智能化主轴单元

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

GUAN Xiaoyong，ZHANG Mingyang，LIU Chunshi，LIN Jianfeng，LI Yan，ZHANG Xiaoming，LIU Di(Shenyang Machine Tool(Group)Design&Research Institute，Shenyang 1 10142，CHN)Abstract：Combined with the definition of intelligent machine tools，the characteristics of inteligent machiningspindle units are summarized.Detailed information is also given about the current development，technol-ogy challenges and future market potentials of such spindle units。

Keywords：Intelligent；Condition Monitor；Error Compensation主轴单元是数控机床的关键功能部件，是数控机床实现拈化设计必然要求。主轴单元既是数控机床整体的-个有机组成部分，又具有相对的独立性。这种独立性首先表现在主轴单元可以作为独立的有生命力的产品，同-主轴单元产品可以为不同使用要求的整机服务。那么，什么是智能化主轴单元或者说主轴单元的智能化体现在哪里对于智能化主轴单元来说，具有-项或几项智能化的功能是起码的要求，否则智能化”无从谈起。对于智能化”的内容，可以从美国 SMPI和日本山崎马扎克对智能化机床的理解中有所窥见。

美国主导的智能加工平台计划 SMPI认为，智能机床至少应具备以下特征 J：(1)知晓自身的加工能力/条件，并且能与操作人员交流、共享这些信息；(2)能够 自动临测和优化自身的运行状况；(3)可以评定产品/输出的质量；(4)具备 自学习与提高的能力；(5)符合通用的标准，机器之间能够无障碍地进行交流。

日本山崎马扎克的定义更加简单：机床 自身可以替代操作人员的经验技术或感官支持加工过程，减轻国家科技重大专项课题(2011ZX04016-021)操作人员的负担，实现机床的机器人化，从制造零件的机械到制造零件的机器人，这就是具有智能化功能的机床 。

马扎克给出的定义较为笼统，如果对操作人员的经验替代或工作负荷的减轻算作智能”，那么，当前的数控机床与传统机床比较起来都应该叫做智能机床”。显然，SMPI给出的定义更为全面，饮合我们通常意义上对智能化的理解。但不管怎样，SMPI和马扎克都是智能化领域的先行探索者。

根据对主轴单元开发、应用的经验，参照 SMPI对智能机床的定义，认为智能化主轴单元应具有如下特性 ：(1)具备必要的感知元件，能为数控系统判断单元自身的加工能力/条件提供必要的信息，并有可能具备与操作人员交流的能力；(2)能够感知自身的运行状况、评定输出的品质，并对改善指令做出回应；(3)至少有-项功能表现为与机 系统智能化的互相强依赖性--应用-般的数控系统或-般的主轴单元都会表现为该功能明显的退化或丧失；(4)符合通用的标准，可以与多品种的高端(智能)数控系统做到兼容。

但无论何种补偿手段，通常都是在数控机床中通盘考虑的，很少在某个部件中单独作出。在主轴单元中单独考虑误差的补偿，比较有代表性的工作如图 4所示 ，通过测试到的切削载荷，计算刀具变形，然后通过压电作动器微量调整主轴(刀具)的工作姿态，消除由于刀具变形引起的加工误差。这种补偿机构对只有直线进给轴的三轴加工中心作用会很明显，但对于五轴机床来说实用性则受到制约，因为五轴机床可以同时对刀具的位置和姿态做出补偿。

支预器图4 刀具补偿结构及补偿原理说明简图2 智能化主轴组的关键技术通过以上对智能化主轴发展现状的描述，可以对主轴组智能化发展的关键技术概括为以下几个方面：2.1 智能化软件的开发开放式、智能化是机床数控系统的发展方向 J。

当前商业化的高端系统都具备-定的开放性，可以为客户预留-定的二次开发、功能扩展的接口，这-点可以在 ACM监控系统于西门子 840D上的应用得到验证。数控系统是机床的控制中枢”，功能部件无论怎样发展，如何智能，都需要具备与数控系统交换信息的能力，否则就成了-个没有价值的孤立”部件。前面所述主轴单元的智能诊断、误差补偿、温度监控等诸多功能的实现，都离不开-个开放的、智能化的数控系统∩见，智能化软件是智能化机储展的需要，也是智能化功能部件的发展需要。

从 inteliSTEP、smartVision等智能化软件的出现，可以发现主轴单元智能化的实现也离不开部件”层级的软件智能化。这种将智能向底层传递的结果，-2O / ≮ loSpeciaI Repons综 述方面可以减轻上层数控系统的负担，另-方面当单元作为独立的产品存在时，很大程度上方便了用户的应用，简化了用户与数控系统交互的复杂性。

2.2 振动的自动抑制技术振动会使加工精度变差、加工效率降低，严重时会损坏刀具、主轴等零部件，造成经济损失。米克郎公司的做法是规定了振动的允许限值，-旦超过某个限值加工过程就要被终止 。

加拿大哥伦比亚大学 Altintas教授等做的研究是首先通过实验、分析的方法建立加工系统振动模型，然后通过避开共振频率的做法来提高加工精度、保证加工效率 。从主轴单元设计的角度，提高系统阻尼、优化支撑结构、提高动平衡等级等都是抑制振动的有效手段。

2.3 加工参数的智能优化与选择避免切削共振的过程本身也是-个加工参数的优化选择过程，加工精度、加工效率也是参数优化的重要指标。加工参数的优化也需要旧能完备的工艺知识库作为支撑，如刀具特性、工件材料特性、机床特性等。

OMAT公司的做法则近似混入了-种类似试切削”的做法，在工艺知识了解的基础上，通过监测主电动机功率来不断修正进给参数，达到提高加工效率的目的。

2.4 主轴温度的监控及热误差的补偿主轴单元在加工过程中，主轴电动机、轴承、刀具切削等都会产生热量，而主轴箱、冷却液、周边空气等外围环境又是热交换过程的参与因素。-方面，要控制温度的绝对值，过高的温度会诱发电动机、轴承发生故障，使主轴不能工作；另-方面，温度的升高或变化不可避免，会导致主轴热伸长产生加工误差。通常有3种常用的热误差测试补偿方法：第-种方法是在整机上对 BLUM等光学非接触式或触点接触式监测系统的选用，其监测在机床换刀过程中发生，主轴处于非加工状态，因而该方法与主轴单元本身的联系不够紧密，甚至不必归结到主轴特性中；第二种方法是要在主轴法兰、或主轴外壳体中安装位移传感器，如图5所示，监测主轴的热伸长变化，相应地由机床坐标轴偏置做出误差补偿；第三种做法是在主轴单元的关键发热点布置温度传感器，如图6对沈阳机床 FIDIA D165加工中心的测试，传感器的数量、位置通常都要经过优化，然后在加工过程中动态建立、修正热误差模型，最终实现热误差补偿。后两种方法因与主轴单元的设计紧密关联，并且在主轴实际加工过程中实时测试，因而更加受到主轴生产商的重视。

2.5 刀具状态监控与变形补偿综 述sDeciaI Reporls刀具的磨损会对加工过程产生重要影响，过早地换刀会降低加工效率、影响经济性，过迟地换刀会使加工质量恶化、产生废品；而刀具的破损会造成加T过程中断，并可能引发生产事故，因此对刀具状态的监控就显得意义重大。主轴单元是刀具负荷的直接载体，是否装入了正确的刀具、联接端口是否将刀具准确定位、拉刀机构是否将刀具充分拉紧，这些都是刀具进行工作的先决条件，在切削1 作开始前就应得到保障。在刀具切削过程中，如何发现反映刀具状态变化的监测量是研究的热点。OMAT公司的做法是监测主轴电动机功率的变化，也有很多学者做了其他监测方法的研究 ，比如直接监测主轴电动机电流和进给电动机电流的方法，这些方法都在实践、试验过程中得到了验证 。

图5 BLUM激光刃具监测 图6 主轴单元测温点分布图刀具变形的补偿T作首先就是要检测或预测到变形量的大小，然后将其分解为数控机床各进给轴或补偿机构的补偿量。首先预知切削力的大小，再根据刀具系统刚度计算变形量是有效的手段之-。刀具变形的补偿与南切削力引起的其他误差的补偿综合加以考虑，将更具实际意义。

2.6 故障自诊断与寿命预测智能化主轴单元的故障 白诊断需要现代传感技术、信息融合技术、信号处理技术、神经网络技术、专家数据库技术等多学科的交叉应用，对主轴的运转状态要有预测、实时诊断、故障分析处理、故障信息存储等多方面的能力，并可告知操作者剩余的使用寿命 这将极大地促进生产效率的提高，提高经济性。

其他-些智能化技术，因应用范同有限，比如白适应动平衡技术多用于磨床主轴单元；或因可以涵盖在已经归纳的范畴，比如润滑量自动调节技术、冷却系统智能控制技术等可归结为热误差补偿、轴承状态监测，这里不再--列举 。

3 智能化主轴组的发展潜力无论是数控机床的智能化还是主轴组等功能部件的智能化，都离不开人工智能技术的发展和应用。当前的智能化机床和主轴单元尚还处于对各种传感器的应用和感知阶段，决策能力有限，推理、自学习能力则更显不足，尽管表现出-定的自适应性，但与真正意义上的智能化还有相当的距离，发展前景广阔。

从现有的智能化应用效果来看，未来的发展潜力也是巨大的。根据对 ACM应用效果的统计，用于轮廓铣削节省时间约 38%、用于铣槽节省时间约 34%、用于3D铣面节省时间约 37%、用于钻孑L节省时间约28%。沈阳机床集团控股的云南昆机股份有限公司与以色列 OMAT公司合作，将 ACM应用于 THM4680卧式加工 中心，经实验验证大面铣削效率可提高约33%∩见，智能化为数控机床、主轴组为代表的功能部件指明了未来发展方向。