智能制造裝備及系統(tǒng) 配套課件

智能制造裝備及系統(tǒng)配套課件項(xiàng)目1基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目2智能精密臥式加工中心與機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)項(xiàng)目3智能伺服壓力機(jī)與智能沖壓生產(chǎn)線項(xiàng)目4智能數(shù)控車床與智能車削生產(chǎn)線目

錄項(xiàng)目1智能制造裝備及系統(tǒng)：基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)緒論智能制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)智能制造裝備的基本概念智能制造裝備的主要分類國(guó)內(nèi)外智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀1

緒論1.1

智能制造裝備的基本概念1.1.1智能制造裝備的定義智能制造裝備是指具有感知、分析、推理、決策、執(zhí)行功能的制造裝備（主要是指數(shù)控機(jī)床）的總稱，是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的高度集成，在航空、航天、汽車、能源、海洋等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)制造領(lǐng)域占據(jù)著重要地位并發(fā)揮著關(guān)鍵作用。大力發(fā)展智能制造裝備能夠加快制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升制造裝備的研發(fā)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，還能降低能源與資源的消耗，同時(shí)智能制造裝備的發(fā)展水平也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。1.1.2智能制造裝備的特征智能制造裝備是機(jī)電系統(tǒng)與人工智能系統(tǒng)的高度融合，充分體現(xiàn)了制造業(yè)向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。與傳統(tǒng)的制造裝備相比，智能制造裝備的主要特征包括：自我感知能力。自適應(yīng)和優(yōu)化能力。自我診斷和維護(hù)能力。自主規(guī)劃和決策能力。1.1.3制造裝備智能化的意義智能制造裝備是未來(lái)制造裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)智能制造裝備是全面發(fā)展社會(huì)生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)智能制造裝備是推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心力量1.2

智能制造裝備的主要分類智能制造裝備是人工智能技術(shù)與制造裝備技術(shù)的深度融合，覆蓋了龐大的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，典型的智能制造裝備包括：智能機(jī)床；智能數(shù)控系統(tǒng)；智能機(jī)器人；智能傳感器；智能裝配裝備；智能制造單元與生產(chǎn)線等。1.2.1智能機(jī)床傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床不具有“自感知”“自適應(yīng)”“自診斷”與

“自決策”的特征，無(wú)法滿足智能制造的發(fā)展需求。智能機(jī)床可以認(rèn)為是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的高級(jí)形態(tài)，它融合了先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)，具有自我感知和預(yù)估自身狀態(tài)的能力，其主要技術(shù)特征包括：利用歷史數(shù)據(jù)估算設(shè)備及關(guān)鍵零部件的使用壽命；能夠感知自身加工狀態(tài)和環(huán)境的變化，診斷出故障并給出修正指令；對(duì)所加工工件的質(zhì)量進(jìn)行智能化評(píng)估；基于各種功能模塊，實(shí)現(xiàn)多種加工工藝，提高加工效能，并降低對(duì)資源和能源的消耗。1.2.2智能數(shù)控系統(tǒng)智能數(shù)控系統(tǒng)除完成常規(guī)的數(shù)控任務(wù)外，還需要具備其他技術(shù)特征。智能數(shù)控系統(tǒng)需要具備開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)的智能化發(fā)展需要大量的用戶數(shù)據(jù)；智能數(shù)控系統(tǒng)還需要具備大數(shù)據(jù)采集與分析能力，支持內(nèi)部指令信息與外部力、熱、振動(dòng)等傳感信息的采集，獲得相應(yīng)的機(jī)床運(yùn)行及環(huán)境變化大數(shù)據(jù)，并通過(guò)人工智能方法對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立影響加工質(zhì)量、效率及穩(wěn)定性的知識(shí)庫(kù)，并給出優(yōu)化指令，提升自適應(yīng)加工能力；（3）智能數(shù)控系統(tǒng)還需要具備互聯(lián)互通功能，設(shè)置開(kāi)放式數(shù)字化互聯(lián)協(xié)議接口，借助物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，完成數(shù)控系統(tǒng)與其他設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理系統(tǒng)間的信息集成與共享。1.2.3智能機(jī)器人智能機(jī)器人是集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能技術(shù)于一體的智能制造裝備，其主體包括機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，具有擬人化、自控制、可重復(fù)編程等特點(diǎn)。智能機(jī)器人可以利用傳感器對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行感知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器間與人員之間的交互，并自主做出判斷，給出決策指令，從而在生產(chǎn)過(guò)程中減少對(duì)人的依賴。1.2.4智能傳感器智能傳感器是指能將待感知、待控制的參數(shù)進(jìn)行量化并集成應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的高性能、高可靠性與多功能的新型傳感器，通常帶有微處理系統(tǒng)，具有信息感知、信息診斷、信息交互的能力。智能傳感器是集成技術(shù)與微處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的系統(tǒng)化產(chǎn)品，其核心技術(shù)涉及5個(gè)方面：壓電技術(shù)、熱式傳感技術(shù)、微流控Bio

MEMS技術(shù)、磁傳感技術(shù)和柔性傳感技術(shù)。1.2.5智能裝配裝備隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能裝配技術(shù)及裝備開(kāi)始在航空、航天、汽車、半導(dǎo)體、醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。除此之外，智能裝配裝備在農(nóng)林、環(huán)境等領(lǐng)域也具有巨大的潛力。1.2.6智能單元與生產(chǎn)線智能單元與生產(chǎn)線是指針對(duì)制造加工現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，將一組能力相近相輔的加工模塊進(jìn)行一體化集成，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)能力的相互接通，具備適應(yīng)不同品種不同批量產(chǎn)品生產(chǎn)能力輸出的組織單元，也是數(shù)字化工廠的基本工作單元。智能單元與生產(chǎn)線還具有獨(dú)特的屬性與結(jié)構(gòu)，具體包括：結(jié)構(gòu)模塊化、數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)化、場(chǎng)景異構(gòu)柔性化及軟硬件一體化，這樣的特點(diǎn)使得智能單元與生產(chǎn)線易于集成為數(shù)字化工廠。在建立智能單元與生產(chǎn)線時(shí)，需要從資源、管理和執(zhí)行三個(gè)維度來(lái)實(shí)現(xiàn)基本工作單元的智能化、模塊化、自動(dòng)化、信息化功能，最終保證工作單元的高效運(yùn)行。1.3

國(guó)內(nèi)外智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀總體上，世界各國(guó)均將智能制造作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的目標(biāo)，

紛紛做出戰(zhàn)略部署，而智能制造裝備作為智能制造的核心載體，已成為競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。美國(guó)提出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，大力發(fā)展智能制造裝備歐盟推出“數(shù)字化歐洲工業(yè)”計(jì)劃，加快工業(yè)數(shù)字化進(jìn)程德國(guó)推出“工業(yè)4.0”計(jì)劃，建立智能生產(chǎn)系統(tǒng)日本推出“創(chuàng)新工業(yè)”計(jì)劃，重塑制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力1.3.2國(guó)內(nèi)智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)智能制造裝備發(fā)展較快，形成了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，在核心技術(shù)與重大裝備方面有了一定的積累，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)體系已初步形成，并在多個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。但作為一個(gè)正在培育和成長(zhǎng)的新興產(chǎn)業(yè)，我國(guó)智能制造裝備的發(fā)展仍然存在一些問(wèn)題，包括：缺乏核心技術(shù)自主創(chuàng)新能力關(guān)鍵零部件仍主要依賴進(jìn)口產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、智能化程度低骨干企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力不足2.1智能制造裝備與系統(tǒng)的組成2.6智能傳感2.2物聯(lián)網(wǎng)2.7互聯(lián)互通2.3大數(shù)據(jù)2.8遠(yuǎn)程運(yùn)維2.4云計(jì)算2.9小結(jié)2.5機(jī)器學(xué)習(xí)2

智能制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)2.1

智能制造裝備與系統(tǒng)的組成智能制造裝備通常包含裝備本體與相關(guān)的智能使能技術(shù)，裝備本體需要具備優(yōu)異的性能指標(biāo)，如精度、效率及可靠性，而相關(guān)的使能技術(shù)則是使裝備本體具有自感知、自適應(yīng)、自診斷、自決策等智能特征的關(guān)鍵途徑。智能制造裝備的組成如下圖所示。智能制造裝備單體雖然具備智能特征，但其功能和效率始終是有限的，無(wú)法滿足現(xiàn)代制造業(yè)規(guī)?；l(fā)展的需求，因此，需要基于智能制造裝備，進(jìn)一步發(fā)展和建立智能制造系統(tǒng)。如下圖所示為智能制造系統(tǒng)的組成示意圖。2.2

物聯(lián)網(wǎng)2.2.1物聯(lián)網(wǎng)的概念目前有如下幾個(gè)具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)定義。定義1：是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的整合部分，以標(biāo)準(zhǔn)、互通的通信協(xié)議為基礎(chǔ)，具有自我配置能力的全球性動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。定義2：指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。定義3：由具有標(biāo)識(shí)、虛擬個(gè)性的物體/對(duì)象所組成的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)架國(guó)際電信聯(lián)盟給出了公認(rèn)的3個(gè)層次，從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如右圖所示。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、傳感器、智能技術(shù)、納米技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)。2.2.2物聯(lián)網(wǎng)的主要實(shí)現(xiàn)方式2.2.3物聯(lián)網(wǎng)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用本節(jié)介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精密門(mén)窗鉸鏈智能制造系統(tǒng)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示。基于面向服務(wù)的架構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)把人、機(jī)、料接入物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）實(shí)現(xiàn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)交互。所有工件的工藝過(guò)程和對(duì)應(yīng)的人員信息均被系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄，通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，管理人員可以清楚地掌握所有工件的實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，并對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量做出有效管控。2.3

大數(shù)據(jù)2.3.1大數(shù)據(jù)的概念大數(shù)據(jù)是指存儲(chǔ)在各種介質(zhì)中的大規(guī)模的各種形態(tài)的數(shù)據(jù)，對(duì)各種存儲(chǔ)介質(zhì)中的海量信息進(jìn)行獲取、存儲(chǔ)、管理、分析、控制而得到的數(shù)據(jù)便是大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的大不止體現(xiàn)在容量方面，更體現(xiàn)在其價(jià)值方面，相較于數(shù)據(jù)量的大小，數(shù)據(jù)的多元性和實(shí)時(shí)性對(duì)大數(shù)據(jù)的價(jià)值有著更加直接的影響。大數(shù)據(jù)技術(shù)的意義在于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔?，再?gòu)男畔⒅蝎@取知識(shí)，從而可以更好地進(jìn)行決策。2.3.2大數(shù)據(jù)的主要實(shí)現(xiàn)方式大數(shù)據(jù)的架構(gòu)在邏輯上主要

分為四層，即數(shù)據(jù)采集層、

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理層、數(shù)據(jù)分

析層及數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如右圖

所示。2.3.3大數(shù)據(jù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用本節(jié)以高圣公司為例，給出大數(shù)據(jù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。

該公司首先利用傳感器收集切削加工過(guò)程中的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了帶鋸壽命衰退分析和預(yù)測(cè)算法模型。對(duì)加工產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)當(dāng)前的工件和工況信息進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)健康特征提取和歸一化

處理將當(dāng)前的健康特征反映到特征地圖上，實(shí)現(xiàn)帶鋸磨損狀態(tài)的

量化。分析處理后的數(shù)據(jù)信息被存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中建立帶鋸的生命

信息檔案，大量帶鋸的生命信息檔案形成一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，通

過(guò)大數(shù)據(jù)分析方法對(duì)其進(jìn)行分析，建立不同健康狀態(tài)下的最佳工

藝參數(shù)模型，延長(zhǎng)帶鋸的使用壽命。同時(shí)通過(guò)可視化技術(shù)，將帶

鋸健康信息展示給用戶，而當(dāng)需要對(duì)帶鋸進(jìn)行更換時(shí)對(duì)用戶進(jìn)行

提醒，并自動(dòng)補(bǔ)充帶鋸訂單。2.4

云計(jì)算2.4.1云計(jì)算的概念綜合不同文獻(xiàn)資料，可以認(rèn)為云計(jì)算是一種分布式的計(jì)算系統(tǒng)，有兩個(gè)主要特點(diǎn)：第一，其計(jì)算資源是虛擬的資源池，將大量

的計(jì)算資源池化，與之前的單個(gè)計(jì)算資源（下圖(a)）或多個(gè)計(jì)算資源（下圖(b)）不同，形成了大型的資源池（下圖(c)），并將其中的一部分以虛擬的基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、應(yīng)用等方式提供

給用戶；第二，計(jì)算能力可以有彈性地、快速地根據(jù)用戶的需

求增加或減少。除此之外，在一部分資料中，基于上述云計(jì)算

平臺(tái)的云計(jì)算應(yīng)用，也被囊括進(jìn)云計(jì)算的概念中。2.4.2云計(jì)算的主要實(shí)現(xiàn)方式依據(jù)所提供的計(jì)算資源不同，云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方式大致可以分為三種：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）?；A(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)是云計(jì)算中最底層的服務(wù)。平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）平臺(tái)即服務(wù)是比基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)更高層的云計(jì)算服務(wù)。軟件即服務(wù)（SaaS）云計(jì)算服務(wù)的最高一層是軟件即服務(wù)。2.4.3云計(jì)算在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)于工藝流程復(fù)雜的鋼鐵企業(yè)，收集、檢索、分析生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)并不輕松，實(shí)現(xiàn)工業(yè)信息化更是非常困難。自主搭建的傳統(tǒng)主機(jī)系統(tǒng)，信息儲(chǔ)存在硬盤(pán)上，成本高且效率低下，而云計(jì)算平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)龐大數(shù)據(jù)量的傳輸與處理，幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提升工業(yè)信息化程度。以寶鋼為例，企業(yè)建設(shè)了相應(yīng)的云平臺(tái)，該云平臺(tái)具有三層結(jié)構(gòu)，即移動(dòng)終端層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層與應(yīng)用層。通過(guò)使用云計(jì)算技術(shù)，不僅可以更好地進(jìn)行企業(yè)管理，還可以向社會(huì)提供云服務(wù)，為企業(yè)創(chuàng)造更大的商業(yè)價(jià)值。2.5

機(jī)器學(xué)習(xí)2.5.1機(jī)器學(xué)習(xí)的概念機(jī)器學(xué)習(xí)是一門(mén)典型的交叉學(xué)科，主要指利用計(jì)算機(jī)模擬人類的學(xué)習(xí)行為，使其自主獲取新的知識(shí)或掌握某種技能，并在實(shí)踐訓(xùn)練中重組自己已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，不斷改善其工作性能。機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程的本質(zhì)是基于已知數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)，其算法成立的基本原理在于數(shù)值和概念可以相互映射。機(jī)器學(xué)習(xí)的基本實(shí)現(xiàn)流程如下圖所示。2.5.2機(jī)器學(xué)習(xí)的主要實(shí)現(xiàn)方式1.概述機(jī)器學(xué)習(xí)算法整體上已形成多種分類形式，如下圖所示。根據(jù)學(xué)習(xí)態(tài)度和靈感來(lái)源，可分為符號(hào)主義、聯(lián)結(jié)主義、進(jìn)化主義、貝葉斯主義和類推主義等。根據(jù)學(xué)習(xí)模式和樣本結(jié)構(gòu)，可分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。依據(jù)學(xué)習(xí)方法和模型復(fù)雜度，可分為傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。其他常見(jiàn)學(xué)習(xí)算法包括遷移學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)、集成學(xué)習(xí)和演化學(xué)習(xí)等。2.典型算法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其最基本的數(shù)據(jù)處理單元如經(jīng)典的M-P神經(jīng)元模型。KNN（K臨近）算法與K-Means（K均值）算法KNN算法與K-Means算法均利用特征值之間的距離表征樣本間的不相似度。其中，KNN算法是監(jiān)督學(xué)習(xí)中典型的聚類算法，K-Means算法是無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)中典型的聚類算法。2.5.3機(jī)器學(xué)習(xí)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用由機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建的人工智能決策系統(tǒng)是“智能制造”體系中智能化的直接表現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于故障診斷、個(gè)性化定制、在線檢測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、科學(xué)排產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理、制造工藝優(yōu)化與機(jī)器人智能控制等諸多工業(yè)場(chǎng)合。機(jī)器學(xué)習(xí)作為一種數(shù)據(jù)分析與特征挖掘的工具，可以有機(jī)融入到生產(chǎn)過(guò)程的專家系統(tǒng)中。在復(fù)雜環(huán)境下的工業(yè)信號(hào)處理與參數(shù)優(yōu)化方面，通過(guò)采集故障機(jī)床的工作信號(hào)，整理為帶標(biāo)記的初始樣本集，構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，挖掘該故障的信號(hào)特征，避免了繁雜的理論分析過(guò)程，為之后的智能故障診斷提供決策依據(jù)。2.6

智能傳感2.6.1智能傳感的概念智能傳感主要是指利用壓電技術(shù)、熱式傳感技術(shù)、微流控BioMEMS技術(shù)、磁傳感技術(shù)和柔性傳感技術(shù)等將待感知、待控制的參數(shù)進(jìn)行量化，并集成應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，具有信息感知、信息診斷、信息交互的能力。通過(guò)多個(gè)智能傳感器還可組建成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌邆鋸南到y(tǒng)到單元的反向分析與自主校準(zhǔn)能力。2.6.2智能傳感的主要實(shí)現(xiàn)方式1.概述智能傳感融合傳感器、微處理器和執(zhí)行器三者至同一系統(tǒng)，首先對(duì)輸入信號(hào)完成檢測(cè)、處理、記憶等過(guò)程，再將調(diào)理好的信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行器或者控制系統(tǒng)，其原理如下圖所示。智能傳感的主要特征體現(xiàn)在信息處理和通信功能，配合傳感器本身的信息感知，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的物物相連。此外，通過(guò)融合多種類別的傳感器構(gòu)成復(fù)雜的傳感絡(luò)，利用不同傳感器的特殊屬性互補(bǔ)，可以達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命和提高感知精度的目的。功能構(gòu)架智能傳感的功能構(gòu)架主要包含三個(gè)層次：應(yīng)用層；網(wǎng)絡(luò)層；感知層。3.技術(shù)內(nèi)容智能傳感的主要技術(shù)內(nèi)容包括：基于全光信號(hào)處理的無(wú)源光波導(dǎo)傳感器技術(shù)?；贛EMS的微結(jié)構(gòu)電參量傳感器技術(shù)?；诿舾胁牧系膫鞲衅骷夹g(shù)。智能傳感器現(xiàn)場(chǎng)能量采集與微取能技術(shù)。傳感器高可靠邊緣計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2.6.3智能傳感在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用如下圖所示，以“慣性傳感器智能裝配線”為例，介紹智能傳感在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用。該慣性傳感器智能裝配線的主要功能包括零件的自動(dòng)輸送、自動(dòng)點(diǎn)膠、自動(dòng)同軸裝配、自動(dòng)膠接等，通過(guò)在零件輸送與自動(dòng)裝備環(huán)節(jié)引入視覺(jué)傳感技術(shù)，有效提高了傳感器零件裝配的精度與一致性，同時(shí)相比傳統(tǒng)的“人眼檢測(cè)”，提高了生產(chǎn)效率并降低了制造成本。2.7

互聯(lián)互通2.7.1互聯(lián)互通的概念互聯(lián)互通是指通過(guò)有線、無(wú)線等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝備之間、裝備與控制系統(tǒng)之間，企業(yè)之間相互連接及信息交換。IEC在其技術(shù)報(bào)告中對(duì)互聯(lián)互通的層級(jí)定義如下圖所示。互聯(lián)互通的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)信息/數(shù)據(jù)的傳輸與使用，即通信互聯(lián)與信息互通。通信互聯(lián)的基本要求是通信協(xié)議、通信接口和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。2.7.2互聯(lián)互通的主要實(shí)現(xiàn)方式解決信息互通問(wèn)題是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵。信息互通要求使用同樣的數(shù)據(jù)格式和參數(shù)類型對(duì)制造系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化的描述，建立結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義一致的信息模型是解決該問(wèn)題的重要手段。目前尚缺乏統(tǒng)一的成熟的能廣泛適用于不同類型裝備的信息模型建模方法。國(guó)際上，OPC

UA與各類組織合作。在OPC

UA架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的信息模型，如下圖顯示了OPC

UA信息模型的層次框架。國(guó)內(nèi)方面，由機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所牽頭制定了《數(shù)字化車間制造裝備集成與互聯(lián)互通》系列標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)字化裝備定義了統(tǒng)一的信息模型建模方法和規(guī)則，并對(duì)典型裝備數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人給出了具體的信息模型示例。2.OPC

UA技術(shù)OPC

UA解決了分布式系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)建模兩個(gè)需求，是業(yè)界公認(rèn)的通用語(yǔ)義互操作的標(biāo)準(zhǔn)。OPC

UA采用了集成地址空間，增加對(duì)象語(yǔ)義識(shí)別功能，

實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息模型的支持。為了讓數(shù)據(jù)使用不受供應(yīng)商或操作系統(tǒng)平臺(tái)限制，OPC

UA將數(shù)據(jù)組織為包含必要內(nèi)容

的信息，并能被具有OPC

UA功能的設(shè)備理解及使用。OPCUA包含了通用信息模型，該模型是其他所需模型的基礎(chǔ)。OPCUA還為特定領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了豐富和可擴(kuò)展的信息層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了信息模型的互操作。除信息建模外，OPC

UA還可用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一通信協(xié)議，為獨(dú)立于平臺(tái)的通訊和信息技術(shù)創(chuàng)造了基礎(chǔ)。OPCUA具有可升級(jí)性、網(wǎng)絡(luò)兼容性、獨(dú)立于平臺(tái)和安全性等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、MES以及ERP。OPC

UA采用客戶端/服務(wù)器模式實(shí)現(xiàn)信息交互功能。OPCUA客戶端與服務(wù)器之間相互交互的軟件功能層次模型如下圖所示。3.協(xié)議映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)議映射的方法是為設(shè)備和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)映射接口。當(dāng)使用某種協(xié)議和方法為一個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)建立信息模型后，可通過(guò)協(xié)議映射接口將其映射到其他協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)與其他類型接口設(shè)備的互聯(lián)互通。通過(guò)映射實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和信息集成的架構(gòu)如下圖所示。2.7.3互聯(lián)互通在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用最常見(jiàn)的互聯(lián)互通應(yīng)用可見(jiàn)于數(shù)控機(jī)床和上下料機(jī)器人組成的柔性生產(chǎn)線中。互聯(lián)互通在數(shù)字雙胞胎中也同樣起著重要作用?；ヂ?lián)互通中的信息模型技術(shù)通過(guò)對(duì)數(shù)字雙胞胎各種屬性信息建模的方式實(shí)現(xiàn)信息標(biāo)準(zhǔn)化，為信息在物理世界層和虛擬世界層的順利流通提供保障。2.8

遠(yuǎn)程運(yùn)維2.8.1遠(yuǎn)程運(yùn)維的概念遠(yuǎn)程運(yùn)維主要是指利用云計(jì)算技術(shù)、智能網(wǎng)關(guān)硬件、通信技術(shù)、VPN技術(shù)以及大數(shù)據(jù)等對(duì)工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，故障、警報(bào)的實(shí)時(shí)分析和通知，遠(yuǎn)程故障診斷，程序升級(jí)，設(shè)備維保管理，設(shè)備預(yù)防性維護(hù)以及工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘等功能。遠(yuǎn)程運(yùn)維的核心是通信網(wǎng)絡(luò)、中央數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)維流程以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2.8.2遠(yuǎn)程運(yùn)維的主要實(shí)現(xiàn)方式1.概述遠(yuǎn)程運(yùn)維包含設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集、自動(dòng)診斷系統(tǒng)、健康評(píng)估、基于專家系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型和故障索引知識(shí)庫(kù)等子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)裝備過(guò)程無(wú)人操作、工作環(huán)境預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與自修復(fù)，對(duì)企業(yè)的智能裝備提供健康狀況監(jiān)測(cè)、虛擬設(shè)備維護(hù)方案制定與執(zhí)行、最優(yōu)使用方案推送、創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)等服務(wù)。數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維包括物理平臺(tái)和服務(wù)功能兩部分，需要完成與數(shù)字化車間的融合，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有MES和ERP等系統(tǒng)的信息交互。如圖所示，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)位于智能制造系統(tǒng)架構(gòu)生命周期維度的服務(wù)環(huán)節(jié)。物理平臺(tái)層面，數(shù)

控設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)包括邊緣側(cè)的狀態(tài)采集系統(tǒng)，邊緣側(cè)及本地的計(jì)算和分析系統(tǒng)，以及云端的數(shù)據(jù)分析、專家系統(tǒng)和反饋終端。2.功能模塊主要功能模塊包括：數(shù)據(jù)采集模塊；健康評(píng)估模塊；故障模式識(shí)別及預(yù)測(cè)性維護(hù)模塊。各個(gè)功能模塊之間的交互關(guān)系如圖所示。3.物理架構(gòu)數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維的物理平臺(tái)架構(gòu)如下圖所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置在數(shù)控設(shè)備側(cè)，將采集后的信息進(jìn)行初步處理后存儲(chǔ)于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。健康評(píng)估、故障模式識(shí)別及預(yù)測(cè)性維護(hù)則部署于云平臺(tái)。云平臺(tái)可以采用企業(yè)單獨(dú)建設(shè)的私有云，也可以基于公有云建設(shè)，或者采用形式更為靈活的混合云方式。4.信息架構(gòu)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)如下圖所示。2.8.3

遠(yuǎn)程運(yùn)維在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用以國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的“數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)”為例，對(duì)面向數(shù)控設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示例進(jìn)行介紹。清華大學(xué)和中國(guó)石油大學(xué)聯(lián)合沈機(jī)（上海）智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)備有限公司、寶雞忠誠(chéng)機(jī)床股份有限公司和紐威數(shù)控裝備（蘇州）有限公司3家數(shù)控機(jī)床行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，在國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心搭建云平臺(tái)，以數(shù)控車床和加工中心作為驗(yàn)證對(duì)象完成遠(yuǎn)程監(jiān)控的試驗(yàn)，運(yùn)維平臺(tái)場(chǎng)景如下圖所示。2.9

小結(jié)描述了智能制造裝備與系統(tǒng)的組成。智能制造裝備包含制造裝備本體與智能使能技術(shù)，而智能制造系統(tǒng)從下至上可分為智能制造裝備、數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、智能工廠與應(yīng)用層。詳細(xì)地介紹了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能傳感、互聯(lián)互通與遠(yuǎn)程運(yùn)維7項(xiàng)智能使能技術(shù)，給出

了各項(xiàng)技術(shù)的概念、主要實(shí)現(xiàn)方式與其在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用案例。項(xiàng)目2智能精密臥式加工中心與機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)智能精密臥式加工中心機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)精密臥式加工中心優(yōu)化設(shè)計(jì)精密臥式加工中心誤差智能補(bǔ)償技術(shù)精密臥式加工中心伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化精密臥式加工中心有限元分析精密臥式加工中心可靠性技術(shù)智能精密臥式加工中心實(shí)例小結(jié)1

智能精密臥式加工中心1.1.1精密主軸及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化1.精密主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主軸是精密加工中心的關(guān)鍵部件，對(duì)保障加工精度具有非常重要的意義。精密主軸的前、后支承采用多聯(lián)高精度組合軸承，采用精密加工和裝配技術(shù)來(lái)保證主軸組件的回轉(zhuǎn)精度。軸承一般采用長(zhǎng)效油脂潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。主軸采用外循環(huán)強(qiáng)制冷卻，減少主軸的熱漂移，提高回轉(zhuǎn)精度。采用基于數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)的機(jī)床精密主軸系統(tǒng)誤差分析與主軸實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)

檢測(cè)相結(jié)合的模式，優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)參數(shù)和裝配工藝方法，實(shí)現(xiàn)精密主軸的設(shè)計(jì)要求。1.1

精密臥式加工中心優(yōu)化設(shè)計(jì)精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)分為端齒盤(pán)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和連續(xù)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)采用液壓剎緊機(jī)構(gòu)，可適應(yīng)工件的強(qiáng)力銑削。精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如右圖所示。圖1-1精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖2.精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.1.2

精密臥式加工中心整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)床身采用T型整體結(jié)構(gòu)（X

向?yàn)殡A梯型結(jié)構(gòu)），便于安裝且能夠保證精度穩(wěn)定。立柱采用具有最佳熱對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的整體框式結(jié)構(gòu)，立柱實(shí)現(xiàn)X向橫坐標(biāo)移動(dòng)，工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)Z向縱坐標(biāo)移動(dòng)，能夠最大限度地保證主軸的剛性和對(duì)準(zhǔn)度。此外，床身、立柱、滑座均采用高質(zhì)量鑄鐵。1.2

精密臥式加工中心誤差智能補(bǔ)償技術(shù)機(jī)床在實(shí)際加工過(guò)程中，由于多方面原因會(huì)產(chǎn)生各種誤差，常見(jiàn)的誤差類型主要有幾何誤差、控制誤差、熱（變形）誤差、力（變形）誤差、運(yùn)動(dòng)誤差、定位/位置誤差等，嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量。誤差補(bǔ)償作為減小或消除誤差的主要方法，是人為的向機(jī)床輸入與機(jī)床誤差方向相反、大小相同的誤差來(lái)抵消機(jī)床產(chǎn)生的誤差，從而減少或消除機(jī)床誤差，提高被加工工件精度。熱誤差、幾何誤差以及力誤差是影響機(jī)床加工精度的主要誤差，研究三種誤差的補(bǔ)償方法將有利于提升精密臥式加工中心的精度。1.2.1

熱誤差補(bǔ)償技術(shù)在機(jī)床各類誤差中，機(jī)床熱誤差所占比例通常為40%～70%，主要原因是機(jī)床工作產(chǎn)生的內(nèi)部熱和工作空間溫度梯度變化使溫度場(chǎng)復(fù)雜多變，使得精密機(jī)床各部件間產(chǎn)生了不同應(yīng)力，進(jìn)而使機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。通過(guò)對(duì)機(jī)床熱誤差的產(chǎn)生機(jī)理分析、檢測(cè)和建模，熱誤差可通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)進(jìn)行有效控制。1.熱誤差分析和檢測(cè)1）綜合測(cè)量系統(tǒng)（1）溫度測(cè)量：通常通過(guò)布置大

量的測(cè)溫點(diǎn)來(lái)研

究加工中心整體

結(jié)構(gòu)以及熱特性，如圖1-2所示。圖1-2溫度傳感器分布圖（2）位移測(cè)量：加工中心的熱變形實(shí)際上是相關(guān)部件的熱變形在空間綜合作用的結(jié)果?？刹捎梦妩c(diǎn)式位移測(cè)量方法來(lái)測(cè)量主軸熱漂移、熱伸長(zhǎng)以及熱傾斜，在主軸前端夾持測(cè)試芯棒，伸進(jìn)套筒內(nèi)，并在芯棒上設(shè)置傳感器，如圖1-3所示。圖1-3五點(diǎn)式位移傳感器示意圖2）補(bǔ)償自由度的確定熱誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題之一是確定補(bǔ)償自由度，充分考慮補(bǔ)償系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本以及補(bǔ)償效率，需選擇加工中心熱誤差顯著的自由度進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，被測(cè)機(jī)床在X、Y

和Z軸三個(gè)方向上的最大位移尺寸以及X

和Y

方向最大傾斜尺寸如表所示。表1-1

XYZ軸三個(gè)方向上的最大尺寸和XY兩個(gè)方向傾斜最大尺寸（m）測(cè)量工況X

方向最大尺寸Y

方向最大尺寸Z

方向最大尺寸X

方向傾斜最大尺寸Y

方向傾斜最大尺寸14.0312.499236.6324.793.1724.277.33532.3915.0039.022.熱誤差補(bǔ)償技術(shù)熱誤差補(bǔ)償技術(shù)包括測(cè)溫點(diǎn)優(yōu)化和建立補(bǔ)償模型，通過(guò)優(yōu)化測(cè)溫點(diǎn)布局建立測(cè)溫點(diǎn)與加工中心熱誤差關(guān)系，結(jié)合實(shí)際熱誤差補(bǔ)償過(guò)程中測(cè)溫點(diǎn)的選擇準(zhǔn)則，獲得最優(yōu)測(cè)溫點(diǎn)，進(jìn)一步建立機(jī)床熱誤差補(bǔ)償模型。1）測(cè)溫點(diǎn)優(yōu)化及選擇測(cè)溫點(diǎn)優(yōu)化測(cè)溫點(diǎn)選擇2）熱誤差補(bǔ)償建模熱誤差補(bǔ)償?shù)暮诵膯?wèn)題是建立能夠客觀反映加工中心溫度場(chǎng)及熱誤差之間函數(shù)關(guān)系的預(yù)測(cè)模型。大量研究表明這種數(shù)學(xué)模型屬于多變量模型，因此，所建立模型的補(bǔ)償率、魯棒性以及通用性均依賴于加工中心溫度場(chǎng)變量的準(zhǔn)確分布。多元線性回歸方法作為最常用、最可靠的熱誤差補(bǔ)償建模方法之一，由多個(gè)自變量的最優(yōu)組合共同預(yù)測(cè)或估計(jì)因變量。1.2.2

幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)由于超精密臥室加工中心的主要零件在制造、裝配過(guò)程中存在誤差，會(huì)直接引起機(jī)床的幾何誤差。該誤差最終影響工件加工精度，當(dāng)加工誤差較大時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致加工工件無(wú)法滿足加工要求，從而降低加工效率。因此，研究幾何誤差建模及補(bǔ)償方法將有利于減少幾何誤差，提升加工質(zhì)量。1.幾何誤差建模機(jī)床結(jié)構(gòu)以運(yùn)動(dòng)副的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在理想情況下，機(jī)床刀尖點(diǎn)的位置就是工件理想加工點(diǎn)。實(shí)際加工中，這兩個(gè)點(diǎn)不一定重合，工件理想加工點(diǎn)和刀具刀尖點(diǎn)之間的誤差就是空間定位誤差。由于刀具和工件都各自運(yùn)動(dòng)，須將兩者運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系中，即將刀具到機(jī)床基座的運(yùn)動(dòng)鏈，和工件到機(jī)床基座的運(yùn)動(dòng)鏈兩者聯(lián)系起來(lái)。同時(shí)，機(jī)床結(jié)構(gòu)不同，運(yùn)動(dòng)鏈的表現(xiàn)形式也不同。2.幾何誤差補(bǔ)償測(cè)量任一運(yùn)動(dòng)軸時(shí)，首先，測(cè)量及補(bǔ)償角度誤差；其次，測(cè)量和補(bǔ)償線性和直線度誤差；最后，測(cè)量和補(bǔ)償垂直度誤差。空間幾何誤差補(bǔ)償為實(shí)時(shí)補(bǔ)償和非實(shí)時(shí)補(bǔ)償兩種方式。空間幾何誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償周期宜在7ms以內(nèi)，但目前數(shù)控系統(tǒng)與外界通信的最短響應(yīng)時(shí)間就已經(jīng)超過(guò)了10ms，加上計(jì)算和其他一些原因造成的延遲，實(shí)際能夠達(dá)到的最小實(shí)時(shí)補(bǔ)償周期在15～30ms范圍。因此，空間誤差補(bǔ)償宜在中低速度下進(jìn)行。幾何誤差離線補(bǔ)償，根據(jù)誤差模型修正加工代碼，把G代碼中的點(diǎn)位指令、直線指令、圓弧指令分別進(jìn)行誤差修正。1.2.3

力誤差補(bǔ)償方法數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程中，由于切削余量的隨機(jī)波動(dòng)導(dǎo)致切削力波動(dòng)，使得加工變形不均勻而映射到加工表面的加工誤差，這是加工誤差的主要來(lái)源之一。建立切削力誤差模型的關(guān)鍵是加工過(guò)程中切削力的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。以Fanuc數(shù)控系統(tǒng)為例，用R1001.0作為面板開(kāi)關(guān)的使能位。改R1002.0~R1002.7的值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給倍率的自動(dòng)控制。因此，R1001.0位相當(dāng)于手動(dòng)-自動(dòng)的切換開(kāi)關(guān)，R1002.0~R1002.7則為進(jìn)給倍率自動(dòng)控制的緩存。結(jié)合FOCAS庫(kù)函數(shù)，切削優(yōu)化程序可實(shí)時(shí)有效地的對(duì)進(jìn)給倍率進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1-4倍率修調(diào)有關(guān)的PMC梯形圖修改1.3

精密臥式加工中心伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，為得到更高的頻率響應(yīng)特性，進(jìn)而獲得更高的加工精度和加工速度，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化尤其重要。然而，由于數(shù)控機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電綜合系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)、制造、甚至使用環(huán)節(jié)的眾多因素影響，不同型號(hào)的機(jī)床在伺服特性上存在較大差別，甚至同種型號(hào)不同批次的機(jī)床在伺服特性上也存在細(xì)微差別。因此，進(jìn)行伺服參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，不僅在制造環(huán)節(jié)和安裝調(diào)試環(huán)節(jié)具有重要意義，而且在用戶使用環(huán)節(jié)也是非常必要的。1.3.1

離線伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化在實(shí)際使用中，由于機(jī)床在機(jī)械制造水平和裝配工藝上的個(gè)體差異，這些向?qū)Ч⒉皇侨己茱@著，機(jī)械本身的剛性阻尼等差別較大，ServoGuide軟件自動(dòng)產(chǎn)生的推薦值難以兼顧。因此，針對(duì)普什寧江生產(chǎn)的精密臥式加工中心，本節(jié)采用以手工方式的伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)校工藝方法。圖1-5手動(dòng)優(yōu)化流程圖1.3.2在線伺服系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)合工廠生產(chǎn)實(shí)際，一般對(duì)于精密臥式加工中心的伺服參數(shù)利用Fanuc系統(tǒng)的ServoGuide進(jìn)行手工調(diào)整優(yōu)化，之后使用球桿儀進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步完成伺服參數(shù)的優(yōu)化。傳統(tǒng)的伺服參數(shù)優(yōu)化是使用根據(jù)操作者的基于模糊控制的自動(dòng)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，基本思路為通過(guò)球桿儀實(shí)測(cè)機(jī)床畫(huà)圓誤差，自動(dòng)讀取圓度值、反向越?jīng)_等數(shù)據(jù)，并自動(dòng)判斷需要優(yōu)化的參數(shù)和調(diào)整量，寫(xiě)入新參數(shù)后，自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)床重新畫(huà)圓，再次通過(guò)球桿儀實(shí)測(cè)效果，依次循環(huán)，直至圓度值等指標(biāo)滿足事先設(shè)置好的目標(biāo)為止。1.4

精密臥式加工中心有限元分析振動(dòng)是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵，本節(jié)從精密臥式加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)靜剛度的角度出發(fā)，提出整機(jī)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化理論模型和整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，結(jié)合整機(jī)動(dòng)態(tài)特性建模分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出精密臥式加工中心動(dòng)剛度分析方法與抑振技術(shù)，提出適用于精密臥式加工中心整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和剛度分析的CAD/CAE知識(shí)庫(kù)與結(jié)合面數(shù)據(jù)庫(kù)。1.4.1精密臥式加工中心數(shù)字化建模1.構(gòu)建大件數(shù)字化模型針對(duì)機(jī)床各個(gè)大件工程圖分別創(chuàng)建它們的三維模型，是動(dòng)靜態(tài)性能分析的基礎(chǔ)，可以采用三維CAD軟件如Solid

Edge建立機(jī)床的三維數(shù)字化模型，如圖1-6～圖1-9所示。圖1-6立柱詳細(xì)模型圖圖1-7主軸三維模型圖圖1-8工作臺(tái)三維模型圖圖1-9床身三維模型圖2.構(gòu)建典型子系統(tǒng)數(shù)字化模型參考現(xiàn)有零部件裝配圖，從分析整機(jī)、部件以及零件間關(guān)系的角度出發(fā)，分析零件裝配關(guān)系建立各個(gè)主要部件的裝配模型，其中主軸系統(tǒng)、主軸-主軸箱系統(tǒng)以及主軸-立柱系統(tǒng)、工作臺(tái)部件，如圖5-10～5-13所示。圖1-10主軸部件三維模型圖圖1-11主軸-主軸箱部件三維模型圖圖1-12立柱-主軸箱部件三維模型圖圖1-13工作臺(tái)部件三維模型圖由上述各個(gè)子系統(tǒng)（部件）裝配模型，參考系統(tǒng)之間的裝配方式，針對(duì)普什寧江機(jī)床生產(chǎn)的THA6350和THM63100，構(gòu)

建了整機(jī)三維模型分別如圖1-14、圖1-15所示。圖1-14

THA6350整機(jī)三維模型圖圖1-15

THM63100整機(jī)三維模型圖1.4.2

精密臥式加工中心有限元分析1.關(guān)鍵零件有限元分析包括床身、立柱、主軸和主軸箱，如圖1-16～圖1-19所示。圖1-16床身圖1-17立柱圖1-18主軸圖1-19主軸箱2.精密臥式加工中心整機(jī)有限元模型構(gòu)建整機(jī)的主要或重要結(jié)合面包括滑塊-導(dǎo)軌結(jié)合面、滾珠絲杠結(jié)合面、螺栓結(jié)合面及軸承結(jié)合面。其中，滑塊-導(dǎo)軌結(jié)合面和滾珠絲杠結(jié)合面存在于床身與立柱、立柱與主軸箱及工作臺(tái)與床身之間，螺栓結(jié)合面存在于導(dǎo)軌固定螺栓處、主軸和軸殼固定處及絲杠螺母的軸向固定處，軸承結(jié)合面存在于主軸軸承和軸殼結(jié)合處。這四類結(jié)合面中，滾珠絲杠與螺栓結(jié)合面在三個(gè)移動(dòng)方向都有剛度及阻尼存在，滑塊-導(dǎo)軌結(jié)合面在移動(dòng)方向上的剛度與阻尼忽略，軸承結(jié)合面在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的剛度及阻尼忽略。1.5

精密臥式加工中心可靠性技術(shù)1.5.1

基于任務(wù)的可靠性模型基于GO法的元任務(wù)可靠性模型X、Y、Z

軸傳動(dòng)元任務(wù)及傳動(dòng)反饋元任務(wù)可靠性模型的建立B軸傳動(dòng)元任務(wù)及傳動(dòng)反饋元任務(wù)可靠性模型的建立主軸旋轉(zhuǎn)元任務(wù)可靠性模型的建立主軸拉桿拉/松刀元任務(wù)可靠性模型的建立機(jī)械手換刀元任務(wù)可靠性模型的建立刀具交換任務(wù)中各元任務(wù)可靠性模型的建立托盤(pán)升降、旋轉(zhuǎn)元任務(wù)可靠性模型的建立輔助加工各元任務(wù)可靠性模型的建立1.5.2

精密臥式加工中心故障率浴盆曲線優(yōu)化浴盆曲線是最常見(jiàn)的產(chǎn)品壽命周期故障的表現(xiàn)方式，故障率的變化趨勢(shì)大體分為：早期故障期、偶然故障期和損耗故障期三個(gè)階段。THM6380精密臥式加工中心的失效率函數(shù)為：1.5.3

機(jī)床故障消除與精度衰減模型1.早期故障快速消除技術(shù)1）早期故障消除技術(shù)早期故障消除技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段，以可靠性設(shè)計(jì)分析為理論基礎(chǔ)，用來(lái)指導(dǎo)可靠性實(shí)驗(yàn)并以激發(fā)潛在故障為手段，通過(guò)提出和實(shí)施改進(jìn)措施來(lái)達(dá)到消除實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的故障為目的可靠性技術(shù)。圖1-20精密臥式加工中心刀庫(kù)故障樹(shù)2）早期故障期精密臥式加工中心FTA分析通過(guò)對(duì)潛在故障的分析找到故障原因并分析故障對(duì)產(chǎn)品可靠性影響的重要度，提出有效的預(yù)防與改進(jìn)措施，避免潛在故障發(fā)生，提高產(chǎn)品的可靠性水平。2.精度衰減規(guī)律和衰減模型的建立傳統(tǒng)的精度分析主要集中在出廠時(shí)的加工精度上，對(duì)精度保持性研究不夠。數(shù)控加工中心的精度是由各傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度共同決定的，影響其精度保持性的因素較多，包括磨損、熱變形、振動(dòng)、數(shù)控系統(tǒng)精度等因素。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以處理非線性信息，是較為理想的預(yù)測(cè)精度的工具。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用較廣，是一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含一個(gè)或多個(gè)隱含層，通過(guò)不斷的反向傳播修正誤差，可

以實(shí)現(xiàn)或逼近所希望的輸入輸出之間的映射關(guān)系。1.5.4

機(jī)床運(yùn)行可靠性監(jiān)控及裝配工藝設(shè)計(jì)1.可靠性監(jiān)控技術(shù)圖1-21監(jiān)控系統(tǒng)功能樹(shù)精密臥式加工中心運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控為了提高加工精度，對(duì)機(jī)床加工系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)是十分必要的。精密臥式加工中心可靠性監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)利用PLC來(lái)前期處理通過(guò)傳感器采集到的信號(hào)，將信號(hào)數(shù)據(jù)顯示在HMI環(huán)境下開(kāi)發(fā)的OEM應(yīng)用程序界面上，來(lái)完成對(duì)數(shù)控機(jī)床相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，1.可靠性驅(qū)動(dòng)的裝配工藝設(shè)計(jì)可靠性驅(qū)動(dòng)的裝配工藝主要從功能實(shí)現(xiàn)的可靠性方面來(lái)考慮裝配工藝的制定，在裝配過(guò)程中控制可靠性，對(duì)于提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義?？煽啃则?qū)動(dòng)的裝配工藝制定步驟可靠性驅(qū)動(dòng)的裝配工藝方案及實(shí)施1.6

智能精密臥式加工中心實(shí)例本節(jié)以THMC6350精密臥式加工中心的研發(fā)為例來(lái)闡述精密臥式加工中心系列產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)。THMC6350精密臥式加工中心標(biāo)準(zhǔn)配置日本FANUC

0I數(shù)控系統(tǒng)和華中HNC8C數(shù)控系統(tǒng)，還有HSV19D型伺服和主軸驅(qū)動(dòng)裝置以及華中數(shù)控的配套廠家武漢登奇機(jī)電公司的GK\GM系列伺服電機(jī)和主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其整體結(jié)構(gòu)分別如圖1-22和圖1-23所示。圖1-22

THMC6350機(jī)床外形圖圖1-23

THMC6350總體布局圖研發(fā)階段完成了精密主軸實(shí)驗(yàn)裝置、精密主軸、數(shù)控跑車架、轉(zhuǎn)臺(tái)裝配跑車架、環(huán)面蝸桿測(cè)試裝備、數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)、托板交換可靠性運(yùn)行臺(tái)架、主軸可靠性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、B軸可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)等設(shè)備。自制設(shè)備及實(shí)驗(yàn)裝置為功能部件研制的驗(yàn)證、技術(shù)性能實(shí)驗(yàn)和可靠性提升提供保證，并采取有效的解決方法和手段，縮短了研制周期。各裝置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖1-24～圖1-29所示。圖1-24精密主軸實(shí)驗(yàn)裝置圖1-25精密主軸數(shù)控跑車架圖1-26轉(zhuǎn)臺(tái)裝配跑車架圖1-27環(huán)面蝸桿測(cè)試裝備圖1-28

FANUC數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖1-29華中數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)1.7

小結(jié)本章主要從臥式加工中心優(yōu)化設(shè)計(jì)、誤差補(bǔ)償技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化、抑振和可靠性技術(shù)等方面介紹智能精密臥室加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并以四川普什寧江機(jī)床有限公司研發(fā)的精密臥式加工中心為例，介紹了精密臥式加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，為智能精密臥式加工中心的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的參考和指導(dǎo)意義。機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)智能柔性制造系統(tǒng)集成控制技術(shù)智能柔性制造系統(tǒng)在線監(jiān)控技術(shù)智能柔性制造系統(tǒng)刀具管理系統(tǒng)智能柔性制造系統(tǒng)性能測(cè)評(píng)技術(shù)機(jī)床箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)實(shí)例小結(jié)2

機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)機(jī)床制造企業(yè)經(jīng)常需要對(duì)各種箱體類零件進(jìn)行加工，機(jī)床箱體類零件通常屬于多品種、小批量加工，需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過(guò)程的柔性化。機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)是一套包含了多種高、尖、精技術(shù)和設(shè)備的智能精密制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多品種箱體類零件的單件或批量化柔性、高效、高精加工制造，通過(guò)在機(jī)床制造企業(yè)推廣示范應(yīng)用，可以起到推進(jìn)國(guó)產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線在機(jī)床等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用目的，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造水平的快速提升。2.1

機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)為了完成機(jī)床箱體類零件智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要在對(duì)典型機(jī)床箱體類零件工藝需求分析和加工工藝分析的基礎(chǔ)上，完成機(jī)床箱體類精密智能制造系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并利用柔性生產(chǎn)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床箱體類零件多品種、小批量的柔性、高效、高精混流加工。此外，還需要建立加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、進(jìn)行機(jī)床箱體類零件加工特征的自動(dòng)建模、掌握國(guó)產(chǎn)數(shù)控刀具切削性能和高效柔性?shī)A具的應(yīng)用技術(shù)，在滿足零件高效優(yōu)質(zhì)加工的前提下，降低生產(chǎn)制造成本。2.1.1

箱體類零件加工工藝技術(shù)分析該部分包括的主要內(nèi)容如下：典型機(jī)床箱體類零件工藝需求分析和加工工藝技術(shù)分析；多品種、小批量柔性生產(chǎn)制造技術(shù)的應(yīng)用；智能制造系統(tǒng)的模塊化、單元化設(shè)計(jì)；集成化制造的生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)；創(chuàng)建加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)或工藝專家?guī)?，以及加工特征的自?dòng)建模；機(jī)床箱體類零件多品種、小批量的柔性、高效、高精混流加工的生產(chǎn)線總體布局設(shè)計(jì)。2.1.2

箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)智能柔性制造系統(tǒng)能按裝配作業(yè)配套需要，及時(shí)安排所需零件的加工，實(shí)現(xiàn)及時(shí)生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫(kù)存量，及相應(yīng)的流動(dòng)資金占用量，縮短生產(chǎn)周期，提高設(shè)備的利用率，減少直接勞動(dòng)力，在無(wú)人看管條件下可實(shí)現(xiàn)晝夜24小時(shí)的連續(xù)“無(wú)人化生產(chǎn)”，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。2.2

智能柔性制造系統(tǒng)集成控制技術(shù)智能柔性制造系統(tǒng)是集數(shù)控化、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化為一體的一類高技術(shù)產(chǎn)品。電氣控制系統(tǒng)是多個(gè)子系統(tǒng)的集成，而總控系統(tǒng)是智能柔性制造系統(tǒng)的控制中心和指揮調(diào)度中心。開(kāi)放式數(shù)控的智能柔性制造系統(tǒng)集成控制技術(shù)，是智能制造系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中用到的核心技術(shù)之一，是普通單機(jī)數(shù)控技術(shù)的更高級(jí)和更復(fù)雜的運(yùn)用。無(wú)論進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)還是國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放式運(yùn)用，代表數(shù)控系統(tǒng)外部擴(kuò)展、二次開(kāi)發(fā)、性能擴(kuò)展的運(yùn)用能力，具有較高的技術(shù)難度。2.2.1

基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的智能柔性制造系統(tǒng)集成控制技術(shù)采用國(guó)產(chǎn)華中HNC8系列數(shù)控系統(tǒng)和日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，運(yùn)用系統(tǒng)的開(kāi)放式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)展技術(shù)，開(kāi)發(fā)臥式加工中心THM6363\THM6380電氣控制系統(tǒng)、物流搬運(yùn)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、智能柔性加工系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息控制系統(tǒng)等。主要技術(shù)內(nèi)容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2-1智能柔性制造系統(tǒng)集成控制技術(shù)2.2.2

基于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的智能柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用圍繞國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在智能柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了基于華中8型數(shù)控系統(tǒng)的功能擴(kuò)展技術(shù)及基于NCUC-BUS總線的控制、物流、信息的網(wǎng)絡(luò)融合方法，開(kāi)發(fā)了智能柔性制造系統(tǒng)多數(shù)控系統(tǒng)的分布與協(xié)同控制方法，以及物流布局、節(jié)拍、流程、邏輯控制、托盤(pán)編碼及自動(dòng)識(shí)別、物流子系統(tǒng)安全控制方法，建立了刀具自動(dòng)識(shí)別、監(jiān)測(cè)及自動(dòng)換刀方法，開(kāi)發(fā)了綜合精度測(cè)量技術(shù)，建立了網(wǎng)絡(luò)化作業(yè)計(jì)劃管理及智能調(diào)度模型，開(kāi)發(fā)了機(jī)床箱體零件在線檢測(cè)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的監(jiān)控功能。華中數(shù)控系統(tǒng)與RFID讀寫(xiě)器采用串口連接，讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線傳輸進(jìn)行通信，電子標(biāo)簽安裝在刀具中。由于每個(gè)電子標(biāo)簽都是唯一的，因此可以通過(guò)電子標(biāo)簽來(lái)唯一標(biāo)識(shí)刀具。在刀具安裝、卸載、換刀過(guò)程中完成刀具信息的獲取與更新，關(guān)鍵技術(shù)包括：RFID電子標(biāo)簽與刀柄的系統(tǒng)組成；基于RFID電子標(biāo)簽的刀具信息識(shí)別；基于RFID電子標(biāo)簽的刀具管理系統(tǒng)。圖2-2數(shù)控裝置的可靠性設(shè)計(jì)流程2.3

智能柔性制造系統(tǒng)在線監(jiān)控技術(shù)本節(jié)論述智能柔性制造系統(tǒng)的在線檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)以及可靠性評(píng)估模型。運(yùn)用國(guó)產(chǎn)精密臥式加工中心的數(shù)控系統(tǒng)和測(cè)頭作為核心檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)箱體類零件加工的在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了由國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)組成的智能柔性制造系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化和視頻監(jiān)控。數(shù)字化監(jiān)控包括智能柔性制造系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)床工作狀態(tài)、運(yùn)輸線工作狀態(tài)、加工程序管理等，視頻監(jiān)控對(duì)智能制造系統(tǒng)的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)控，包

括機(jī)床加工區(qū)、托盤(pán)交換、自動(dòng)物流傳輸線以及排屑情況等。2.3.1

基于數(shù)控系統(tǒng)的在線檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上對(duì)被加工工件進(jìn)行在線自動(dòng)測(cè)量是提高數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化加工水平和保證工件加工精度的有效方法，因此，數(shù)控機(jī)床工件在線自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是衡量數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的重要特征之一。通過(guò)RFID與刀具的結(jié)合，使得刀具自身帶有相關(guān)物理信息，比傳統(tǒng)的條形碼信息更豐富、功能更強(qiáng)大。刀具管理RFID系統(tǒng)將RFID技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工生產(chǎn)的刀具管理中，可以提高刀具管理的自動(dòng)化程度和管理效率。將射頻識(shí)別技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)刀具管理模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)刀具信息的傳輸。2.3.2基于數(shù)控系統(tǒng)的在線監(jiān)控技術(shù)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)、PLC、各種現(xiàn)場(chǎng)傳感器等采集設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況信息，并寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)智能柔性制造系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的總控和調(diào)度智能柔性制造系統(tǒng)在線監(jiān)控布局示意圖如下所示。圖2-3智能柔性制造系統(tǒng)在線監(jiān)控布局2.3.3智能柔性制造系統(tǒng)的可靠性技術(shù)智能制造系統(tǒng)可靠性技術(shù)。包括智能制造系統(tǒng)的可靠性建模、預(yù)計(jì)和分配。加工設(shè)備可靠性技術(shù)。包括加工設(shè)備可靠性實(shí)驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)。智能柔性制造系統(tǒng)子系統(tǒng)可靠性技術(shù)。包括刀具系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的可靠性技術(shù)。智能柔性制造系統(tǒng)及子系統(tǒng)可靠性實(shí)驗(yàn)技術(shù)。包括生產(chǎn)線總體及個(gè)分系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到準(zhǔn)確有效的可靠參數(shù)。圖2-4智能制造系統(tǒng)可靠性研究技術(shù)路線2.4

智能柔性制造系統(tǒng)刀具管理系統(tǒng)刀具智能管理系統(tǒng)是智能柔性制造系統(tǒng)所必備的關(guān)鍵模塊之一，特別是對(duì)于機(jī)械生產(chǎn)車間，刀具、夾具和量具的管理是否合理、科學(xué)，在很大程度上決定了智能柔性制造系統(tǒng)的可靠性、柔性程度與生產(chǎn)效率的高低。因此，刀具管理必須納入物流和信息流之中，建立完整、實(shí)時(shí)的刀具數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化的刀具管理和信息集成已經(jīng)成為智能柔性化制造的一個(gè)重要內(nèi)容。2.4.1刀具信息管理刀具信息管理模塊是指對(duì)組合刀具、散件刀具的參數(shù)信息、庫(kù)存信息、使用信息、加工信息以及裝配關(guān)系等方面的管理，該模塊包含散件信息管理、組合刀具信息管理、刀具裝配信息管理以及配刀方案信息管理等。對(duì)組合刀具和散件刀具采用刀具規(guī)格管理和庫(kù)存刀具管理兩層結(jié)構(gòu)管理模式。刀具規(guī)格管理將相同品牌、相同參數(shù)的散件或者裝配方式相同的組合刀具作為一個(gè)規(guī)格信息錄入到系統(tǒng)中，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)同種規(guī)格刀具的編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)等。庫(kù)存刀具則將采購(gòu)的刀具根據(jù)其規(guī)格進(jìn)行分類并編碼。庫(kù)存刀具包含刀具的位置信息、使用壽命信息、對(duì)刀后參數(shù)修正信息等。1.刀具多參數(shù)動(dòng)態(tài)管理及刀具柔性編碼1）刀具多參數(shù)管理多參數(shù)是指在工程應(yīng)用領(lǐng)域中同類對(duì)象具有不同數(shù)量和不同種類的屬性參數(shù)。屬于同一類型的規(guī)格類型及數(shù)量往往有很大差別，而同一類型的對(duì)象又需要存儲(chǔ)于同一數(shù)據(jù)表中，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)提出了較高要求，需要一種多參數(shù)管理方法。在保證對(duì)象參數(shù)完全表達(dá)的基礎(chǔ)上，又能合理地利用儲(chǔ)存空間，提高數(shù)據(jù)庫(kù)利用率。2)刀具參數(shù)設(shè)置流程為該刀具設(shè)置刀具分類，如果沒(méi)有該分類，則在刀具分類表中以樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行該刀具類型的添加。通過(guò)選擇參數(shù)信息表中的數(shù)據(jù)為新添加的刀具分類設(shè)置參數(shù)信息。如果參數(shù)信息表中沒(méi)有數(shù)據(jù)，則應(yīng)在該信息表中添加該數(shù)據(jù)后進(jìn)行設(shè)置。給刀具設(shè)置刀具分類后，根據(jù)該分類對(duì)應(yīng)的分類參數(shù)，在刀具參數(shù)表中為該刀具添加刀具參數(shù)信息，同時(shí)設(shè)置各個(gè)刀具參數(shù)值。根據(jù)參數(shù)最大值與最小值，校驗(yàn)輸入?yún)?shù)值是否正確。正確則保存該刀具信息，否則進(jìn)行參數(shù)值修改。刀具參數(shù)管理流程如圖2-5所示。圖2-5刀具參數(shù)管理流程圖3）參數(shù)繼承性為提高刀具管理系統(tǒng)的效率，針對(duì)刀具參數(shù)的相似性和差異性，需要利用刀具參數(shù)繼承方法：將從屬于同父類的刀具子類中重復(fù)使用最多的分類參數(shù)添加到父類的分類參數(shù)中，在添加該父類下子類時(shí)，為新添加的子類自動(dòng)賦予其父類的分類參數(shù)，再進(jìn)行子類分類參數(shù)修改，有利于避免對(duì)父類下子類重復(fù)添加參數(shù)的繁瑣性。2．基于多參數(shù)的刀具柔性編碼技術(shù)刀具編碼原則唯一性：每一個(gè)編碼對(duì)象僅有一個(gè)代碼，一個(gè)代碼只唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)編碼對(duì)象，代碼與所標(biāo)識(shí)的信息主體之間必須具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。合理性：代碼結(jié)構(gòu)要與其所要標(biāo)識(shí)的信息主體的特點(diǎn)相適應(yīng)。擴(kuò)充性：刀具的編碼必須具有足夠的容量以保障隨著刀具種類增多帶來(lái)的編碼的更新和擴(kuò)充，同時(shí)需考慮新舊編碼中的對(duì)應(yīng)關(guān)系和繼承性。簡(jiǎn)單性：代碼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度盡量短，可節(jié)省機(jī)器存儲(chǔ)空間和減少代碼出錯(cuò)率，提高機(jī)器處理的效率，同時(shí)應(yīng)考慮代碼系統(tǒng)的容量和可擴(kuò)展性。實(shí)用性：代碼應(yīng)盡可能反映編碼對(duì)象特點(diǎn)，有助于記憶，便于填寫(xiě)。規(guī)范性：在一個(gè)編碼標(biāo)準(zhǔn)中，代碼的類型、代碼的結(jié)構(gòu)以及代碼的編寫(xiě)格式必須統(tǒng)一，便于記憶、辨認(rèn)和計(jì)算機(jī)處理。2）刀具編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）傳統(tǒng)刀具編碼方法刀具編碼應(yīng)包含其分類信息、參數(shù)信息等相關(guān)信息，刀具的類型存在上下級(jí)歸屬關(guān)系，需采用樹(shù)式編碼。對(duì)于某一類刀具，刀具參數(shù)類型、數(shù)量相同，每個(gè)參數(shù)之間相互獨(dú)立，因此，對(duì)參數(shù)編碼可以采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)采用綜合樹(shù)式編碼和鏈?zhǔn)骄幋a結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)刀具編碼，采用樹(shù)式編碼刀具分類信息，位數(shù)固定，一般設(shè)定為兩級(jí)，此外，刀具的屬性、特征以及加工等參數(shù)值采用剛性結(jié)構(gòu)的鏈?zhǔn)骄幋a。傳統(tǒng)刀具編碼方法式主要有以下不足：刀具分類級(jí)別固定。鏈?zhǔn)骄幋a采用了剛性結(jié)構(gòu)，缺乏可擴(kuò)展性和柔性。編碼規(guī)則在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中以程序代碼的方式存放于服務(wù)器中，需要在系統(tǒng)使用之前編寫(xiě)所有刀具的分類信息、代碼規(guī)則。（2）改進(jìn)的刀具編碼方法柔性編碼結(jié)構(gòu)不僅克服了數(shù)字編碼、剛性編碼的多義性和描述零件特征能力差的缺點(diǎn)，還繼承了剛性編碼簡(jiǎn)單明了、便于識(shí)別檢索和記憶的優(yōu)點(diǎn)，因此，推薦使用柔性編碼結(jié)構(gòu)對(duì)刀具進(jìn)行編碼。該編碼主要包括刀具分類編碼、刀具分類參數(shù)編碼、附加序列代碼，校驗(yàn)碼以及姊妹碼五個(gè)部分。（3）編碼方案的繼承及設(shè)計(jì)流程編碼設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)編碼規(guī)則重復(fù)添加的情況，因此，編碼方案按照刀具多參數(shù)管理中根據(jù)刀具分類級(jí)別進(jìn)行編碼方案繼承的方式，以提高刀具編碼方案設(shè)計(jì)效率。通過(guò)對(duì)刀具分類、分類參數(shù)、序列碼、姊妹碼、校驗(yàn)碼等信息的編碼設(shè)計(jì)，可得到完整的柔性編碼設(shè)計(jì)方案。圖2-6刀具編碼流程圖3.刀具識(shí)別二維碼作為一種現(xiàn)今應(yīng)用非常廣泛的信息載體，具有儲(chǔ)存容量大、易識(shí)讀、保密性強(qiáng)、抗損性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)決定了其非常適合應(yīng)用于智能制造系統(tǒng)生產(chǎn)線刀具管理系統(tǒng)。RFID技術(shù)，又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可

通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需在識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。RFID技術(shù)以高效的讀寫(xiě)特性非常適用于刀具管理系統(tǒng)，但RFID標(biāo)簽成本高，且損壞后無(wú)法識(shí)讀，在復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)中易串?dāng)_。同時(shí)，由于智能柔性制造系統(tǒng)中刀具數(shù)量龐大，故推廣應(yīng)用有一定難度。2.4.2

刀具在線實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)1.車間調(diào)度問(wèn)題概述由于生產(chǎn)加工的需要，刀具頻繁的在各機(jī)床之間及機(jī)床與中央刀庫(kù)之間進(jìn)行交換和流動(dòng)，因此迫切需要一個(gè)功能完善的刀具管理系統(tǒng)對(duì)刀具進(jìn)行管理和調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中刀具資源的充分利用。在車間作業(yè)調(diào)度中，刀具流和工件流同時(shí)存在并相互依附。工件流驅(qū)動(dòng)刀具流以便準(zhǔn)備所需刀具，而有限的刀具資源又制約著工件流的各項(xiàng)決策和運(yùn)行過(guò)程，刀具流調(diào)度須考慮工件排序。2.JSP調(diào)度模型針對(duì)智能柔性制造系統(tǒng)刀具流的JSP問(wèn)題，以完成時(shí)間最短為主要目標(biāo)，以縮短等刀時(shí)間為次要目標(biāo)。刀具流的JSP優(yōu)化按如下原則進(jìn)行：不考慮刀具的磨損；每把刀具只占用一個(gè)刀位；每臺(tái)機(jī)床同一時(shí)刻只能加工一個(gè)工序；每個(gè)工序只能由一臺(tái)機(jī)床加工；每個(gè)操作時(shí)間是確定的，且事先已知；換刀時(shí)間相比于刀具等待時(shí)間和工序加工時(shí)間來(lái)說(shuō)是很少的，可以忽略不計(jì)。1.析取圖模型建立圖2-7考慮刀具流的JSP問(wèn)題析取圖圖2-8考慮刀具因素的JSP問(wèn)題析取圖2.改進(jìn)的蟻群算法設(shè)計(jì)1）工序順序優(yōu)化由于蟻群算法迭代前期計(jì)算量大，效率低等缺點(diǎn)，將所有工序按加工機(jī)床不同，分為不同集合。將析取圖按機(jī)床分解為三個(gè)集合G1、G2、G3，首先尋找滿足工藝路線的可行解，定義為初始解，蟻群分別在由每個(gè)工序集合構(gòu)成的子圖Gj上尋找使得總析取圖上全局解得到優(yōu)化的機(jī)床工序序列，進(jìn)而將每個(gè)機(jī)床上得到的工序優(yōu)化序列以析取圖2-9工序集合拆分圖圖表示。2）刀具工步級(jí)優(yōu)化分派工序加工順序優(yōu)化為每個(gè)機(jī)床確定較優(yōu)的加工順序，應(yīng)用蟻群算法將工序節(jié)點(diǎn)按機(jī)床劃分，解決了同一機(jī)床上同一時(shí)間不同工序的互斥問(wèn)題，但不同機(jī)床上同一時(shí)間不同工序?qū)ν坏毒叩幕コ鈫?wèn)題依然存在。因此，當(dāng)同一時(shí)刻不同工件對(duì)同一刀具的需求出現(xiàn)互斥問(wèn)題時(shí)，還需確定刀具的優(yōu)先使用順序。3）改進(jìn)的雙向收斂蟻群算法設(shè)計(jì)由于刀具流JSP綜合調(diào)度不是遍歷問(wèn)題，因此，每只螞蟻搜索終止條件不是遍歷所有節(jié)點(diǎn)，而是遍歷對(duì)應(yīng)的機(jī)床需加工的工序集合。由于刀具數(shù)量有限，螞蟻到達(dá)后繼點(diǎn)時(shí)間包括行走時(shí)間（加工時(shí)間）、等待時(shí)間（刀具等待時(shí)間）。2.5

智能柔性制造系統(tǒng)性能測(cè)評(píng)技術(shù)通過(guò)對(duì)智能柔性制造系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)的評(píng)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)智能柔性制造系統(tǒng)精度穩(wěn)定性和加工效率方面存在的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)能有效提高智能制造系統(tǒng)的柔性和生產(chǎn)效率。本節(jié)介紹智能柔性制造系統(tǒng)精度指標(biāo)集建立技術(shù)、智能柔性制造系統(tǒng)精度測(cè)試技術(shù)、智能柔性制造系統(tǒng)的綜合性能評(píng)測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，最終目的是提高智能柔性制造系統(tǒng)的綜合性能及運(yùn)行效率。2.5.1

加工零件在線精度檢測(cè)評(píng)定方法機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取方法較多，從信號(hào)來(lái)源角度可分為兩類：外部傳感器和內(nèi)部傳感器。實(shí)際上，每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床都附帶一些內(nèi)部傳感器，如位置編碼器、電機(jī)電流傳感器、溫度傳感器。近年來(lái)，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，主流數(shù)控系統(tǒng)廠商推出的高端數(shù)控系統(tǒng)都提供了開(kāi)放接口可讀取系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)信息。數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法FANUC數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法包括：PLC讀取NC變量；使用FOCUS二次開(kāi)發(fā)包等。2.數(shù)據(jù)分析方法通過(guò)主軸電流計(jì)算切削力通過(guò)主軸輸入功率預(yù)測(cè)切削功率通過(guò)主軸功率監(jiān)測(cè)刀具磨損根據(jù)主軸溫度值控制冷卻系統(tǒng)根據(jù)兩軸位置值計(jì)算插補(bǔ)圓的圓度誤差和圓滯后誤差根據(jù)電流進(jìn)行電機(jī)故障分析2.5.2智能柔性制造系統(tǒng)精度檢測(cè)技術(shù)1.基于激光干涉儀的數(shù)控機(jī)床空間誤差檢測(cè)技術(shù)利用激光干涉儀等儀器檢測(cè)機(jī)床各坐標(biāo)軸的各項(xiàng)誤差并建立空間誤差模型，計(jì)算機(jī)床工作區(qū)域內(nèi)的空間誤差，根據(jù)機(jī)床空間誤差的情況來(lái)預(yù)測(cè)機(jī)床誤差發(fā)展趨勢(shì)，并根據(jù)主要誤差區(qū)域來(lái)制訂機(jī)床的特定精度檢測(cè)項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主要誤差項(xiàng)的快速、高效檢測(cè)。2.基于球桿儀的數(shù)控機(jī)床空間誤差檢測(cè)技術(shù)QC20球桿儀及軟件是用于測(cè)量數(shù)控機(jī)床中的幾何誤差，并

檢測(cè)由控制器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)引起的精度不準(zhǔn)的問(wèn)題。讓機(jī)床運(yùn)行一段圓弧或整圓周來(lái)“執(zhí)行球桿儀測(cè)試”以測(cè)得誤差。利用球桿儀自帶軟件半徑的微小偏移量，將合成的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上或繪制在打印機(jī)上，從而反映機(jī)器執(zhí)行該項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果情況。如果機(jī)器沒(méi)有任何誤差，繪制出的數(shù)據(jù)將顯示出一個(gè)真圓。3.數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)技術(shù)機(jī)床的RTCP（rotation

tool

center

point，刀尖點(diǎn)控制功能）精度是四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的重要精度指標(biāo)，RTCP精度的好壞

直接影響機(jī)床的四軸聯(lián)動(dòng)加工精度，從而影響工件的質(zhì)量。

具有RTCP功能的數(shù)控機(jī)床，可以使刀具中心點(diǎn)始終保持在一

個(gè)固定的位置上。刀具中心為了保持這個(gè)位置不變，轉(zhuǎn)動(dòng)坐

標(biāo)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)都會(huì)被XYZ的一個(gè)直線位移所補(bǔ)償，因此通過(guò)檢測(cè)機(jī)床的RTCP精度可得到四個(gè)軸在多軸聯(lián)動(dòng)時(shí)的一個(gè)累積定位精度，從而反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度。4.基于機(jī)器視覺(jué)的旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測(cè)技術(shù)針對(duì)四坐標(biāo)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測(cè)的問(wèn)題，建議利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)四坐標(biāo)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角定位誤差進(jìn)行檢測(cè)。首先，制定特定標(biāo)志，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，利用CCD攝像機(jī)獲取標(biāo)志圖像；然后，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)所獲得的圖像進(jìn)行分析處理；最后，根據(jù)標(biāo)志在不同位置處的相對(duì)轉(zhuǎn)角偏差計(jì)算機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角定位誤差，實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角定位誤差的辨識(shí)和精確測(cè)量。2.5.3

數(shù)控機(jī)床綜合性能評(píng)價(jià)方法1.基于層次分析法的數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)方法層次分析法（

analytic

hierarchy

process，AHP)，又稱多層次權(quán)重解析方法。該方法是一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，不僅能夠有效地對(duì)人們的主觀判斷做客觀描述，而

且簡(jiǎn)潔、適用，在對(duì)定性事件進(jìn)行定量分析和模糊評(píng)價(jià)中，該方法應(yīng)用比較廣泛。2.實(shí)際運(yùn)用建立精度指標(biāo)評(píng)價(jià)體系建立數(shù)控機(jī)床精度指標(biāo)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)集確定數(shù)控機(jī)床主指標(biāo)和子指標(biāo)權(quán)重系數(shù)測(cè)評(píng)計(jì)算過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)果及說(shuō)明2.5.4

智能柔性制造系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法在追求制造低成本的趨勢(shì)下，有必要研究智能柔性制造系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題，以提高設(shè)備利用率。提高智能柔性制造系統(tǒng)設(shè)備利用率的前提是對(duì)設(shè)備利用率及加工效率進(jìn)行測(cè)評(píng)。1.模糊參數(shù)隨機(jī)Petri網(wǎng)模糊參數(shù)隨機(jī)Petri網(wǎng)是在普通隨機(jī)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，用模糊化的變遷激發(fā)率參數(shù)代替以前的固定參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程時(shí)間參數(shù)隨機(jī)性與模糊性的全面描述，有利于系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。2.模糊參數(shù)下的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法模糊參數(shù)隨機(jī)Petri網(wǎng)是將普通隨機(jī)Petri網(wǎng)中的變遷激發(fā)率用模糊數(shù)來(lái)表示，將系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的模糊性也納入考慮范圍，從而更準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。因此，模糊參數(shù)隨機(jī)Petri網(wǎng)的分析過(guò)程是在普通隨機(jī)Petri網(wǎng)分析的基礎(chǔ)上，將激發(fā)率參數(shù)合理模糊化，然后進(jìn)行模糊分析。3.模糊參數(shù)評(píng)價(jià)理論的可靠性分析模糊參數(shù)隨機(jī)Petri網(wǎng)是在普通隨機(jī)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用可以較好描述時(shí)間參數(shù)測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)模糊性的梯形模糊數(shù)來(lái)表示隨機(jī)Petri網(wǎng)中的變遷激發(fā)率參數(shù)，用模糊參數(shù)代替以前的固定參數(shù)，全面考慮了制造過(guò)程時(shí)間參數(shù)的隨機(jī)性與模糊性，從數(shù)據(jù)來(lái)源上盡可能保證系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)所采用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而避免普通隨機(jī)Petri網(wǎng)由于數(shù)據(jù)可靠性不足帶來(lái)的分析結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。圖2-10智能制造系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)體系2.6

機(jī)床箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)實(shí)例本節(jié)以四川普什寧江機(jī)床有限公司設(shè)計(jì)建造的生產(chǎn)線為例，作為機(jī)床箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，主要包括智能柔性制造系統(tǒng)、子系統(tǒng)等27項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。從智能柔性制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分類：智能柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能柔性制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)智能制造系統(tǒng)總體功能模型及數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)技術(shù)智能柔性制造系統(tǒng)資源信息的集成化管理策略智能柔性制造系統(tǒng)電氣控制方案和集成性智能柔性制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)智能柔性制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)智能柔性制造系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)智能柔性制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理技術(shù)智能柔性制造系統(tǒng)資源信息的集成化管理策略智能柔性制造系統(tǒng)智能調(diào)度算法智能柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)工藝規(guī)范智能柔性制造系統(tǒng)與車間其他制造資源的集成智能柔性制造系統(tǒng)精度指標(biāo)檢測(cè)技術(shù)智能柔性制造系統(tǒng)的在線監(jiān)控技術(shù)從智能柔性制造子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分類，具體為：零件加工工藝技術(shù)分析集成與快速建模技術(shù)刀具管理系統(tǒng)典型零件選擇精密臥式加工中心選擇托盤(pán)庫(kù)設(shè)計(jì)加工精度補(bǔ)償在線測(cè)量技術(shù)故障預(yù)測(cè)技術(shù)庫(kù)靜態(tài)管理技術(shù)刀具壽命管理技術(shù)實(shí)際產(chǎn)品和生產(chǎn)線圖2-11

FMS63、FMS80智能制造系統(tǒng)2.7

小結(jié)本章主要從系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與控制、系統(tǒng)在線監(jiān)控技術(shù)、刀具管理系統(tǒng)及性能測(cè)評(píng)方技術(shù)等方面介紹了機(jī)床箱體類柔性智能制造系統(tǒng)，以四川普什寧江機(jī)床有限公司研發(fā)的典型機(jī)床箱體類零件柔性智能制造系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)介紹各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程，為箱體類零件及其他零件柔性智能制造系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了參考。項(xiàng)目3智能伺服壓力機(jī)與智能沖壓生產(chǎn)線智能伺服壓力機(jī)智能沖壓生產(chǎn)線引言伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化智能伺服壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃智能伺服壓力機(jī)實(shí)例小結(jié)1

智能伺服壓力機(jī)1.1

引言機(jī)械壓力機(jī)是汽車沖壓生產(chǎn)中最廣泛使用的裝備，如圖1-1(a)與(b)所示分別為典型的多連桿機(jī)械壓力機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械壓力機(jī)由飛輪提供沖壓能量，一旦傳動(dòng)系統(tǒng)確定，沖壓曲線便固定、不可調(diào)，因此，機(jī)械壓力機(jī)存在生產(chǎn)柔性差、工藝適應(yīng)性差的問(wèn)題。車身輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向，帶來(lái)了高強(qiáng)度鋼板、鎂鋁合金板、非等厚焊接鋼板等新材料的推廣應(yīng)用，這些材料沖壓回彈力大、成形特性各異，對(duì)沖壓裝備提出了更高的要求。圖1-1傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)伺服壓力機(jī)是一種新型沖壓裝備，其結(jié)構(gòu)組成如圖1-2所示。與機(jī)械壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)摒棄了飛輪、離合器等部件，由伺服電機(jī)直接提供能量，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)。伺服壓力機(jī)可根據(jù)工藝和模具要求，對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行控制和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了沖壓曲線的柔性可控，極大地提升了沖壓工藝適應(yīng)性，可以滿足多種新型材料的高品質(zhì)共線生產(chǎn)。圖1-2伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)組成1.2

伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化伺服壓力機(jī)由伺服電機(jī)提供沖壓能量，通過(guò)改變傳動(dòng)系統(tǒng)的速度，賦予了滑塊速度多變的運(yùn)動(dòng)特性，成為了一定意義上的自由行程壓力機(jī)。傳動(dòng)系統(tǒng)作為伺服壓力機(jī)的重要組成部分，發(fā)揮著改變速度、傳力做功的重要作用，其設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化是伺服壓力機(jī)研發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化技術(shù)，主要內(nèi)容包括連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、公稱力行程優(yōu)化、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)慣量?jī)?yōu)化及平衡器風(fēng)壓調(diào)節(jié)與優(yōu)化。1.2.1

伺服壓力機(jī)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化連桿機(jī)構(gòu)是傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，本節(jié)討論伺服壓力機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)方案，通過(guò)多目標(biāo)、多約束條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使連桿機(jī)構(gòu)與伺服運(yùn)動(dòng)模式相適應(yīng)。四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于控制，但低速拉伸特性不佳；六連桿機(jī)構(gòu)、八連桿機(jī)構(gòu)均可以較小的曲柄半徑實(shí)現(xiàn)大行程，獲得較高的機(jī)械增益；但八連桿機(jī)構(gòu)的桿件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量、慣量相對(duì)較大，提高了對(duì)伺服電機(jī)的功率要求，同時(shí)滑塊運(yùn)行精度難以保證，滑塊行程曲線優(yōu)化困難，因此，建議智能伺服壓力機(jī)采用六連桿機(jī)構(gòu)。建立六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程如下：對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行微分，可以得到六連桿機(jī)構(gòu)的速度方程如下：對(duì)速度方程進(jìn)行微分，可以得到六連桿機(jī)構(gòu)的加速度方程如下：六連桿機(jī)構(gòu)的力平衡方程為：圖1-3伺服壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)分相示意圖區(qū)間段

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要求

機(jī)構(gòu)優(yōu)化原則工作段滿足滑塊工藝速度的前提下，時(shí)間最短曲柄勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作段滑塊速度與位移關(guān)系逼近理想曲線；盡量降低機(jī)構(gòu)摩擦能耗設(shè)定載荷下，盡量減小機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)摩擦功之和與理想當(dāng)量力臂上下料段滿足送料機(jī)構(gòu)在模區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間和空間考慮模區(qū)打開(kāi)高度與角度、滑塊最大加速度與連桿壓力角約束盡量降低曲柄速度波動(dòng)減速段、回程加速段滿足工作節(jié)拍要求，并盡量降低能耗降低連桿機(jī)構(gòu)與考慮滑塊與上模重量后的最大等效慣量提供充足的急停制動(dòng)時(shí)間盡量降低考慮滑塊及上模重量后的下行等效慣量峰值表1-1各區(qū)間段的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要求及機(jī)構(gòu)優(yōu)化原則1.2.2伺服壓力機(jī)公稱力行程優(yōu)化公稱力和公稱力行程是滑塊承載的重要參數(shù)，公稱力是壓力機(jī)允許承受的最大沖壓能力。公稱力行程指壓力機(jī)承受公稱力時(shí)，滑塊距下死點(diǎn)前某一特定距離。壓力機(jī)在公稱力行程以上的任何位置均不能承受公稱力，否則會(huì)引起壓力機(jī)曲軸扭矩超載，導(dǎo)致部分傳動(dòng)件的損壞。圖1-4壓力機(jī)許用負(fù)荷曲線公稱力行程是設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。公稱力行程過(guò)小會(huì)導(dǎo)致壓力機(jī)無(wú)法滿足沖壓工藝需求，過(guò)大則會(huì)造成壓力機(jī)設(shè)計(jì)困難和制造成本增加。在最大拉伸速度條件下，以20000kN機(jī)械壓力機(jī)為平臺(tái)，測(cè)試工藝力曲線規(guī)律，具體步驟如下：將等高墊放置在移動(dòng)工作臺(tái)的4個(gè)角上，用標(biāo)定儀對(duì)壓力機(jī)噸位進(jìn)行標(biāo)定；將噸位儀、旋變器等安裝好，并與電腦連接，測(cè)試軟件的工作狀態(tài)；將模具裝好后啟動(dòng)壓力機(jī)的寸動(dòng)模式，在最大拉伸速度下對(duì)三種工件進(jìn)行拉伸，分別記錄壓力機(jī)噸位曲線。在相同拉伸速度條件下，20000kN機(jī)械壓力機(jī)拉伸不同工件時(shí)的工藝力曲線如圖1-5所示。圖1-5

20000kN機(jī)械壓力機(jī)拉伸不同工件時(shí)的工藝力曲線20000kN伺服壓力機(jī)公稱力行程為8mm時(shí)的許用負(fù)荷曲線如圖1-6所示。圖1-6

20000kN伺服壓力機(jī)公稱力行程為8mm時(shí)的許用負(fù)荷曲線1.2.3齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)慣量?jī)?yōu)化負(fù)載慣量與電機(jī)慣量之比（即慣量比）對(duì)伺服電機(jī)的輸出特性有重要影響，直接決定了伺服壓力機(jī)的響應(yīng)速度和動(dòng)作精度。因此，在伺服電機(jī)選型時(shí)，為了充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)的最佳性能，除了考慮伺服