引自：《新一代智能化數控系統》（作者：陳吉紅，楊建中，周會成）

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數控機床的狀态數據能夠真正地反映數控機床的加工特征，是實現數控機床智能化的關鍵支撐數據，包括位置、振動、速度、加速度、電流、功率、聲音、溫度等。這些狀态數據有一部分直接來自于數控系統内部，與數控機床本身的控制過程息息相關，比如位置、速度、電流、切削力等。有些狀态數據需要借助于外部傳感器間接獲取，包括振動、溫度等數據。還有一些數據依賴于專業的測量設備，主要是對數控機床加工質量及其相關精度進行描述，如定位精度、幾何精度等。

數控系統内部電控數據是感知的主要數據來源，它包括零件加工的插補實時數據（插補位置、跟随誤差等）、伺服和電機反饋的内部電控數據，以及從G代碼中提取的加工工藝數據（如切寬、切深、材料去除率等），這些數據在很大程度上反映數控機床的最高運動速度、跟蹤精度、定位精度、加工表面質量、生産率及工作可靠性等一系列性能指标，并影響實際生産的加工精度和加工質量。例如，主運動的功率、扭矩特性決定了數控機床的工藝範圍和加工能力；伺服驅動系統以機床運動部件的位置和速度為控制量，實現被控制量跟蹤指令信号，聯接數控裝備和機械傳動部件。

1）位移數據

位移數據是機床各關鍵零部件的位移信号的反饋，數控系統通過數控機床各坐标軸的實際位置檢測，并與給定的控制值（指令信号）進行比較，從而控制驅動元件按規定的軌迹和坐标移動。

機械加工精度的提高是伴随着機床位移數據的不斷精确，位移數據從微米級發展到納米級，機械加工精度也成倍提高。通過安裝有絕對式位移傳感器的機床在重新開機後無需執行參考點回零操作，可立刻重新獲得各個軸的當前絕對位置值以及刀具的空間指向，因此可以即時從中斷處恢複原有工序，提高數控機床的有效加工時間；并可對重要部件的狀态進行實時監控，提高機床的可靠性；另外，還可随時确定機床運動部件所處的位置，通過在數控系統中作相應的設置可以省去行程開關，提高機床使用安全性。再例如，通過位移傳感器感知機床關鍵零部件的實際位置和反饋位置，可獲取加工過程的跟随誤差，一旦跟随誤差超過系統的預設值便會觸發報警，可對機械傳動系統故障、電氣系統故障以及數控系統參數局設置不合理等問題進行反饋，實現機床健康狀況以及定位精度的監測，提高數控機床的加工精度。

2）速度數據

數控機床的加工速度會影響機械加工效率和加工精度，一些特殊的機械加工場景還對機床加工速度有着非常嚴格的要求。因此，數控機床主軸轉速和切削速度的監測對零件加工質量和加工效率的優化至關重要。

速度數據在數控機床中主要是對于數控系統伺服單元的速度檢測。例如：控制伺服系統進給機構的速度和位置時會産生摩擦力，影響實際刀具軌迹的準确性，産生的誤差會影響預期加工效果，而根據數控機床軸位置和軸速度的趨勢變化，構建進給系統位置－速度摩擦模型，可實現機械加工摩擦補償，降低摩擦力對預期加工效果的影響。再例如，在機床加工過程中，刀位點實際進給速度與加工程序預定進給速度存在偏差也會影響零件加工質量，通過速度傳感器追蹤實際進給速度并進行實時優化，可有效地降低實際進給速度和理論進給速度之間的偏差，這對于提高零件表面的加工質量和加工效率，延長刀具壽命具有重要的應用價值。

3）壓力數據

在數控機床中壓力數據主要包括3種：氣壓/液壓、夾緊力和切削力。

（1）氣壓/液壓：主要指潤滑系統、液壓系統、氣壓系統中油路或者氣路中的壓力，這些數據能反映它們的運行狀态，數據出現異常即表明系統出現故障。例如，壓力值一旦超出正常值的範圍就表明液壓系統工作壓力不達标，其觸點會動作，将故障信号送給數控系統進行控制，使液壓系統無法正常工作，機床出現報警，産品生産線停止加工，以防安全事故産生。

（2）夾緊力：指在數控加工過程中夾具對零部件/工件的壓力。在數控機床上加工某一零件時，往往需要頻繁換刀，那麼也就意味着夾緊機構需要不斷夾緊、松刀，同時在加工過程中，必須保證刀柄被可靠夾緊，防止刀具脫落。通過夾緊機構提供穩定均勻的夾持力、換刀動作更快、操作時間更短，有助于機床提高加工精度及效率，同時避免安全事故。例如實際生産過程中，夾緊力不到規定值，工具系統就沒有被完全定位夾緊，可能會引發碰撞、刀具飛出等安全事故。

（3）切削力：指金屬切削過程中刀具對工件的壓力，其大小直接影響切削熱、加工表面質量、刀具磨損及刀具耐用度等，加工過程中軸向分力的不斷變化影響着工件表面質量，徑向分力對工件形狀精度的影響也很大，可見切削狀态的每一個細微的變化都可以通過切削力的數值反映出來，加工過程中出現的刀具磨損、機床發生的故障以及産生的顫振等現象也都可以通過切削力的監測及時發現。可以看出切削力的變化始終貫穿整個切削過程，因此實時、準确地監測切削過程中的切削力，對于研究加工過程的切削機理、優化切削工藝參數以及确定刀具的幾何角度有着重要作用，同時對于提高機械制造水平也有着重大意義。

傳感器可将從數控機床獲取的變量轉換為可測量的信号，并提供給測控系統，是獲取數控機床外部數據的有效手段。數控機床外接傳感器存在安裝複雜、成本高、防護等級要求高等缺點，導緻其在工業應用中存在一定的局限性。但是，因為傳感器具有信号敏感、數據品質高等優勢，使其一方面在學術研究中具有重要且不可替代的地位，另一方面在工業應用中也是數控系統内部電控數據的良好補充。外接傳感器在數控機床中的安裝和使用必須要滿足以下條件：

（1）不影響數控機床正常加工；

（2）與被測量點盡可能靠近；

（3）不影響機床的靜态及動态剛度；

（4）容易更換、維修和成本低廉；

（5）具備防塵、防切削液、防切屑、防電磁幹擾及防熱特性。

1）溫度傳感器

在數控機床運行過程中，絲杠軸承、主軸、進給軸等部件會發生不同程度的熱變形。機床本身無法在線檢測部件熱變形的分布特點，不能實時掌握機床工況的時變規律，無法針對工況溫度變化即時決策而實現制造裝備的自律運行，從而影響機床的加工精度，并且引發質量一緻性難以保證等問題。

為檢測數控機床的熱變形信号，需要在機床的相應位置安裝溫度傳感器。溫度傳感器（圖1）能夠感受溫度并轉換成可用輸出信号，是溫度測量儀表的核心部分，主要工作原理為：通過接觸或非接觸的方式将溫度測量出來，并将溫度高低轉變為電阻值大小或其他電信号進行傳輸。溫度傳感器類型繁多，常見的有以鉑/銅為主的熱電阻傳感器、以半導體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電偶傳感器等。

圖1 溫度傳感器

在實際應用中，一般采取在适當位置打孔并封入溫度傳感器的直接測量手段。基于機床關鍵部件（如螺母副、電機等）的溫度變化數據，可實現數控機床的過熱保護或溫度補償，從而提高加工安全性，降低熱變形對加工精度的影響。例如，華中科技大學李國民教授團隊在刀具内部嵌入溫度傳感器，實時、精确地測量切削區域的溫度，并基于有限、非均勻分布傳感器溫度信息在線重構刀具切削區域溫度場，開發出了智能刀具工況溫度在線監測系統，為數控機床的過熱保護和溫度補償提供溫度數據參考。

2）振動傳感器

數控機床在運行過程中不可避免地會發生不同程度的振動，處于正常狀态的機床具有典型的振動頻譜，但是當機床磨損、基礎下沉或部位變形時，機床原有的振動特征将發生變化，并通過機床振動頻譜正确地反映出來。因此，振動數據是反映零件加工精度的重要因素，振動信号的分析在數控機床狀态監測與故障診斷中有着重要的作用。振動傳感器（圖2）是通過檢測沖擊力或加速度實現機床振動信号檢測的設備，檢測方法包括機械式測量、光學式測量和電測量。其中，電測量是應用最為廣泛的方式，是将機械振動的參量轉換成電信号，再經放大後進行測量和記錄，最終實現振動信号的采集。

圖2 振動傳感器

為了檢測機床振動的幅度和頻率，需要在機床關鍵零部件處安裝振動傳感器，包括機床箱體、主軸、刀具等位置。振動傳感器已被廣泛應用于切削穩定性監測、刀具破損監測、進給系統波動分析、主軸健康監測與故障診斷等場景。在2015年米蘭歐洲國際機床展（EMO MILANO）上，DMG MORI展出了其“機床4.0”的原型機DMC 80 FD duoBLOCK®銑/車複合加工中心，關鍵部件上共安裝了超過60多個附加傳感器，如圖3所示。這些傳感器持續記錄設備加工過程中的振動、受力及溫度數據，并将這些數據采集到一個特殊處理系統中進行處理及存儲。

圖3 DMC 80 FD duoBLOCK®銑/車複合加工中心及其中安裝附加傳感器的關鍵部位

3）聲發射傳感器

材料或結構存在微觀性的不均勻和缺陷，在應力作用下會導緻局部産生應力集中，産生對應的彈性應力波。聲發射傳感器（圖4）負責将被傳輸到傳感器表面的應力波信号轉換為電信号，并傳輸至信号處理器完成電信号處理。在聲發射檢測系統中，聲發射傳感器是系統的核心部分，常用的有諧振式傳感器和寬頻帶響應傳感器等。聲發射傳感器采用動态無損檢測技術：與振動等傳統力學檢測方法相比，對環境要求低，抗幹擾能力強；與傳統無損檢測相比，被測能量來自于被測量物體本身，是一種實時、動态的信号監測方式。

圖4 聲發射傳感器

聲發射傳感器可用于強度試驗、疲勞試驗、檢漏及安全監測等一系列應用。例如，在數控加工過程中，由于刀具磨損存在随機性，刀具磨損壽命統計值與刀具磨損量之間的數據學模型從理論推導難以驗證其準确性；刀具在加工受力下産生變形豁裂紋時，會釋放出彈性應力波，通過聲發射傳感器監測刀具磨損及其高頻彈性應力波信号，避開加工過程中低頻區的振動和音頻噪聲，能夠輔助理論模型準确地預測刀具磨損。

4）RFID傳感器

RFID（射頻識别）是20世紀90年代興起的一種自動識别技術，通過射頻信号自動識别目标對象并獲取相關的對象數據信息，具有非接觸讀寫、能夠自動識别對象、信息存儲量大等優點。

RFID技術可用于數控機床關鍵零部件使用壽命監測等一系列生産場景。例如，刀具的使用次數是有限的，當超過這個範圍，刀具就需要寄回廠家處理，或者直接報廢處理。在刀具上植入RFID智能芯片，同時在機床内部安裝RFID智能模塊自動采集芯片信息（圖5），可實現刀具壽命的自動監管。此外， RFID自動識别技術也可應用于車間制造過程，将車間日常的生産過程管理信息（如派工、加工、裝配和零件出入庫等信息），由原本的手工介入輸入管理過程轉化為自動信息采集與處理。通過手持RFID讀寫器對在制品的身份進行自動識别，為車間不同角色的操作人員快速、準确地提供物料信息，從一定程度上擺脫傳統車間耗時的人工操作，減小制造過程的信息流動以及互動過程中的出錯率。

圖5 利用RFID采集數控系統信息

5）條碼/二維碼傳感器

條碼/二維碼是一種通過某種特定的幾何形體按照一定規律在平面上分布（黑白相間）記錄信息的應用技術。從技術原理來看，條碼/二維碼在代碼編制上基于構成計算機内部邏輯基礎的“0”和“1” 比特流的概念，使用若幹與二進制相對應的幾何形體來表示數值信息，并通過圖像輸入設備或光電掃描設備實現信息的自動識讀。

其中，條形碼具備以下特性：可标識數字、英文和符号，不能标識漢字，支持信息高速輸入；标簽制作簡易，掃描識别設備成本較低；隻支持信息的橫向記錄，對縱向信息完整性無要求，抗破損能力高。在數控機床領域，條形碼可用于物料管理、生産管理、設備标識等應用場景。與條形碼相比，二維碼最大的優點是支持漢字、圖片、指紋等數字化信息的編碼，信息容量較大，可達條形碼信息容量的幾十倍到幾百倍；支持保密機制集成，信息保密性高；具備信息糾錯功能，譯碼可靠性高。目前，二維碼識别技術在移動支付、産品防僞、廣告推送、信息傳遞等方面已得到廣泛應用，其在數控機床領域的解決方案也正在逐步形成。

例如，通過二維碼記錄加工零件的生産信息，包括生産時間、操作人員、生産狀态等，可實現對各産品生産過程的長期、有效監控，為生産企業帶來極大的附加應用價值；将數控機床的生産信息以二維碼的方式存儲在數控系統中，通過移動設備掃碼實現生産統計數據向雲端上傳，數據完整性不再受機床網絡狀态的影響；基于機床故障信息生成對應的二維碼，通過移動設備掃碼快速獲取故障解決方案，如圖6所示，可有效減少機床因故障導緻的停機時間，降低機床的維護成本；還有人将二維碼技術應用于汽車發動機缸蓋加工自動化生産線，通過缸蓋産品的二維碼信息可顯示當前零件的供應來源和生産批次，實現了零件在加工過程中信息的動态跟蹤和質量監控。總之，二維碼識别技術在零件标識、産品追溯、遠程運維、生産統計、質量追蹤等方面具有廣泛的應用場景，正在數控機床領域形成更多的解決方法。

圖6 二維碼應用于數控機床故障解決

來源：智造苑

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