數(shù)控機(jī)床智能機(jī)

智能機(jī)床早出現(xiàn)在賴特（P·K·Wright）與伯恩（D·A·Bourne）1998年出版的智能制造研究領(lǐng)域的首本專著《智能制造》（Manufacturing Intelligence）中。由于對(duì)*制造業(yè)具有重要作用，智能技術(shù)引起各個(gè)國(guó)家的重視。美國(guó)推出了智能加工平臺(tái)計(jì)劃（SMPI）；歐洲實(shí)施 “Next Generation Production System”研究；德國(guó)推出了“Industry 4.0”計(jì)劃；中國(guó)中*科技發(fā)展對(duì)“數(shù)字化智能化制造技術(shù)”提出了迫切需求，并制定了相應(yīng)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃；在2006年美國(guó)芝加哥制造技術(shù)展覽會(huì)（IMTS2006）上，日本Mazak公司推出的*命名為“Intelligent Machine”的智能機(jī)床和日本Okuma公司推出的命名為“thinc”的智能數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)啟了數(shù)控機(jī)床智能化時(shí)代。 

本文從傳感器出發(fā)，將數(shù)控機(jī)床的智能技術(shù)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(duì)智能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出不足，揭示了發(fā)展方向，并對(duì)未來(lái)進(jìn)行了展望。

智能傳感器

由機(jī)床、*、工件組成的數(shù)控機(jī)床制造系統(tǒng)在加工過(guò)程中，隨著材料的切除，伴隨著多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，隱含著豐富的信息。在這種動(dòng)態(tài)、非線性、時(shí)變、非確定性環(huán)境中，數(shù)控機(jī)床自身的感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化的基本條件。

數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)智能，需要各種傳感器收集外部環(huán)境和內(nèi)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(duì)人來(lái)講，眼睛是五官中重要的感覺(jué)器官，能獲得90％以上的環(huán)境信息，但視覺(jué)傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用還比較少。隨著自動(dòng)化和智能化水平的提高，視覺(jué)功能在數(shù)控機(jī)床中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

表1 數(shù)控機(jī)床可用傳感器 

隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)、嵌入技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)等技術(shù)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(yīng)用，為傳感器嵌入數(shù)控機(jī)床奠定了基礎(chǔ)。

由于制造過(guò)程中存在不可預(yù)測(cè)或不能預(yù)料的復(fù)雜現(xiàn)象和奇怪問(wèn)題，以及所監(jiān)測(cè)到的信息存在時(shí)效性、精確性、完整性等問(wèn)題，因此，要求傳感器具有分析、推理、學(xué)**等智能，這要求傳感器要有高性能智能處理器來(lái)充當(dāng)“大腦”。美國(guó)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(lái)可通過(guò)半導(dǎo)體集成技術(shù)，將高性能人工智能系統(tǒng)微處理器與傳感器、信號(hào)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(cè)、識(shí)別、記憶、分析等功能，而且具有自學(xué)**甚至思維能力。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、MEMS技術(shù)、高新材料技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等不斷進(jìn)步，智能傳感器將會(huì)在數(shù)控機(jī)床智能感知方面帶來(lái)全新變革。

智能功能

數(shù)控機(jī)床向高速、高效、高精化發(fā)展，要求數(shù)控機(jī)床具有熱補(bǔ)償、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、磨損監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等智能功能。融合幾個(gè)或幾種智能傳感器，采用人工智能方法，通過(guò)識(shí)別、分析、判斷及推理，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能功能，為智能部件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

數(shù)控機(jī)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(jī)床總誤差的50%以上，是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵因素，如圖1所示。其中，幾何誤差是制造、裝配過(guò)程中造成的與機(jī)床結(jié)構(gòu)本身有關(guān)的誤差，隨時(shí)間變化不大，屬于靜態(tài)誤差，誤差預(yù)測(cè)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)系統(tǒng)的補(bǔ)償功能得到有效控制，而熱誤差隨時(shí)間變化很大，屬于動(dòng)態(tài)誤差，誤差預(yù)測(cè)模型復(fù)雜，是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

數(shù)控機(jī)床智能機(jī)