《使用AI预测数控机床主轴问题》

  • 来源专题:数控机床与工业机器人
  • 编译者: icad
  • 发布时间:2019-07-16
  • 人工智能(AI)有望实现真正的工业设备预测性维护。

    我去年写的一个例子是Cosen Saws的基于云的预测维护应用程序,该应用程序不仅可以监控公司数控锯刀片的寿命,而且可以在故障发生之前预测刀片故障。 一个类似的例子是Mazak的基于AI的主轴健康监测系统(SHMS),它目前是其HCN卧式加工中心(HMC)的一个选项。

    这两个系统都是与辛辛那提大学的工业AI中心(以前称为智能维护系统中心)共同开发的。

    现在,工业AI中心由辛辛那提大学(UC),密歇根大学和密苏里科技大学组成。自2001年以来,该中心与100多个国际组织合作开展了100多个项目,包括丰田,波音,博世,卡特彼勒,通用电气航空,固特异,哈雷戴维森和西门子。其目标是消除工业设备意外故障的风险。

    Mazak的SHMS旨在使车间能够在主轴或主轴轴承损坏发生之前很长时间内采取主轴维护措施,从而最大限度地减少停机时间并使任何维护任务更加方便。 Mazak的流程开发协调员Joe Sanders表示,公司基于AI的系统与其他主轴监控技术之间的关键区别在于SHMS不是基于阈值数据。这将是当检测到特定的主轴振动频率时将发送警报的情况,该特定的主轴振动频率将表明已经或很快将发生损坏。相反,他说SHMS可以在发生前几个月发现问题,提供时间安排主轴维修或在最方便的时候进行更换。

    在历时一年的大泛围主轴破坏性测试得出的数据基础上,SHMS的AI建立了其主轴神经网络自组织图。主轴特定的特征可以区分良好振动与不良振动之间的差异。算法预测了主轴在一段时间内显示剩余使用寿命时如何随着时间的推移而降级(除非发生崩溃)。 “这不同于估计主轴寿命的时间表,因为我们不知道机器是否会用于轻型工作,起伏切割,24*7操作或任何其他可能的情况,”桑德斯先生解释说。

    SHMS的主要组件包括振动和电流传感器,数据采集模块和处理SHMS算法的工业计算机。安装后,一小时的建模测试会映射特定主轴的操作特征。之后,用户可以执行定期的60秒测试,将数据与主轴模型进行比较。当周期时间足够长时,桑德斯先生建议在每个部件完成后进行测试。然而,他指出,对于周期时间相对较短的零件来说,这可能不是必需的。

    SHMS可作为配备该公司Smooth CNC的Mazak HCN机器的选件,也可作为Matrix CNC机器的改造。 (系统的图形用户界面目前正在改进中。)

    该公司很快计划提供滚珠丝杠预测监测作为SHMS选项的一部分。事实上,工业人工智能中心已经收集数据,为滚珠丝杠开发预测磨损算法已有一段时间了。下一个目标是创建一种有效的SHMS技术,该技术将持续监控主轴健康状况并消除60秒测试的需要。桑德斯说,这种主动系统还能够检测刀具磨损并自动减少切削参数,以防止破损。

    SHMS将于去年9月在国际制造技术展(IMTS)上展出,将于10月在其位于肯塔基州佛罗伦萨的总部举办的Discover活动中正式推出。

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    • 编译者:杨芳
    • 发布时间:2017-06-20
    •  智能机床最早出现在赖特(P·K·Wright)与伯恩(D·A·Bourne)1998年出版的智能制造研究领域的首本专著《智能制造》(Manufacturing Intelligence)中。由于对先进制造业具有重要作用,智能技术引起各个国家的重视。美国推出了智能加工平台计划(SMPI);欧洲实施 “Next Generation Production System”研究;德国推出了“Industry 4.0”计划;中国中长期科技发展对“数字化智能化制造技术”提出了迫切需求,并制定了相应的“十三五”发展规划;在2006年美国芝加哥国际制造技术展览会(IMTS2006)上,日本Mazak公司推出的首次命名为“Intelligent Machine”的智能机床和日本Okuma公司推出的命名为“thinc”的智能数控系统,开启了数控机床智能化时代。 本文从传感器出发,将数控机床的智能技术按层次划分为智能传感器、智能功能、智能部件、智能系统等部分,对智能技术进行了总结,指出不足,揭示了发展方向,并对未来进行了展望。   智能传感器由机床、刀具、工件组成的数控机床制造系统在加工过程中,随着材料的切除,伴随着多种复杂的物理现象,隐含着丰富的信息。在这种动态、非线性、时变、非确定性环境中,数控机床自身的感知技术是实现智能化的基本条件。 数控机床要实现智能,需要各种传感器收集外部环境和内部状态信息,近似人类五官感知环境变化的功能,如表1所示。对人来讲,眼睛是五官中最重要的感觉器官,能获得90%以上的环境信息,但视觉传感器在数控机床中的应用还比较少。随着自动化和智能化水平的提高,视觉功能在数控机床中将发挥越来越重要的作用。表1数控机床可用传感器   随着MEMS(微机电系统)技术、嵌入技术、智能材料与结构等技术的发展,传感器趋向小型化。MEMS微传感器、薄膜传感器以及光纤传感器等微型传感器的成熟应用,为传感器嵌入数控机床奠定了基础。 由于制造过程中存在不可预测或不能预料的复杂现象和奇怪问题,以及所监测到的信息存在时效性、精确性、完整性等问题,因此,要求传感器具有分析、推理、学等智能,这要求传感器要有高性能智能处理器来充当“大脑”。美国高通公司正在研制能够模拟人脑工作的人工智能系统微处理器。将来可通过半导体集成技术,将高性能人工智能系统微处理器与传感器、信号处理电路、I/O接口等集成在同一芯片上,形成大规模集成电路式智能传感器,不但具有检测、识别、记忆、分析等功能,而且具有自学甚至思维能力。相信随着计算机技术、信号处理技术、MEMS技术、高新材料技术、无线通信技术等不断进步,智能传感器将会在数控机床智能感知方面带来全新变革。   智能功能数控机床向高速、高效、高精化发展,要求数控机床具有热补偿、振动监测、磨损监测、状态监测与故障诊断等智能功能。融合几个或几种智能传感器,采用人工智能方法,通过识别、分析、判断及推理,实现数控机床的智能功能,为智能部件的实现打下基础。 数控机床的误差包括几何误差、热(变形)误差、力(变形)误差、装配误差等。研究表明,几何误差、热误差占到机床总误差的50%以上,是影响机床加工精度的关键因素,如图1所示。其中,几何误差是制造、装配过程中造成的与机床结构本身有关的误差,随时间变化不大,属于静态误差,误差预测模型相对简单,可以通过系统的补偿功能得到有效控制,而热误差随时间变化很大,属于动态误差,误差预测模型复杂,是国际研究的难点和热点。   数控机床在加工过程中的热源包括轴承、滚珠丝杠、电机、齿轮箱、导轨、刀具等。这些部件的升温会引起主轴延伸、坐标变化、刀具伸长等变化,造成机床误差增大。由于温度敏感点多、分布广,温度测试点位置优化设计很重要,主要方法有遗传算法、神经网络、模糊聚类、粗糙集、信息论、灰色系统等[6]。在确定了温度测点的基础上,常用神经网络、遗传算法、模糊逻辑、灰色系统、支持向量机等来进行误差预测与补偿。   在航空航天领域,随着钛合金、镍合金、高强度钢等难加工材料的广泛应用,以及高速切削条件下,切削量的不断增大,刀具、工件间很容易发生振动,严重影响工件的加工精度和表面质量。由于切削力是切削过程的原始特征信号,最能反映加工过程的动态特性,因此可以借助切削力监测与预报进行振动监测。借助测力仪、力传感器、进给电机的电流等,利用粒子群算法、模糊理论、遗传算法、灰色理论等对切削力进行建模和预测。考虑到引起机床振动的原因主要有主轴、丝杠、轴承等部件,也可以采集这些部件的振动、切削力、声发射等信号,利用神经网络、模糊逻辑、支持向量机等智能方法直接进行振动监测。   刀具安装在主轴前端,与加工工件接触,直接切削工件表面,对加工质量的影响是最直接和关键的。刀具磨损、破损等异常现象影响加工精度和工作安全。鉴于直接测量法需要离线检测的缺陷,常采集电流、切削力、振动、功率、温度等一种或多种间接信号,采用RBF神经网络、模糊神经网络、小波神经网络、支持向量机等智能算法对刀具磨损状态进行智能监测。 随着自动化程度的提高,数控机床集成越来越多的功能,复杂程度不断提高。为了高效运行,对数控机床的内部状态进行监测与性能评价、对故障进行预警与诊断十分必要。由于故障模式再现性不强,样本采集困难,因此BP神经网络等要求样本多的智能方法不适合这种场合。状态监测与故障诊断常采用SOM神经网络、模糊逻辑、支持向量机、专家系统和多Agent等智能方法。 研究人员不断探索和研究智能功能的新方法或多种方法的混合,但大部分集中在实验室环境下,缺少实时性高、在线功能强的方法,尚需深入发展简洁、快速、适应性强的智能方法。   智能部件数控机床机械部分主要包括支撑结构件、主传动件、进给传动件、刀具等部分,涉及到床身、立柱、主轴、刀具、丝杠与导轨以及旋转轴等部件。这些部件可以集成智能传感器的一种或几种智能功能构成数控机床智能部件。   主轴是主传动部件,作为核心部件,直接关系到工件加工精度。由于主轴转速较高,特别是电主轴,发热、磨损、振动对加工质量影响很大,因此,越来越多的智能传感器被集成到主轴中,实现对工作状态的监控、预警以及补偿等功能。日本山崎马扎克研制的“智能主轴”,装有温度、振动、位移及距离等多种传感器,不但具有温度、振动、夹具寿命监控和防护功能,而且能够根据温度、振动状态,智能协调加工参数。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的电主轴,装有温度、加速度、轴向位移等多种传感器,如图3所示,能够进行热补偿、振动监测等。
  • 《2018中国数控机床行业现状分析与前景预测》

    • 来源专题:数控机床与工业机器人
    • 编译者:杨芳
    • 发布时间:2018-06-21
    • 从我国数控机床市场看,受益于我国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业快速发展,对机床市场尤其是数控机床产生了巨大需求,数控机床行业成长迅猛 数控机床是数字控制机床,是一种装有程序控制系统的自动化机床。根据数控机床的性能、档次的不同,数控机床产品可分为高档数控机床、中档数控机床、低档数控机床。高档数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。   机床作为“工业之母”,是一个国家制造业水平高低的象征。数控机床是由美国发明家约翰·帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展,世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代,其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是一种高效能的,装有程序控制系统的自动化机床,能较好地解决复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题,代表着现代机床控制技术的发展方向。   欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程,而中国从20世纪80年代开始起步,现在处于发展阶段。虽然我国的铸造机床产业取得了一定的成绩,但仍然面临着许多制约性问题,与国外产品相比,中国数控机床的差距主要是在机床的高速高效化和精密化上。   数控机床市场规模高企,2017年超过3000亿元   从我国数控机床市场看,受益于我国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业快速发展,对机床市场尤其是数控机床产生了巨大需求,数控机床行业成长迅猛。据统计,2014-2016年,我国数控机床销售收入均超过2400亿元;2016年,我国数控机床销售额为2732.3亿元,同比增长7.69%。2017年销售额约为3060.3亿元,首次超过3000亿元。   下游应用仍以汽车产业为主,消费电子将成未来应用主流市场   从数控机床行业下游消费需求比重来看,汽车是主要的下游需求领域,消费占比约为42%;其次是航空航天,消费比重约为18%;模具和工程机械分别为数控机械第三和第四消费领域,占比分别在15%和10%左右。   未来,随着智能手机的逐步普及、更新换代速度的加快,平板电脑、可穿戴设备等消费电子产品、通信等3C产业终端设备的推广及发展,3C行业将迎来发展的春天,消费电子行业产品并将成为行业的新增长点,并有力推动应用于该领域的轻型切削数控机床的发展。   数控机床产品需求结构矛盾升级,高端产品国产化率低   近年来,我国数控机床行业出现了明显的供需矛盾,主要体现在低档数控机床的产能过剩和高档数控机床的供应不足而导致供给侧结构性失衡。由于低档数控机床行业门槛低,进入企业多,且近几年低档数控机床市场有效需求不足,该领域已经出现产能过剩的现象;另一方面,随着国民经济的发展以及产业结构的升级,高档数控机床的应用越加普及,产品需求越来越大,供给却难以满足需求。   由于我国高档数控机床起步较晚,目前国产产能不能满足国内需求,国内大多数高档数控机床依赖进口。 2016年,数控机床专项支持研发的高档数控系统已累计销售1000余套,国内市场占有率由专项启动前的不足1%提高到了5%左右,2017年我国高档数控机床的国产化率大约在6%左右,依然较小。但从需求方面看,2013年我国高端数控机床的需求占比已经达到了10%左右,2017年大约在15-20%之间,与6%的国产化率相比差距甚大。   当前我国制造业亟需从“制造大国”向“制造强国”转变。我国数控机床行业经过几十年的发展,成为了全球最大的产销国,技术和产能发展迅速,已经具备响应国家制造业转型的基础,未来我国数控机床需求将由中低档向高档转变,换言之高档数控机床将具有较大的进口替代空间。   三大趋势引领,未来我国数控机床市场将超5000亿元   “十三五”规划的经济发展重点在于实现经济增长方式的转变,先进制造业是传统制造业的改造方向,电子信息、生物工程、新能源新材料等高新技术产业的发展将为精密、高效、专用数控机床开辟了新的需求;从地域发展分析,中国东部产业的升级、东北等老工业基地的振兴和中西部的开发加快步伐,为数控机床产业发展提供国内市场;经济全球化,国际资本和产业向中国的转移、国际技术和人才的交流、中国国际贸易的强劲发展等,为中国数控机床产业的发展提供了外部环境,使数控机床行业处于难得的战略发展期。未来,中国数控机床行业将主要呈现以下三大发展趋势:   首先,国产数控机床综合竞争力将大幅提高,从而引起国产数控机床的市场占有率将出现根本的变化。   其次,一批跨国机床集团在中国设立的独资企业或合资企业,如德国德马吉、美国哈挺、日本小巨人等,本地化生产将形成生产能力。   最后,普及型数控机床产业化将形成。普及型数控机床和加工中心数控机床是各类产品中发展最快、所占比重最大的一类产品,也是制造业应用最广的一类设备。普及型数控机床作为中档型数控机床,已成为消费的主流,其在数控机床中所占比例已超过30%,增长速度远高于其他类型机床,包括数控机床的增长速度。   2018-2023年,我国数控机床由于技术发展以及下游市场逐渐复苏等原因,仍会保持10%-12%的增长速度。到2023年,我国数控机床行业的市场规模将突破5,000亿元。