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智能機床的研究與發展
http://www.debgrams.com 2007-08-20 09:43 來源：中國數控工業聯盟
從1952年第一臺數控機床問世至今50余年，其中包括走向成熟的30年和走向大規模應用的20余年。數控機床依次分別經歷了納米化、高速化、復合化、五軸聯動化等技術發展階段。而于06年智能機床在國際上的出現，標志著機床技術在發展的道路上邁出的重大步伐。
何謂智能機床？智能機床就是對制造過程能夠做出決定的機床。智能機床了解制造的整個過程，能夠監控，診斷和修正在生產過程中出現的各類偏差。并且能為生產的最優化提供方案。此外，還能計算出所使用的切削刀具，主軸，軸承和導軌的剩余壽命，讓使用者清楚其剩余使用時間和替換時間。
智能機床發展的意義
機床技術發展的前景和目標，是能夠實現裝備制造業的全盤自動化，由單機自動化向FMC，CIM，CIMS發展，提高加工精度、效率，降低制造成本，為人類創造更多的財富。在實現全盤自動化過程中，需要解決的技術問題異常復雜，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、聯網、信息存儲、控制等。如何用智能化代替人的手工和腦力勞動，是最關鍵的核心問題。
智能機床的出現，為未來裝備制造業實現全盤生產自動化創造了條件。首先，通過自動抑制振動、減少熱變形、防止干涉、自動調節潤滑油量、減少噪音等，可提高機床的加工精度、效率。其次，對于進一步發展集成制造系統來說，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雜問題，更能進一步發展智能機床和智能系統。第三，數控系統的開發創新，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，對各種信息進行儲存、分析、處理、判斷、調節、優化、控制。它還具有重要功能，如：工夾具數據庫、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、實際加工負荷監視、加工導航、調節、優化，以及適應控制。
智能機床的發展過程
早在上世紀80年代，美國就曾提出研究發展“適應控制”機床，但由于許多自動化環節如自動檢測、自動調節、自動補償等沒有解決，雖有各種試驗，但進展較慢。后來在電加工機床（EDM）方面，首先實現了“適應控制”，通過對放電間隙、加工工藝參數進行自動選擇和調節，以提高機床加工精度、效率和自動化。
隨后，由美國政府出資創建的機構——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合體對智能機床進行了加速的研究。
而于06年9月在IMTS展會上展出的日本MAZAK公司研發制造的智能機床，則向未來理想的“適應控制”機床方面大大前進了一步。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、數控系統具有特殊的人機對話功能，在編程時能在監測畫面上顯示出刀具軌跡等，進一步提高了切削效率。六、機床故障能進行遠距離診斷。[page_break]
智能機床的最新研究成果
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控機床；日本Okuma（大隈）公司展出了名為“thinc”的智能數字控制系統（Intelligent Numerical Control System）。
Mazak的智能機床：發出信息和進行思考
Mazak對智能機床的定義是：機床能對自己進行監控，可自行分析眾多與機床、加工狀態、環境有關的信息及其他因素，然后自行采取應對措施來保證最優化的加工。換句話說，機床進化到可發出信息和自行進行思考。結果是：機床可自行適應柔性和高效生產系統的要求。當前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。
Okuma的智能機床：具備“思想”
Okuma的智能數字控制系統的名稱為“thinc”，它是英文“思想”（think）的諧音，表明它具備思想能力。Okuma認為當前經典的數控系統的設計（結構），執行和使用（design、implementation、use） 三個方面已經過時，對它進行根本性變革的時機已經到來。
Okuma說，thinc不僅可在不受人的干預下，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用中自行不斷增長，并會更加自適應新的情況和需求，更加容錯，更容易編程和使用。總之，在不受人工干預的情況下，機床將為用戶帶來更高的生產效率。
GE Fanuc公司和辛辛那提公司的進展
GE Fanuc公司引入的一套監控和分析方案也是智能機床發展的一個例子，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，基于互聯網的方案應運而生，它是通過收集機床和其它設備復雜的基本數據而提供的富有洞察力的、可指出原因的分析方法。它還提供一套遠程診斷工具，從而使不出現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管理系統中監控不同的現場。智能機床的另一個例子是辛辛那提的多任務加工中心設計的軟件，它可探測到B 旋轉軸的不平衡條件。裝備了SINUMERIK 840D 控制系統，新的平衡傳感器監控Z軸發生的錯誤后準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生出一個顯示圖，來確定出不平衡的位置所在以及需要進行多少補償。該技術也已用于Giddings & Lewis的立式車床上。[page_break]
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域的成果。不同“智能機床”模塊的目標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化切削過程，從而改善工藝安全性和工件加工質量。
米克朗的高級工藝控制系統（APS）模塊是一套監視系統，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的，而且能很好地用于其它切削加工系統。
無線通知系統（RNS）
“無線通知系統”模塊開啟了通信和靈活性的新紀元。通過這一系統，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和程序執行狀態。
全球首創、獨家所有的智能操作人員支持系統（OSS）
操作人員支持系統（OSS）能根據工件的結構和加工要求，優化加工過程。通過易用的用戶界面，用戶可以方便地設定目標尺寸、轉速、精度和表面光潔度以及工件重量和加工的復雜程度等參數并能隨時修改。
智能機床的未來
21世紀，數控機床將在現有技術基礎上，由機械運動的自動化向信息控制的智能化方向發展。其發展速度和高度將取決于人才、科研、創新、合作四個方面。 2006年展出的這個世界上第一臺智能機床，還需要進一步的完善、提高。如在機、電、液、氣、光元件和控制系統方面；在加工工藝參數的自動收集、存儲、調節、控制、優化方面；在智能化、網絡化、集成化后的可靠性、穩定性、耐用性等方面，都還需要深入研究。
何謂智能機床？智能機床就是對制造過程能夠做出決定的機床。智能機床了解制造的整個過程，能夠監控，診斷和修正在生產過程中出現的各類偏差。并且能為生產的最優化提供方案。此外，還能計算出所使用的切削刀具，主軸，軸承和導軌的剩余壽命，讓使用者清楚其剩余使用時間和替換時間。
智能機床發展的意義
機床技術發展的前景和目標，是能夠實現裝備制造業的全盤自動化，由單機自動化向FMC，CIM，CIMS發展，提高加工精度、效率，降低制造成本，為人類創造更多的財富。在實現全盤自動化過程中，需要解決的技術問題異常復雜，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、聯網、信息存儲、控制等。如何用智能化代替人的手工和腦力勞動，是最關鍵的核心問題。
智能機床的出現，為未來裝備制造業實現全盤生產自動化創造了條件。首先，通過自動抑制振動、減少熱變形、防止干涉、自動調節潤滑油量、減少噪音等，可提高機床的加工精度、效率。其次，對于進一步發展集成制造系統來說，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雜問題，更能進一步發展智能機床和智能系統。第三，數控系統的開發創新，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，對各種信息進行儲存、分析、處理、判斷、調節、優化、控制。它還具有重要功能，如：工夾具數據庫、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、實際加工負荷監視、加工導航、調節、優化，以及適應控制。
智能機床的發展過程
早在上世紀80年代，美國就曾提出研究發展“適應控制”機床，但由于許多自動化環節如自動檢測、自動調節、自動補償等沒有解決，雖有各種試驗，但進展較慢。后來在電加工機床（EDM）方面，首先實現了“適應控制”，通過對放電間隙、加工工藝參數進行自動選擇和調節，以提高機床加工精度、效率和自動化。
隨后，由美國政府出資創建的機構——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合體對智能機床進行了加速的研究。
而于06年9月在IMTS展會上展出的日本MAZAK公司研發制造的智能機床，則向未來理想的“適應控制”機床方面大大前進了一步。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、數控系統具有特殊的人機對話功能，在編程時能在監測畫面上顯示出刀具軌跡等，進一步提高了切削效率。六、機床故障能進行遠距離診斷。[page_break]
智能機床的最新研究成果
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控機床；日本Okuma（大隈）公司展出了名為“thinc”的智能數字控制系統（Intelligent Numerical Control System）。
Mazak的智能機床：發出信息和進行思考
Mazak對智能機床的定義是：機床能對自己進行監控，可自行分析眾多與機床、加工狀態、環境有關的信息及其他因素，然后自行采取應對措施來保證最優化的加工。換句話說，機床進化到可發出信息和自行進行思考。結果是：機床可自行適應柔性和高效生產系統的要求。當前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。
Okuma的智能機床：具備“思想”
Okuma的智能數字控制系統的名稱為“thinc”，它是英文“思想”（think）的諧音，表明它具備思想能力。Okuma認為當前經典的數控系統的設計（結構），執行和使用（design、implementation、use） 三個方面已經過時，對它進行根本性變革的時機已經到來。
Okuma說，thinc不僅可在不受人的干預下，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用中自行不斷增長，并會更加自適應新的情況和需求，更加容錯，更容易編程和使用。總之，在不受人工干預的情況下，機床將為用戶帶來更高的生產效率。
GE Fanuc公司和辛辛那提公司的進展
GE Fanuc公司引入的一套監控和分析方案也是智能機床發展的一個例子，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，基于互聯網的方案應運而生，它是通過收集機床和其它設備復雜的基本數據而提供的富有洞察力的、可指出原因的分析方法。它還提供一套遠程診斷工具，從而使不出現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管理系統中監控不同的現場。智能機床的另一個例子是辛辛那提的多任務加工中心設計的軟件，它可探測到B 旋轉軸的不平衡條件。裝備了SINUMERIK 840D 控制系統，新的平衡傳感器監控Z軸發生的錯誤后準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生出一個顯示圖，來確定出不平衡的位置所在以及需要進行多少補償。該技術也已用于Giddings & Lewis的立式車床上。[page_break]
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域的成果。不同“智能機床”模塊的目標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化切削過程，從而改善工藝安全性和工件加工質量。
米克朗的高級工藝控制系統（APS）模塊是一套監視系統，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的，而且能很好地用于其它切削加工系統。
無線通知系統（RNS）
“無線通知系統”模塊開啟了通信和靈活性的新紀元。通過這一系統，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和程序執行狀態。
全球首創、獨家所有的智能操作人員支持系統（OSS）
操作人員支持系統（OSS）能根據工件的結構和加工要求，優化加工過程。通過易用的用戶界面，用戶可以方便地設定目標尺寸、轉速、精度和表面光潔度以及工件重量和加工的復雜程度等參數并能隨時修改。
智能機床的未來
21世紀，數控機床將在現有技術基礎上，由機械運動的自動化向信息控制的智能化方向發展。其發展速度和高度將取決于人才、科研、創新、合作四個方面。 2006年展出的這個世界上第一臺智能機床，還需要進一步的完善、提高。如在機、電、液、氣、光元件和控制系統方面；在加工工藝參數的自動收集、存儲、調節、控制、優化方面；在智能化、網絡化、集成化后的可靠性、穩定性、耐用性等方面，都還需要深入研究。
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