《智能运维与健康管理》教学课件-第7章.pptx

1、加工过程智能运维本章导读学习要求：了解加工过程智能运维的特点与重要性；了解加工过程智能运维的特点与重要性；掌握掌握加工过程智能运维的系统框架构成与关键加工过程智能运维的系统框架构成与关键技术。技术。基本内容及要点：加工过程智能运维背景介绍与机床故障加工过程智能运维背景介绍与机床故障特点；特点；加工过程智能运维系统架构组成：数控机床控制模型、传感加工过程智能运维系统架构组成：数控机床控制模型、传感器测量系统、数控系统、数控机床健康保障系统；器测量系统、数控系统、数控机床健康保障系统；加工过程智能运维关键技术加工过程智能运维关键技术：数字化：数字化技术、网络化技术、智技术、网络化技术、智能化技术；

2、能化技术；加工过程智能运维系统实施典型案例：机床二维码远程故障加工过程智能运维系统实施典型案例：机床二维码远程故障诊断、基于指令域的基础健康保障技术、智能工厂应用。诊断、基于指令域的基础健康保障技术、智能工厂应用。引言1加工过程智能运维系统架构2加工过程智能运维关键技术3加工过程智能运维系统实施典型案例4讲义提纲PART 01引言机械加工制造业作为国家工业发展的基础，体现着一个国家的综合实力。近年来，在信息技术强有力的推动下，机械加工制造业逐渐趋向于“数字化”、“网络化”和“智能化”，同时，为了满足多样化产品需求，传统制造业也正处于转变升级阶段。中国制造“2025”将数控机床和基础制造装备行业

3、列为中国制造业的战略必争领域之一，主要原因是其对于一国制造业尤其是装备制造业的国际分工中的位置具有“锚定”作用。在实际生产加工过程中，由于数控机床的机械结构、数控系统以及控制部分的复杂性，并且加工环境恶劣，加工强度高，导致机床的可靠性、稳定性面临巨大挑战，其故障发生率也在增大。机床故障呈现出多样性的特点，可能是机械故障、电气故障、液压故障、缓变故障等一种或多种情况。对于机床发生的故障，往往是进行事后维修，不仅效率低而且故障损失大。在制造业数字化趋势和“大数据”时代，生产过程数据的利用有极大发展空间。本章要解决的一个主要问题是，如何利用机床自身的数据和可能外加的传感数据建立有效的加工过程健康保障

4、系统和智能运维机制。引言PART 02加工过程智能运维系统架构加工过程智能运维关键技术主要内容主要内容1.数控机床控制模型2.传感器测量系统3.数控系统4.数控机床健康保障系统2.1 数控机床控制模型 传统制造系统与HPS(Human-Physical Systems)传统制造系统是人和物理系统的融合。机床加工过程中，人需要通过的手眼感知，完成分析决策并控制操作机床，完成整个加工任务。这就是一个典型的HPS系统。数控机床控制模型 当代制造系统与HCPS(Human-Cyber-Physical Systems)随着数控技术的发展，在人和机床之间增加了数控系统。加工工艺知识通过G代码，输入到数控

5、系统，数控系统替代了人操作控制机床。此时，数控机床就变成了HCPS。即在H和P之间增加了一个信息系统Cyber System，这是与传统制造系统最为本质的变化。数控机床控制模型 新一代制造系统与新一代的人-信息-物理系统(HCPS 2.0)新一代智能制造系统与HCPS的不同之处，在于其信息系统不再仅仅局限于感知和控制，而是增加了认知和学习的能力。在这一阶段，新一代人工智能技术将使HCPS系统发生最为本质的变化，形成新一代的人-信息-物理系统(HCPS 2.0)。数控机床控制模型 HCPS 2.0与HCPS HCPS 2.0与HCPS的主要变化在于人将部分认知与学习型的脑力劳动转移给了信息系统，

6、这样信息系统在具备“认知”和“学习”的能力后，人和信息系统关系发生了根本变化，实现了从“授之以鱼”到“授之以渔”的飞跃。通过“人在回路”的混合增强智能，人机深度融合将从本质上提高制造系统处理复杂性和不确定性问题的能力，极大提高制造系统的性能。数控机床控制模型2.2 传感器测量系统14传感器测量系统 传感器简介在数控机床加工运行过程中，工况状态的检测信号是反映机床设备运行状态正常或异常的信息载体，智能化数控机床是通过检测信号感知机床的状态信息，并经信号的分析和处理，能给出加工过程的控制决策和实时状态显示，适当的检测方法是数控机床实现自助感知的重要条件，因而也是数控机床智能化技术中必不可少的环节。

7、数控机床对传感器的要求 满足精度要求，灵敏度高和速度响应快;高可靠性、稳定性及抗干扰能力;在线与实时性要求;使用维护方便，适合机床运行环境和实际安装配置;价格低廉，成本低传感器测量系统 传感器测量系统 电流和电压传感器 获取数控机床加工过程的电流和电压信号，从而间接获取切削力和切削载荷等工况信息，用于智能化感知机床状态;光栅尺和编码器 获取到数控加工位置，转速等机床部件实时状态信息，用于对数控机床的虚拟建模，坐标，速度实时显示，并基于反馈控制，实现全闭环控制;传感器测量系统 传感器测量系统 温度传感器 通过对数控机床配置温度传感器，不仅可以在虚拟环境下对其进行温度场显示，动态反映加工过程的热量

8、状况，温度数据是智能加工中分析健康状况，加工精度的重要数据基础;振动传感器 智能运维中，振动加速度信号对机床的故障诊断和工况监视具有重要的测量效果，加工过程中，电机转动，伺服控制都会产生振动信号，获取振动信号，并经特征提取，是实现状态感知的重要途径;传感器测量系统2.3 数控系统数控系统19 数控系统简介数控系统(Numerical Control System)是数字控制系统的简称，其内部一般由I/O设备、计算机数字控制(CNC)装置、可编程控制器(PLC)、伺服系统、驱动装置以及检测装置等部件组成。数控系统 数控系统分类 目前，数控系统种类繁多，其分类方式也多种多样，主要分类方式有：按控制

9、运动分类，按组成特点分类，按功能水平分类。在实际生产过程中，人们常按照数控系统的组成特点对其进行分类。21数控系统开环数控系统（Open Loop Numerical Control System）不需要检测反馈，结构简单，调试方便，成本较低，但精度速度都难以保障半闭环数控系统（Semi-closed Loop Numerical Control System）带有检测反馈（通常是电机编码器），但无法检测机械传动过程中产生的误差，该数控系统精度较高，稳定性高，调试简单。闭环数控系统（Closed Loop Numerical Control System）带有包含检测位置误差（常用光栅尺）的检

10、测反馈，精度最高，但是稳定性不易保证，调试相对复杂。22数控系统 从数控系统采集数据的方法主要有三种：基于PLC信号的数据采集，基于RS-232信号的数据采集，基于OEM（Original Equipment Manufacturer，原始设备制造商）软件的数据采集方法。目前广泛使用的采集方式是基于OEM软件的数据采集方案，通过该方法可获取到信息主要包括：机床运行状态、机床运行参数、操作信息、各种实时信息、零件加工工时、报警信息等。西门子（DDE/OPC技术）、FANUC（FOCAS软件包）、华中数控（华中8型二次开发平台）等数控公司都提供相应的二次开发平台，以供用户进行自定义数据交互。图图

11、7 10 840D系统系统OPC服务器数据采集流程服务器数据采集流程23数控机床健康保障系统 健康保障系统构成数控机床的健康保障系统能预测性诊断机床部件或系统的功能状态，包括对部件的性能评估和剩余使用寿命预测，为机床的维护策略的实施提供决策意见。机床维护人员根据健康保障系统诊断的结果，在机床处于亚健康状态时便提前调度相关资源，当机床真正出现问题时就能立即维护、维修，做到最大化减少故障停机时间并延长机床的工作寿命，提高工厂的生产效率。2.4 数控机床健康保障系统25数控机床健康保障系统 健康保障系统总体功能信号采集模块信号处理模块由分布在数控机床各处的电流、振动、温度等众多传感器组成，利用多传感

12、器融合技术获取数控机床的工作状态信息并传输至信号处理模块中工业现场获得的各种信号往往包含大量噪声，为了增强采集信号的信噪比，需要对采集到的信号采取滤波等信号处理技术来获得质量更高的信号数控机床健康保障系统26特征提取与选择模块从信号中准确选择出反应部件性能退化或故障发生的敏感特征，对提高性能评估和寿命预测模块的诊断准确率有重大的帮助 健康保障系统功能模块机床健康评估模块运用深度人工神经网络、时间序列分析、隐马尔科夫模型、模糊神经网络等众多人工智能技术，在云端建立反映故障规律和部件性能退化趋势的智能计算模型，然后根据上传的信号数据判断对应机床的性能状态并预测剩余寿命数控机床健康保障系统27智能化

13、加工模块云端数据库实时监测和优化生产线上的加工制造过程，降低机床发生硬件故障的风险，改善机床的加工性能，提高生产效率和工人的安全保障；存储从工业现场收集到的宝贵的工业数据，为制造业“人工智能与大数据”时代的建立提供必要的数据支撑管理服务器对单个或多个车间的机床进行统一监督、管理，并将智能健康评估模型诊断的结果发送到对应的机床上，在有机床健康报警时自动启动维护策略 健康保障系统具体构成28数控机床健康保障系统 健康保障系统功能概述 智能振动抑制“铁人三项”二维码故障诊断与云管理 加工质量监测与保障29数控机床健康保障系统 智能振动抑制机床的各坐标轴加减速时产生的振动，直接影响加工精度、表面粗糙度

14、、刀尖磨损和加工时间，主动振动控制模块可使机床振动减至最小。例如，日本 MAZAK公司智能机床的AVC（Active Vibration Control，主动振动控制）模块，通过系统内置的传感器和运算器计算和反馈的振动信息，然后调整指令从加减速指令去除机械振动成分，从而实现对机床超出范围的振动进行抑制。30数控机床健康保障系统“铁人三项”铁人三项按照如下图所示的运行内容及机床本身的结构特点设定自检G指令，数控机床运行设定好的自检G指令，同时通过无传感器的方式采集G指令运行过程中的数控系统内部大数据，包括指令行行号数据及其它运行状态数据（如负载电流、跟随误差、实际位置等），将数控机床（MR）、G

15、指令信息（WT）和运行状态数据（Y）进行映射，建立数控机床的CPS模型Y=f(WT,MR)，并通过对不同阶段CPS模型中的指令域波形图进行对比、分析，提取出指令域波形显著的特征信息，进而利用指令域的特征信息进行数控机床健康状态的检测与评估。31数控机床健康保障系统“铁人三项”自检G指令运行内容32数控机床健康保障系统 二维码故障诊断与云管理在数控机床出现报警信号时，生成二维码并在界面端显示，操作人员可通过手机扫描二维码获取报警信息，并将相关数据传入云端，若在云端中存在对应案例，则返回相应的解决方法，操作人员可及时进行故障处理；若在云端中不存在对应案例，则将相应故障状态录入数据库，并在检修人员处

16、理完成后，将解决方案录入，更新云端的案例库。该功能可以将多种故障案例进行建库存储，并能通过云端进行多台机床的故障管理与健康维护，提高了处理效率。33数控机床健康保障系统 加工质量监测与保障在加工过程中，对加工质量影响最直接的加工工艺因素，主要是刀具材料和刀具几何角度、切削用量、切削速度、切削液选择、工件装夹方法等。通过对刀具磨损量的实时监测以及工件表面加工质量分析，可进行加工状态优化，提高加工效率与加工质量。并且将相关加工数据上传至云端数据库，可建立不同刀具、不同材料、不同加工方式下的加工工艺数据库，用于加工工艺优化以提高加工质量，并且为其它加工状态下加工过程提供参考参数。34数控机床健康保障

17、系统车间的智能调度和管理对于一项可分解的工作（通常指一个工件等）调度是指满足约束条件（如机床的选择、各工序先后关系的确定、某机器上所加工工序的开工时间的确定、原材料数等）、保证产品质量为前提，通过制定合理的生产策略（合理地安排资源、确定各工序加工时间等）使得制造成本或加工时间达到最优的一系列决策过程。制造生产过程中可能有相对较大的时间浪费在非加工过程中，因而有效的调度方法可以解决工件在机器上的调度和资源的分配，实现车间调度的合理化、智能化、集成化；实现车间生产物流综合管理，工序紧密连接；提高设备的生产效率，降低物料消耗，缩短交货期。35数控机床健康保障系统 车间的智能调度和管理车间调度系统图3

18、6数控机床健康保障系统车间的智能调度和管理 常见的调度类型p 静态调度。指的是所有待安排工件的相关参数均是已知，只要一次调度，各作业的调度被确定，在往后的加工中保持不变。p 动态调度。指的是实际生产中不定项因素对原先的作业产生不可预测的扰动下进行实时的调整。需要动态调度的原因是：设备运行等随机扰动和系统各个生产环节的误差等原因，造成了实际生产进度与静态调度严重不符。车间作业过程中调度计划的突然变更或系统内部状态的意外变化都可能启动再调度，但再调度持续的时间不宜过长，同时次数也有限制。PART 03加工过程智能运维关键技术加工过程智能运维关键技术主要内容主要内容1.数字化技术2.网络化技术3.智

19、能化技术3.1 数字化技术 数字化技术概述 数字化技术在机床等行业得到广泛应用。通过数字化技术将机床装备的结构和运行状态转化为数据信息作为数字控制系统的输入，微处理器分析下发的指令经运算和解码，转为控制机床加工的信号，即数字化的控制技术，数控机床通过数控系统，PLC程序，硬件电路，伺服控制系统，及各类型传感器组成准确而充足的信息获取能力。数字化技术准确快速获取数控机床内部数据和传感器测量系统的感知数据。根据采集模块的不同，有基于总线型和基于外部采集卡的汇聚系统数据汇聚系统介绍数控机床反映加工和状态信息的信号类型机床加工状态信息介绍对原始信号进行处理，并提取特征用于辨识分析，决策控制的方法信号处

20、理技术智能运维中，数字化技术具体应用的案例分析事件分析数控机床是应用数字化技术的机床，包括数字化电子技术和数字化控制技术目录41 数据汇聚系统 数控机床通过数据汇聚系统来准确快速获取数控机床内部数据和传感器测量系统的感知数据。对于内部数据，可以通过数控系统的二次开发接口接入总线直接被微处理器从内存或寄存器中读取，实现起来较为容易。外部传感器数据由于是外接电子器件获取数据，必须通过外接采集模块使数据汇聚到计算机。根据采集模块的不同，数据汇聚系统有基于总线型和基于外部采集卡的汇聚系统。数字化技术数据汇聚系统43 基于总线型的数据汇聚系统数据汇聚系统44 基于外部采集卡的数据汇聚系统 机床加工状态信

21、息 机床的状态信息 实时采集机床的状态信息，主要包括：机床开机、机床停机机床无报警且运行、机床无报警且暂停、机床有报警但在运行、机床有报警且暂停、报警信息等。机床加工信息 实时采集机床的加工信息，主要包括：加工零件的NC程序名、正在加工的段号、加工时间、刀具信息(刀具号、刀具长度)、主轴转速、主轴功率、主轴扭矩、进给速度、X、Y、Z、A、B(C)坐标值、NC程序起始、NC程序暂停、NC程序结束等。数字化技术 信号处理 数控机床的计算机系统需对通过数据汇聚系统获得的原始信号进行信号处理，利用各种分析算法，才能从中提取出特征信息，用于计算机对数控机床工况状态监测及提供决策的基础。信号处理部分主要涉

22、及各种信号的实时显示，振动信号的时域分析、频域分析、时间序列分析、时-频联合分析以及其他分析方法。例如：小波变换，傅里叶变换提取特征。数字化技术3.2 网络化技术 网络化技术概述 网络化加工技术是指利用通信技术和计算机技术，结合企业实际需求，把分布在不同地点的计算机及各类电子终端设备互联起来，按照一定的网络协议相互通信，实现制造过程中的资源（如加工代码、数控机床、检测设备和监控设备等）共享，并在相关系统的支持下，开展涵盖整个或者部分产品周期的企业活动，支持企业用户远程资源访问与共享，高速、高效、低成本地为市场提供相关的产品和配套服务。网络化技术 数控技术网络化概念 数控技术的网络化主要是指数控

23、系统与外部的其他控制系统或者上位机通过工业总线网络、互联网等实现互联互通，以实现资源共享和网络化加工，进而为其他先进制造环境提供最为基础的技术支撑，共同提高加工过程的效率和质量。当前，数控系统的网络化可以分为内部现场总线的网络化和外部设备间的网络化。网络化技术 加工技术网络化的体系结构 网络化加工可以为企业用户实现网上设计、网上制造、网上监控、网上培训、网上营销和网上管理等功能，使企业更好地发挥先进装备的优势性能，及时从市场的需求出发调整生产计划，从而提高产品的生产效率，降低生产成本，同时也提高产品的竞争力。网络化技术 加工技术网络化的体系结构 网络加工在其整个加工过程中，可以分为计算机辅助制

24、造(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助管理(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)、物料管理计划(Material Requirement Planning，MRP)、产品数据管理(Product Data Management，PDM)、虚拟制造(Virtual Manufacturing，VM)和故障诊断等八个功能模块。为了实现网络化加工，上述功能模块并不是孤立的，需要分别与其他模块网络和外部网络实现集成，建立先进制造的内联网（Intranet）和外联网

25、（Internet）。网络化技术 数控技术网络化通信分级 在现代加工过程中，工件可能需要在不同位置进行加工，各个加工设备之间通过网络相互连接，同时工作而且互不干扰。为了实现这种加工系统，我们需要对整个加工网络进行分级控制。这种通信可以分为企业级、工厂级、生产车间级和加工设备级。当前制造业中常用的现代集成制造系统技术、制造执行系统、柔性制造系统技术和工厂自动化技术的基础就是加工设备级通信和生产车间级通信。网络化技术网络化技术加工网络化各级网络连接示意图 数控技术网络化通信分级 企业级通信一般用于协调下属各个工厂间的加工，并且按照市场规律分配加工任务。该级别的通信一般需要通过互联网与外界联通。工厂

26、级通信一般用于工厂下面各个车间的任务调度。该级别的通信一般视情况采用互联网或者局域网相互沟通。网络化技术 数控技术网络化通信分级 生产车间级通信一般用于加工程序上传和下载，PLC数据传输，系统实时状态监测，加工设备的远程控制以及对CAD/CAE/CAM/CAPP等程序进行分级管理。加工设备级通信主要负责底层设备与上级设备联网，并负责将加工状态参数与加工情况实现获取、存储并上传到上层网络，同时与生产车间级通信等上级网络共同实现上层网络下达的相关管理控制命令。网络化技术 生产车间级通信与DNC网络生产车间级通信一般采用分布式控制(Distributed Numerical Control，DNC)

27、进行控制。DNC的研究源于上世纪60年代，尽管DNC的含义发生过变化，但是保障传输过程中数据安全性和及时性以及管理和存储NC程序这两个核心任务并没有改变。一个典型的DNC系统主要包括DNC硬件服务器和服务软件包、通信端口以及CNC机床。网络化技术3.3 智能化技术 智能化技术概述 智能化是指在人工智能、互联网、大数据等技术的支持下，让设备具有人的各种思维模式的过程，在中国制造2025指导方针下，智能化转型是制造业的重点发展趋势，随着时间的推移，智能化技术在加工过程智能运维中的应用越来越广泛。按使用层面可分为加工智能化、管理智能化、维护智能化和编程智能化等四大部分。智能化技术数控机床的加工智能化

28、加工智能化是指通过将智能化的加工技术应用到数控机床和加工生产线中，使整个生产过程智能化。典型的智能化加工技术应用主要有：虚拟机床加工技术 自动上下料技术 防碰撞技术 数控系统集成的加工智能技术智能化技术 虚拟机床加工技术虚拟机床加工技术是虚拟制造领域中的一项关键技术，它以计算机图形学和数控加工技术为基础，集人工智能、网络技术、多媒体技术和虚拟现实等多项技术于一体，能“预演”一遍真实的数控加工过程，对实际加工中可能出现的诸如机床和刀具碰撞和干涉、程序错误等问题提前排查，还能评估机床运动行为，确定程序运行时间，优化加工参数和加工过程等，从而最大限度的缩短产品的设计制造周期，提高生产效率，降低成本。

29、智能化技术 虚拟机床加工技术智能化技术虚拟加工技术工作流程总体框图 虚拟机床加工技术u 技术比较智能化技术研究如何将现实世界的物体尽可能完整地镜像到虚拟（计算机）环境中。镜像物体应具备现实物体的实体特征，如几何、材料、密度等属性。研究如何真实模拟在现实加工环境中由于切削力、热变形、负载变化、加工误差等因素对工件加工质量的影响。验证零件的可加工性、快速编制数控程序、检验数控机床的加工轨迹和碰撞干涉情况、评定加工效率等。切削力仿真、切削振动仿真、刀具磨损和切屑形状预测、加工误差预测及切削参数、刀具路径优化等。假设了机床处于理想运行状态下（没有振动、机床不变形、没有定位误差、没有机床运动误差、刀具完

30、好、工件材质均匀等）。考虑机床在实际运行状况下遇到的问题。几何仿真物理仿真研究内容应用功能虚拟机床加工技术本质是一种仿真技术差异 虚拟机床加工技术u 发展趋势数字双胞胎近些年来，虚拟机床加工技术被涵盖进一个更加新潮的概念之中数字化双胞胎。“数字双胞胎”指的是以数字化方式为物理对象在虚拟环境中创建镜像模型，模拟其在现实环境中的行为特征。“数字双胞胎”不光建立设计制造过程的镜像，还建立控制、管理过程乃至整个工厂的镜像，可实现产品全生命周期内生产、管理、连结的高度数字化和模块化。“数字双胞胎”已成为制造企业迈向“工业4.0”的解决方案，正在被大量企业努力应用到加工生产之中。智能化技术 自动上下料技术

31、在现代工业生产中，自动上下料技术主要依靠工业机器人来实现。工业机器人作为机床的附属装置，配合机床的动作自动地完成工件的上下料动作，不仅动作快速，而且重复定位高，可长时间作业，起到了提高产品质量及生产效率、加快生产节拍、节省人力成本等作用。大多的工业机器人是一种多关节、多自由度的机械手臂结构。用以解决机床上下料功能的机械手可分为通用式和专用式两种。智能化技术 自动上下料技术u 工业机器人分类智能化技术通用式专用式可批量生产，它同数控机床一样是个独立的装置，不依赖工作环境和工作目标，可以根据需求编写特定的控制程序，以完成所需的动作和功能。有球坐标式、圆柱坐标式和直角坐标式等多种形式，主要部件有基座

32、、腰关节、大臂、小臂及手爪等，在三维空间内有非常好的灵活性。由于其良好的通用性，因此被较多应用在工作环境复杂（如不利于人员行动的环境）或对人体有伤害的场合（如装配、搬运、焊接等场合）。主要附属于机床或生产线上，在轴类及盘类零件的加工机床和生产线上应用尤其广泛。专用机械手根据不同的驱动结构和功能设计专门的手爪，其优点在于空间占用小，且动作迅速，并可以一次动作同时实现上料、卸料功能。缺点在于动作单一、只能实现固定工位的上下料，且手爪的结构与尺寸和使用对象互相对应，具有专一性，适用于机床内部使用。自动上下料技术u 自动上下料技术的设计步骤 确定设备布局：决定是单台机器人服务单台数控机床还是单台机器人

33、服务双台机床；设计机器人的手爪结构：根据工件的外形特点，设计机器人末端手爪部件，包含气动、传感器及机械部件等；规划机器人上下料运动轨迹：先对机器人上下料的手爪运动路线进行设计，再根据手爪运动路线设计逻辑流程框图，最后根据运行轨迹示意图及机器人上下料逻辑流程图，编制相对应的机器上下料控制程序。智能化技术 防碰撞技术机床防碰撞技术利用虚拟机床加工技术在由刀具、工件、夹具、机床可动单元以及非可动单元构成的三维虚拟机床上仿真机床的加工动作，在数控系统根据加工程序或手动操作生成相应的控制信号时，先将机床移动信号输入到三维仿真模块中控制虚拟机床移动，预先检查有无干涉后再控制真实机床进行移动。当在虚拟环境中

34、预检到有干涉发生时，在实际干涉发生之前停止机床的运动，没有干涉时则保持指令动作。智能化技术 数控系统集成的加工智能技术由于数控系统本身的计算能力有限，所以很多智能化技术都是部署在云端或工业计算机上，不过也有一些和加工过程紧密相关的智能技术可以直接集成在数控系统内，比较典型的有切削参数在线优化技术、精优曲面控制技术、主轴临界转速规避技术等。智能化技术p 切削参数在线优化技术切削参数在线优化技术通过振动、电流等传感器实时感知机床的负载、功率、颤振等情况，自动地调整到最佳的切削参数状态。比如说当发生加工振动的情况时，主轴上的振动传感器会检测到异常的振动值，数控系统接收到该振动信息后会自动计算出最佳的

35、主轴转速，通过使用最佳主轴转速抑制振动，提高加工面精度。当刀具切削量较小时，数控系统通过电流传感器检测到机床的负载/功率下降，便自动将机床运行的进给速率调到最佳值，使机床处于恒定功率工作状态，最大化生产效率。当发生超载时，会自动使机床停机，防止刀具、机床和工件受损。智能化技术p 精优曲面控制技术精优曲面控制技术可以优化复杂曲面的加工过程，通过运动控制方法，计算出最佳表面过渡，保证刀具的移动速度始终处在最合适的范围内。在进行复杂曲面轮廓铣削或自由曲面铣削时，能够让刀具的各个微小插补路径和谐地重叠前进，从而达到镜面级的加工质量和最佳的轮廓精度，缩减加工时间。智能化技术 主轴临界转速规避技术当主轴的

36、工作转速处于其共振转速段时，会发生显著的颤振，严重影响机床的加工质量，所以在加工时需要避开主轴的临界转速。主轴临界转速规避技术的工作原理是：让主轴在整个工作转速范围内从低速到高速缓步提升转速运转一遍，再从高速到低速运转一遍，通过振动传感器检测出整个运转过程中的特征频带，从而确定主轴的临界转速。在加工时，如果主轴工作转速接近了临界转速附近，则自动控制主轴增大或减小一些转速来跳过其临界转速段，并相应调整进给速率等切削参数来确保机床的实际加工过程符合加工程序要求。主轴临界转速规避技术以简单的原理增强了机床的灵活性和智能化，提高了加工质量.智能化技术数控机床的管理智能化 网络数控技术 刀具管理技术 生

37、产过程的智能管理技术 数控系统集成的加工智能技术智能化技术 网络数控技术网络数控系统是网络化制造的基本组成单位，以集成为手段，融合数控技术、网络技术、计算机技术和通信技术等，用于数控系统的网络通信，最终形成一个开放的、智能化网络数控制造单元，得以实现控制远程化、故障诊断分析远程化，并实现资源共享和利用。网络数控技术主要包括以下四个方面：1.网络通信技术2.智能化信息集成技术3.信息管理技术4.远程监控与诊断技术智能化技术 网络数控技术智能化技术网络通信技术智能化信息集成技术信息管理技术远程监控与诊断技术网络通信技术为数控机床的互联提供一个共用基础，并引导计算机网络和数据通信系统产品的开发，实现

38、不同制造厂商通信网络设备的兼容。智能化信息集成技术将原来独立运行的多个单元系统集成为一个能协调工作和功能更强的新型系统，集成不只是现代制造业先进技术的集成，也包括人的集成。信息管理技术是整个系统运行的保证，机床加工的所有信息需要建立数据库，数据采集、处理和维护都是通过相应的信息管理系统完成的。随着数控设备自动化程度的提高、复杂性的迅速增加引起了维修费用增高、停机损失巨大等问题。因此，网络数控系统支持远程监控变得越来越重要。刀具管理技术刀具管理是数控机床管理智能化中一项非常重要的功能，在提高设备的利用率、提高产品质量以及延长刀具寿命等方面起到关键作用。与传统普通刀具比较，数控刀具的应用存在专业性

39、强、数据量大、业务过程复杂等显著特点。基于这些特点，在数控刀具管理过程中，需要重点关注刀具应用知识管理和刀具业务协同，其中主要涉及到刀具应用知识库、统一的刀具信息数据库，刀具搜索引擎和数据获取机制等关键技术环节。基于这些特点，在数控刀具管理过程中，需要重点关注刀具应用知识管理和刀具业务协同，其中主要涉及到刀具应用知识库、统一的刀具信息数据库，刀具搜索引擎和数据获取机制等关键技术环节。智能化技术 刀具管理技术智能化技术刀具应用知识库刀具应用知识库包括切削参数数据库、刀具典型应用数据库、刀具使用经验数据库等。刀具信息数据库刀具信息数据库是一项重要的基础性工作，通过建立规范的数控刀具分类编码体系，实

40、现不同的刀具数据的统一表达和交换。刀具搜索引擎刀具搜索引擎基于刀具应用知识库和刀具信息数据库，实现刀具搜索功能。生产过程的智能管理技术智能化的数控机床只是实现智能化制造最基本的前提，而智能化的生产过程管理才是实现生产计划在制造职能部门进行执行的关键。生产过程的智能化管理技术通过MES（Manufacturing Execution System，生产制造执行系统）与底层的工业控制网络进行生产执行层面的管控，操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源）的当前状态的记录，同时获取底层工业网络对设备工作状态、实物生产记录等信息的反馈。智能化技术数控机床的维护智能化 智能化数控机床监控技术 智

41、能化健康保障技术 智能化热误差补偿技术智能化技术 智能化数控机床监控技术主要是通过对数控机床的数据采集、数据压缩和数据可视化等技术，实现对数控机床运行过程的智能监控，提高机床的加工效率。可分为在机床终端在线监控与远程监控，主要适用于不同的监控群体需求，前者主要运用三维数字可视化技术搭建机床三维仿真模型，通过实时传输的加工状态信息，能够实际监控机床的运行状态以及加工状态，节约了运维成本。后者运用云端的大数据管理，可以实现远程的数控机床监控，实时监测不同机床的工作状态，并记录机床的各项健康指数评估状态，对整体生产线、车间等进行多方面监控，进行故障状态的实时处理和维护。智能化技术 智能化数控机床监控

42、技术u 智能数控机床监控系统组成智能数控机床监控技术主要包括智能主轴监控、进给轴监控、刀具刀库监控等部分，根据对相应传感器信号的处理和分析，进行实时状态监测。监控系统主要分为状态实时监测和异常信号报警。智能化技术数控机床监控系统组成u 智能数控机床监控系统组成主轴监控：通过布置在主轴关键位置的传感器获取振动、温度、电流等运行状态信息，通过对振动信号分析，通过频域变换处理得到特征频率，并通过数据可视化界面进行展示，并根据其数据与健康状态的对比分析进行监控。刀具监控：通过相应传感器对刀库换刀是否异常、加工过程中刀具磨损、断刀等情况进行实时监控。智能化技术 智能化健康保障技术可分为在机床终端在线监控

43、与远程监控，主要适用于不同的监控群体需求，前者主要运用三维数字可视化技术搭建机床三维仿真模型，通过实时传输的加工状态信息，能够实际监控机床的运行状态以及加工状态，节约了运维成本。后者运用云端的大数据管理，可以实现远程的数控机床监控，实时监测不同机床的工作状态，并记录机床的各项健康指数评估状态，对整体生产线、车间等进行多方面监控，实现故障状态的实时处理和维护。智能化技术 智能化健康保障技术智能化技术健康保障关键技术及关键对象 智能化健康保障技术在智能监控技术基础上，通过大数据分析和人工智能相关算法与技术应用，得到关于机床各部件以及整体的健康状态评估、寿命评估、动态性能评估以及可靠性分析等。华中数

44、控最新智能化数控系统网络平台，采用具有自主知识产权的NC-LINK协议实现数控机床及相关智能化设备的互联互通，并将制造过程中信息流汇集到云端平台服务器，应用人工智能算法进行数据处理、特征提取以及故障分析，将健康评估状态以及故障诊断结果返回到终端机床和移动端，让操作人员可以获取机床的健康状态以及故障解决方案。沈阳机床发布的i5智能数控机床，通过以太网把生产商、供应商和客户的数据紧紧联系在一起，构成智能制造的生态系统，并可对机床进行全面诊断，实现可视化处理。智能化技术 智能化热误差补偿技术机床的几何误差（由机床本身制造、装配缺陷造成的误差）、热误差（由机床温度变化而引起热变形造成的误差）及切削力误

45、差（由机床切削力引起力变形造成的误差）是影响加工精度的关键因素，这3 项误差可占总加工误差的80左右，其中热误差是在加工过程中主要影响因素。提高机床加工精度有两种基本方法：误差预防法和误差补偿法。智能化误差补偿技术是指通过输入机床温度场信息，确定测温点，并建立测温点温升和热误差之间的关系模型，采用人工神经网络对热误差进行建模分析，得到较优的补偿值，从而降低热误差。智能化技术 智能化热误差补偿技术智能化技术热误差补偿建模主要方法数控机床的编程智能化在智能制造发展的进程中，智能化已经成为数控系统发展的明确目标。数控编程系统是CAD/CAPP/CAM(计算机辅助工艺设计/计算机辅助工艺设计/计算机辅

46、助制造)三者的集成，使得编程智能化，诸如加工对象，约束条件，刀具选择、工艺参数等减少人工操作，而直接由CAPP数据库提供，降低了对从业者工程素质的依赖以及工程实践的要求，避免人工操作的编程错误，提高了编程的准确性和鲁棒性。智能化技术 数控机床的编程智能化 智能编程系统结构1.数据层2.应用层3.交互层智能化技术智能编程系统结构 智能编程系统结构数据层提供平台运行的数据库环境，该层次采取开放式结构，根据应用需求设立或扩展；应用层根据自主识别加工特征，响应系统发出的指令，智能化编程和程序拼接，提高效率；交互层为应用层提供集成环境，面向工程师，提供更加人性化的编程环境。智能化技术 智能编程系统最新发

47、展趋势智能化技术触摸屏技术便于上下位机的人机交互语音技术解放双手，语音输入指令操作数控机床编程自动化提高了程序的准确性和鲁棒性PART 04加工过程智能运维系统实施典型案例加工过程智能运维关键技术主要内容主要内容1.机床二维码故障远程诊断2.基于指令域的机床健康保障技术3.某智能工厂简介4.1 机床二维码故障远程诊断94机床二维码故障远程诊断在传统加工过程中，加工机床如果出现故障，则其报警信息将直接显示在机床数控面板上，由操作人员根据经验进行相应的处理。在该流程中，故障的处理速度很大程度上取决于操作人员的相关经验；且在故障解决后，相关解决方案难以形成案例库，无法对后续类似情况起指导作用。针对上

48、述问题，华中数控系统开发机床二维码故障远程诊断功能，通过扫描机床二维码，即可将检测及检修中遇到的问题提交到云端，并从云端获取相应的指导方案。4.2 基于指令域的机床健康保障技术基于指令域的机床健康保障技术传统的检修方法为定期检查及维护，会打乱正常的加工秩序，影响生产效率，况且众多机床的检修工作量太大；然而在数控机床出现故障后才维修，会造成更大的经济损失，严重时甚至可能导致安全事故的发生。故如何做好机床的健康保障工作，既实现对数控机床健康状态的快速、批量检查及可视化管理，又可以通过预测性维护提前排除机床的隐患，成为目前研究的热点方向之一。基于指令域的机床健康保障技术机床健康保障功能模块工作流程华

49、中数控公司基于其数控系统的机床指令域大数据访问接口，实现了基于指令域的机床健康保障功能模块，其主要工作流程如下：1.利用指令域分析法，分析机床加工过程中所上传的加工状态数据，如电流值、指令位置、实际位置等，并提取相关的指令特征。2.对当前的体检数据向量B=(b1,b2,bn)与基准向量A=(a1,a2,an)求欧氏距离，并将获得的距离值采用Sigmoid函数进行处理，得到最后的诊断结果。基于指令域的机床健康保障技术模块实施案例目前，该健康保障功能模块可对机床的主轴、刀库、X轴、Y轴、Z轴进行分析，并对每一台机床建立与之对应的机床健康档案库。在机床空闲时间（如刚开机时），数控系统执行内部已有的自

50、检程序，便可获取机床当前的健康指数，将其与历史情况（纵向）和与其他机床健康指数（横向）进行比对，便可诊断该机床的健康状态，实现机床的自检测功能。基于指令域的机床健康保障技术模块实施案例由右图可知，D08号机床刀库出现异常情况，D11号机床主轴出现异常情况，于是检修人员可根据诊断结果进行针对性的维修，这极大的提升了检修效率，同时也避免了对正常机床进行的无用检修。基于指令域的机床健康保障技术4.3 某智能工厂简介 某智能工厂功能简介 可以在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化。服务，提高了生产效率 利用物联网技术和监控技术加强信息管理过程可控性、减少了生产线人工干预，更加合理地计划