智能制造裝備及系統(tǒng) 配套課件

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

錄項目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)控機床）的總稱，是先進制造技術(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、海洋等國民經(jīng)濟重點制造領(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，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，同時智能制造裝備的發(fā)展水平也是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標志。1.1.2智能制造裝備的特征智能制造裝備是機電系統(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。自適應和優(yōu)化能力。自我診斷和維護能力。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制造裝備發(fā)展的必然趨勢智能制造裝備是全面發(fā)展社會生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)智能制造裝備是推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心力量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)務領(lǐng)域，典型的智能制造裝備包括：智能機床；智能數(shù)控系統(tǒng)；智能機器人；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智能機床傳統(tǒng)數(shù)控機床不具有“自感知”“自適應”“自診斷”與

“自決策”的特征，無法滿足智能制造的發(fā)展需求。智能機床可以認為是數(shù)控機床發(fā)展的高級形態(tài)，它融合了先進制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)，具有自我感知和預估自身狀態(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；對所加工工件的質(zhì)量進行智能化評估；基于各種功能模塊，實現(xiàn)多種加工工藝，提高加工效能，并降低對資源和能源的消耗。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、振動等傳感信息的采集，獲得相應的機床運行及環(huán)境變化大數(shù)據(jù)，并通過人工智能方法對大數(shù)據(jù)進行分析，建立影響加工質(zhì)量、效率及穩(wěn)定性的知識庫，并給出優(yōu)化指令，提升自適應加工能力；（3）智能數(shù)控系統(tǒng)還需要具備互聯(lián)互通功能，設(shè)置開放式數(shù)字化互聯(lián)協(xié)議接口，借助物聯(lián)網(wǎng)實現(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、生產(chǎn)、管理系統(tǒng)間的信息集成與共享。1.2.3智能機器人智能機器人是集成計算機技術(shù)、制造技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)及人工智能技術(shù)于一體的智能制造裝備，其主體包括機器人本體、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，具有擬人化、自控制、可重復編程等特點。智能機器人可以利用傳感器對環(huán)境變化進行感知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)機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)過程中減少對人的依賴。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)進行量化并集成應用于工業(yè)網(wǎng)絡的高性能、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)及裝備開始在航空、航天、汽車、半導體、醫(yī)療等重點領(lǐng)域得到應用。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)線是指針對制造加工現(xiàn)場特點，將一組能力相近相輔的加工模塊進行一體化集成，實現(xiàn)各項能力的相互接通，具備適應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)輸出標準化、場景異構(gòu)柔性化及軟硬件一體化，這樣的特點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，需要從資源、管理和執(zhí)行三個維度來實現(xiàn)基本工作單元的智能化、模塊化、自動化、信息化功能，最終保證工作單元的高效運行。1.3

國內(nèi)外智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1國外智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀總體上，世界各國均將智能制造作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的目標，

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，已成為競爭的焦點。美國提出“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)”計劃，加快工業(yè)數(shù)字化進程德國推出“工業(yè)4.0”計劃，建立智能生產(chǎn)系統(tǒng)日本推出“創(chuàng)新工業(yè)”計劃，重塑制造業(yè)競爭力1.3.2國內(nèi)智能制造裝備發(fā)展現(xiàn)狀我國智能制造裝備發(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，并在多個重點領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應用。但作為一個正在培育和成長的新興產(chǎn)業(yè)，我國智能制造裝備的發(fā)展仍然存在一些問題，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口產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、智能化程度低骨干企業(yè)的核心競爭力不足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遠程運維2.4云計算2.9小結(jié)2.5機器學習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，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、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，無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)規(guī)模化發(fā)展的需求，因此，需要基于智能制造裝備，進一步發(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具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)定義。定義1：是未來網(wǎng)絡的整合部分，以標準、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態(tài)網(wǎng)絡設(shè)施。定義2：指通過信息傳感設(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，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。定義3：由具有標識、虛擬個性的物體/對象所組成的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)架國際電信聯(lián)盟給出了公認的3個層次，從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡層和應用層，如右圖所示。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)射頻識別技術(shù)（RFID）、傳感器、智能技術(shù)、納米技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的四個關(guān)鍵性技術(shù)。2.2.2物聯(lián)網(wǎng)的主要實現(xiàn)方式2.2.3物聯(lián)網(wǎng)在智能制造領(lǐng)域的應用本節(jié)介紹一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精密門窗鉸鏈智能制造系統(tǒng)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如下圖所示。基于面向服務的架構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化查詢語言數(shù)據(jù)庫，應用射頻識別技術(shù)把人、機、料接入物聯(lián)網(wǎng)，通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）實現(xiàn)服務器數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息的實時交互。所有工件的工藝過程和對應的人員信息均被系統(tǒng)實時記錄，通過對所采集的數(shù)據(jù)進行分析，管理人員可以清楚地掌握所有工件的實時生產(chǎn)信息，并對生產(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)是指存儲在各種介質(zhì)中的大規(guī)模的各種形態(tài)的數(shù)據(jù)，對各種存儲介質(zhì)中的海量信息進行獲取、存儲、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)在其價值方面，相較于數(shù)據(jù)量的大小，數(shù)據(jù)的多元性和實時性對大數(shù)據(jù)的價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?，再從信息中獲取知識，從而可以更好地進行決策。2.3.2大數(shù)據(jù)的主要實現(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)存儲和管理層、數(shù)據(jù)分

析層及數(shù)據(jù)應用層，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)域的應用實例。

該公司首先利用傳感器收集切削加工過程中的數(shù)據(jù)，開發(fā)了帶鋸壽命衰退分析和預測算法模型。對加工產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時分析，對當前的工件和工況信息進行識別，通過健康特征提取和歸一化

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

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

信息檔案，大量帶鋸的生命信息檔案形成一個龐大的數(shù)據(jù)庫，通

過大數(shù)據(jù)分析方法對其進行分析，建立不同健康狀態(tài)下的最佳工

藝參數(shù)模型，延長帶鋸的使用壽命。同時通過可視化技術(shù)，將帶

鋸健康信息展示給用戶，而當需要對帶鋸進行更換時對用戶進行

提醒，并自動補充帶鋸訂單。2.4

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

的計算資源池化，與之前的單個計算資源（下圖(a)）或多個計算資源（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、應用等方式提供

給用戶；第二，計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，基于上述云計算

平臺的云計算應用，也被囊括進云計算的概念中。2.4.2云計算的主要實現(xiàn)方式依據(jù)所提供的計算資源不同，云計算的實現(xiàn)方式大致可以分為三種：基礎(chǔ)設(shè)施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。基礎(chǔ)設(shè)施即服務（IaaS）基礎(chǔ)設(shè)施即服務是云計算中最底層的服務。平臺即服務（PaaS）平臺即服務是比基礎(chǔ)設(shè)施即服務更高層的云計算服務。軟件即服務（SaaS）云計算服務的最高一層是軟件即服務。2.4.3云計算在智能制造領(lǐng)域的應用對于工藝流程復雜的鋼鐵企業(yè)，收集、檢索、分析生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)并不輕松，實現(xiàn)工業(yè)信息化更是非常困難。自主搭建的傳統(tǒng)主機系統(tǒng)，信息儲存在硬盤上，成本高且效率低下，而云計算平臺可以實現(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)了相應的云平臺，該云平臺具有三層結(jié)構(gòu)，即移動終端層、網(wǎng)絡傳輸層與應用層。通過使用云計算技術(shù)，不僅可以更好地進行企業(yè)管理，還可以向社會提供云服務，為企業(yè)創(chuàng)造更大的商業(yè)價值。2.5

機器學習2.5.1機器學習的概念機器學習是一門典型的交叉學科，主要指利用計算機模擬人類的學習行為，使其自主獲取新的知識或掌握某種技能，并在實踐訓練中重組自己已有的知識結(jié)構(gòu)，不斷改善其工作性能。機器學習過程的本質(zhì)是基于已知數(shù)據(jù)構(gòu)建一個評價函數(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。機器學習的基本實現(xiàn)流程如下圖所示。2.5.2機器學習的主要實現(xiàn)方式1.概述機器學習算法整體上已形成多種分類形式，如下圖所示。根據(jù)學習態(tài)度和靈感來源，可分為符號主義、聯(lián)結(jié)主義、進化主義、貝葉斯主義和類推主義等。根據(jù)學習模式和樣本結(jié)構(gòu)，可分為監(jiān)督學習、無監(jiān)督學習、半監(jiān)督學習和強化學習等。依據(jù)學習方法和模型復雜度，可分為傳統(tǒng)機器學習和深度學習。其他常見學習算法包括遷移學習、主動學習、集成學習和演化學習等。2.典型算法人工神經(jīng)網(wǎng)絡基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡是目前技術(shù)最成熟、應用最廣泛的機器學習算法，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)督學習中典型的聚類算法，K-Means算法是無監(jiān)督學習中典型的聚類算法。2.5.3機器學習在智能制造領(lǐng)域的應用由機器學習構(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)，可廣泛應用于故障診斷、個性化定制、在線檢測、預測性維護、科學排產(chǎn)、運營管理、制造工藝優(yōu)化與機器人智能控制等諸多工業(yè)場合。機器學習作為一種數(shù)據(jù)分析與特征挖掘的工具，可以有機融入到生產(chǎn)過程的專家系統(tǒng)中。在復雜環(huán)境下的工業(yè)信號處理與參數(shù)優(yōu)化方面，通過采集故障機床的工作信號，整理為帶標記的初始樣本集，構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡，挖掘該故障的信號特征，避免了繁雜的理論分析過程，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)進行量化，并集成應用于工業(yè)網(wǎng)絡，具有信息感知、信息診斷、信息交互的能力。通過多個智能傳感器還可組建成相應的網(wǎng)絡拓撲，具備從系統(tǒng)到單元的反向分析與自主校準能力。2.6.2智能傳感的主要實現(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)，首先對輸入信號完成檢測、處理、記憶等過程，再將調(diào)理好的信號發(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，實現(xiàn)系統(tǒng)間的物物相連。此外，通過融合多種類別的傳感器構(gòu)成復雜的傳感絡，利用不同傳感器的特殊屬性互補，可以達到延長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)架主要包含三個層次：應用層；網(wǎng)絡層；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：基于全光信號處理的無源光波導傳感器技術(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)場能量采集與微取能技術(shù)。傳感器高可靠邊緣計算與物聯(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)域的應用。該慣性傳感器智能裝配線的主要功能包括零件的自動輸送、自動點膠、自動同軸裝配、自動膠接等，通過在零件輸送與自動裝備環(huán)節(jié)引入視覺傳感技術(shù)，有效提高了傳感器零件裝配的精度與一致性，同時相比傳統(tǒng)的“人眼檢測”，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)互通是指通過有線、無線等通信技術(shù)，實現(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)報告中對互聯(lián)互通的層級定義如下圖所示?；ヂ?lián)互通的本質(zhì)是實現(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。2.7.2互聯(lián)互通的主要實現(xiàn)方式解決信息互通問題是當前實現(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)類型對制造系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化的描述，建立結(jié)構(gòu)和語義一致的信息模型是解決該問題的重要手段。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。國際上，OPC

UA與各類組織合作。在OPC

UA架構(gòu)下實現(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。國內(nèi)方面，由機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所牽頭制定了《數(shù)字化車間制造裝備集成與互聯(lián)互通》系列標準，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，并對典型裝備數(shù)控機床和機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)建模兩個需求，是業(yè)界公認的通用語義互操作的標準。OPC

UA采用了集成地址空間，增加對象語義識別功能，

實現(xiàn)了對信息模型的支持。為了讓數(shù)據(jù)使用不受供應商或操作系統(tǒng)平臺限制，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)域的應用開發(fā)提供了豐富和可擴展的信息層次結(jié)構(gòu)，實現(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，為獨立于平臺的通訊和信息技術(shù)創(chuàng)造了基礎(chǔ)。OPCUA具有可升級性、網(wǎng)絡兼容性、獨立于平臺和安全性等特點，可廣泛應用于控制系統(tǒng)、MES以及ERP。OPC

UA采用客戶端/服務器模式實現(xiàn)信息交互功能。OPCUA客戶端與服務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)實現(xiàn)協(xié)議映射的方法是為設(shè)備和系統(tǒng)開發(fā)映射接口。當使用某種協(xié)議和方法為一個設(shè)備和系統(tǒng)建立信息模型后，可通過協(xié)議映射接口將其映射到其他協(xié)議，以實現(xiàn)與其他類型接口設(shè)備的互聯(lián)互通。通過映射實現(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)域的應用最常見的互聯(lián)互通應用可見于數(shù)控機床和上下料機器人組成的柔性生產(chǎn)線中?；ヂ?lián)互通在數(shù)字雙胞胎中也同樣起著重要作用。互聯(lián)互通中的信息模型技術(shù)通過對數(shù)字雙胞胎各種屬性信息建模的方式實現(xiàn)信息標準化，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

遠程運維2.8.1遠程運維的概念遠程運維主要是指利用云計算技術(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)等對工業(yè)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)設(shè)備遠程監(jiān)控，故障、警報的實時分析和通知，遠程故障診斷，程序升級，設(shè)備維保管理，設(shè)備預防性維護以及工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘等功能。遠程運維的核心是通信網(wǎng)絡、中央數(shù)據(jù)庫、運維流程以及監(jiān)測系統(tǒng)。2.8.2遠程運維的主要實現(xiàn)方式1.概述遠程運維包含設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集、自動診斷系統(tǒng)、健康評估、基于專家系統(tǒng)的預測模型和故障索引知識庫等子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)裝備過程無人操作、工作環(huán)境預警、運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與自修復，對企業(yè)的智能裝備提供健康狀況監(jiān)測、虛擬設(shè)備維護方案制定與執(zhí)行、最優(yōu)使用方案推送、創(chuàng)新應用開發(fā)等服務。數(shù)控設(shè)備遠程運維包括物理平臺和服務功能兩部分，需要完成與數(shù)字化車間的融合，實現(xiàn)與現(xiàn)有MES和ERP等系統(tǒng)的信息交互。如圖所示，遠程運維系統(tǒng)位于智能制造系統(tǒng)架構(gòu)生命周期維度的服務環(huán)節(jié)。物理平臺層面，數(shù)

控設(shè)備遠程運維平臺包括邊緣側(cè)的狀態(tài)采集系統(tǒng)，邊緣側(cè)及本地的計算和分析系統(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；健康評估模塊；故障模式識別及預測性維護模塊。各個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)備遠程運維的物理平臺架構(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)，將采集后的信息進行初步處理后存儲于本地數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測功能。健康評估、故障模式識別及預測性維護則部署于云平臺。云平臺可以采用企業(yè)單獨建設(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)遠程運維系統(tǒng)的信息技術(shù)架構(gòu)如下圖所示。2.8.3

遠程運維在智能制造領(lǐng)域的應用以國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的“數(shù)控機床遠程運維平臺”為例，對面向數(shù)控設(shè)備的遠程運維現(xiàn)場應用示例進行介紹。清華大學和中國石油大學聯(lián)合沈機（上海）智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)備有限公司、寶雞忠誠機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)控機床行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，在國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心搭建云平臺，以數(shù)控車床和加工中心作為驗證對象完成遠程監(jiān)控的試驗，運維平臺場景如下圖所示。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、智能工廠與應用層。詳細地介紹了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、機器學習、智能傳感、互聯(lián)互通與遠程運維7項智能使能技術(shù)，給出

了各項技術(shù)的概念、主要實現(xiàn)方式與其在智能制造領(lǐng)域的應用案例。項目2智能精密臥式加工中心與機床箱體類零件智能制造系統(tǒng)智能精密臥式加工中心機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)計精密臥式加工中心誤差智能補償技術(shù)精密臥式加工中心伺服驅(qū)動優(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)工作臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化1.精密主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主軸是精密加工中心的關(guān)鍵部件，對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)來保證主軸組件的回轉(zhuǎn)精度。軸承一般采用長效油脂潤滑，實現(xiàn)免維護。主軸采用外循環(huán)強制冷卻，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)計的機床精密主軸系統(tǒng)誤差分析與主軸實時動態(tài)

檢測相結(jié)合的模式，優(yōu)化零件的設(shè)計參數(shù)和裝配工藝方法，實現(xiàn)精密主軸的設(shè)計要求。1.1

精密臥式加工中心優(yōu)化設(shè)計精密回轉(zhuǎn)工作臺分為端齒盤分度回轉(zhuǎn)工作臺和連續(xù)分度回轉(zhuǎn)工作臺?；剞D(zhuǎn)工作臺采用液壓剎緊機構(gòu)，可適應工件的強力銑削。精密回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)如右圖所示。圖1-1精密回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)圖2.精密回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計1.1.2

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

向為階梯型結(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稱性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的整體框式結(jié)構(gòu)，立柱實現(xiàn)X向橫坐標移動，工作臺實現(xiàn)Z向縱坐標移動，能夠最大限度地保證主軸的剛性和對準度。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償技術(shù)機床在實際加工過程中，由于多方面原因會產(chǎn)生各種誤差，常見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、運動誤差、定位/位置誤差等，嚴重影響零件加工質(zhì)量。誤差補償作為減小或消除誤差的主要方法，是人為的向機床輸入與機床誤差方向相反、大小相同的誤差來抵消機床產(chǎn)生的誤差，從而減少或消除機床誤差，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床加工精度的主要誤差，研究三種誤差的補償方法將有利于提升精密臥式加工中心的精度。1.2.1

熱誤差補償技術(shù)在機床各類誤差中，機床熱誤差所占比例通常為40%～70%，主要原因是機床工作產(chǎn)生的內(nèi)部熱和工作空間溫度梯度變化使溫度場復雜多變，使得精密機床各部件間產(chǎn)生了不同應力，進而使機床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。通過對機床熱誤差的產(chǎn)生機理分析、檢測和建模，熱誤差可通過誤差補償來進行有效控制。1.熱誤差分析和檢測1）綜合測量系統(tǒng)（1）溫度測量：通常通過布置大

量的測溫點來研

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）位移測量：加工中心的熱變形實際上是相關(guān)部件的熱變形在空間綜合作用的結(jié)果?？刹捎梦妩c式位移測量方法來測量主軸熱漂移、熱伸長以及熱傾斜，在主軸前端夾持測試芯棒，伸進套筒內(nèi)，并在芯棒上設(shè)置傳感器，如圖1-3所示。圖1-3五點式位移傳感器示意圖2）補償自由度的確定熱誤差補償?shù)年P(guān)鍵問題之一是確定補償自由度，充分考慮補償系統(tǒng)的經(jīng)濟成本以及補償效率，需選擇加工中心熱誤差顯著的自由度進行補償。通過多次實驗，被測機床在X、Y

和Z軸三個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軸三個方向上的最大尺寸和XY兩個方向傾斜最大尺寸（m）測量工況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.熱誤差補償技術(shù)熱誤差補償技術(shù)包括測溫點優(yōu)化和建立補償模型，通過優(yōu)化測溫點布局建立測溫點與加工中心熱誤差關(guān)系，結(jié)合實際熱誤差補償過程中測溫點的選擇準則，獲得最優(yōu)測溫點，進一步建立機床熱誤差補償模型。1）測溫點優(yōu)化及選擇測溫點優(yōu)化測溫點選擇2）熱誤差補償建模熱誤差補償?shù)暮诵膯栴}是建立能夠客觀反映加工中心溫度場及熱誤差之間函數(shù)關(guān)系的預測模型。大量研究表明這種數(shù)學模型屬于多變量模型，因此，所建立模型的補償率、魯棒性以及通用性均依賴于加工中心溫度場變量的準確分布。多元線性回歸方法作為最常用、最可靠的熱誤差補償建模方法之一，由多個自變量的最優(yōu)組合共同預測或估計因變量。1.2.2

幾何誤差補償技術(shù)由于超精密臥室加工中心的主要零件在制造、裝配過程中存在誤差，會直接引起機床的幾何誤差。該誤差最終影響工件加工精度，當加工誤差較大時會直接導致加工工件無法滿足加工要求，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.幾何誤差建模機床結(jié)構(gòu)以運動副的連接來實現(xiàn)刀具和工件的相對運動。在理想情況下，機床刀尖點的位置就是工件理想加工點。實際加工中，這兩個點不一定重合，工件理想加工點和刀具刀尖點之間的誤差就是空間定位誤差。由于刀具和工件都各自運動，須將兩者運動轉(zhuǎn)換到同一個坐標系中，即將刀具到機床基座的運動鏈，和工件到機床基座的運動鏈兩者聯(lián)系起來。同時，機床結(jié)構(gòu)不同，運動鏈的表現(xiàn)形式也不同。2.幾何誤差補償測量任一運動軸時，首先，測量及補償角度誤差；其次，測量和補償線性和直線度誤差；最后，測量和補償垂直度誤差?？臻g幾何誤差補償為實時補償和非實時補償兩種方式?？臻g幾何誤差實時補償周期宜在7ms以內(nèi)，但目前數(shù)控系統(tǒng)與外界通信的最短響應時間就已經(jīng)超過了10ms，加上計算和其他一些原因造成的延遲，實際能夠達到的最小實時補償周期在15～30ms范圍。因此，空間誤差補償宜在中低速度下進行。幾何誤差離線補償，根據(jù)誤差模型修正加工代碼，把G代碼中的點位指令、直線指令、圓弧指令分別進行誤差修正。1.2.3

力誤差補償方法數(shù)控機床切削加工過程中，由于切削余量的隨機波動導致切削力波動，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源之一。建立切削力誤差模型的關(guān)鍵是加工過程中切削力的實時準確測量。以Fanuc數(shù)控系統(tǒng)為例，用R1001.0作為面板開關(guān)的使能位。改R1002.0~R1002.7的值來實現(xiàn)對進給倍率的自動控制。因此，R1001.0位相當于手動-自動的切換開關(guān)，R1002.0~R1002.7則為進給倍率自動控制的緩存。結(jié)合FOCAS庫函數(shù)，切削優(yōu)化程序可實時有效地的對進給倍率進行調(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特性，進而獲得更高的加工精度和加工速度，對伺服驅(qū)動的參數(shù)進行優(yōu)化尤其重要。然而，由于數(shù)控機床是一個復雜的機電綜合系統(tǒng)，且設(shè)計、制造、甚至使用環(huán)節(jié)的眾多因素影響，不同型號的機床在伺服特性上存在較大差別，甚至同種型號不同批次的機床在伺服特性上也存在細微差別。因此，進行伺服參數(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)化在實際使用中，由于機床在機械制造水平和裝配工藝上的個體差異，這些向?qū)Ч⒉皇侨己茱@著，機械本身的剛性阻尼等差別較大，ServoGuide軟件自動產(chǎn)生的推薦值難以兼顧。因此，針對普什寧江生產(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)動參數(shù)優(yōu)化調(diào)校工藝方法。圖1-5手動優(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)實際，一般對于精密臥式加工中心的伺服參數(shù)利用Fanuc系統(tǒng)的ServoGuide進行手工調(diào)整優(yōu)化，之后使用球桿儀進行測試，進一步完成伺服參數(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優(yōu)化經(jīng)驗模型，基本思路為通過球桿儀實測機床畫圓誤差，自動讀取圓度值、反向越?jīng)_等數(shù)據(jù)，并自動判斷需要優(yōu)化的參數(shù)和調(diào)整量，寫入新參數(shù)后，自動啟動機床重新畫圓，再次通過球桿儀實測效果，依次循環(huán)，直至圓度值等指標滿足事先設(shè)置好的目標為止。1.4

精密臥式加工中心有限元分析振動是影響機床加工精度的關(guān)鍵，本節(jié)從精密臥式加工中心整機結(jié)構(gòu)動靜剛度的角度出發(fā)，提出整機結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化理論模型和整機結(jié)構(gòu)改進方案，結(jié)合整機動態(tài)特性建模分析與實驗驗證，給出精密臥式加工中心動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結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和剛度分析的CAD/CAE知識庫與結(jié)合面數(shù)據(jù)庫。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)字化模型針對機床各個大件工程圖分別創(chuàng)建它們的三維模型，是動靜態(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立柱詳細模型圖圖1-7主軸三維模型圖圖1-8工作臺三維模型圖圖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、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工作臺部件三維模型圖由上述各個子系統(tǒng)（部件）裝配模型，參考系統(tǒng)之間的裝配方式，針對普什寧江機床生產(chǎn)的THA6350和THM63100，構(gòu)

建了整機三維模型分別如圖1-14、圖1-15所示。圖1-14

THA6350整機三維模型圖圖1-15

THM63100整機三維模型圖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有限元模型構(gòu)建整機的主要或重要結(jié)合面包括滑塊-導軌結(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與床身之間，螺栓結(jié)合面存在于導軌固定螺栓處、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)合面在三個移動方向都有剛度及阻尼存在，滑塊-導軌結(jié)合面在移動方向上的剛度與阻尼忽略，軸承結(jié)合面在轉(zhuǎn)動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

基于任務的可靠性模型基于GO法的元任務可靠性模型X、Y、Z

軸傳動元任務及傳動反饋元任務可靠性模型的建立B軸傳動元任務及傳動反饋元任務可靠性模型的建立主軸旋轉(zhuǎn)元任務可靠性模型的建立主軸拉桿拉/松刀元任務可靠性模型的建立機械手換刀元任務可靠性模型的建立刀具交換任務中各元任務可靠性模型的建立托盤升降、旋轉(zhuǎn)元任務可靠性模型的建立輔助加工各元任務可靠性模型的建立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的產(chǎn)品壽命周期故障的表現(xiàn)方式，故障率的變化趨勢大體分為：早期故障期、偶然故障期和損耗故障期三個階段。THM6380精密臥式加工中心的失效率函數(shù)為：1.5.3

機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)應用于產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)階段，以可靠性設(shè)計分析為理論基礎(chǔ)，用來指導可靠性實驗并以激發(fā)潛在故障為手段，通過提出和實施改進措施來達到消除實驗中發(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故障樹2）早期故障期精密臥式加工中心FTA分析通過對潛在故障的分析找到故障原因并分析故障對產(chǎn)品可靠性影響的重要度，提出有效的預防與改進措施，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的加工精度上，對精度保持性研究不夠。數(shù)控加工中心的精度是由各傳動鏈的傳動精度共同決定的，影響其精度保持性的因素較多，包括磨損、熱變形、振動、數(shù)控系統(tǒng)精度等因素。神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)可以處理非線性信息，是較為理想的預測精度的工具。在神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型應用較廣，是一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡，包含一個或多個隱含層，通過不斷的反向傳播修正誤差，可

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

機床運行可靠性監(jiān)控及裝配工藝設(shè)計1.可靠性監(jiān)控技術(shù)圖1-21監(jiān)控系統(tǒng)功能樹精密臥式加工中心運行狀態(tài)監(jiān)控為了提高加工精度，對機床加工系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行綜合監(jiān)測是十分必要的。精密臥式加工中心可靠性監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)數(shù)控機床運行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)利用PLC來前期處理通過傳感器采集到的信號，將信號數(shù)據(jù)顯示在HMI環(huán)境下開發(fā)的OEM應用程序界面上，來完成對數(shù)控機床相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測，1.可靠性驅(qū)動的裝配工藝設(shè)計可靠性驅(qū)動的裝配工藝主要從功能實現(xiàn)的可靠性方面來考慮裝配工藝的制定，在裝配過程中控制可靠性，對于提高產(chǎn)品的可靠性具有重要意義?？煽啃则?qū)動的裝配工藝制定步驟可靠性驅(qū)動的裝配工藝方案及實施1.6

智能精密臥式加工中心實例本節(jié)以THMC6350精密臥式加工中心的研發(fā)為例來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準配置日本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)動裝置以及華中數(shù)控的配套廠家武漢登奇機電公司的GK\GM系列伺服電機和主軸驅(qū)動電機。其整體結(jié)構(gòu)分別如圖1-22和圖1-23所示。圖1-22

THMC6350機床外形圖圖1-23

THMC6350總體布局圖研發(fā)階段完成了精密主軸實驗裝置、精密主軸、數(shù)控跑車架、轉(zhuǎn)臺裝配跑車架、環(huán)面蝸桿測試裝備、數(shù)控系統(tǒng)應用實驗臺、托板交換可靠性運行臺架、主軸可靠性檢測實驗臺、B軸可靠性測試實驗臺等設(shè)備。自制設(shè)備及實驗裝置為功能部件研制的驗證、技術(shù)性能實驗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)場實物如圖1-24～圖1-29所示。圖1-24精密主軸實驗裝置圖1-25精密主軸數(shù)控跑車架圖1-26轉(zhuǎn)臺裝配跑車架圖1-27環(huán)面蝸桿測試裝備圖1-28

FANUC數(shù)控系統(tǒng)實驗臺圖1-29華中數(shù)控系統(tǒng)實驗臺1.7

小結(jié)本章主要從臥式加工中心優(yōu)化設(shè)計、誤差補償技術(shù)、伺服驅(qū)動優(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)計與優(yōu)化，并以四川普什寧江機床有限公司研發(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)計及應用，為智能精密臥式加工中心的設(shè)計提供了相應的參考和指導意義。機床箱體類零件智能制造系統(tǒng)集成設(shè)計智能柔性制造系統(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)性能測評技術(shù)機床箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)實例小結(jié)2

機床箱體類零件智能制造系統(tǒng)機床制造企業(yè)經(jīng)常需要對各種箱體類零件進行加工，機床箱體類零件通常屬于多品種、小批量加工，需要實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程的柔性化。機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，通過在機床制造企業(yè)推廣示范應用，可以起到推進國產(chǎn)智能制造生產(chǎn)線在機床等領(lǐng)域廣泛應用目的，促進國產(chǎn)數(shù)控機床制造水平的快速提升。2.1

機床箱體類零件智能制造系統(tǒng)集成設(shè)計為了完成機床箱體類零件智能制造系統(tǒng)的設(shè)計，需要在對典型機床箱體類零件工藝需求分析和加工工藝分析的基礎(chǔ)上，完成機床箱體類精密智能制造系統(tǒng)的總體設(shè)計，并利用柔性生產(chǎn)制造技術(shù)，實現(xiàn)機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、進行機床箱體類零件加工特征的自動建模、掌握國產(chǎn)數(shù)控刀具切削性能和高效柔性夾具的應用技術(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)的應用；智能制造系統(tǒng)的模塊化、單元化設(shè)計；集成化制造的生產(chǎn)線工藝設(shè)計；創(chuàng)建加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫或工藝專家?guī)?，以及加工特征的自動建模；機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。2.1.2

箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)總體布局設(shè)計智能柔性制造系統(tǒng)能按裝配作業(yè)配套需要，及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫存量，及相應的流動資金占用量，縮短生產(chǎn)周期，提高設(shè)備的利用率，減少直接勞動力，在無人看管條件下可實現(xiàn)晝夜24小時的連續(xù)“無人化生產(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、自動化、智能化、網(wǎng)絡化為一體的一類高技術(shù)產(chǎn)品。電氣控制系統(tǒng)是多個子系統(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)開發(fā)過程中用到的核心技術(shù)之一，是普通單機數(shù)控技術(shù)的更高級和更復雜的運用。無論進口數(shù)控系統(tǒng)還是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的開放式運用，代表數(shù)控系統(tǒng)外部擴展、二次開發(fā)、性能擴展的運用能力，具有較高的技術(shù)難度。2.2.1

基于開放式數(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)控機床，運用系統(tǒng)的開放式技術(shù)和網(wǎng)絡連接擴展技術(shù)，開發(fā)臥式加工中心THM6363\THM6380電氣控制系統(tǒng)、物流搬運系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、智能柔性加工系統(tǒng)、計算機信息控制系統(tǒng)等。主要技術(shù)內(nèi)容的拓撲結(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

基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的智能柔性制造系統(tǒng)應用圍繞國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在智能柔性制造系統(tǒng)中的應用，開發(fā)了基于華中8型數(shù)控系統(tǒng)的功能擴展技術(shù)及基于NCUC-BUS總線的控制、物流、信息的網(wǎng)絡融合方法，開發(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、托盤編碼及自動識別、物流子系統(tǒng)安全控制方法，建立了刀具自動識別、監(jiān)測及自動換刀方法，開發(fā)了綜合精度測量技術(shù)，建立了網(wǎng)絡化作業(yè)計劃管理及智能調(diào)度模型，開發(fā)了機床箱體零件在線檢測測量方法，實現(xiàn)了生產(chǎn)線的監(jiān)控功能。華中數(shù)控系統(tǒng)與RFID讀寫器采用串口連接，讀寫器與電子標簽通過無線傳輸進行通信，電子標簽安裝在刀具中。由于每個電子標簽都是唯一的，因此可以通過電子標簽來唯一標識刀具。在刀具安裝、卸載、換刀過程中完成刀具信息的獲取與更新，關(guān)鍵技術(shù)包括：RFID電子標簽與刀柄的系統(tǒng)組成；基于RFID電子標簽的刀具信息識別；基于RFID電子標簽的刀具管理系統(tǒng)。圖2-2數(shù)控裝置的可靠性設(shè)計流程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)的在線檢測與監(jiān)控技術(shù)以及可靠性評估模型。運用國產(chǎn)精密臥式加工中心的數(shù)控系統(tǒng)和測頭作為核心檢測設(shè)備，實現(xiàn)箱體類零件加工的在線檢測，實現(xiàn)了由國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)組成的智能柔性制造系統(tǒng)運行狀態(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)的運行數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)、機床工作狀態(tài)、運輸線工作狀態(tài)、加工程序管理等，視頻監(jiān)控對智能制造系統(tǒng)的關(guān)鍵部位進行監(jiān)控，包

括機床加工區(qū)、托盤交換、自動物流傳輸線以及排屑情況等。2.3.1

基于數(shù)控系統(tǒng)的在線檢測技術(shù)在數(shù)控機床上對被加工工件進行在線自動測量是提高數(shù)控機床自動化加工水平和保證工件加工精度的有效方法，因此，數(shù)控機床工件在線自動測量系統(tǒng)是衡量數(shù)控機床技術(shù)水平的重要特征之一。通過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、功能更強大。刀具管理RFID系統(tǒng)將RFID技術(shù)應用到數(shù)控加工生產(chǎn)的刀具管理中，可以提高刀具管理的自動化程度和管理效率。將射頻識別技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)刀具管理模塊相結(jié)合，實現(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)通過數(shù)控系統(tǒng)、PLC、各種現(xiàn)場傳感器等采集設(shè)備及系統(tǒng)運行的實時狀況信息，并寫入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能柔性制造系統(tǒng)現(xiàn)場各種設(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、預計和分配。加工設(shè)備可靠性技術(shù)。包括加工設(shè)備可靠性實驗與評估技術(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)可靠性實驗技術(shù)。包括生產(chǎn)線總體及個分系統(tǒng)的可靠性強化實驗技術(shù)，通過設(shè)計可靠性強化實驗方案進行實驗，得到準確有效的可靠參數(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，特別是對于機械生產(chǎn)車間，刀具、夾具和量具的管理是否合理、科學，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、實時的刀具數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)無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組合刀具、散件刀具的參數(shù)信息、庫存信息、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。對組合刀具和散件刀具采用刀具規(guī)格管理和庫存刀具管理兩層結(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規(guī)格信息錄入到系統(tǒng)中，以便實現(xiàn)對同種規(guī)格刀具的編輯、查詢、統(tǒng)計等。庫存刀具則將采購的刀具根據(jù)其規(guī)格進行分類并編碼。庫存刀具包含刀具的位置信息、使用壽命信息、對刀后參數(shù)修正信息等。1.刀具多參數(shù)動態(tài)管理及刀具柔性編碼1）刀具多參數(shù)管理多參數(shù)是指在工程應用領(lǐng)域中同類對象具有不同數(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，而同一類型的對象又需要存儲于同一數(shù)據(jù)表中，對數(shù)據(jù)庫的設(shè)計提出了較高要求，需要一種多參數(shù)管理方法。在保證對象參數(shù)完全表達的基礎(chǔ)上，又能合理地利用儲存空間，提高數(shù)據(jù)庫利用率。2)刀具參數(shù)設(shè)置流程為該刀具設(shè)置刀具分類，如果沒有該分類，則在刀具分類表中以樹狀結(jié)構(gòu)進行該刀具類型的添加。通過選擇參數(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)信息表中沒有數(shù)據(jù)，則應在該信息表中添加該數(shù)據(jù)后進行設(shè)置。給刀具設(shè)置刀具分類后，根據(jù)該分類對應的分類參數(shù)，在刀具參數(shù)表中為該刀具添加刀具參數(shù)信息，同時設(shè)置各個刀具參數(shù)值。根據(jù)參數(shù)最大值與最小值，校驗輸入?yún)?shù)值是否正確。正確則保存該刀具信息，否則進行參數(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，為新添加的子類自動賦予其父類的分類參數(shù)，再進行子類分類參數(shù)修改，有利于避免對父類下子類重復添加參數(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：每一個編碼對象僅有一個代碼，一個代碼只唯一標識一個編碼對象，代碼與所標識的信息主體之間必須具有對應關(guān)系。合理性：代碼結(jié)構(gòu)要與其所要標識的信息主體的特點相適應。擴充性：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的編碼的更新和擴充，同時需考慮新舊編碼中的對應關(guān)系和繼承性。簡單性：代碼結(jié)構(gòu)應盡量簡單，長度盡量短，可節(jié)省機器存儲空間和減少代碼出錯率，提高機器處理的效率，同時應考慮代碼系統(tǒng)的容量和可擴展性。實用性：代碼應盡可能反映編碼對象特點，有助于記憶，便于填寫。規(guī)范性：在一個編碼標準中，代碼的類型、代碼的結(jié)構(gòu)以及代碼的編寫格式必須統(tǒng)一，便于記憶、辨認和計算機處理。2）刀具編碼系統(tǒng)設(shè)計（1）傳統(tǒng)刀具編碼方法刀具編碼應包含其分類信息、參數(shù)信息等相關(guān)信息，刀具的類型存在上下級歸屬關(guān)系，需采用樹式編碼。對于某一類刀具，刀具參數(shù)類型、數(shù)量相同，每個參數(shù)之間相互獨立，因此，對參數(shù)編碼可以采用鏈式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)采用綜合樹式編碼和鏈式編碼結(jié)構(gòu)方式實現(xiàn)刀具編碼，采用樹式編碼刀具分類信息，位數(shù)固定，一般設(shè)定為兩級，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)的鏈式編碼。傳統(tǒng)刀具編碼方法式主要有以下不足：刀具分類級別固定。鏈式編碼采用了剛性結(jié)構(gòu)，缺乏可擴展性和柔性。編碼規(guī)則在系統(tǒng)設(shè)計過程中以程序代碼的方式存放于服務器中，需要在系統(tǒng)使用之前編寫所有刀具的分類信息、代碼規(guī)則。（2）改進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，還繼承了剛性編碼簡單明了、便于識別檢索和記憶的優(yōu)點，因此，推薦使用柔性編碼結(jié)構(gòu)對刀具進行編碼。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，校驗碼以及姊妹碼五個部分。（3）編碼方案的繼承及設(shè)計流程編碼設(shè)計中會出現(xiàn)編碼規(guī)則重復添加的情況，因此，編碼方案按照刀具多參數(shù)管理中根據(jù)刀具分類級別進行編碼方案繼承的方式，以提高刀具編碼方案設(shè)計效率。通過對刀具分類、分類參數(shù)、序列碼、姊妹碼、校驗碼等信息的編碼設(shè)計，可得到完整的柔性編碼設(shè)計方案。圖2-6刀具編碼流程圖3.刀具識別二維碼作為一種現(xiàn)今應用非常廣泛的信息載體，具有儲存容量大、易識讀、保密性強、抗損性強、成本低等優(yōu)點，這些優(yōu)點決定了其非常適合應用于智能制造系統(tǒng)生產(chǎn)線刀具管理系統(tǒng)。RFID技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可

通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需在識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID技術(shù)以高效的讀寫特性非常適用于刀具管理系統(tǒng)，但RFID標簽成本高，且損壞后無法識讀，在復雜金屬結(jié)構(gòu)中易串擾。同時，由于智能柔性制造系統(tǒng)中刀具數(shù)量龐大，故推廣應用有一定難度。2.4.2

刀具在線實時調(diào)度技術(shù)1.車間調(diào)度問題概述由于生產(chǎn)加工的需要，刀具頻繁的在各機床之間及機床與中央刀庫之間進行交換和流動，因此迫切需要一個功能完善的刀具管理系統(tǒng)對刀具進行管理和調(diào)度，以實現(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存在并相互依附。工件流驅(qū)動刀具流以便準備所需刀具，而有限的刀具資源又制約著工件流的各項決策和運行過程，刀具流調(diào)度須考慮工件排序。2.JSP調(diào)度模型針對智能柔性制造系統(tǒng)刀具流的JSP問題，以完成時間最短為主要目標，以縮短等刀時間為次要目標。刀具流的JSP優(yōu)化按如下原則進行：不考慮刀具的磨損；每把刀具只占用一個刀位；每臺機床同一時刻只能加工一個工序；每個工序只能由一臺機床加工；每個操作時間是確定的，且事先已知；換刀時間相比于刀具等待時間和工序加工時間來說是很少的，可以忽略不計。1.析取圖模型建立圖2-7考慮刀具流的JSP問題析取圖圖2-8考慮刀具因素的JSP問題析取圖2.改進的蟻群算法設(shè)計1）工序順序優(yōu)化由于蟻群算法迭代前期計算量大，效率低等缺點，將所有工序按加工機床不同，分為不同集合。將析取圖按機床分解為三個集合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)化的機床工序序列，進而將每個機床上得到的工序優(yōu)化序列以析取圖2-9工序集合拆分圖圖表示。2）刀具工步級優(yōu)化分派工序加工順序優(yōu)化為每個機床確定較優(yōu)的加工順序，應用蟻群算法將工序節(jié)點按機床劃分，解決了同一機床上同一時間不同工序的互斥問題，但不同機床上同一時間不同工序?qū)ν坏毒叩幕コ鈫栴}依然存在。因此，當同一時刻不同工件對同一刀具的需求出現(xiàn)互斥問題時，還需確定刀具的優(yōu)先使用順序。3）改進的雙向收斂蟻群算法設(shè)計由于刀具流JSP綜合調(diào)度不是遍歷問題，因此，每只螞蟻搜索終止條件不是遍歷所有節(jié)點，而是遍歷對應的機床需加工的工序集合。由于刀具數(shù)量有限，螞蟻到達后繼點時間包括行走時間（加工時間）、等待時間（刀具等待時間）。2.5

智能柔性制造系統(tǒng)性能測評技術(shù)通過對智能柔性制造系統(tǒng)綜合性能指標的評測，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題，通過改進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)精度指標集建立技術(shù)、智能柔性制造系統(tǒng)精度測試技術(shù)、智能柔性制造系統(tǒng)的綜合性能評測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，最終目的是提高智能柔性制造系統(tǒng)的綜合性能及運行效率。2.5.1

加工零件在線精度檢測評定方法機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取方法較多，從信號來源角度可分為兩類：外部傳感器和內(nèi)部傳感器。實際上，每一臺數(shù)控機床都附帶一些內(nèi)部傳感器，如位置編碼器、電機電流傳感器、溫度傳感器。近年來，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二次開發(fā)包等。2.數(shù)據(jù)分析方法通過主軸電流計算切削力通過主軸輸入功率預測切削功率通過主軸功率監(jiān)測刀具磨損根據(jù)主軸溫度值控制冷卻系統(tǒng)根據(jù)兩軸位置值計算插補圓的圓度誤差和圓滯后誤差根據(jù)電流進行電機故障分析2.5.2智能柔性制造系統(tǒng)精度檢測技術(shù)1.基于激光干涉儀的數(shù)控機床空間誤差檢測技術(shù)利用激光干涉儀等儀器檢測機床各坐標軸的各項誤差并建立空間誤差模型，計算機床工作區(qū)域內(nèi)的空間誤差，根據(jù)機床空間誤差的情況來預測機床誤差發(fā)展趨勢，并根據(jù)主要誤差區(qū)域來制訂機床的特定精度檢測項目以實現(xiàn)對機床主要誤差項的快速、高效檢測。2.基于球桿儀的數(shù)控機床空間誤差檢測技術(shù)QC20球桿儀及軟件是用于測量數(shù)控機床中的幾何誤差，并

檢測由控制器和伺服驅(qū)動系統(tǒng)引起的精度不準的問題。讓機床運行一段圓弧或整圓周來“執(zhí)行球桿儀測試”以測得誤差。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上，從而反映機器執(zhí)行該項測試的結(jié)果情況。如果機器沒有任何誤差，繪制出的數(shù)據(jù)將顯示出一個真圓。3.數(shù)控機床動態(tài)誤差檢測技術(shù)機床的RTCP（rotation

tool

center

point，刀尖點控制功能）精度是四軸聯(lián)動數(shù)控機床的重要精度指標，RTCP精度的好壞

直接影響機床的四軸聯(lián)動加工精度，從而影響工件的質(zhì)量。

具有RTCP功能的數(shù)控機床，可以使刀具中心點始終保持在一

個固定的位置上。刀具中心為了保持這個位置不變，轉(zhuǎn)動坐

標的每一個運動都會被XYZ的一個直線位移所補償，因此通過檢測機床的RTCP精度可得到四個軸在多軸聯(lián)動時的一個累積定位精度，從而反映機床的動態(tài)精度。4.基于機器視覺的旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測技術(shù)針對四坐標機床旋轉(zhuǎn)軸誤差檢測的問題，建議利用機器視覺技術(shù)對四坐標機床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角定位誤差進行檢測。首先，制定特定標志，采用機器視覺技術(shù)，利用CCD攝像機獲取標志圖像；然后，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對所獲得的圖像進行分析處理；最后，根據(jù)標志在不同位置處的相對轉(zhuǎn)角偏差計算機床旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角定位誤差，實現(xiàn)四坐標機床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角定位誤差的辨識和精確測量。2.5.3

數(shù)控機床綜合性能評價方法1.基于層次分析法的數(shù)控機床精度評價方法層次分析法（

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，不僅能夠有效地對人們的主觀判斷做客觀描述，而

且簡潔、適用，在對定性事件進行定量分析和模糊評價中，該方法應用比較廣泛。2.實際運用建立精度指標評價體系建立數(shù)控機床精度指標評價的評價集確定數(shù)控機床主指標和子指標權(quán)重系數(shù)測評計算過程評價結(jié)果及說明2.5.4

智能柔性制造系統(tǒng)評價方法在追求制造低成本的趨勢下，有必要研究智能柔性制造系統(tǒng)調(diào)度問題，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設(shè)備利用率及加工效率進行測評。1.模糊參數(shù)隨機Petri網(wǎng)模糊參數(shù)隨機Petri網(wǎng)是在普通隨機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)，從而實現(xiàn)對制造過程時間參數(shù)隨機性與模糊性的全面描述，有利于系統(tǒng)性能的準確評價。2.模糊參數(shù)下的系統(tǒng)性能評價方法模糊參數(shù)隨機Petri網(wǎng)是將普通隨機Petri網(wǎng)中的變遷激發(fā)率用模糊數(shù)來表示，將系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的模糊性也納入考慮范圍，從而更準確地對系統(tǒng)進行性能分析。因此，模糊參數(shù)隨機Petri網(wǎng)的分析過程是在普通隨機Petri網(wǎng)分析的基礎(chǔ)上，將激發(fā)率參數(shù)合理模糊化，然后進行模糊分析。3.模糊參數(shù)評價理論的可靠性分析模糊參數(shù)隨機Petri網(wǎng)是在普通隨機Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用可以較好描述時間參數(shù)測量過程中數(shù)據(jù)模糊性的梯形模糊數(shù)來表示隨機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)，全面考慮了制造過程時間參數(shù)的隨機性與模糊性，從數(shù)據(jù)來源上盡可能保證系統(tǒng)性能評價所采用數(shù)據(jù)的準確性，從而避免普通隨機Petri網(wǎng)由于數(shù)據(jù)可靠性不足帶來的分析結(jié)果不準確的問題。圖2-10智能制造系統(tǒng)的綜合評價體系2.6

機床箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)實例本節(jié)以四川普什寧江機床有限公司設(shè)計建造的生產(chǎn)線為例，作為機床箱體類零件智能柔性制造系統(tǒng)的應用實例，主要包括智能柔性制造系統(tǒng)、子系統(tǒng)等27項關(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)計智能柔性制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結(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)開發(fā)智能柔性制造系統(tǒng)計算機信息系統(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)精度指標檢測技術(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庫設(shè)計加工精度補償在線測量技術(shù)故障預測技術(shù)庫靜態(tài)管理技術(shù)刀具壽命管理技術(shù)實際產(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)及性能測評方技術(shù)等方面介紹了機床箱體類柔性智能制造系統(tǒng)，以四川普什寧江機床有限公司研發(fā)的典型機床箱體類零件柔性智能制造系統(tǒng)為應用實例，通過介紹各子系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)過程，為箱體類零件及其他零件柔性智能制造系統(tǒng)的開發(fā)應用提供了參考。項目3智能伺服壓力機與智能沖壓生產(chǎn)線智能伺服壓力機智能沖壓生產(chǎn)線引言伺服壓力機傳動系統(tǒng)設(shè)計與性能優(yōu)化智能伺服壓力機的運動曲線規(guī)劃智能伺服壓力機實例小結(jié)1

智能伺服壓力機1.1

引言機械壓力機是汽車沖壓生產(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械壓力機及其傳動系統(tǒng)，機械壓力機由飛輪提供沖壓能量，一旦傳動系統(tǒng)確定，沖壓曲線便固定、不可調(diào)，因此，機械壓力機存在生產(chǎn)柔性差、工藝適應性差的問題。車身輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向，帶來了高強度鋼板、鎂鋁合金板、非等厚焊接鋼板等新材料的推廣應用，這些材料沖壓回彈力大、成形特性各異，對沖壓裝備提出了更高的要求。圖1-1傳統(tǒng)機械壓力機伺服壓力機是一種新型沖壓裝備，其結(jié)構(gòu)組成如圖1-2所示。與機械壓力機相比，伺服壓力機摒棄了飛輪、離合器等部件，由伺服電機直接提供能量，通過執(zhí)行機構(gòu)將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線運動。伺服壓力機可根據(jù)工藝和模具要求，對滑塊運動曲線進行控制和優(yōu)化，實現(xiàn)了沖壓曲線的柔性可控，極大地提升了沖壓工藝適應性，可以滿足多種新型材料的高品質(zhì)共線生產(chǎn)。圖1-2伺服壓力機結(jié)構(gòu)組成1.2

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

伺服壓力機連桿機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化連桿機構(gòu)是傳動系統(tǒng)的核心部件，本節(jié)討論伺服壓力機連桿機構(gòu)的最佳設(shè)計方案，通過多目標、多約束條件下的優(yōu)化設(shè)計，使連桿機構(gòu)與伺服運動模式相適應。四連桿機構(gòu)簡單，利于控制，但低速拉伸特性不佳；六連桿機構(gòu)、八連桿機構(gòu)均可以較小的曲柄半徑實現(xiàn)大行程，獲得較高的機械增益；但八連桿機構(gòu)的桿件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復雜，質(zhì)量、慣量相對較大，提高了對伺服電機的功率要求，同時滑塊運行精度難以保證，滑塊行程曲線優(yōu)化困難，因此，建議智能伺服壓力機采用六連桿機構(gòu)。建立六連桿機構(gòu)的運動方程如下：對運動方程進行微分，可以得到六連桿機構(gòu)的速度方程如下：對速度方程進行微分，可以得到六連桿機構(gòu)的加速度方程如下：六連桿機構(gòu)的力平衡方程為：圖1-3伺服壓力機運動分相示意圖區(qū)間段

運動規(guī)劃要求

機構(gòu)優(yōu)化原則工作段滿足滑塊工藝速度的前提下，時間最短曲柄勻速運轉(zhuǎn)時工作段滑塊速度與位移關(guān)系逼近理想曲線；盡量降低機構(gòu)摩擦能耗設(shè)定載荷下，盡量減小機構(gòu)各關(guān)節(jié)摩擦功之和與理想當量力臂上下料段滿足送料機構(gòu)在模區(qū)內(nèi)運動所需時間和空間考慮模區(qū)打開高度與角度、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時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)間段的運動規(guī)劃要求及機構(gòu)優(yōu)化原則1.2.2伺服壓力機公稱力行程優(yōu)化公稱力和公稱力行程是滑塊承載的重要參數(shù)，公稱力是壓力機允許承受的最大沖壓能力。公稱力行程指壓力機承受公稱力時，滑塊距下死點前某一特定距離。壓力機在公稱力行程以上的任何位置均不能承受公稱力，否則會引起壓力機曲軸扭矩超載，導致部分傳動件的損壞。圖1-4壓力機許用負荷曲線公稱力行程是設(shè)計計算傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。公稱力行程過小會導致壓力機無法滿足沖壓工藝需求，過大則會造成壓力機設(shè)計困難和制造成本增加。在最大拉伸速度條件下，以20000kN機械壓力機為平臺，測試工藝力曲線規(guī)律，具體步驟如下：將等高墊放置在移動工作臺的4個角上，用標定儀對壓力機噸位進行標定；將噸位儀、旋變器等安裝好，并與電腦連接，測試軟件的工作狀態(tài)；將模具裝好后啟動壓力機的寸動模式，在最大拉伸速度下對三種工件進行拉伸，分別記錄壓力機噸位曲線。在相同拉伸速度條件下，20000kN機械壓力機拉伸不同工件時的工藝力曲線如圖1-5所示。圖1-5

20000kN機械壓力機拉伸不同工件時的工藝力曲線20000kN伺服壓力機公稱力行程為8mm時的許用負荷曲線如圖1-6所示。圖1-6

20000kN伺服壓力機公稱力行程為8mm時的許用負荷曲線1.2.3齒輪傳動機構(gòu)運動慣量優(yōu)化負載慣量與電機慣量之比（即慣量比）對伺服電機的輸出特性有重要影響，直接決定了伺服壓力機的響應速度和動作精度。因此，在伺服電機選型時，為了充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)的最佳性能，除了考慮伺服