智能机床

马春年 肖 博 于光旭

(北京工研精机股份有限公司，北京 101312)

1 智能机床的提出

中国制造2025拟打造五大工程，其中之一是智能制造。智能制造是基于信息系统、物理系统高度互联下的制造，其能源管理、供应链管理、生产管理及生产设备全部智能化，这就是所谓的智能工厂。用于装备智能工厂的机床必须是智能机床，我们称之了几十年的数控机床将被智能机床所取代。

2 智能机床的概念

智能机床至今尚未有一个权威的解释，大致可理解为：机床具备感知、推理、决策及学习的能力。随着电子信息技术的不断发展与成熟，智能化会有不同的内涵，人们对机床智能化的要求会越来越高，从这个意义上讲，智能机床只有更智能，没有最智能。

机床具有感知能力：就要求机床将装备更多的传感器，比如：温度传感器、振动传感器、扭矩传感器、声控传感器等，为智能机床推理、决策提供已知条件或感知条件的变化。

机床具有推理、决策能力：就要求机床能够根据现有条件得出正确的结果或根据现有条件的变化采取应对措施，以保证结果的正确性。可见智能机床应具有更高的运算速度、具备处理大数据的能力，确保根据感知条件的变化实时决策对现有数据的修正。

机床具有自我学习能力：智能机床会对自己加工过的工件相关数据做记录与分析，在此基础上对正在加工的同品种工件做出修正措施，以保证加工结果更精准。即机床能根据上一个工件加工结果检测数据，决策出对下一个同品种工件加工程序的修正，这种修正有利于工件精度的提高。

3 智能机床对相关产品的新要求

智能机床除了在机床结构设计上要有利于智能化之外，其更多的智能功能要通过反馈元件、控制系统、刀具的智能化得以实现。

反馈元件：数控机床对反馈元件的需求只局限于对角度值、位置值的高精度检测与可靠性传输，而智能机床除此之外，还需要它能承载其他信息，如：温度信息、振动信息等。

这样机床上无需另加温度传感器，控制系统通过该温度信息感知机床发热状况，从而进行热位移补偿。

这样机床上无需另加振动传感器，控制系统通过该振动信息感知机床振动状况，从而对振动采取抑制措施。

当然在机床相关部件上预埋传感器，也可以获取相关信息，这样会增加走线的复杂性。

刀具附件： 智能机床对刀具的管理更全面，包括：寿命管理(刀具磨损)、破损管理、刀具信息自动获取及刷新。

刀具寿命管理、刀具破损检测是由控制系统实现的，刀具信息管理则要求刀具自带芯片，控制系统可自动获取其刀具信息，其中最主要的是刀具补偿有关信息。

控制系统：智能机床要求系统提供更多的智能功能，比如：

热补偿功能：根据温度传感器提供的温度信息系统可自动实现热补偿。

振动抑制功能：根据振动传感器提供的振动信息系统可自动实现振动抑制。

防碰撞功能：根据工件图纸系统可自动生成加工干涉区，结合刀具补偿信息实现防碰撞。

进给速率自适应控制：根据主轴负载变化调整进给倍率。

刀具信息化处理：自动读取刀具。

芯片信息，刷新刀补数据。

具有刀具寿命管理及刀具破损检测。

具有丰富的自诊断功能，不仅能提供故障内容，还能提供故障点位置。

运算速度更快，具有处理大数据能力。

4 智能机床的现状

世界各大机床厂家都在机床智能化方面迈出了步伐，初步统计机床已在以下几个方面实现了智能化：

机床防碰撞功能：系统由工件加工图自动生成工件三维图，从而自动生成干涉区域，结合刀具补偿数据，实现加工过程中的自动防碰撞。

加工表面质量/速度/精度优先：机床会根据优先级别，自动调整加工程序及系统参数，以实现优先目的。

切削自适应：根据主轴负载变化，自动调节进给速度，以保护刀具、减小振颤。

温度补偿功能：机床根据环境温度的变化，自动补偿机床热变形。

振动抑制功能：机床根据振动信息的变化，自动采取抑振措施。

刀具信息自动识别：机床自动获取刀具芯片信息、修正刀补数据。

刀具破损检测：机床对刀具破损自动检测。

北京机床研究所也在机床智能方面做了大量工作，主要有：

主轴热误差补偿技术(一维热补偿)；

X、Y平面内热误差补偿(二维热补偿)；

三维空间误差实时补偿(综合误差，包括：热、几何)；

五轴摆台、摆头空间干涉区处理。

5 智能机床展望

高精度趋势：

未来的制造业，对机床的精度要求越来越高。提高机床精度，除绝对提高机床零件精度及机床装配精度之外，通过控制技术的集成以提高机床精度的作法越来越受青睐。如：热补偿技术、空间误差补偿技术、振颤自抑技术、参数(机床参数、切削参数)自适应调整技术等，均可有效地提高机床精度、提高工件加工精度。

高自动化趋势：

未来的制造业，对机床的需求不仅仅要求其能加工出高精度的工件，还要求从毛坯到成品，整个过程无人干预，可见机床高度自动化、功能复合化是必然的趋势。

高度自动化就要求机床必须集成以下相关功能或装置：

自动门、自动夹具、多工位交换台、自动装卸料装置、刀具破损检测、工件在线检测，同时还应具备多序复合加工。

信息化趋势：物联网彻底实现了机-机交互，人-机交互将成为历史，数字化、信息化取代一切。

标准化趋势：这里的标准化泛指机床接口标准化，在互联互通的时代，大制造、大协同成为必然，标准化极为重要，包括通信协议、走线接口、追加附件接口等，否则将被网在局外，乃至淘汰。