Tecnología inteligente de máquinas herramienta CNC
Tecnología inteligente de las máquinas herramienta CNC
El sistema de control de las máquinas herramienta CNC puede procesar lógicamente programas con códigos de control u otros comandos simbólicos, decodificarlos y representarlos con números codificados. transmitido al dispositivo CNC a través del soporte de información. Lo que el autor trae hoy es una introducción a la tecnología inteligente de las máquinas herramienta CNC. Bienvenido a leer.
Las máquinas herramienta inteligentes aparecieron por primera vez en la primera monografía "Intelligent Manufacturing" en el campo de la investigación sobre fabricación inteligente publicada por P.K.Wright y D.A.Bourne en 1998. Intelligence)[1]. Debido al importante papel de la fabricación avanzada, la tecnología inteligente ha atraído la atención de varios países. Estados Unidos ha lanzado la Iniciativa de Plataforma de Procesamiento Inteligente (SMPI); Europa ha implementado la investigación de sistemas de producción de próxima generación; Alemania ha lanzado el plan Industria 4.0 de desarrollo científico y tecnológico a mediano y largo plazo de la "tecnología de fabricación digital inteligente" de China; " ha planteado necesidades urgentes y formulado las políticas correspondientes. Duodécimo Plan Quinquenal de Desarrollo; en la Exposición Internacional de Tecnología de Fabricación de 2006 (IMTS2006) en Chicago, la empresa japonesa Mazak lanzó la primera máquina herramienta inteligente llamada "Máquina Inteligente" y la japonesa Okuma La empresa lanzó la primera máquina herramienta inteligente llamada "thinc". "El sistema CNC inteligente ha abierto la era inteligente de las máquinas herramienta CNC [2].
Este artículo parte del sensor, divide la tecnología inteligente de las máquinas herramienta CNC en partes como sensores inteligentes, funciones inteligentes, componentes inteligentes, sistemas inteligentes, etc., resume la tecnología inteligente y señala las deficiencias. , y 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 produce diversos fenómenos físicos complejos durante el proceso de mecanizado acompañados de la eliminación de materiales, lo que implica Rich información [3]. En este entorno dinámico, no lineal, variable en el tiempo y no determinista, la tecnología de percepción de la máquina herramienta CNC es la condición básica para lograr inteligencia.
Para lograr inteligencia, las máquinas herramienta CNC necesitan varios sensores para recopilar información sobre el entorno externo y el estado interno, que son similares 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 nivel 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 (sistemas microelectromecánicos), la tecnología integrada, los materiales y estructuras inteligentes, los sensores tienden a miniaturizarse. Las aplicaciones maduras de microsensores, como 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 máquinas herramienta CNC.
Debido a los fenómenos complejos impredecibles o impredecibles y los problemas extraños en el proceso de fabricación, así como la puntualidad, precisión, integridad y otros problemas de la información monitoreada, se requiere que los sensores tengan análisis, razonamiento, aprendizaje. , etc. Inteligencia, que requiere que el sensor tenga un procesador inteligente de alto rendimiento que actúe como "cerebro". Qualcomm está desarrollando un microprocesador de sistema de inteligencia artificial que puede simular el trabajo del cerebro humano. En el futuro, a través de la tecnología de integración de semiconductores, se integrarán microprocesadores y sensores de sistemas de inteligencia artificial de alto rendimiento, circuitos de procesamiento de señales, interfaces de E/S, etc. en el mismo chip para formar un sensor inteligente de circuito integrado a gran escala, que no solo tiene las funciones de detección, reconocimiento y memoria, análisis y otras funciones, y tiene la capacidad de aprender e incluso pensar por sí mismo [4]. Se cree 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 seguramente traerán nuevos cambios en la percepción inteligente de las máquinas herramienta CNC.
Funciones inteligentes
El desarrollo de máquinas herramienta CNC hacia una alta velocidad, eficiencia y alta precisión requiere que las máquinas herramienta CNC tengan funciones inteligentes como compensación térmica, monitoreo de vibraciones, monitoreo de desgaste, estado. Monitoreo y diagnóstico de fallas. Integre varios o varios sensores inteligentes y utilice 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 inteligencia de los componentes.
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 los errores 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]. Entre ellos, el error geométrico es causado por el proceso de fabricación y ensamblaje y la propia estructura de la máquina herramienta. Cambia muy poco con el tiempo y es un error estático. El modelo de predicción de errores es relativamente simple y puede controlarse efectivamente mediante la función de compensación del sistema. Aunque el error térmico cambia mucho con el tiempo, es un error dinámico y el modelo de predicción de errores es complejo, lo cual es un tema difícil y candente en la investigación internacional.
Las fuentes de calor de las máquinas herramienta CNC durante el procesamiento incluyen rodamientos, husillos de bolas, motores, cajas de engranajes, rieles guía, herramientas de corte, etc. El calentamiento de estos componentes 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 las ubicaciones de los puntos de prueba de temperatura es muy importante. Los métodos principales incluyen algoritmos genéticos, redes neuronales, agrupaciones difusas, conjuntos aproximados, teoría de la información, sistemas grises, etc. 6]. Sobre la base de la determinación de los puntos de medición de temperatura, se utilizan comúnmente redes neuronales, algoritmos genéticos, lógica difusa, sistemas grises, máquinas de vectores de soporte, etc. 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 las herramientas y las piezas 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, la corriente del motor de alimentación, etc., la fuerza de corte se modela y predice utilizando un algoritmo de enjambre de partículas, teoría difusa, algoritmo genético, teoría gris, etc. [8] Teniendo en cuenta que las principales causas de la vibración de las máquinas herramienta son husillos, tornillos, rodamientos y otros componentes, también se pueden recopilar señales como vibración, fuerza de corte y emisión acústica de estos componentes, utilizando inteligencia como redes neuronales difusas. lógica y método de máquinas de vectores de soporte, monitoreo directo de vibraciones.
La herramienta se instala en el extremo frontal del husillo, en contacto con la pieza de trabajo a procesar, 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 la rotura de las herramientas afectarán la precisión del procesamiento y la seguridad en el trabajo. En vista de los defectos que los métodos de medición directa requieren detección fuera de línea, generalmente se recopilan una o más señales indirectas, como corriente, fuerza de corte, vibración, potencia, temperatura, etc., y red neuronal RBF, red neuronal difusa, red neuronal wavelet , se utilizan máquinas de vectores de soporte y otros algoritmos inteligentes para monitorear de manera inteligente el estado de desgaste de la herramienta.
Con la mejora de la automatización, las máquinas herramienta CNC integran cada vez más funciones y se vuelven cada vez más complejas. Para operar de manera eficiente, es necesario monitorear el estado interno de las máquinas herramienta CNC y evaluar su desempeño, al mismo tiempo que proporciona advertencias y diagnósticos de fallas. Los métodos inteligentes, como las redes neuronales de BP, requieren muchas muestras, pero no son adecuados para tales ocasiones debido a la escasa reproducibilidad de los modos de falla y la dificultad en la recolección de muestras. El monitoreo de condiciones y el diagnóstico de fallas a menudo utilizan métodos inteligentes como redes neuronales SOM, lógica difusa, máquinas de vectores de soporte, sistemas expertos y multiagente […]
Los investigadores exploran y estudian constantemente las funciones inteligentes de nuevos métodos o métodos híbridos, pero la mayoría de ellos se concentran en entornos de laboratorio. Faltan métodos con alto rendimiento en tiempo real y potentes funciones en línea. Aún es necesario desarrollar métodos simples y rápidos en profundidad y métodos inteligentes adaptables.
Componentes inteligentes
La parte mecánica de las máquinas herramienta CNC incluye principalmente piezas estructurales de soporte, piezas de transmisión principal, piezas de transmisión de alimentación, herramientas de corte y otros componentes, que incluyen bancada, columna, husillo, herramientas de corte, componentes como tornillos y rieles guía y ejes giratorios. Estos componentes se pueden integrar con una o varias 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. Debido a la alta velocidad del husillo, especialmente del husillo eléctrico, el calor, el desgaste y la vibración tienen un gran impacto en la calidad del procesamiento. Por lo tanto, cada vez se integran más sensores inteligentes en el husillo para realizar funciones como monitoreo, alerta temprana y. compensación de las condiciones de trabajo. La empresa japonesa Yamazaki Mazak ha desarrollado un "husillo inteligente" El husillo está equipado con varios sensores como temperatura, vibración, desplazamiento, distancia, etc., que no solo tienen funciones de protección y monitoreo de temperatura, vibración, vida útil del dispositivo, sino que también coordinan de manera inteligente los parámetros de procesamiento según el estado de temperatura y vibración [13] .
Los husillos fabricados por Swiss Step-Tec, IBAG, etc. están equipados con sensores de temperatura, aceleración, desplazamiento axial y otros [14], como se muestra en la Figura 3, que pueden realizar compensación térmica, monitoreo de vibraciones, etc.
El par de tornillos y el par de rieles guía son componentes clave para el movimiento coordinado y el posicionamiento de las máquinas herramienta CNC. Su rendimiento afecta directamente la precisión del movimiento coordinado y las características dinámicas, y tiene un gran impacto en la calidad del procesamiento de la pieza. Por lo tanto, el monitoreo del par de tornillos, los cambios de rendimiento y la predicción de la vida útil de los pares de rieles guía durante el procesamiento juegan un papel importante en 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 alimentación, profundidad de corte, velocidad del tornillo, etc., se puede monitorear el desgaste del par de tornillos y el par de rieles guía, el Se puede predecir la vida útil restante y se pueden emitir alarmas de manera oportuna para evitar la ocurrencia de accidentes de producción importantes.
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. Sus condiciones de funcionamiento afectan directamente la precisión operativa y la confiabilidad de las máquinas herramienta. Los rodamientos tienen una fricción y un calor severos durante el funcionamiento a alta velocidad y son los componentes que se dañan más fácilmente. 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]. Utiliza el entorno de la aplicación para autoenergizarse, mide parámetros clave como la velocidad de rotación, la temperatura, la velocidad, la vibración y la carga, y utiliza la red inalámbrica. para enviar su propia información de estado para lograr el monitoreo de la condición del rodamiento.
La herramienta está en contacto directo con la pieza de trabajo. Durante el corte, la superficie de la pieza de trabajo generará una gran cantidad de calor y es propensa a vibrar, lo que tiene un gran impacto en la calidad de la superficie. Cada vez se integran más sensores en la herramienta para lograr el monitoreo de desgaste, monitoreo de vibración, alarma de fractura y otras funciones. La abrazadera de herramientas inteligente inventada por Christopher, Robert y otros se muestra en la Figura 5. Integra fuerza/par, temperatura, procesador, transceptor inalámbrico y otros chips, y puede estimar y predecir la frecuencia de vibración, recomendar una velocidad estable del husillo, monitorear el desgaste y sugerencias Tasa de alimentación, etc. [16] La herramienta inteligente producida por la empresa suiza ACTICUT está compuesta internamente por un mecanismo, un sensor y un controlador. Se utiliza en torneado CNC de precisión y puede monitorear el desgaste, la velocidad, la temperatura, etc.
Sistema inteligente
Las máquinas herramienta CNC generalmente constan de sistemas CNC, sistemas de accionamiento, sistemas auxiliares y cuerpos de máquinas herramienta, como se muestra en la Figura 6. A medida que la tecnología de inteligencia artificial continúa madurando, métodos como las redes neuronales, la teoría difusa y los sistemas expertos se aplican gradualmente a los sistemas CNC, sistemas de accionamiento y sistemas auxiliares, logrando la optimización de los parámetros del proceso, el control adaptativo, el monitoreo del proceso de procesamiento y el control adaptativo del sistema experto. Funciones de diagnóstico.
El campo de la fabricación aeroespacial requiere el procesamiento de piezas con características como porosas, multiranuras, multicavidades, etc. La tecnología de procesamiento es compleja, por lo que 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 el programa, simular el proceso de toma de decisiones de expertos humanos, realizar razonamientos y juicios y resolver problemas complejos en el procesamiento. La empresa suiza Mikron ha reunido la culminación de décadas de experiencia en procesamiento de fresado y ha desarrollado el módulo de soporte al operador OSS (Operator Support System), que puede ajustar los parámetros relevantes del proceso 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 como cálculo adaptativo de los parámetros del motor, identificación automática de la carga, monitoreo de la vida útil de la herramienta e integración de seguridad. Combinado con el controlador de fresado avanzado OMAT-PRO de la empresa israelí OMATIVE, puede limitar la potencia del husillo y controlar la velocidad. husillo a través del aprendizaje y reaprendizaje, el estado óptimo de la potencia se puede monitorear en tiempo real durante el proceso de mecanizado, y la velocidad de avance se puede ajustar de manera oportuna [19].
El sistema de protección anticolisión Crash Guard de la empresa austriaca 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 pueda funcionar normalmente en varios modos de movimiento, como manual y automático, y reducir el número de máquinas herramienta durante la operación La aparición de accidentes inesperados mejora la seguridad y confiabilidad del trabajo de la máquina herramienta [3]. El software Proficy de GE Fanuc monitorea y analiza datos básicos complejos de los equipos de la máquina herramienta y los realiza de forma remota. diagnóstico del estado de trabajo y el estado de salud de las máquinas herramienta [20]. El sistema de monitoreo ARTIS de Alemania es un sistema que monitorea el estado de trabajo a través del aprendizaje, obtiene las características de las señales de monitoreo y realiza un monitoreo en tiempo real de comportamientos anormales como la rotura de herramientas. , desgaste de herramientas y colisiones durante el proceso de mecanizado [21].
Outlook
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 del cerebro humano. 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 tecnología de inteligencia artificial, la tecnología informática, la miniaturización e inteligencia de sensores y la tecnología de microprocesadores, ha logrado "autoaprendizaje y autoevolución" en el verdadero sentido. ¿Autoaprendizaje y autoevolución? La combinación de inteligencia humana y máquinas herramienta CNC ya no será un sueño. ;