超越智能制造：新一代柔性智能數(shù)控機(jī)1 S. Mekid2 P. Pruschek3 J. Hernandez1 英國，曼徹斯特大學(xué)，航天和民用工程機(jī)械學(xué)院，曼徹斯特 m60 1qd2 德國，斯圖加特大學(xué)，控制工程研究所機(jī)床制造單位3 西班牙 IDEKO 科技中心，Kalea 阿里加，2 20870 格伊巴 –Gipuzkoa文章信息：文章歷史：2006 年 11月 30日保存，2008 年 3月 3日形式修改，2008 年3月 4日被接受保存，2008 年 4月 29日網(wǎng)上可用。摘要：對于下一代機(jī)械加工中心的智能重構(gòu)制造系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)已經(jīng)提上議程。零缺陷的工件和準(zhǔn)時化生產(chǎn)技術(shù)的目標(biāo)是達(dá)到高質(zhì)量、高性能的生產(chǎn)?？沙掷m(xù)發(fā)展需要一個不僅包括柔性的智能制造還有產(chǎn)品和服務(wù)活動的整體的辦法?？赡軝C(jī)器架構(gòu)等特點(diǎn)的新航線的理念的混合過程，過程檢驗(yàn)與修復(fù)會很有特點(diǎn)和下一代智能機(jī)床中心相關(guān)的各種方面的挑戰(zhàn)。2008愛思唯爾公司保留所有權(quán)利1引言復(fù)雜零件在批量生產(chǎn)中的零缺陷加工是一種高性能的表現(xiàn)，它成為對新一代智能機(jī)床的所必需的新挑戰(zhàn)。提高機(jī)器，產(chǎn)品的精密度和準(zhǔn)確度為一個應(yīng)用范圍廣泛的從超精密到批量生產(chǎn)的的過程提供了更高的品質(zhì)和更好的可靠性等大量好處。最近開發(fā)的超精密加工是在非常嚴(yán)苛的條件下達(dá)到納米精度。機(jī)床工業(yè)是用來完成一系列要求的：例如電子商務(wù)，即時制造和最重要的零缺陷部件。這是通過集成新材料，設(shè)計理念，及控制機(jī)制來保障機(jī)床運(yùn)行在高速精度低于5lm。然而對于靈活的和自主優(yōu)化的及其的人類制造經(jīng)驗(yàn)一體化的整合卻廣泛缺失。這可以通過加強(qiáng)現(xiàn)有的計算技術(shù)和整合現(xiàn)有的設(shè)計，自動化，機(jī)械加工、服務(wù)等人類知識為電子制造服務(wù)而實(shí)現(xiàn)。新一代智能機(jī)床將是一種可以實(shí)現(xiàn)對人類與機(jī)器智能，制造知識和先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)的動態(tài)融合的一種新型智能重構(gòu)制造系統(tǒng)。這可能會導(dǎo)致低成本自主優(yōu)化的一體機(jī)的出現(xiàn)。它將包括使用常規(guī)和先進(jìn)的制造工藝來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)無差錯的工件的高容錯預(yù)測維修設(shè)施。加工過程監(jiān)測與控制是一個核心概念，它創(chuàng)造了新一代的靈活的自主優(yōu)化智能數(shù)控機(jī)。過程測量和信息的處理提供的專用傳感器安裝在機(jī)器上，來保證在自主決策的基礎(chǔ)上在線正確地判斷機(jī)器，零件，工具和加工工藝條件，從而增加機(jī)器的可靠性實(shí)現(xiàn)零缺陷，帶來更高的生產(chǎn)率和效率。事實(shí)上，主要的傳感與處理技術(shù)中的在文字上側(cè)重于狀態(tài)監(jiān)測等戰(zhàn)略部分（表面粗糙度，表面完整性和尺寸精度），工具狀態(tài)監(jiān)測（所謂 TCM磨損和破損檢測），狀態(tài)監(jiān)測（顫振發(fā)生過程和碰撞檢測）和機(jī)組成情況監(jiān)測預(yù)測維修（旋轉(zhuǎn)組件和部分受摩擦導(dǎo)軌）等。由于切削區(qū)的惡劣的環(huán)境，直接和在線測量通常是不可能，所以過去幾十年主要的研究工作部分和工具監(jiān)測一直側(cè)重于間接測量技術(shù)（工藝狀態(tài)），在切割過程中（即切削力和切削，振動，聲發(fā)射，溫度等等）進(jìn)行特征測定，間接推斷出部件和工具的條件。開放結(jié)構(gòu)控制器中的數(shù)控內(nèi)伺服信號提供的靈敏度正在進(jìn)行研究，因?yàn)樗鼈兪拱l(fā)展監(jiān)測和控制策略不需要在機(jī)器上安裝額外的傳感器。在相同的方式，以在線監(jiān)測提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，隨著集成過程控制策略應(yīng)用于機(jī)床控制結(jié)構(gòu)，數(shù)控機(jī)床將可以進(jìn)行自主優(yōu)化。加工過程的控制策略分為兩大類，即自適應(yīng)控制約束（ACC）和自適應(yīng)控制優(yōu)化（ACO）。在前者 ACC控制策略中，以提高工作效率和可重復(fù)性為目的，通過調(diào)節(jié)參數(shù)（即切削進(jìn)給）的切削加工使過程變量（即切削力）保持恒定且處于控制之下。ACC 的戰(zhàn)略的主要研究工作集中在切割力控制和顫振抑制。另一方面，后者的過程控制策略（ACO）要特別注意?？梢园l(fā)現(xiàn)這樣的典型例子：提供這樣的控制系統(tǒng)的主要功能是加工后的自優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)置（即飼料，切削深度等），與安裝時間最小化的目標(biāo)，流程知識管理和流程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)時間的靈活性。以監(jiān)測的工藝性能和使用過程中的后處理測量所產(chǎn)生的部分質(zhì)量為知識基礎(chǔ)的過程模型是用來確定新的切削參數(shù)的優(yōu)化組合，來保障自主優(yōu)化。以同樣的的方式，ACO 系統(tǒng)作為前面的步驟來優(yōu)化，也適用于選擇第一處理設(shè)置為新的零件的質(zhì)量和過程的要求。因此，如果在機(jī)床控制架構(gòu)中是要開發(fā)一個靈活的智能數(shù)控機(jī)床，以工藝知識為基礎(chǔ)的模型是最重要的一個部分。除了根據(jù)工藝條件適應(yīng)控制參數(shù)，控制參數(shù)也有是處理過程中最佳的（包括改變工件和工具的操作），而操作帳戶通?；ㄙM(fèi)50％以上的整體工作時間來完成定位操作。在早期，優(yōu)化參數(shù)的方法只集中在減少定位時間和進(jìn)給軸的穩(wěn)定時間只（如增益的位置控制回路增益和速度控制回路的復(fù)位時間）。隨著越來越多的計算功率，優(yōu)化所描述的方法現(xiàn)在可以被重新研究使用與更廣泛的參數(shù)包括的參數(shù)是直接影響軸的振動的加速度和加加速度的限制設(shè)置。如果受控軸的特性是已知的由裝置的振動行為，足夠代編程軌跡可以得到進(jìn)一步優(yōu)化。輸入整形的方法可以被用來設(shè)計軌跡不激發(fā)一個給定的系統(tǒng)的諧振頻率。因此，建立時間和定位時間，可以進(jìn)一步減少。通過自我學(xué)習(xí)，特別是關(guān)于參數(shù)的優(yōu)化，所謂的機(jī)器學(xué)習(xí)方法的興趣將推出過程監(jiān)測和控制策略對智能為主要研究趨勢制造系統(tǒng)。2 新一代數(shù)控機(jī)的特性預(yù)測新一代機(jī)器中心的特性預(yù)測如下：（一）整合：一體機(jī)工具能夠執(zhí)行一個平臺上的傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)進(jìn)程。（二）雙向數(shù)據(jù)流：一個雙向的過程鏈統(tǒng)一的數(shù)據(jù)定義 CAD，CAM，CNC 和驅(qū)動系統(tǒng)之間的通信交換。 （三）過程控制回路：發(fā)展和 CNC一體化強(qiáng)大而可靠的實(shí)時戰(zhàn)略過程中的工具，部分和過程狀態(tài)監(jiān)測和控制。（四）預(yù)測性維護(hù)：機(jī)器部件的負(fù)載情況依賴狀態(tài)監(jiān)測規(guī)范自力更生機(jī)操作的基礎(chǔ)。這之后，將制定一個自我組織的預(yù)測性維護(hù)日程安排，自我和遠(yuǎn)程診斷功能的基礎(chǔ)上，涵蓋了短期和長期的問題。 （五）自治區(qū)優(yōu)化：自配置自優(yōu)化控制系統(tǒng)的自主生產(chǎn)開發(fā)的基礎(chǔ)上，過程監(jiān)控，特性和工藝知識的管理。為了便于這樣的特性，實(shí)施以下項(xiàng)目是必要的：（a）要制定一個致力于電子制造的綜合智能機(jī)中心。（b）研究和開發(fā)快速，穩(wěn)定，僵硬的混合加工過程中可重新配置的機(jī)器準(zhǔn)備未來工具機(jī)的新平臺。（c）調(diào)查總誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施和在原位檢測設(shè)備。（d）為開發(fā)和生產(chǎn)新的方法和概念，自主制造，自我監(jiān)督和自診斷/調(diào)整/治療。（e）為開發(fā)和集成的實(shí)時過程控制器開放式數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)，以機(jī)從一個軸控制系統(tǒng)，是根據(jù)對上線的加工過程控制自力更生系統(tǒng)信息提供強(qiáng)大的和可靠的傳感技術(shù)，工具，零件和加工工藝條件監(jiān)控。（f）制定和采用的可擴(kuò)展性和知識為基礎(chǔ)的 CAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別復(fù)雜的功能，進(jìn)行自學(xué)習(xí)過程中的監(jiān)測提供的數(shù)據(jù)機(jī)控制回路的基礎(chǔ)上，自主部分品質(zhì)，機(jī)器生產(chǎn)力和流程效率的要求，確定最佳工具/套。繼 e制造方法，在第二步驟中，CAM 系統(tǒng)能夠下分享自優(yōu)化過程聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)之間的知識得到發(fā)展。機(jī)床制造商為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要一個跨學(xué)科的方法，其中包括控制制造商，研究機(jī)構(gòu)和潛在的最終用戶。這樣的發(fā)展將實(shí)現(xiàn)數(shù)在未來的突破，例如（一）無延遲暨零停機(jī)時間的生產(chǎn)：我們所提出的制造方法使用電子服務(wù)的基礎(chǔ)上提供數(shù)據(jù)加工的過程，傳感器信號和人的經(jīng)驗(yàn)，被集成在零延遲時間的系統(tǒng)，使機(jī)器的接近零停機(jī)時間和生產(chǎn)，以滿足用戶具有零延遲時間的要求。 （二）自力更生的生產(chǎn)機(jī)器將能夠運(yùn)行廣泛的自治。 （三）優(yōu)化生產(chǎn)：自我配置和自我優(yōu)化，將消除生產(chǎn)錯誤的局限性，過程中的測量設(shè)備。3 靈活的智能機(jī)器的概念在圖2，作者提出了一種新的綜合性的概念，新一代的機(jī)床中心?；谒鰧W(xué)到的知識和提取的特征，實(shí)現(xiàn)自我控制，控制系統(tǒng)的性能將延長制造更好的成本效益，高品質(zhì)，容錯和更靈活的系統(tǒng)的目標(biāo)與過程能力。新的智能控制系統(tǒng)開發(fā)和集成其開放式架構(gòu)控制器作為 OpenCNC？或基于 OSACA-CNC的。為了允許一個自動化的無差錯生產(chǎn)停機(jī)時間接零，開放接口，學(xué)習(xí)能力，自我調(diào)整和自我調(diào)節(jié)機(jī)制，以及先進(jìn)的基于模型的預(yù)測儀器一定要實(shí)現(xiàn)這些層。質(zhì)量檢驗(yàn)工作的原位環(huán)境條件考慮。這是第一次，可能是自愈的概念與網(wǎng)上維護(hù)。3.1加工過程監(jiān)控與控制的工業(yè)要求把重點(diǎn)放在未來的需求方面，剛剛在時間的生產(chǎn)和零缺陷組件，以及不斷提高的質(zhì)量和過程效率。自動化水平加工過程監(jiān)測和控制系統(tǒng)的這些要求。然而，考慮到有越來越多的需要生產(chǎn)小批量在市場上，在這樣的自動化系統(tǒng)的靈活性缺乏是主要的缺點(diǎn)處理。事實(shí)上，靈活的監(jiān)控系統(tǒng)需要根據(jù)市場的實(shí)際需求，因此，在不同切削條件下可靠的過程診斷是必要的。如今，共享一個共同的問題的常規(guī)方法零件和刀具狀態(tài)監(jiān)測的監(jiān)測方法是不斷變化的切削條件下的可靠性缺乏因此限制了這樣的自動化系統(tǒng)的靈活性作為這個問題的特性例的工藝條件基于的工具狀態(tài)監(jiān)測（TCM），工藝條件的影響不僅在刀具狀態(tài)的變化，但通過切削條件下，它也直接影響。此外，在不同的切削條件下，不同的磨損機(jī)制可以激活在工具上，每一個具有其特定的過程和部件條件的影響。因此，當(dāng)設(shè)置新的切削條件下的過程監(jiān)控系統(tǒng)，需要以前的試驗(yàn)過程中的信號數(shù)據(jù)庫檢索。這些都是結(jié)合在一起的必要的過程知識與熟練的操作人員，以解釋的變化過程中的行為（即力，振動等）和設(shè)置適合的檢測限。此外，靈活的過程監(jiān)控設(shè)備往往需要額外的傳感器，可以失敗，并導(dǎo)致不可預(yù)見的停機(jī)時間。其結(jié)果是，當(dāng)高靈活性監(jiān)測系統(tǒng)是必需的，通常在工業(yè)開關(guān)關(guān)閉，并進(jìn)行后處理直接測量，在加工零件的質(zhì)量缺乏相應(yīng)的可靠性。處理這樣的問題，基于模型的過程監(jiān)控和傳感器融合方法指出，由于替代方案，以獲得可靠的工藝條件診斷，明確的研究在過去的幾年努力的加工工藝如轉(zhuǎn)動[22?24]，磨[4,25,26]，銑床[27]。另一方面，有關(guān)的加工過程優(yōu)化的人類制造經(jīng)驗(yàn)整合廣泛缺失。當(dāng)靈活的及時制造需要的時候，減少時間的設(shè)置又是批判的。如今，設(shè)置時間主要基于在熟練的操作流程知識，是缺乏系統(tǒng)的管理，檢索，關(guān)鍵知識的共享和優(yōu)化。此外，鑒定過程的知識和發(fā)展自治區(qū)流程優(yōu)化模型所需的建立時間將大幅減少。