数控装备中的智能自动与人工干预

中国中车戚墅堰机车有限公司 蒋晓倩 虞行国



数控装备中的智能自动与人工干预

中国中车戚墅堰机车有限公司 蒋晓倩 虞行国

本文主要介绍数控设备中的先期自动化到具有智能功能的后置处理的典型设备，以及人工干预参与数控设备加工的实例。

我国的数控装备从20世纪70年代中期发展至今，从国外引进使用、消化吸收、自行设计制造到发明创新智造，经历了从认识、认知和认同的多个发展阶段，才使数控设备在企业中得到广泛地应用（见图1）。一大批数控设备的投入应用促进老企业的发展，在生产管理上得到了提升，在产品质量上得到了保证，在产品成本上得到了控制。

图1　企业使用中的数控设备

对数控设备配置多种功能应用的认知

20世纪80年代，我们公司从德国引进了ELB蠕动磨床，主要用于柴油机配件中连杆体和连杆盖安装齿型结合面的磨削（见图2）。在柴油机实际的工况中，连杆大孔中心围绕曲轴的连杆颈作360°作功，它将受到来自不同角度的拉力、推力和剪切力，为了避免这种力使连杆体和连杆盖连接面出现位移，造成大孔精度和形位公差的超差及变形，在结合面上设计加工成齿形，通过连杆螺钉克服上下位移，通过齿形面结合克服连杆体和连杆盖的左右位移，并且通过定位销克服轴向位移。从图2可以看到工件的实际结构状况。

这个工件关键在于齿形的加工，它是采用蠕动的加工工艺。所谓蠕动磨床，它的磨削方法和普通的平面磨床的加工方法有所不同，它的齿形全齿高达到6 mm左右，直接通过成形砂轮磨削而成，同时砂轮又不断地需要成形修正，因为直接磨削，所以造成砂轮磨损非常厉害。为了保证加工面表面粗糙度，砂轮线速度要求特别高。在砂轮磨损非常厉害的情况下，主轴旋转的速度必须得到不断地自动补偿。在当时使用程序控制的设备中，人机对话只能通过人工打孔后，采用多通道的读卡和读带机进行通信，现在已经在机床上设计通过修正器运动轴的位移，带动电位器电流的变化对主轴速度进行调整，从而具有自动补偿的功能。砂轮的修正及所有程序都通过读带机获得（见图3）。在当今数控发达的时代，要使主轴速度做到无级变速和线速度自动补偿是轻而易举的，只需要通过系统配置和编制软件就能做到。在频繁更换砂轮的工序中，原先由人工把螺母端面紧固砂轮的方法，已经被带自动夹紧和松开功能的数控设备所替代（见图4）。

目前斯来福临集团磨床系列中，有好几款磨床都自动更换砂轮系统（见图5）。其中瑞士MAGERLE磨削中心配置CB转台，扩大了加工范围，它是集齿形磨削、成形圆弧磨削、非规则形状磨削、螺纹磨削、端齿磨削、铣削工序和钻、铰以及测量多形式的具有自动更换自动加工功能的数控设备（见图6）。

以上设备已经具备了自动加工能力的要素，但是具备智能功能的元素不足。数控技术的突飞猛进和高端市场的强力增长，为数控机床的技术进步提供了加速引擎。在如今数控装备的大家庭里，加工工艺的组合、加工功能的复合是大势所趋，是发展的方向。用户更关注的是在自动化的数控设备中，具有多少高科技的智能功能成为用户所需。在轨道交通应用的数控曲轴磨中，为防止曲轴在加工夹装中因太长而造成中间下垂，而设计制造具有随机跟踪测量并且通过数控自动中心架得到补偿的智能功能还没有得到广泛的应用，还在用原始的百分表等高测量的人工干预调整中心架的方法。这种操作法既降低了工作效率，也因人为的不断地参与调整，改变了精度的一致性，从而也会影响所加工的相关关联的精度（见图7）。

图2　待加工的工件和加工完成的工件

图3　读带机

图4　砂轮夹紧机构

图5　砂轮更换库

图6　瑞士MAGERLE磨削中心

当前世界数控机床的发展主要有高精度与精度保持性，高速与高效，高可靠性，复合化与柔性化、绿色化以及智能化等几个趋势。其中，智能化是21世纪制造技术发展的大方向。机床的智能化使其有适应控制的能力，可实现优化加工程序，以最短时间达到最佳的加工质量，从而提高加工效率，降低劳动强度。

德国瓦德里西龙门加工中心就具备了智能的自适应控制能力的功能。当刀具在加工切削时，主轴转速、工作台走刀量、切削深度恒定时，主轴电动机的切削力、驱动的伺服电动机转矩也将恒定。但是当工件表面的加工余量增加起变化，主轴电动机、伺服驱动电动机也将发生改变，一旦超过设备的额定参数就要损坏机床。在启动智能自适应控制能力的功能后，它将自动降低主轴的转速，减小工作台走刀量来保护设备的完好。PAMA落地式镗铣床的HTC专利就具有带自动检测并补偿工作台过载产生的倾斜力矩。百超则采用来自瑞士的尖端技术，在折弯机的压脚上能检测到板材的厚度，不同板材成形除去变形量的有效折弯压力行程，以达到先进的制造水平，让折弯更智能（见图8）。

图7　人工调整的中心托架

对数控设备自动化前提下智能功能的追求

人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

人工智能是计算机科学的一个分支，通过它可以了解智能的实质，并生产出一种全新的，并能以人类大脑智能相似的方式做出反应和处理的智能机器。

为了适应这个趋势，我们应该在数控装备制造和数控设备再制造时，大力开发和消化吸收应用智能功能在高端机床上的配置。例如在大型数控卧式车床新设备制造时，就可以应用在加工大型轴类零件对主轴转速和Z轴走刀的自适应控制功能，同时具有自动检测、补偿加工轴直线度带自动调节功能中心架的应用（见图9）。

图8　内置式动态挠度补偿技术的折弯机

图9　数控卧式车床

在再制造中，原先一些龙门加工中心更换附件铣头和铣头分度都是人工干预的，只要我们在滑枕和铣头的之间加装连接过度板，在连接过度板中做文章就可以改造成全自动更换和分度的功能，如果再加传感器又可增加多种功能。只有想不到没有做不到，我们有理由相信人工智能技术会变得更加的拟人化，在智能功能上更加符合人类发展的需求。□