智能机床与智能制造 上海市科技功臣 全国优秀科技工作者 中国机械工程学会 荣誉理事 同济大学 教授 张 曙 第十届中国国际金属加工高层论坛 2014年2月25日 上海 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 机床智能化的目标 世界领先的机床企业都在大力研发智能机床产 品，智能化是高端数控机床的重要标志。 机床智能化解决的主要问题是： 提高加工效率，优化切削参数，抑制振动，充分发 挥机床的潜力。 提高加工精度，防止热变形、测量机床的空间精度 并加以自动补偿。 保证机床运行安全，防止刀具、工件和部件相互碰 撞和干涉。 改善人机界面，扩大数控系统的功能。 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 机床智能化的基本原理 温度传感器 位移传感器 振动传感器 数据处理 智能决策 调节控制 优化切削用量 改变运动参数 空间误差补偿 主动阻尼抑振 提高机床效率 提高加工精度 保障工作安全 机床智能化的原理是： 感知、决策、控制 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 加工效率的提高及其瓶颈 提高切削速度，实现高速加工。 加大进给量、快速移动速度和加速度，缩短加 工时间和辅助时间。 加大吃刀深度，提高金属切除率。 提供足够的主轴功率和伺服驱动功率。 但机床技术性能的潜力往往由于颤振的出现而 不能得到充分发挥。 抑制振动、保证加工过程的稳定性是提高机床 加工效率的前提。 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 切削稳定性叶瓣图 主轴转速/min-1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 主轴转速/min-1 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0 背吃刀量/mm 稳定区域 不稳定区域 切屑厚度 急剧变化 形成自激 出现颤振 无颤振 切屑厚度 保持一致 切削平稳 借助叶瓣图原理 自动寻找有条件稳定的 高效加工点！ Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 大偎机床公司的加工导航“Machining Navi”系统不 仅可以抑制加工过程出现的振纹，还能够迅速自动找到 最佳切削参数，大幅度提高加工效率。 智能过程控制：加工导航 进入无条 件稳定区 自动搜索 无颤振点 找到高效 加工点 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 伺服阀 导轨 气测微计 可控 气压 切削力+重量 切削力 主动阻尼导轨的工作原理 气压腔 摩擦力 控制导轨摩擦力不受载荷影响，从而消除振动。 摩擦力与 载荷成正比 摩擦力 载荷 智能化主动阻尼导轨系统 载荷增加 摩擦力增大 摩擦力 载荷：切削力 +移动质量 载荷增加 摩擦力保持不变 摩擦力 载荷：动态切 削力+移动质量 气浮力 控制气浮力抵消切削力的变化，切削过程稳定。 主动阻尼导轨系统 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 切削力/kN Fy Fx 时间/s 阻尼器断开时有颤振 4 2 0 -2 -4 -6 -8 切削力/kN X向切削力 时间/s 接通阻尼器后无颤振 Z向切削力 Y向切削力 牧野T2/T4系列加工中心 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 空间误差决定加工精度 定位误差。机床移动部件按照数控程序指令在 一个轴线上从A点移动到B点，其真实距离与理 论距离之差，是机床验收的主要项目。 但除定位误差外，尽管有导轨约束，移动部件 还有直线度、平面度2项线性误差，以及俯仰、 偏转和摇摆3项姿态误差，每次移动6项误差。 3个数控轴就有18项误差。此外还有3个数控轴 相互之间垂直度的误差，一共21项误差。 空间误差（体积误差）是多个轴线误差的转移 和向量合成，决定机床的加工精度。 3项y轴位置误差 沿x轴平移ytx 沿y轴平移yty 沿z轴平移ytz 3项y轴姿态角误差 绕z轴偏转yrz 绕x轴俯仰yrx 绕y轴摇摆yry 3项x轴姿态误差 3项x轴位置误差 3项z轴位置误差 9项位置误差+9项姿态角误差+3项轴间垂直度误差=21项几何误差 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University DIXI 210加工中心的空间精度 工作空间 1250 DIXI210加工中心 定位精度 4m 空间误差 35m 空间最大误差是定位精度89倍！ 其他厂家5轴机床 空间误差100m 空间误差决定机床的加工精度！ Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 机床空间误差的测量 机床主轴 ETALON 激光跟踪仪 反射镜 机床工作台 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 补偿前的空间误差图 机床空间误差自动补偿 补偿后的空间误差图 误差/m/rad 40 30 20 10 0 补偿前 补偿后 自动补偿后误差减少7090 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 机床热变形的智能控制 机床的结构设计对称，使热变形对刀具中心点 不产生或少产生影响。 采用温度可控的冷却液对发热的部件，包括电 动机、滚珠丝杠、床身、立柱进行冷却。 将切削过程所产生热载体：切屑与机床结构件 隔离开，并快速从机床切削区域移除。 对机床部件的热变形，特别是主轴的热变形进 行实时测量和补偿。 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University DIXI加工中心的冷却控制 X轴驱动电机 B轴驱动电机 X轴滚珠丝杠 主轴 电器控制柜 C轴齿轮箱 Z轴滚珠丝杠 X轴驱动电机 切削液(包括床身冷却) C轴驱动电机 Y轴滚珠丝杠 将机床所有发热点 加以监控和保持恒温！ Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 牧野热变形智能控制视频 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 智能防碰撞和防干涉 随着复合加工的出现，零件形状越来越复杂， 机床运动轴数和刀具数量增加，机床在调整和 运行时发生碰撞和相互干涉的几率大为增加。 构建一台与真实机床完全相似的虚拟机床，在 计算机上进行离线或同步的加工过程仿真，可 以避免碰撞和干涉。 许多机床制造商提供给最终用户的机床产品已 经把虚拟机床作为物理真实机床的选件。 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 虚拟机床加工 选择夹具 输入毛坯形状 输入刀具 智能防碰撞和防干涉视频 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University CELOS智能人机界面 智能机床的人机界面将会有很大的变化，触摸 屏和多点触控的图形化人机界面将逐步取代按 钮、开关、鼠标和键盘。 人们已经习惯智能手机的操作方式，能够快速 做出反应，切换屏幕，上传或下载数据，发送 信息，从而大大丰富了人机交互的内容。 2013年EMO德马吉森精机推出新一代CELOS 人机界面，集成了从CAD/CAM、CNC到加工任 务管理等12 项应用。 任务管理 任务助手 CAD/CAM视图 工艺计算器 文 件 日程安排 网络服务 机床检查 能源节约 机床调整 状态监控 CNC 应用模块菜单 铣削计算器 负载 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 多传感器的智能电主轴 位移传感器 温度监控 工况诊 断模块 拉杆位置传感器 振动测量 轴承液 压预紧 智能电主轴具有工况 数据采集和处理功能 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 网关 主轴 传感器 总线 CNC、PLC 驱动 将位轴向和径向移传感器、加速度传 感器、转速传感器、温度传感器和计时 器以及电子线路集成为一个工况采集环 。 将3SA传感器环安装在主轴 对工况最敏感的前端。 所采集的各种信号通过传感 器总线和网关输入数控系统。 数控系统对输入的工况数据 进行处理。 然后作出位移补偿、改变切 削用量、语音或短信提示、报 警或停机的决定。 位移 振动 转速 温升 运行时间 3SA环 主轴工况数据采集环 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 智能加工系统 智能加工系统通常是由 智能机床和智能机器人组成 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 仿生机器人 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji University 智能机床和智能装备的未来 现 状 计算部分 过程部分 本地资源 计算部分 过程部分 本地资源 计算部分 云端全局资源 通信通道 将 来 发展 趋势 数控机床和机器人等智能装备 未来发展重点从硬件转向软件。 感知外部环境和工况变化需要 更加强大的计算能力、通信带宽 和速度，才能进行实时控制。 Prof. Shu Zhang Institute on Advanced Manufacturing Technology, Tongji Univ