智能数控加工的生产关键技术

1.智能工艺规划与智能数控编程技术

（1）基本概念与定义。智能工艺规划技术是将人工智能技术（AI技术）应用到计算机辅助工艺设计（CAPP）系统开发中的技术。它使CAPP系统在知识获取、知识推理等方面模拟人的思维方式，解决复杂的工艺规程设计问题，使其具有人类“智能”的特性，即智能化的CAPP。

智能数控编程技术，是将互联网、虚拟现实、科学计算及可视化、多媒体和人工智能技术应用到数控编程中的技术。其主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立工件的几何模型，计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹；按照数控系统可接受的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到合格的加工程序。

（2）技术的结构与原理。智能工艺规划技术的实现原理可以由图4.3来描述，系统可以根据零件信息和用户需求，得出相应的零件加工工艺文件。如图4.3所示，智能工艺规划技术由传统的工艺规划技术和智能设计理论与方法协同构成。

图4.3　智能工艺规划技术原理

1）传统的工艺规划设计系统由基础科学理论层、传统设计方法层和信息技术层构成。基础科学理论层又由系统工程、信息科学、设计原理、自动化科学和思维科学等组成；传统设计方法层主要由线性规划和运筹决策等优化设计方法组成；信息技术层主要由图形处理、网络技术、数据库技术、多媒体技术和计算机语言等组成。

2）智能设计理论与方法涵盖了专家系统、模糊决策、遗传算法、神经网络、粗糙集决策和混沌理论等。

智能数控编程技术的实现原理可以由图4.4来描述，系统可以根据零件CAD模型和工艺文件得出相应的零件加工数控程序文件。如图4.4所示，智能数控编程技术由传统的数控编程技术和智能化的新技术新方法协同构成。

图4.4　智能数控编程技术原理

1）传统的数控编程实现主要经过加工轨迹生成、加工方案选取、加工模拟测试和加工反馈优化等过程。加工轨迹生成又由工艺时序分析、时序参数分析、工件约束分析、刀具约束分析和刀具工件的运动耦合分析过程完成；加工方案选取由夹具参数、刀具参数、加工参数和驱动模块等选取过程完成；加工模拟测试由刀具轨迹、工件轨迹、空载轨迹和负载轨迹测试过程完成；加工反馈优化由切削效率、机床振动、刀具振动、夹具振动、切削稳定性和切削质量评价过程完成。

2）智能化的新技术新方法涉及互联网、可视化处理、虚拟现实、多媒体、智能决策、云科学计算、运动学分析和动力学分析等。

（3）技术发展现状。世界上的主流智能数控机床企业通过自主开发智能数控系统或二次开发智能数控系统，实现了直接在机床上配置和集成编程系统或其他智能化软件（杨帅，2012）。

美国赫克（HURCO）机床的智能数控系统软硬件都是自主研发的，在微处理机和对话式编程软件开发等方面处于同行业领先地位。其编程系统为对话式编程，能编辑、执行标准的NC程序，运用大量的图像和数据计算软件，能接受多种类型的输入方式，编制加工程序，并用三维动画模拟实际加工中的刀具切削效果。

日本Mazak机床的数控系统是在日本三菱电机公司的硬件平台上自主研发软件的，因而其运动控制性能和信息化、智能化功能居于世界领先地位。其编程系统融入了Mazak公司70余年加工经验的智能化专家系统，使得编程更加容易。

美国Gleason下属的格里森普发特齿轮加工机床与德国KAPP和NILES磨齿机等均是基于西门子开放式数控系统进行二次开发的产品。两家公司根据齿轮加工参数有限和固定这一特殊性，研发了齿轮加工编程系统，可以便捷地实现输入齿轮数据即可完成齿轮齿向任意修正和程序自动生成。

国内的智能工艺规划和智能编程技术，随着我国机床行业几十年的发展，在质和量上都取得了飞跃，但是中高档智能数控系统大部分仍采用SIEMENS和GE FANUC产品。华中科技大学技术支撑的华中数控有限责任公司，是目前在数控系统方面做得较为成功的国内公司。但是目前国内所有高校及公司的研究成果与国外同类产品相比，在稳定性、精度性、功能化、智能化上还有较大差距，尚处于实验室应用研究阶段，还未进入产品级应用阶段，远不能满足国内高端市场的需求。

（4）技术发展趋势。智能数控工艺规划和智能编程朝着以下几方面发展。

1）集成化。集成化是指智能工艺规划系统与其他集成化系统之间进行信息与数据的传输与共享。在工程设计领域，通常是指与CAD和CAM系统的集成，若推广到整个工厂范围，则还包括与生产管理、质量保证等系统的集成。智能工艺规划技术与其他系统的集成，正在从局部自动化走向全面自动化，这是自动化技术发展的必然趋势。而要实现真正意义上的集成，有待于对产品定义与产品数据交换规范（如PDES/STEP）的进一步研究和相应的实用化软件系统的问世。目前世界上以美国为首的许多国家都投入了大量的人力物力对产品定义与产品数据交换规范进行研究，集成化的发展将可以逐步实现。

2）柔性化。柔性化是指智能工艺规划软件经过一定程度的修改和调整后，能用于不同零件和不同的生产环境。这种修改和调整越容易，柔性化程度就越高。当前国内外所开发的工艺规划系统都是针对某一具体生产环境的，一般不具备通用性。造成这一问题的最主要原因在于工艺设计对制造环境强烈的依赖性。环境不同或类型不同，必然导致工艺设计结果的不同。因此，开发一个通用的工艺规划软件是非常困难的。为此，国内外不少研究人员正致力于提高工艺规划系统的柔性化程度，使用户经过简单的二次开发即可实际应用。同时，柔性化也有助于智能工艺规划系统早日走上商品化的道路。

3）智能化。智能化是智能工艺规划系统发展的主要趋势。因为依靠传统的过程性软件设计技术，已远不能满足工程实际的要求。一方面，智能工艺规划技术所涉及的问题复杂，不仅业务内容广泛、性质各异，而且许多决策大都依赖于专家个人的经验、技术和技巧；另一方面，制造业生产环境的差别也非常显著，因此，要求智能工艺规划技术具有很强的适用性和灵活性。于是，专家系统技术以及其他人工智能技术在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性给智能工艺规划技术的发展带来了生机。目前人工智能技术已被越来越广泛地应用于各种类型的CAPP 系统中。这是智能工艺规划技术发展最有生命力的方向，但要达到理想的智能化水平，还需要人工智能理论与技术、计算机与网络技术等多学科综合的进一步发展与应用。

2.智能数控系统与智能伺服驱动技术

（1）基本概念与定义。智能数控系统技术是将被加工件的几何信息和加工工艺信息等经智能化交流伺服系统处理，转换成一系列运动和动作指令，输送给伺服电动机来完成工件加工的技术。在先进制造技术中，智能数控系统技术是柔性制造自动化技术最重要的基础技术。具有智能数控系统的数控机床对通用加工具有良好的适应性，可为单件和中小批量常规零件或常规复杂零件加工提供高效的自动化加工手段。

智能伺服驱动技术简称IST（Intelligent Servo Technology），是传动技术的一种具体体现形式，结构与伺服系统相同。它主要由伺服控制器和伺服电机组成，是基于传统伺服控制技术的智能化。智能伺服驱动技术的主要性能指标有定位精度、响应时间、线性度、频带宽度和速度范围等。德国BOSCH公司对IST技术的定义是：

IST技术=高伺服扫描速度+前馈控制+超前控制+专利技术

（2）技术原理与结构。国内外很多学者在智能数控系统结构框架方面进行了大量的研究，提出了不同的结构框架。具体的智能数控与智能伺服系统结构可以由图4.5描述。该系统在新一代高性能的智能数控核心CPU的基础上，增加了视频与音频接口、高速图像处理模块、网络通信模块、刀具监控模块、切削负载监控模块、误差补偿模块、自诊断模块、自修复模块和智能决策，提高了整个系统的智能化水平，也具备了与其他数控设备的通信、协作及资源共享的能力。智能数控与智能伺服系统典型的技术与功能有：切削负载非接触式识别、驱动参数自动调整与优化、加工参数自动调整与优化、机床零部件热误差智能补偿和机床零部件几何误差智能化补偿等。

图4.5　智能数控与智能伺服技术原理

（3）技术发展现状。在智能数控系统及智能伺服驱动系统的研发方面，国内外各大数控公司都致力于各具特色的技术研究，具有以下几个特点（王耀南，余群明，2000；暨绵浩，2009）。

1）基于工业PC机的开放式数控系统的研发与应用。国内外各大数控公司都致力于开发新型高性能、低价格、高可靠性和开放结构的数控系统。该系统使数控系统更具开发能力，更能实现高精度加工，提高分辨率，改善伺服跟踪性能，而价格则大幅度下降。因此，近年来基于工业PC机的数控系统成为开发的热点。(www.xing528.com)

2）高性能智能化交流伺服系统的研究和开发应用。国外已经开发研制了许多类型的高精度交流伺服系统，并已成功运用到数控机床位置控制及电气传动执行机构中。国内在这方面的研究处于比较低的水平，实用化与国产化水平较低，没有形成相应的产品系列，也无法满足工业的需要，仍有待深入研究。

3）高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力和高性价比成为现代智能伺服驱动装置的评价指标。如日本FANUC公司推出了HRV4伺服控制控制技术，采用纳米层次的位置指令，使用1600万脉冲/转的高分辨率脉冲编码器，实现了纳米精度的伺服控制，实现了精密级加工精度（1～1.5μm）向超精密加工精度（0.01μm）的转换；HRV4超高速伺服控制处理器所控制的电机转速可达到60 000转/分；HRV4控制算法可使伺服电机的最大控制电流减少50%，并减少电机发热17%，因此，智能伺服驱动装置获得了更高的刚性和过载能力。

4）高频响系统功率主电路元件的研发与应用。电子电力技术的发展，使得智能伺服系统功率主电路元件的开关频率提高到15k～20kHz。大功率绝缘栅门双极性晶体管（IGBT）和智能控制功率模块（IPM）等先进器件的采用，大大减少了伺服驱动器输出回路的功耗，提高了系统的响应速度和平稳性，降低了运行噪声。这些不仅为交流伺服全数字化、高速度、高精度奠定了基础，还使得交流伺服系统趋于小型化。

（4）技术发展趋势。智能数控系统和智能伺服驱动技术朝着以下几个方面发展（何光东，1998）：

1）结构开放化。开放系统（OS）使系统用户可对系统设备有更多的选择自由，这有助于减少用户对特定供应商的依赖，降低系统的成本。同时，这也使用户对系统的维护、增扩和升级变得非常方便。

2）系统网络化。借助强大的数字通信技术，可实现系统的网络化，从而提高系统的总体水平，如实现企业的综合自动化。同时，数字系统不但具有更高的可靠性，而且还能接受现场设备的自诊断信号，可方便地发现故障和排除故障。

3）功能模块化。数控系统只保留管理功能，通过现场总线通信方式，将控制和诊断功能彻底地分散到I/O、A/D、D/A乃至控制等各功能模块。这种模块化使系统具有更好的可扩展性、可靠性、安装和维护便利性等优点，并有利于系统实现灵活的组织。

3.智能感知、监测和维护技术

（1）定义。智能感知、监测和维护技术是指制造商在数控机床中加入智能感知和远程监测元器件，并通过网络化的数控系统提供整机故障分析、诊断和维护的技术。典型的技术功能有：机床振动检测及抑制，刀具工作过程监测，系统故障回放、自分析与诊断和自修复，系统智能化维护，等等。

（2）技术原理与结构。有关智能感知、监测和维护技术的实现原理，目前还没有完善和明确的定义，大致可以描述为如图4.6所示的结构。该系统主要由嵌入传感网络模块、信号采集接口模块、信号处理分析模块、智能决策诊断模块、诊断维护分析模块和异常故障处理模块组成。

图4.6　智能感知、监测和维护技术原理

1）嵌入传感网络模块。该模块负责现场机床各个关键零部件和关键过程信号的采集，主要通过在机床的伺服驱动系统、刀具物流系统、液压传动系统、工件物流系统、机床与导轨结构、夹具与刀具、切削负载、切削振动和切削噪声等过程增设各类嵌入式传感器单元及网络实现。

2）信号采集接口模块。该模块负责各种类型信号的高保真采集，主要通过集成于智能数控系统中的DI、AI、SSI、GPI、视频和音频等接口实现。

3）信号处理分析模块。该模块负责各种类型信号的处理和分析，主要通过集成于智能数控系统中的预处理、消噪处理、趋势分析、边缘检测、特征提取、信号变换、海量存储、视频压缩、图像压缩和非线性修正等模块实现。

4）智能决策诊断模块。该模块负责各种类型信号的聚类分析和评价，主要通过集成于智能数控系统中的专家系统、模糊决策、遗传算法、神经网络、粗糙集决策、混沌理论、支持向量机、推理机和知识库等模块实现。

5）诊断维护分析模块。该模块负责将各种类型信号对应成异常和故障，主要通过集成于智能数控系统中的常见异常、常见故障、新异常、新故障、异常等级识别和故障等级识别等模块实现。

6）异常故障处理模块。该模块负责各种类型异常和故障的处理，主要通过集成于智能数控系统中的紧急停止、报警、参数调整、驱动保护和刀具保护等模块实现。

（3）技术的发展现状。在智能感知、监测与维护研发方面，国内外各大数控公司都致力于各具特色的技术研究（袁楚明等，2003）。

Intel和Philip等13家半导体制造商组成的国际性协作组SEMATECH成立了e-diagnostics项目组。该项目组计划在半导体芯片生产设备中加入含设备运行状态信息采集、监测、诊断和调试功能的e-diagnostics 模块，以实现对设备的远程技术支持与服务。据统计，带e-diagnostics模块的半导体芯片生产设备平均每年可缩短1～1.5小时的故障处理时间，减少10万～15万美元的损失。

美国NSF成立了智能设备维护技术中心，其成员包括Intel、Ford Motor、Applied Materials、Xerox和United Technologies等著名大公司，旨在研发基于Web的智能设备诊断和维护技术，具体包括e-monitoring、e-diagnostics、e-prognostics、self-maintenance、“零故障率”及“24小时”在线技术服务的自动化生产设备。

西门子的远程诊断技术不仅用于故障发生后对数控系统进行诊断，而且还可用作用户的定期预防性诊断。只需要按预定的时间对机床做一系列试运行检查，将检查数据通过网络送到维修中心的计算机进行分析处理，就可发现系统出现的故障隐患。

数字化智能诊断与维护技术已成为当今世界上的一个研究热点。国内不少高校和研究机构利用各自的条件和优势，对远程监测与诊断维护技术进行了卓有成效的研究开发工作。如同济大学以上海大众汽车冲压生产线为研究对象，初步实现了一个面向制造企业的工业现场远程监控诊断系统；北京理工大学和南京航空航天大学等开展了基于Internet的FMS远程故障诊断的研究；清华大学和东南大学等进行了电厂远程监测系统的研究工作；华中科技大学研发了基于Internet的大型机电系统远程诊断技术；西安交通大学和浙江大学等高校也在这方面进行了较深入的研究。

（4）技术发展趋势。智能感知、监测和维护技术研究与系统开发的发展趋势如下：

1）信息化。大量使用现代信息技术，纳入现代信息战略新体制，采用网络化系统模式，消除时空障碍。

2）敏捷化。一是实时监测、诊断和维护，敏捷地消除机床复杂的故障；二是实现设计、制造、使用和维修各单位的联盟，大大提高维修资源利用范围和利用率。

3）智能化。大量引入人工智能技术，有助于机床复杂故障的快速诊断和消除，开辟机床维修的新知识资源和新智慧资源。