工中的復雜問題。瑞士米克朗公司匯集了幾十年銑削經(jīng)驗的結晶，開發(fā)了操作者支持模塊OSS（Operator Support System）,能夠根據(jù)加工要求調整相關的工藝參數(shù)，優(yōu)化加工程序，獲得更理想的加工結果。
隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，主流數(shù)控系統(tǒng)廠家在產(chǎn)品中嵌入了自適應控制、加工過程監(jiān)控、智能診斷等實用功能。西門子數(shù)控系統(tǒng)具有電機參數(shù)自適應運算、自動識別負載、刀具壽命監(jiān)控、安全集成等功能，與以色列的OMATIVE優(yōu)銑控制器OMAT-PRO相結合，可對主軸功率進行約束，通過學習和再學習掌握主軸功率的最佳狀態(tài)，然后在加工過程中，實時監(jiān)測主軸功率的變化，及時調整進給率。奧地利WFL的Crash Guard防撞衛(wèi)士系統(tǒng)，利用CNC系統(tǒng)的高速處理能力，實時監(jiān)控機床的運動，確保機床在手動、自動等各種運動模式下均正常工作，降低運行過程機床突發(fā)事故的產(chǎn)生，提高機床工作的安全性和可靠性。GE Fanuc公司的Proficy軟件監(jiān)控和分析機床設備復雜的基本數(shù)據(jù)，對機床的工作狀態(tài)、健康狀況進行遠程診斷。德國ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)是對工作狀態(tài)進行監(jiān)控的系統(tǒng)，通過學習，獲取監(jiān)控信號的特征，實現(xiàn)對加工過程中的斷刀、刀具磨損、碰撞等異常行為的實時監(jiān)控。
展望
智能化是數(shù)控機床發(fā)展的高級階段，能夠實現(xiàn)高度自動化，進一步解放人類的腦力智能。隨著技術水平的發(fā)展和需求的提高，數(shù)控機床出現(xiàn)越來越多智能功能、智能部件以及智能系統(tǒng)。盡管其智能水平還處于發(fā)展階段，但隨著人工智能技術、計算機技術、傳感器微型化與智能化以及微處理器技術等發(fā)展，實現(xiàn)真正意義上的 “自學習、自進化”的具有人類智能水平的數(shù)控機床將不再是“夢”。
