传感器|智能主轴技术发展综述( 二 ) 算法|CNN|机械

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2 智能主轴的概念智能主轴是具有感知、决策和执行三大功能的主轴[5-6
。传统主轴在加工过程中只能被动地服从操作员的指令，而智能主轴则具有自主性和自学习性。目前，所期望的智能主轴应当具有智能化的技术，即直接根据目前状态决定加工参数，从而优化加工工艺和提高加工精度，保证生产的流畅进行。在此基础上，智能主轴需要发挥其自学习的特性，将过去的工况与知识结合起来，生成独立的参数规划模型，在遇到新工况时能够通过学习到的特性给出调控策略，从而实现不断的进步。不同领域的智能主轴在具体功能上会有不同的设计，总体来讲，预期的智能主轴有6个主要功能[7
：刀具状态监控、颤振、主轴碰撞、温度/热误差、主轴平衡、主轴健康。除此之外，智能主轴还具有一定的专有特性，即根据预期功能进行专有设计，实现特定功能。因此，在智能主轴开发时，设计者需根据特定需求设计相应的功能，同时重点考虑对主轴的状态监测，准确的感知是后续调控的基础。由于工业领域的自动化和智能化要求越来越高，对智能化机床的需求也越来越迫切，主轴单元的智能化则是未来机床主轴的发展方向。现代科技的发展为主轴的智能化提供了强力的技术，例如高精度、高灵敏度、结构精巧的传感器，快速的数据总线传输机制以及快速发展的人工智能等，使得智能化主轴单元成为可能。
3 智能主轴的功能3.1 状态准确感知目前，大多数高精高速主轴单元都配备了温度传感器以测量电动机、轴承等部件的温度，一些专用主轴还配备了振动传感器、力传感器、电流传感器等，这些传感器安装于主轴外壳或基座、电气箱等部位，大多采用直接测量的方式。在实际使用中，智能主轴更依赖间接测量的方法，基于主轴的切削力或与其关联的传感信号，如电动机电流、刀具扭矩等。目前，智能主轴的研究集中于主轴的一个或几个智能功能上，概念和特征尚不明确，没有形成整体化的智能主轴单元，在工业领域也没有实际使用的智能主轴。在智能化驱动的基础上，国外一些公司对主轴进行了智能化改造以实现主轴单元的智能化感知、控制以及状态评估。主轴的状态监测是对其进行评估的基础，通过传感器采集主轴各个位置和部件的状态信号并进行后续分析和处理。在主轴状态监测应用方面，各大数控机床厂商都有一些能够直接应用于生产加工的产品：2003年，米克朗公司开发了SPS主轴保护系统，其具有主轴碰撞监测保护功能[8
；2004年， Weiss公司将加速度传感器和温度传感器直接集成到主轴中，用于后处理过程中的碰撞检测，对主轴运行的历史记录、碰撞等时间有准确的记录[9
；2006年， Mazak公司推出智能化的主轴状态监测系统，具备热屏障保护、智能安全屏障保护、语音提示、振动控制等功能[10
；2016年， Fischer公司研制了带有主轴轴心冷却系统的电主轴，能够在监测轴温的同时对其冷却系统进行智能控制。国内相关的研究起步较晚，近年来也有一些成果：沈阳机床以工业化、信息化、网络化、智能化和集成管理为理念，推出i5系列智能机床，变革了机床生产模式，致力于实现数控联网加工[11
；华中科技大学则研发了8型智能数控系统以及INC型智能数控系统，能够实现数据互联和智慧数控。智能主轴功能丰富，对其配套的监测系统软件提出了更高的要求：文献[12
开发了基于SVDD模型的主轴健康指标评价系统(图1a) ，具有在线状态监测、离线健康评估等功能；文献[13