Tecnología inteligente de máquinas herramienta CNC
El sistema de control de las máquinas herramienta CNC puede procesar y decodificar lógicamente programas con códigos de control u otras instrucciones simbólicas, expresarlos con números codificados e ingresarlos en el dispositivo CNC a través de la información. transportador. Hoy les presentaré la tecnología inteligente de las máquinas herramienta CNC. Bienvenido a leer.
Las máquinas herramienta inteligentes aparecieron por primera vez en Wright (P?k?Wright) y Bowen (D?A?Bourne) 1998, la primera monografía en el campo de la investigación en fabricación inteligente, Manufacturing Intelligence [1]. La tecnología inteligente ha atraído la atención de varios países debido a su importante papel en la fabricación avanzada. Estados Unidos lanzó la Iniciativa de Plataforma de Procesamiento Inteligente (SMPI); ¿la implementará Europa? ¿Sistema de producción de próxima generación? Investigación; Alemania ha puesto en marcha? ¿Industria 4.0? Plan; el desarrollo científico y tecnológico a mediano y largo plazo de China, ¿verdad? ¿Tecnología de fabricación digital inteligente? ¿Plantear necesidades urgentes y formular las correspondientes? ¿Duodécimo plan quinquenal? Plan de desarrollo; en IMTS2006 celebrado en Chicago, la empresa japonesa Mazak lanzó su primer producto llamado? ¿Teléfono inteligente? ¿Esta máquina herramienta inteligente tiene el mismo nombre que la empresa japonesa Okuma? ¿Delgada? Los sistemas CNC inteligentes han abierto la era de las máquinas herramienta CNC inteligentes [2].
Basada en sensores, la tecnología inteligente de las máquinas herramienta CNC se divide en sensores inteligentes, funciones inteligentes, componentes inteligentes, sistemas inteligentes y otras partes. Se resume la tecnología inteligente, se señalan las deficiencias y las. Se revela la dirección del desarrollo mirando hacia el futuro.
Sensores inteligentes
El sistema de fabricación de máquinas herramienta CNC compuesto por máquinas herramienta, herramientas de corte y piezas de trabajo va acompañado de varios fenómenos físicos complejos durante el proceso de procesamiento, que contienen información rica [ 3] . En este entorno dinámico, no lineal, variable en el tiempo e incierto, la tecnología de percepción de las máquinas herramienta CNC es la condición básica para lograr inteligencia.
Para lograr inteligencia en las máquinas herramienta CNC, se requieren varios sensores para recopilar información sobre el entorno externo y el estado interno, similar a la función de los cinco sentidos humanos al detectar cambios ambientales, como se muestra en la Tabla 1. Para los humanos, los ojos son el órgano sensorial más importante entre los cinco sentidos y pueden obtener más del 90% de la información ambiental. Sin embargo, los sensores visuales todavía se utilizan relativamente raramente en las máquinas herramienta CNC. A medida que aumente el grado de automatización e inteligencia, las funciones de visión desempeñarán un papel cada vez más importante en las máquinas herramienta CNC.
Con el desarrollo de la tecnología MEMS, la tecnología integrada y los materiales y estructuras inteligentes, los sensores tienden a miniaturizarse. Las aplicaciones maduras de los microsensores MEMS, los sensores de película delgada y los sensores de fibra óptica han sentado las bases para que los sensores se incorporen en las máquinas herramienta CNC.
Debido a los fenómenos complejos impredecibles o impredecibles y los problemas extraños en el proceso de fabricación, así como a la puntualidad, precisión e integridad de la información de monitoreo, se requiere que los sensores tengan la inteligencia de análisis, razonamiento y aprendizaje, ¿Qué requiere que el sensor tenga un procesador inteligente de alto rendimiento para actuar? ¿Cerebro? . Qualcomm está desarrollando un microprocesador de sistema de inteligencia artificial que puede simular el trabajo del cerebro humano. En el futuro, el microprocesador, el sensor, el circuito de procesamiento de señales y la interfaz de E/S del sistema de inteligencia artificial de alto rendimiento se podrán integrar en el mismo chip mediante tecnología de integración de semiconductores para formar un sensor inteligente de circuito integrado a gran escala, que no solo Tiene las funciones de detección, identificación, almacenamiento y análisis, y también tiene la capacidad de aprender e incluso pensar por sí solo [4]. Creo que con el avance continuo de la tecnología informática, la tecnología de procesamiento de señales, la tecnología MEMS, la tecnología de materiales de alta tecnología, la tecnología de comunicación inalámbrica, etc. , los sensores inteligentes traerán nuevos cambios a la percepción inteligente de las máquinas herramienta CNC.
Funciones inteligentes
El desarrollo de máquinas herramienta CNC hacia alta velocidad, eficiencia y alta precisión requiere que las máquinas herramienta CNC tengan funciones inteligentes como compensación térmica, monitoreo de vibración, monitoreo de desgaste, estado. Monitoreo y diagnóstico de fallas. Mediante la combinación de varios o varios sensores inteligentes, se utilizan métodos de inteligencia artificial para realizar las funciones inteligentes de las máquinas herramienta CNC mediante la identificación, el análisis, el juicio y el razonamiento, sentando las bases para la realización de componentes inteligentes.
Los errores de las máquinas herramienta CNC incluyen errores geométricos, errores térmicos (deformación), errores de fuerza (deformación), errores de ensamblaje, etc. Las investigaciones muestran que los errores geométricos y térmicos representan más del 50% de los errores totales de las máquinas herramienta y son factores clave que afectan la precisión del mecanizado de las máquinas herramienta, como se muestra en la Figura 1 [5]. El error geométrico está relacionado con la estructura misma de la máquina herramienta, no cambia mucho con el tiempo y es un error estático. El modelo de predicción de errores es relativamente simple y puede controlarse eficazmente mediante la función de compensación del sistema. Sin embargo, el error térmico cambia mucho con el tiempo y es un error dinámico. El modelo de predicción de errores es complejo y es un tema difícil y candente en la investigación internacional.
Las fuentes de calor utilizadas por las máquinas herramienta CNC durante el procesamiento incluyen rodamientos, husillos de bolas, motores, cajas de engranajes, rieles guía, herramientas de corte, etc. El aumento de temperatura de estas piezas provocará el alargamiento del husillo, cambios de coordenadas, alargamiento de la herramienta y otros cambios, lo que provocará un aumento de los errores de la máquina herramienta. Debido al gran número y amplia distribución de puntos sensibles a la temperatura, el diseño óptimo de los puntos de medición de temperatura es muy importante. Los métodos principales incluyen algoritmo genético, red neuronal, agrupamiento difuso, conjunto aproximado, teoría de la información, sistema gris, etc. [6]. Sobre la base de la determinación de los puntos de medición de temperatura, las redes neuronales, los algoritmos genéticos, la lógica difusa, los sistemas grises y las máquinas de vectores de soporte se utilizan comúnmente para la predicción y compensación de errores [7].
En el campo aeroespacial, con el uso generalizado de materiales difíciles de mecanizar como aleaciones de titanio, aleaciones de níquel y aceros de alta resistencia, así como el creciente volumen de corte en condiciones de corte de alta velocidad. , es probable que se produzcan vibraciones entre la herramienta y la pieza de trabajo, lo que afecta gravemente la precisión del procesamiento y la calidad de la superficie de la pieza de trabajo.
Dado que la fuerza de corte es la señal característica original del proceso de corte y puede reflejar mejor las características dinámicas del proceso de mecanizado, el monitoreo de la vibración se puede llevar a cabo con la ayuda del monitoreo y predicción de la fuerza de corte. Con la ayuda de un dinamómetro, un sensor de fuerza y la corriente del motor de alimentación, se utilizan la optimización del enjambre de partículas, la teoría difusa, el algoritmo genético y la teoría gris para modelar y predecir la fuerza de corte [8]. Teniendo en cuenta que los componentes principales que causan la vibración de la máquina herramienta son husillos, tornillos, cojinetes, etc., también podemos recopilar señales como vibración, fuerza de corte y emisión acústica de estos componentes, y utilizar métodos inteligentes como redes neuronales y lógica difusa. y máquinas de vectores de soporte para monitorear directamente las vibraciones.
La herramienta se instala en el extremo frontal del husillo, en contacto con la pieza de trabajo, y corta directamente la superficie de la pieza de trabajo, lo que tiene el impacto más directo y crítico en la calidad del procesamiento. Los fenómenos anormales como el desgaste y los daños de las herramientas afectan la precisión del procesamiento y la seguridad en el trabajo. Para los defectos que requieren detección fuera de línea utilizando métodos de medición directa, a menudo se recopilan una o más señales indirectas como corriente, fuerza de corte, vibración, potencia y temperatura, y algoritmos inteligentes como la red neuronal RBF, la red neuronal difusa, la red neuronal wavelet, y se utilizan máquinas de vectores de soporte. Monitoreo inteligente del estado de desgaste de la herramienta.
Con la mejora de la automatización, las máquinas herramienta CNC integran cada vez más funciones y su complejidad es cada vez mayor. Para operar de manera eficiente, es necesario monitorear y evaluar el estado interno de las máquinas herramienta CNC y proporcionar alertas y diagnósticos tempranos de fallas. Dado que el modo de falla no se puede replicar y la recolección de muestras es difícil, los métodos inteligentes como la red neuronal BP que requieren más muestras no son adecuados para esta ocasión. Los métodos inteligentes como la red neuronal SOM, la lógica difusa, la máquina de vectores de soporte, el sistema experto y el multiagente se utilizan comúnmente en el monitoreo de condiciones y el diagnóstico de fallas.
Los investigadores continúan explorando y estudiando nuevos métodos de funciones inteligentes o una combinación de varios métodos, pero la mayoría de ellos se concentran en entornos de laboratorio, carecen de métodos con altas funciones en tiempo real y en línea, y necesitan ser desarrollado aún más para ser enfoques inteligentes simples, rápidos y adaptables.
Componentes inteligentes
La parte mecánica de las máquinas herramienta CNC incluye principalmente estructura de soporte, transmisión principal, transmisión de alimentación, herramientas de corte y otras partes, que incluyen bancada, columna, husillo, herramientas de corte, husillo, rieles guía y ejes giratorios. Estos componentes pueden integrar una o más funciones inteligentes de sensores inteligentes para formar componentes inteligentes de máquinas herramienta CNC, como se muestra en la Figura 2.
El husillo es el principal componente de transmisión. Como componente central, está directamente relacionado con la precisión del mecanizado de la pieza de trabajo. Dado que la velocidad de rotación del husillo, especialmente del husillo eléctrico, es muy alta, el calor, el desgaste y las vibraciones tienen un gran impacto en la calidad del procesamiento. Por lo tanto, se integran cada vez más sensores inteligentes en el husillo para realizar funciones de monitoreo, alerta temprana y compensación del estado de trabajo. Desarrollado por Madzak Yamazaki? ¿Husillo inteligente? , equipado con una variedad de sensores como temperatura, vibración, desplazamiento, distancia, etc., no solo tiene funciones de protección y monitoreo de temperatura, vibración, vida útil del dispositivo, sino que también puede coordinar de manera inteligente los parámetros de procesamiento basados en el estado de temperatura y vibración [13] . El husillo eléctrico fabricado por Step-Tec e IBAG en Suiza está equipado con varios sensores como temperatura, aceleración y desplazamiento axial [14], como se muestra en la Figura 3, y puede usarse para compensación térmica y monitoreo de vibraciones.
Los tornillos y los rieles guía son componentes clave para el movimiento coordinado y el posicionamiento de máquinas herramienta CNC. Su rendimiento afecta directamente la precisión y las características dinámicas del movimiento coordinado y tiene un gran impacto en la calidad del procesamiento de las piezas de trabajo. Por lo tanto, monitorear los cambios de rendimiento y la predicción de la vida útil del par de rieles guía de tornillo durante el proceso de mecanizado es de gran importancia para la inteligencia de las máquinas herramienta CNC. A través de las señales de corriente del motor, potencia, fuerza de corte, sonido y otras señales de sensores, combinadas con parámetros del proceso como velocidad de avance, profundidad de corte, velocidad del tornillo, etc., se monitorea el desgaste del tornillo y de los rieles guía, y se controla la vida útil restante. Se pronostica y se emiten alarmas de manera oportuna para evitar que ocurran accidentes importantes en la producción.
Los rodamientos son componentes clave del eje giratorio de las máquinas herramienta CNC. Desempeñan la función de soportar cargas y reducir los coeficientes de fricción. Su estado operativo afecta directamente la precisión operativa y la confiabilidad de las máquinas herramienta. Los rodamientos son las piezas que se dañan más fácilmente porque rozan violentamente a altas velocidades y generan mucho calor. Por lo tanto, monitorear el estado operativo de los rodamientos puede evitar anomalías en el equipo o daños causados por problemas en los rodamientos. El rodamiento inteligente externo producido por la empresa sueca SKF se muestra en la Figura 4 [15]. En el entorno de la aplicación, los parámetros clave como la velocidad de rotación, la temperatura, la velocidad, la vibración y la carga se miden mediante el autoabastecimiento de energía, y la información de estado de los rodamientos inteligentes externos se envía a través de la red inalámbrica para realizar el monitoreo del estado de los rodamientos.
La herramienta está en contacto directo con la pieza de trabajo y la superficie de la pieza de trabajo es propensa al calor y la vibración, lo que tiene un gran impacto en la calidad de la superficie. Por lo tanto, cada vez se integran más sensores en las herramientas de corte para realizar el monitoreo del desgaste de la herramienta, el monitoreo de la vibración, la alarma de fractura y otras funciones. Como se muestra en la Figura 5, el portacuchillas inteligente inventado por Christopher, Robert y otros. Fuerza/par, temperatura, procesador, transceptor inalámbrico y otros chips integrados. y puede estimar y predecir la frecuencia de vibración, recomendar estabilizar la velocidad del husillo, monitorear el desgaste y recomendar la velocidad de alimentación, etc. [16] La herramienta inteligente producida por la empresa suiza ACTICUT consta de un mecanismo, un sensor y un controlador. Se utiliza para torneado CNC de precisión y puede controlar el desgaste, la velocidad y la temperatura [17].
Sistema inteligente
Las máquinas herramienta CNC generalmente constan de un sistema CNC, un sistema de accionamiento, un sistema auxiliar y un cuerpo de máquina, como se muestra en la Figura 6. A medida que la tecnología de inteligencia artificial continúa madurando, las redes neuronales, la teoría difusa y los sistemas expertos se aplican gradualmente a los sistemas CNC, sistemas de accionamiento y sistemas auxiliares para realizar la optimización de los parámetros del proceso, el control adaptativo, el monitoreo del proceso de procesamiento y las funciones de diagnóstico inteligente del sistema experto.
Las piezas que deben procesarse en el campo de la fabricación de aviación incluyen agujeros, ranuras, ranuras, cavidades y otras características. La tecnología de procesamiento es compleja y es inevitable incorporar un sistema experto para los parámetros del proceso. Optimización en máquinas herramienta CNC. Los sistemas expertos utilizan tecnología de inteligencia artificial para solidificar el conocimiento y la experiencia de uno o más expertos en un determinado campo en un programa, simular el proceso de toma de decisiones de expertos humanos y realizar razonamientos y juicios para resolver problemas complejos en el procesamiento. La Swiss Millennium Company ha reunido la cristalización de décadas de experiencia en molienda y ha desarrollado el módulo de soporte al operador OSS (Operator Support System), que puede ajustar los parámetros de proceso relevantes de acuerdo con los requisitos de procesamiento, optimizar los procedimientos de procesamiento y obtener resultados de procesamiento más ideales [18 ] .
Con el desarrollo de los sistemas CNC, los principales fabricantes de sistemas CNC han incorporado funciones prácticas como control adaptativo, monitoreo del proceso de mecanizado y diagnóstico inteligente en sus productos. El sistema CNC de Siemens tiene funciones tales como operación adaptativa de los parámetros del motor, identificación automática de carga, monitoreo de la vida útil de la herramienta e integración de seguridad. Combinado con el controlador de fresado optimizado OMATIVE israelí OMAT-PRO, se puede limitar la potencia del husillo y controlar el estado óptimo de la potencia del husillo mediante el aprendizaje y el reaprendizaje, de modo que los cambios en la potencia del husillo se puedan monitorear en tiempo real. durante el proceso de mecanizado y la velocidad de avance se puede ajustar de manera oportuna [19]. El sistema de barandilla anticolisión Crash Guard de Austrian WFL utiliza las capacidades de procesamiento de alta velocidad del sistema CNC para monitorear el movimiento de la máquina herramienta en tiempo real, asegurando que la máquina herramienta funcione normalmente en varios modos de movimiento, como manual y automático, y Reducir la aparición de accidentes durante el funcionamiento de la máquina herramienta. Mejorar la seguridad y fiabilidad de las máquinas herramienta [3]. El software Proficy de GE Fanuc monitorea y analiza datos básicos complejos de máquinas herramienta y realiza diagnósticos remotos del estado de trabajo y de salud de las máquinas herramienta [20]. El sistema de seguimiento alemán ARTIS es un sistema para controlar el estado de trabajo. A través del aprendizaje, se pueden obtener las características de la señal de monitoreo y se pueden monitorear en tiempo real comportamientos anormales como rotura de herramientas, desgaste de herramientas y colisiones [21].
Perspectivas
La inteligencia es una etapa avanzada en el desarrollo de máquinas herramienta CNC, que puede lograr un alto grado de automatización y liberar aún más la inteligencia mental de las personas. Con el desarrollo de la tecnología y el aumento de la demanda, han aparecido cada vez más funciones inteligentes, componentes inteligentes y sistemas inteligentes en las máquinas herramienta CNC. Aunque su nivel de inteligencia aún se encuentra en la etapa de desarrollo, con el desarrollo de la miniaturización y la inteligencia de la tecnología de inteligencia artificial, tecnología informática, tecnología de sensores y microprocesadores, ¿se ha logrado una importancia real? ¿Autoaprendizaje y autoevolución? ¿Ya no existirán las máquinas herramienta CNC con inteligencia a nivel humano? ¿sueño? .
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