智能機床意義

1952年第一臺數(shù)控機床問世已經(jīng)50余年，其中包括走向成熟的30年和走向大規(guī)模應(yīng)用的20余年。數(shù)控機床依次分別經(jīng)歷了納米化、高速化、復(fù)合化、五軸聯(lián)動化等技術(shù)發(fā)展階段。而于06年智能機床在國際上的出現(xiàn)，標(biāo)志著機床技術(shù)在發(fā)展的道路上邁出的重大步伐。

機床技術(shù)發(fā)展的前景和目標(biāo)，是能夠?qū)崿F(xiàn)裝備制造業(yè)的全盤自動化，由單機自動化向FMC，CIM，CIMS發(fā)展，提高加工精度、效率，降低制造成本，為人類創(chuàng)造更多的財富。在實現(xiàn)全盤自動化過程中，需要解決的技術(shù)問題異常復(fù)雜，不僅要解決代替體力勞動的問題，更要解決代替腦力勞動問題。它包括工藝、刀具、物流、聯(lián)網(wǎng)、信息存儲、控制等。如何用智能化代替人的手工和腦力勞動，是最關(guān)鍵的核心問題。

智能機床的出現(xiàn)，為未來裝備制造業(yè)實現(xiàn)全盤生產(chǎn)自動化創(chuàng)造了條件。首先，通過自動抑制振動、減少熱變形、防止干涉、自動調(diào)節(jié)潤滑油量、減少噪音等，可提高機床的加工精度、效率。其次，對于進(jìn)一步發(fā)展集成制造系統(tǒng)來說，單個機床自動化水平提高后，可以大大減少人在管理機床方面的工作量。人能有更多的精力和時間來解決機床以外的復(fù)雜問題，更能進(jìn)一步發(fā)展智能機床和智能系統(tǒng)。第三，數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新，對于機床智能化起到了極其重大的作用。它能夠收容大量信息，對各種信息進(jìn)行儲存、分析、處理、判斷、調(diào)節(jié)、優(yōu)化、控制。它還具有重要功能，如：工夾具數(shù)據(jù)庫、對話型編程、刀具路徑檢驗、工序加工時間分析、開工時間狀況解析、實際加工負(fù)荷監(jiān)視、加工導(dǎo)航、調(diào)節(jié)、優(yōu)化，以及適應(yīng)控制。

早在上世紀(jì)80年代，美國就曾提出研究發(fā)展“適應(yīng)控制”機床，但由于許多自動化環(huán)節(jié)如自動檢測、自動調(diào)節(jié)、自動補償?shù)葲]有解決，雖有各種試驗，但進(jìn)展較慢。后來在電加工機床（EDM）方面，首先實現(xiàn)了“適應(yīng)控制”，通過對放電間隙、加工工藝參數(shù)進(jìn)行自動選擇和調(diào)節(jié)，以提高機床加工精度、效率和自動化。

隨后，由美國政府出資創(chuàng)建的機構(gòu)——智能機床啟動平臺（SMPI），一個由公司，政府部門和機床廠商組成的聯(lián)合體對智能機床進(jìn)行了加速的研究。

而于06年9月在IMTS展會上展出的日本MAZAK公司研發(fā)制造的智能機床，則向未來理想的“適應(yīng)控制”機床方面大大前進(jìn)了一步。日本這種智能機床具有六大特色：一、有自動抑制振動的功能。二、能自動測量和自動補償，減少高速主軸、立拄、床身熱變形的影響。三、有自動防止刀具和工件碰撞的功能。四、有自動補充潤滑油和抑制噪音的功能。五、數(shù)控系統(tǒng)具有特殊的人機對話功能，在編程時能在監(jiān)測畫面上顯示出刀具軌跡等，進(jìn)一步提高了切削效率。六、機床故障能進(jìn)行遠(yuǎn)距離診斷。

第一階段是1930～1960年從手動機床向機、電、液高效自動化機床和自動線發(fā)展，主要解決減少體力勞動問題。

第二階段是1952～2006年數(shù)字控制機床發(fā)展，解決了進(jìn)一步減少體力和部分腦力勞動問題。

第三階段是2006年開發(fā)出智能機床。智能化機床的加速發(fā)展，將進(jìn)一步解決減少腦力勞動問題。

在IMTS 2006上，日本Mazak公司以“智能機床”（Intelligent Machine）的名稱，展出了聲稱具有四大智能的數(shù)控機床；日本Okuma（大隈）公司展出了名為“thinc”的智能數(shù)字控制系統(tǒng)（Intelligent Numerical Control System）。

Mazak的智能機床：發(fā)出信息和進(jìn)行思考

Mazak對智能機床的定義是：機床能對自己進(jìn)行監(jiān)控，可自行分析眾多與機床、加工狀態(tài)、環(huán)境有關(guān)的信息及其他因素，然后自行采取應(yīng)對措施來保證最優(yōu)化的加工。換句話說，機床進(jìn)化到可發(fā)出信息和自行進(jìn)行思考。結(jié)果是：機床可自行適應(yīng)柔性和高效生產(chǎn)系統(tǒng)的要求。當(dāng)前Mazak的智能機床有以下四大智能：

1. 主動振動控制——將振動減至最小；

2. 智能熱屏障——熱位移控制；

3. 智能安全屏障——防止部件碰撞；

4. 馬扎克語音提示——語音信息系統(tǒng)。

Okuma的智能機床：具備“思想”

Okuma的智能數(shù)字控制系統(tǒng)的名稱為“thinc”，它是英文“思想”(think)的諧音，表明它具備思想能力。Okuma認(rèn)為當(dāng)前經(jīng)典的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(結(jié)構(gòu))，執(zhí)行和使用(design、implementation、use) 三個方面已經(jīng)過時，對它進(jìn)行根本性變革的時機已經(jīng)到來。

Okuma說，thinc不僅可在不受人的干預(yù)下，對變化了的情況作出“聰明的決策”(smart decision)，還可使機床到了用戶廠后，以增量的方式使其功能在應(yīng)用中自行不斷增長，并會更加自適應(yīng)新的情況和需求，更加容錯，更容易編程和使用?？傊?，在不受人工干預(yù)的情況下，機床將為用戶帶來更高的生產(chǎn)效率。

GE Fanuc公司和辛辛那提公司的進(jìn)展

GE Fanuc公司引入的一套監(jiān)控和分析方案也是智能機床發(fā)展的一個例子，這套方案在2006年9月的IMTS 展覽會得以展示。一種名為效率機床4.0，基于互聯(lián)網(wǎng)的方案應(yīng)運而生，它是通過收集機床和其它設(shè)備復(fù)雜的基本數(shù)據(jù)而提供的富有洞察力的、可指出原因的分析方法。它還提供一套遠(yuǎn)程診斷工具，從而使不出現(xiàn)故障的平均時間最長而用于修理的時間最短。它還能用于計算機維護(hù)管理系統(tǒng)中監(jiān)控不同的現(xiàn)場。智能機床的另一個例子是辛辛那提的多任務(wù)加工中心設(shè)計的軟件，它可探測到B 旋轉(zhuǎn)軸的不平衡條件。裝備了SINUMERIK 840D控制系統(tǒng)，新的平衡傳感器監(jiān)控Z軸發(fā)生的錯誤后準(zhǔn)確和迅速地感受到不平衡。探測后，由一套平衡輔助程序通過計算產(chǎn)生出一個顯示圖，來確定出不平衡的位置所在以及需要進(jìn)行多少補償。該技術(shù)也已用于Giddings & Lewis的立式車床上。

米克朗智能機床模塊

米克朗系列化的模塊（軟件和硬件）是該公司在智能機床領(lǐng)域的成果。不同“智能機床”模塊的目標(biāo)是將切削加工過程變得更透明、控制更方便。為此，必須首先建立用戶和機床之間的通信。其次，還必須在不同切削加工優(yōu)化過程中為用戶提供工具，以顯著改善加工效能。第三，機床必須能獨立控制和優(yōu)化切削過程，從而改善工藝安全性和工件加工質(zhì)量。

米克朗的高級工藝控制系統(tǒng)（APS）模塊是一套監(jiān)視系統(tǒng)，它使用戶能觀察和控制切削加工過程。它是特為高性能和高速切削而開發(fā)的，而且能很好地用于其它切削加工系統(tǒng)。

無線通知系統(tǒng)(RNS)

“無線通知系統(tǒng)”模塊開啟了通信和靈活性的新紀(jì)元。通過這一系統(tǒng)，用戶能接收米克朗加工中心的運行情況信息。通過移動電話的短信形式，用戶就能知道機床的操作狀態(tài)和程序執(zhí)行狀態(tài)。

全球首創(chuàng)、獨家所有的智能操作人員支持系統(tǒng)(OSS)

操作人員支持系統(tǒng)(OSS)能根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)和加工要求，優(yōu)化加工過程。通過易用的用戶界面，用戶可以方便地設(shè)定目標(biāo)尺寸、轉(zhuǎn)速、精度和表面光潔度以及工件重量和加工的復(fù)雜程度等參數(shù)并能隨時修改。

21世紀(jì)，數(shù)控機床將在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，由機械運動的自動化向信息控制的智能化方向發(fā)展。其發(fā)展速度和高度將取決于人才、科研、創(chuàng)新、合作四個方面。2006年展出的這個世界上第一臺智能機床，還需要進(jìn)一步的完善、提高。如在機、電、液、氣、光元件和控制系統(tǒng)方面；在加工工藝參數(shù)的自動收集、存儲、調(diào)節(jié)、控制、優(yōu)化方面；在智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化后的可靠性、穩(wěn)定性、耐用性等方面，都還需要深入研究。

《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》涉及一種故障智能考核設(shè)備，特別是一種數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備。

圖1是《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備的配置圖；

圖2是《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備的故障生成器的電路方框圖；

圖3示出了《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》學(xué)生計算機發(fā)送的有效數(shù)據(jù)故障編號的字符串的數(shù)據(jù)格式；

圖4示出了《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的64個故障編號格式；

圖5是《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的干擾信號生成器產(chǎn)生的斷續(xù)干擾的波形；

圖6是《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的干擾信號生成器產(chǎn)生的連續(xù)電磁干擾的波形；

圖7a和圖7b分別是干擾信號直接串入和間接串入的示意圖；

圖8是工作信號、干擾信號和合成信號的波形圖；

圖9顯示了在數(shù)控機床的一個輸出端子上產(chǎn)生模擬故障的示意圖，其中增加了與實際端子對應(yīng)的故障測量端Y′；

圖10是串入模擬外來干擾信號的數(shù)控機床的端子的故障測量示意圖。

數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備專利目的

《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的目的是提供一種能夠模擬數(shù)控機床真實故障的數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備。

數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備技術(shù)方案

根據(jù)《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》一個方面，提供了一種數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備，包括：一個教師計算機、交換機和多個學(xué)生機，其中教師計算機通過以太網(wǎng)和交換機與各個學(xué)生機進(jìn)行通信，向?qū)W生機下發(fā)故障指令數(shù)據(jù)和接收學(xué)生機上發(fā)的考核結(jié)果數(shù)據(jù)；其特征在于還包括：

多個故障生成器，每個故障生成器接收相應(yīng)的學(xué)生計算機發(fā)送的故障指令數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的真實故障數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)控機床電路，每個故障生成器包括：接收學(xué)生機發(fā)送的故障指令數(shù)據(jù)的接收電路；將故障指令數(shù)據(jù)譯碼為控制繼電器矩陣字節(jié)的譯碼電路；產(chǎn)生干擾信號的干擾信號信號產(chǎn)生電路；把繼電器矩陣字節(jié)和干擾信號的地址/數(shù)據(jù)合成為數(shù)據(jù)陣列的合成電路；以及根據(jù)合成的數(shù)據(jù)陣列生成包括串入與干擾信號地址相對應(yīng)的干擾信號的故障生成裝置。

其中，所述故障生成器還包括發(fā)送正確/錯誤代碼的識別電路，用于判斷學(xué)生機發(fā)送的故障指令數(shù)據(jù)是否有效。

其中，所述故障生成器還包括檢查印刷電路板的元件損壞情況的印刷電路板自檢電路。

其中，所述故障生成器還包括數(shù)據(jù)處理自監(jiān)信號發(fā)送/接收電路。

其中，所述干擾信號產(chǎn)生電路是方波信號產(chǎn)生器。

其中，所述干擾信號產(chǎn)生電路是生成六種不同頻率方波信號的生成器。

根據(jù)《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》另一方面，提供了一種適用于數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備的故障生成器，該故障生成器接收相應(yīng)的學(xué)生計算機發(fā)送的故障指令數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的真實故障數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)控機床電路，所述故障生成器包括：接收學(xué)生機發(fā)送的故障指令數(shù)據(jù)的接收電路；將故障指令數(shù)據(jù)譯碼為控制繼電器矩陣字節(jié)的譯碼電路；產(chǎn)生干擾信號的干擾信號信號產(chǎn)生電路；把繼電器矩陣字節(jié)和干擾信號的地址/數(shù)據(jù)合成為數(shù)據(jù)陣列的合成電路；以及根據(jù)合成的數(shù)據(jù)陣列生成包括串入與干擾信號地址相對應(yīng)的干擾信號的故障生成裝置。

其中，所述故障生成器還包括發(fā)送正確/錯誤代碼的識別電路，用于判斷學(xué)生機發(fā)送的故障指令數(shù)據(jù)是否有效。

其中，所述故障生成器還包括檢查印刷電路板的元件損壞情況的印刷電路板自檢電路。

其中，所述干擾信號產(chǎn)生電路是方波信號產(chǎn)生器。

其中，所述干擾信號產(chǎn)生電路是生成六種不同頻率方波信號的生成器。

數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備改善效果

《數(shù)控機床故障智能考核設(shè)備》的技術(shù)效果是，可以利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸教師計算機設(shè)置的故障編號，從而生成數(shù)控機床常見的實際可以觀察、測量的故障現(xiàn)象，以訓(xùn)練和提高學(xué)生實際排故、維修的工作能力，學(xué)生可以斷電測量也可以在線測量，解決真實機床故障的難以在線測量，難以全面表現(xiàn)各種故障現(xiàn)象的技術(shù)難題。