智能數(shù)控機(jī)床與編程 課件 第1、2章 緒論、智能數(shù)控系統(tǒng)

第1章緒論

1.1智能制造1.2智能數(shù)控系統(tǒng)概論1.3智能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用1.4本章小結(jié)

思維導(dǎo)圖

（1）掌握智能制造的三種范式；（2）掌握智能數(shù)控機(jī)床的概念和特征；

（3）了解智能數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用；

（4）了解國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在智能化方面的成果。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

一、智能制造的三種范式

二、智能制造的應(yīng)用意義

§1.1智能制造

本節(jié)的重點(diǎn)：智能制造的三種范式。一、智能制造三種范式智能制造的演進(jìn)發(fā)展可以歸納為三種基本范式，分別為：1）數(shù)字化制造2）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造3）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造二、智能制造的應(yīng)用意義智能制造面向產(chǎn)品全生命周期，以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以制造系統(tǒng)為載體，通過(guò)動(dòng)態(tài)適應(yīng)制造環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、成本及交貨期等目標(biāo)優(yōu)化，在不同類型的工業(yè)生產(chǎn)中，利于優(yōu)化制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率與制造質(zhì)量。智能制造是裝備行業(yè)、終端用戶和科研院所改革創(chuàng)新、研發(fā)新產(chǎn)品、突破新技術(shù)的有效支撐，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)需求和國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求中發(fā)揮重要作用。

一、智能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程

二、智能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

§1.2智能數(shù)控系統(tǒng)概論

一、智能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程智能數(shù)控系統(tǒng)是智能制造推進(jìn)和發(fā)展的重點(diǎn)方向。數(shù)控系統(tǒng)是智能制造的核心要素，其智能化水平是實(shí)現(xiàn)智能制造裝備、柔性制造單元、智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠的基礎(chǔ)支撐和保障。對(duì)應(yīng)智能制造演進(jìn)發(fā)展的三種基本范式，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：（1）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字化（2）數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化（3）數(shù)控系統(tǒng)智能化一、智能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控系統(tǒng)智能化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展二十多年，取得了一定的研究成果和實(shí)踐效果。但大部分技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)了一定程度的感知、分析、反饋和控制功能，其技術(shù)水平和應(yīng)用效果仍處于智能化發(fā)展的初級(jí)階段。作為“智能+”典型范例，智能數(shù)控系統(tǒng)除具有傳統(tǒng)數(shù)字化階段的典型特征外，更重要的是具有平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化特征。

一、智能數(shù)控機(jī)床概念

二、智能數(shù)控機(jī)床特征

三、智能數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)

四、智能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用實(shí)例

§1.3智能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用

一、智能數(shù)控機(jī)床概念數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的“工作母機(jī)”，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和新一代人工智能技術(shù)的突破，數(shù)控機(jī)床正從數(shù)字化機(jī)床向智能化機(jī)床方向發(fā)展。智能數(shù)控機(jī)床是智能制造的關(guān)鍵裝備，是新一代智能制造的主體，是智能制造的技術(shù)前提和物質(zhì)基礎(chǔ)。二、智能數(shù)控機(jī)床特征智能數(shù)控機(jī)床的特征主要表現(xiàn)在：（1）加工過(guò)程自適應(yīng)控制技術(shù)（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化（3）智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置（4）智能化狀態(tài)監(jiān)控與維護(hù)技術(shù)（5）智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)（6）網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)三、智能數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)智能數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在兩方面：（1）數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)。數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)以傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)為支撐，通過(guò)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)，體現(xiàn)擴(kuò)展性、互換性及操作性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)機(jī)床狀態(tài)控制、加工過(guò)程監(jiān)測(cè)、伺服驅(qū)動(dòng)及網(wǎng)絡(luò)接口等模塊，體現(xiàn)機(jī)床的智能化水平。（2）大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)。數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中需要采集力矩、電流、溫度、振動(dòng)等各類數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集管理和優(yōu)化加工過(guò)程，所以需要利用大數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)分析過(guò)程，建立加工過(guò)程與相關(guān)數(shù)據(jù)的合理關(guān)聯(lián)，為相應(yīng)的決策提供可靠性依據(jù)，最大化減少人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的智能化管理。四、智能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用實(shí)例（1）i5智能機(jī)床i5智能數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)架構(gòu)如右圖所示i5的具體智能化表現(xiàn)包括：1）操作智能化；2）在線加工仿真；3）智能診斷；4）智能車間管理（2）北京精雕高速五軸加工中心JDGR400TJDGR400T攻克了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的一系列核心技術(shù)，主要特色功能包括：1）精密高速電主軸；2）數(shù)控系統(tǒng)；3）高速旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)；4）多技術(shù)集成；5）補(bǔ)償功能；6）質(zhì)量管控本章小結(jié)：本章介紹了智能制造演進(jìn)發(fā)展的三種基本范式，分別為：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造；梳理了智能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，即數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化階段，介紹了三個(gè)階段的關(guān)鍵技術(shù)特征；總結(jié)了智能數(shù)控系統(tǒng)在平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方面的發(fā)展趨勢(shì)；介紹了智能數(shù)控機(jī)床概念和特征。本章結(jié)束，謝謝！第2章智能數(shù)控系統(tǒng)

2.1智能數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)施需求

2.2智能數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.3智能數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.4智能數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)

2.5智能數(shù)控系統(tǒng)案例

2.6本章小結(jié)

思維導(dǎo)圖

（1）掌握智能數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)施需求；（2）了解智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；（3）掌握智能數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案；（4）聯(lián)系實(shí)際了解智能數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式。

學(xué)習(xí)目標(biāo)§2.1智能數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

一、系統(tǒng)需滿足開(kāi)放性要求二、系統(tǒng)需滿足實(shí)時(shí)性要求三、系統(tǒng)需滿足數(shù)據(jù)接口及信息傳遞要求四、系統(tǒng)需滿足人工智能與加工知識(shí)模型融合要求一、系統(tǒng)需滿足開(kāi)放性要求傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)大多采用封閉式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)、交互方式各不相同，系統(tǒng)之間的不兼容嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。智能數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件模塊是需要機(jī)床制造商和用戶針對(duì)機(jī)床不同應(yīng)用而自行添加的，這就要求數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)具有開(kāi)放性，能夠在原有系統(tǒng)內(nèi)靈活增加智能模塊。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)。二、系統(tǒng)需滿足實(shí)時(shí)性要求數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成控制任務(wù)的處理以及對(duì)外部事件的響應(yīng)。數(shù)控系統(tǒng)的很多任務(wù)，如加減速運(yùn)算、插補(bǔ)運(yùn)算及位置控制等，都是實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的任務(wù)，如不能在規(guī)定周期內(nèi)完成插補(bǔ)計(jì)算或位置控制任務(wù)，加工過(guò)程就會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)和停頓，從而影響工件加工質(zhì)量并減少刀具使用壽命。用戶通過(guò)操作面板發(fā)出的急停指令，必須在給定的最短時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，否則就會(huì)危及設(shè)備及人身安全。要實(shí)現(xiàn)在線智能控制，系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)性要求。三、系統(tǒng)需滿足數(shù)據(jù)接口及信息傳遞要求由于G/M代碼只能實(shí)現(xiàn)單向信息傳遞，使用G/M代碼作為上層CAX與執(zhí)行層CNC的數(shù)據(jù)接口，不僅流失了大量的有用信息，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，使得CNC變成加工現(xiàn)場(chǎng)的信息孤島，更是成為數(shù)控系統(tǒng)智能化的瓶頸。一種兼容于STEP標(biāo)準(zhǔn)的編程接口被推出，命名為STEP-NC。STEP-NC以面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，包含了零件的幾何信息和制造信息，信息不但更加完整而且可以雙向傳遞。由于STEP-NC只定義了制造特征和工步等通用信息，而沒(méi)有嚴(yán)格的刀具路徑信。STEP-NC為數(shù)控系統(tǒng)提供了產(chǎn)品信息和加工信息傳輸?shù)妮d體，使得CAD/CAM系統(tǒng)能夠與CNC系統(tǒng)集成，為數(shù)控系統(tǒng)的智能化提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。四、系統(tǒng)需滿足人工智能與加工知識(shí)模型融合要求人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等研究的不斷深人，將推動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)智能化水平的不斷提高。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作，但缺乏足夠的“智力”。其原因是數(shù)控系統(tǒng)掌握的相關(guān)知識(shí)太少，很難在現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中做出聰明決策。制造過(guò)程中充斥著各種各樣的大量知識(shí)，而這些知識(shí)的表達(dá)、存儲(chǔ)方式又千差萬(wàn)別。數(shù)控系統(tǒng)智能水平的高低，取決于人工智能技術(shù)的發(fā)展程度以及加工知識(shí)庫(kù)的完備程度?！?.1智能數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠自我識(shí)別并與制造體系中的其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，能夠自主對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，能夠?qū)庸げ僮鞯慕Y(jié)果進(jìn)行檢查和評(píng)價(jià)，能夠根據(jù)所積累的加工經(jīng)驗(yàn)對(duì)未來(lái)的加工進(jìn)行優(yōu)化。為此，智能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求：1）系統(tǒng)需滿足開(kāi)放性要求2）系統(tǒng)需滿足實(shí)時(shí)性要求3）系統(tǒng)需滿足數(shù)據(jù)接口及信息傳遞要求4）系統(tǒng)需滿足人工智能與加工知識(shí)模型融合要求§2.2智能數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

從端的角度劃分，智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包含本地端NC、移動(dòng)端NC、云端NC三部分。其中本地端NC包括傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)，為智能數(shù)控機(jī)床提供基礎(chǔ)；云端NC包括基于NC-Link協(xié)議的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)互通，為車間產(chǎn)線數(shù)據(jù)傳輸提供支持；移動(dòng)端NC包括基于手機(jī)、平板設(shè)備的通訊，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的線上監(jiān)控與調(diào)度提供保障。智能數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)§2.3智能數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案智能數(shù)控系統(tǒng)將數(shù)控機(jī)床從被動(dòng)的“動(dòng)作執(zhí)行者”向自主的“任務(wù)承擔(dān)者”轉(zhuǎn)變，數(shù)控系統(tǒng)的智能化涵蓋四個(gè)方面的功能特征：自主感知與連接、自主學(xué)習(xí)與建模、自主優(yōu)化與決策、自主控制與執(zhí)行，其實(shí)現(xiàn)方案如圖所示智能數(shù)控系統(tǒng)控制原理

(1)基于NCUC實(shí)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)和內(nèi)外數(shù)據(jù)同步。NCUC總線是進(jìn)行高速實(shí)時(shí)通信的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，用于將數(shù)控裝置、I/O從站和伺服從站通過(guò)以太網(wǎng)的拓?fù)浯?lián)起來(lái)，因此NCUC總線是數(shù)控系統(tǒng)級(jí)的內(nèi)部互聯(lián)協(xié)議。(2)基于NC-Link的同構(gòu)、異構(gòu)系統(tǒng)混聯(lián)。實(shí)現(xiàn)智能制造的重要前提之一就是設(shè)備的互聯(lián)互通?！?.4智能數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)§2.5智能數(shù)控系統(tǒng)案例

沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)的i5數(shù)控系統(tǒng)是在PC平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的新一代開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，也是我國(guó)第一個(gè)由機(jī)床制造商自主開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)。i5功能模塊的圖形界面§2.5智能數(shù)控系統(tǒng)案例

i5運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)化和智能化制造的理念，按照機(jī)床制造商和最終用戶的需求，將面向特征的編程功能和工藝支持集成到數(shù)控系統(tǒng)上，具有豐富的人機(jī)界面功能、三維圖形輔助編程、加工仿真模擬等功能。i5數(shù)控系統(tǒng)的特征編程本章小結(jié)：

本章介紹了智能數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)施需求，包括開(kāi)放性要求、實(shí)時(shí)性