智能化主軸單元*
2013-09-29 12:16關曉勇張明洋劉春時林劍峰張曉明
制造技術(shù)與機床 2013年7期
關曉勇 張明洋 劉春時 林劍峰 李 焱 張曉明 劉 迪
(沈陽機床(集團)設計研究院，遼寧 沈陽 110142)
主軸單元是數(shù)控機床的關鍵功能部件，是數(shù)控機床實現(xiàn)模塊化設計必然要求。主軸單元既是數(shù)控機床整體的一個有機組成部分，又具有相對的獨立性。這種獨立性首先表現(xiàn)在主軸單元可以作為獨立的有生命力的產(chǎn)品，同一主軸單元產(chǎn)品可以為不同使用要求的整機服務。那么，什么是智能化主軸單元?或者說主軸單元的智能化體現(xiàn)在哪里?
對于智能化主軸單元來說，具有一項或幾項智能化的功能是起碼的要求，否則“智能化”無從談起。對于“智能化”的內(nèi)容，可以從美國SMPI和日本山崎馬扎克對智能化機床的理解中有所窺見。
美國主導的智能加工平臺計劃SMPI認為，智能機床至少應具備以下特征［1］:
(1)知曉自身的加工能力/條件，并且能與操作人員交流、共享這些信息;
(2)能夠自動監(jiān)測和優(yōu)化自身的運行狀況;
(3)可以評定產(chǎn)品/輸出的質(zhì)量;
(4)具備自學習與提高的能力;
(5)符合通用的標準，機器之間能夠無障礙地進行交流。
日本山崎馬扎克的定義更加簡單:機床自身可以替代操作人員的經(jīng)驗技術(shù)或感官支持加工過程，減輕操作人員的負擔，實現(xiàn)機床的機器人化，從制造零件的機械到制造零件的機器人，這就是具有智能化功能的機床［2］。
馬扎克給出的定義較為籠統(tǒng)，如果對操作人員的經(jīng)驗替代或工作負荷的減輕算作“智能”，那么，當前的數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床比較起來都應該叫做“智能機床”。顯然，SMPI給出的定義更為全面，也符合我們通常意義上對智能化的理解。但不管怎樣，SMPI和馬扎克都是智能化領域的先行探索者。
根據(jù)對主軸單元開發(fā)、應用的經(jīng)驗，參照SMPI對智能機床的定義，認為智能化主軸單元應具有如下特性:
(1)具備必要的感知元件，能為數(shù)控系統(tǒng)判斷單元自身的加工能力/條件提供必要的信息，并有可能具備與操作人員交流的能力;
(2)能夠感知自身的運行狀況、評定輸出的品質(zhì)，并對改善指令做出回應;
(3)至少有一項功能表現(xiàn)為與機床/系統(tǒng)智能化的互相強依賴性——應用一般的數(shù)控系統(tǒng)或一般的主軸單元都會表現(xiàn)為該功能明顯的退化或喪失;
(4)符合通用的標準，可以與多品種的高端(智能)數(shù)控系統(tǒng)做到兼容。
下面對智能化主軸單元發(fā)展狀況的介紹，將有助于加深對智能化主軸單元的進一步認識。
1 智能化主軸單元的發(fā)展現(xiàn)狀
日本山崎馬扎克所開發(fā)的e系列智能化機床，所涉及的一項重要功能就是智能化主軸監(jiān)控功能(IPS)，可以對主軸的溫度、振動、位移等狀況進行自我監(jiān)控，可預先防止主軸故障，將停機時間降到最短。
米克朗公司的Mikron HSM系列高速銑削加工中心，通過在電主軸殼體安裝加速度傳感器來實現(xiàn)對振動的監(jiān)控，將銑削過程中監(jiān)控到的振動以加速度g的形式顯示，并將振動大小在0～10g范圍內(nèi)分成幾個區(qū)段。其中，0～3g表示加工過程、刀具和夾具都處于良好狀態(tài);3～7g表示加工過程需要調(diào)整，否則將導致主軸和刀具壽命的降低;7～10g表示危險狀態(tài)，如果繼續(xù)工作，將造成主軸、機床、刀具及工件的損壞。在此基礎上，數(shù)控系統(tǒng)還可預測在不同振動級別主軸部件的壽命。
瑞士GFAC集團旗下的Step－Tec公司生產(chǎn)的智能化電主軸，采用自主研發(fā)的intelliSTEP智能化軟件控制，通過處理布置在主軸上的多個傳感器信息，可以達到監(jiān)控和優(yōu)化主軸工況的目標，比如監(jiān)控主軸的軸向位移、溫升、振動、刀具拉桿位置等，如圖1所示。
瑞士Fischer公司可以提供面向主軸單元智能化的整套硬件、軟件解決方案，其smartVision軟件可以對主軸的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，還可以預測主軸軸承的剩余使用壽命，以便將主軸的性能發(fā)揮到極致，其監(jiān)控的項目包括主軸轉(zhuǎn)速、使用功率、刀具更換次數(shù)、主軸溫度、振動大小等。
以色列OMAT公司的ACM自適應監(jiān)控系統(tǒng)(如圖2)，作為西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的重要選件，可以提供多種版本形式，外裝式ACM裝置、純軟件集成式ACM、PC卡軟硬件混合式ACM和單元軟硬件混合式ACM。其中，軟硬件混合式ACM應用最為普遍。
ACM是一個實時自適應控制系統(tǒng)，實時采樣機床主軸負載變化，根據(jù)變化自動調(diào)節(jié)機床進給率至最佳值。并且實時監(jiān)視記錄主軸切削負載、進給率變化，刀具磨損量等加工參數(shù)，并輸出圖形、數(shù)據(jù)至Windows用戶圖形界面。ACM的采用可以使一般的主軸(非智能化)表現(xiàn)出智能的特性——自適應工況，并使機床切削效率得到最大發(fā)揮;若是與智能化主軸相結(jié)合，將會使主軸的智能化功能得到更大的擴展。
韓國某大學的科研人員研究了軸承預緊力可控的技術(shù)［4］，并在其原理樣機中證明了可行性。如圖3所示，通過調(diào)節(jié)電磁原件的動力輸出，經(jīng)滑動環(huán)、彈簧的傳遞作用于角接觸球軸承外圈，達到控制軸承預緊力的目的。當主軸單元重切削時，轉(zhuǎn)速較低，選擇大的預緊力可以提高主軸的剛度;當主軸輕切削時，選擇較小的預緊力可以滿足高轉(zhuǎn)速的需求。現(xiàn)在很多主軸單元專業(yè)制造商，如Step－Tec、日本NSK等，都可以提供具備該功能的成熟主軸單元產(chǎn)品，只是預緊力的控制通常采用液壓元件，但原理相同。美國TIMKEN公司［3］更是將部分液壓元件整合到圓錐滾子軸承之中，既在軸承的內(nèi)外環(huán)之間形成一個液壓腔，用戶只需控制聯(lián)入液壓腔的油壓即可達到改變軸承預緊力的目的，使主軸的結(jié)構(gòu)設計更加簡化。
誤差補償是提高數(shù)控機床產(chǎn)品精度的重要手段，其包括熱誤差補償、幾何誤差補償、綜合誤差補償?shù)?。但無論何種補償手段，通常都是在數(shù)控機床中通盤考慮的，很少在某個部件中單獨作出。在主軸單元中單獨考慮誤差的補償，比較有代表性的工作如圖4所示［5］，通過測試到的切削載荷，計算刀具變形，然后通過壓電作動器微量調(diào)整主軸(刀具)的工作姿態(tài)，消除由于刀具變形引起的加工誤差。這種補償機構(gòu)對只有直線進給軸的三軸加工中心作用會很明顯，但對于五軸機床來說實用性則受到制約，因為五軸機床可以同時對刀具的位置和姿態(tài)做出補償。
2 智能化主軸組的關鍵技術(shù)
通過以上對智能化主軸發(fā)展現(xiàn)狀的描述，可以對主軸組智能化發(fā)展的關鍵技術(shù)概括為以下幾個方面:
2.1 智能化軟件的開發(fā)
開放式、智能化是機床數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向［1］。當前商業(yè)化的高端系統(tǒng)都具備一定的開放性，可以為客戶預留一定的二次開發(fā)、功能擴展的接口，這一點可以在ACM監(jiān)控系統(tǒng)于西門子840D上的應用得到驗證。數(shù)控系統(tǒng)是機床的控制“中樞”，功能部件無論怎樣發(fā)展，如何智能，都需要具備與數(shù)控系統(tǒng)交換信息的能力，否則就成了一個沒有價值的“孤立”部件。前面所述主軸單元的智能診斷、誤差補償、溫度監(jiān)控等諸多功能的實現(xiàn)，都離不開一個開放的、智能化的數(shù)控系統(tǒng)。可見，智能化軟件是智能化機床發(fā)展的需要，也是智能化功能部件的發(fā)展需要。
從intelliSTEP、smartVision等智能化軟件的出現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)主軸單元智能化的實現(xiàn)也離不開“部件”層級的軟件智能化。這種將智能向底層傳遞的結(jié)果，一方面可以減輕上層數(shù)控系統(tǒng)的負擔，另一方面當單元作為獨立的產(chǎn)品存在時，很大程度上方便了用戶的應用，簡化了用戶與數(shù)控系統(tǒng)交互的復雜性。
2.2 振動的自動抑制技術(shù)
振動會使加工精度變差、加工效率降低，嚴重時會損壞刀具、主軸等零部件，造成經(jīng)濟損失。米克郎公司的做法是規(guī)定了振動的允許限值，一旦超過某個限值加工過程就要被終止。
加拿大哥倫比亞大學Altintas教授等做的研究是首先通過實驗、分析的方法建立加工系統(tǒng)振動模型，然后通過避開共振頻率的做法來提高加工精度、保證加工效率［6－8］。從主軸單元設計的角度，提高系統(tǒng)阻尼、優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)、提高動平衡等級等都是抑制振動的有效手段。
2.3 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇
避免切削共振的過程本身也是一個加工參數(shù)的優(yōu)化選擇過程，加工精度、加工效率也是參數(shù)優(yōu)化的重要指標。加工參數(shù)的優(yōu)化也需要盡可能完備的工藝知識庫作為支撐，如刀具特性、工件材料特性、機床特性等。OMAT公司的做法則近似混入了一種類似“試切削”的做法，在工藝知識了解的基礎上，通過監(jiān)測主電動機功率來不斷修正進給參數(shù)，達到提高加工效率的目的。
2.4 主軸溫度的監(jiān)控及熱誤差的補償
主軸單元在加工過程中，主軸電動機、軸承、刀具切削等都會產(chǎn)生熱量，而主軸箱、冷卻液、周邊空氣等外圍環(huán)境又是熱交換過程的參與因素。一方面，要控制溫度的絕對值，過高的溫度會誘發(fā)電動機、軸承發(fā)生故障，使主軸不能工作;另一方面，溫度的升高或變化不可避免，會導致主軸熱伸長產(chǎn)生加工誤差。通常有3種常用的熱誤差測試補償方法:第一種方法是在整機上對BLUM等光學非接觸式或觸點接觸式監(jiān)測系統(tǒng)的選用，其監(jiān)測在機床換刀過程中發(fā)生，主軸處于非加工狀態(tài)，因而該方法與主軸單元本身的聯(lián)系不夠緊密，甚至不必歸結(jié)到主軸特性中;第二種方法是要在主軸法蘭、或主軸外殼體中安裝位移傳感器，如圖5所示，監(jiān)測主軸的熱伸長變化，相應地由機床坐標軸偏置做出誤差補償;第三種做法是在主軸單元的關鍵發(fā)熱點布置溫度傳感器，如圖6對沈陽機床FIDIA D165加工中心的測試，傳感器的數(shù)量、位置通常都要經(jīng)過優(yōu)化，然后在加工過程中動態(tài)建立、修正熱誤差模型，最終實現(xiàn)熱誤差補償。后兩種方法因與主軸單元的設計緊密關聯(lián)，并且在主軸實際加工過程中實時測試，因而更加受到主軸生產(chǎn)商的重視。
2.5 刀具狀態(tài)監(jiān)控與變形補償
刀具的磨損會對加工過程產(chǎn)生重要影響，過早地換刀會降低加工效率、影響經(jīng)濟性，過遲地換刀會使加工質(zhì)量惡化、產(chǎn)生廢品;而刀具的破損會造成加工過程中斷，并可能引發(fā)生產(chǎn)事故，因此對刀具狀態(tài)的監(jiān)控就顯得意義重大。主軸單元是刀具負荷的直接載體，是否裝入了正確的刀具、聯(lián)接端口是否將刀具準確定位、拉刀機構(gòu)是否將刀具充分拉緊，這些都是刀具進行工作的先決條件，在切削工作開始前就應得到保障。在刀具切削過程中，如何發(fā)現(xiàn)反映刀具狀態(tài)變化的監(jiān)測量是研究的熱點。OMAT公司的做法是監(jiān)測主軸電動機功率的變化，也有很多學者做了其他監(jiān)測方法的研究［6］，比如直接監(jiān)測主軸電動機電流和進給電動機電流的方法，這些方法都在實踐、試驗過程中得到了驗證。
刀具變形的補償工作首先就是要檢測或預測到變形量的大小，然后將其分解為數(shù)控機床各進給軸或補償機構(gòu)的補償量。首先預知切削力的大小，再根據(jù)刀具系統(tǒng)剛度計算變形量是有效的手段之一。刀具變形的補償與由切削力引起的其他誤差的補償綜合加以考慮，將更具實際意義。
2.6 故障自診斷與壽命預測
智能化主軸單元的故障自診斷需要現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)、信號處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)、專家數(shù)據(jù)庫技術(shù)等多學科的交叉應用，對主軸的運轉(zhuǎn)狀態(tài)要有預測、實時診斷、故障分析處理、故障信息存儲等多方面的能力，并可告知操作者剩余的使用壽命。這將極大地促進生產(chǎn)效率的提高，提高經(jīng)濟性。
其他一些智能化技術(shù)，因應用范圍有限，比如自適應動平衡技術(shù)多用于磨床主軸單元;或因可以涵蓋在已經(jīng)歸納的范疇，比如潤滑量自動調(diào)節(jié)技術(shù)、冷卻系統(tǒng)智能控制技術(shù)等可歸結(jié)為熱誤差補償、軸承狀態(tài)監(jiān)測，這里不再一一列舉。
3 智能化主軸組的發(fā)展?jié)摿?/h2>
無論是數(shù)控機床的智能化還是主軸組等功能部件的智能化，都離不開人工智能技術(shù)的發(fā)展和應用。當前的智能化機床和主軸單元尚還處于對各種傳感器的應用和感知階段，決策能力有限，推理、自學習能力則更顯不足，盡管表現(xiàn)出一定的自適應性，但與真正意義上的智能化還有相當?shù)木嚯x，發(fā)展前景廣闊。
從現(xiàn)有的智能化應用效果來看，未來的發(fā)展?jié)摿σ彩蔷薮蟮?。根?jù)對ACM應用效果的統(tǒng)計，用于輪廓銑削節(jié)省時間約38%、用于銑槽節(jié)省時間約34%、用于3D銑面節(jié)省時間約37%、用于鉆孔節(jié)省時間約28%。沈陽機床集團控股的云南昆機股份有限公司與以色列OMAT公司合作，將ACM應用于THM4680臥式加工中心，經(jīng)實驗驗證大面銑削效率可提高約33%?？梢?，智能化為數(shù)控機床、主軸組為代表的功能部件指明了未來發(fā)展方向。
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