金屬切削機床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代表了一個國家的制造業(yè)水平和競爭力。中國制造業(yè)正在實現(xiàn)由制造大國向制造強國的歷史性跨越，由此引發(fā)的產(chǎn)業(yè)升級必將引領(lǐng)中國機加工行業(yè)從低端向高端制造轉(zhuǎn)型。而當前存在的機床生產(chǎn)效率偏低，人員成本持續(xù)升高以及機加工工藝水平有限等一系列問題，正成為嚴重制約金屬切削行業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的瓶頸。智能金屬切削技術(shù)所具有的無人化加工、高效率制造和工藝整合能力有助于解決上述難題，平衡效率、成本和質(zhì)量三者之間的關(guān)系，為金屬切削機床的制造和應(yīng)用提供新的發(fā)展模式和發(fā)展方向。

智能金屬切削技術(shù)的定義

從20世紀50年代以來，機械制造技術(shù)開始進入現(xiàn)代制造技術(shù)時代，并經(jīng)歷了4個主要發(fā)展階段，包括實現(xiàn)機械加工過程自動化的直接數(shù)控（DNC）技術(shù)、實現(xiàn)在線過程調(diào)度與規(guī)劃的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、實現(xiàn)CAD/CAM/CAPP技術(shù)綜合及其與管理、經(jīng)營集成的計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和當前正在成為研究熱點的智能制造系統(tǒng)（IMS）和智能制造技術(shù)（IMT）。IMS/IMT主要解決制造知識和經(jīng)驗的形式化描述，研究不確定性和不完全信息下的制造約束問題求解，通過智能化的手段來增強制造系統(tǒng)柔性與自治性。也就是說，DNC和FMS主要用來替代人的體力勞動，CIMS強調(diào)物流和信息流的集成，而IMS/IMT則更注重制造系統(tǒng)的自組織、自學習、自適應(yīng)能力[1-3]。

智能制造技術(shù)作為先進制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其本質(zhì)是將計算模型、仿真工具和科學實驗應(yīng)用于制造裝備、制造過程和制造系統(tǒng)的定量描述與分析，通過對制造全過程中的復雜物理現(xiàn)象和信息演變過程進行定量計算、模擬與控制，結(jié)合科學實驗，揭示制造活動乃至產(chǎn)品全生命周期過程中的科學規(guī)律，提高制造裝備的自律性和適應(yīng)性，實現(xiàn)對制造過程和產(chǎn)品性能的預測和有效控制，增強制造系統(tǒng)的可維護性和制造信息的可重用性，促使制造活動由部分定量、經(jīng)驗的試湊模式向全面數(shù)字化的計算和推理模式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)基于科學的高性能制造。智能制造強調(diào)信息集成與知識融合、制造系統(tǒng)與制造過程之間協(xié)同、虛擬仿真和數(shù)字加工軟硬件技術(shù)并重，更多關(guān)注數(shù)字建模、數(shù)字加工等底層技術(shù)以及制造過程中物理因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響機理和高速、高精度數(shù)字加工裝備的實現(xiàn)[4]。

金屬切削機床是智能化制造的主要組成單元，其本身也是一個復雜的機電一體化系統(tǒng)。當前，在全球化競爭的背景下，高、精、尖裝備的生產(chǎn)不斷向金屬切削機床的極限能效提出新的挑戰(zhàn)，亟需綜合運用信息與計算技術(shù)、多學科聯(lián)合仿真方法和科學實驗手段，通過對切削過程中的復雜物理行為的數(shù)字化建模、仿真和優(yōu)化，實現(xiàn)對加工過程的定量主動控制。國外21世紀初就提出了“智能機床”的概念，旨在通過數(shù)字化制造技術(shù)在機床上的應(yīng)用來取代人的部分腦力勞動，通過自主監(jiān)控和決策來控制加工質(zhì)量。歐美等發(fā)達國家也通過制定研究計劃，如PMI、SMPI、NEXT計劃等，用于機床智能化的研究。因此，將智能制造技術(shù)應(yīng)用于金屬切削機床，在加工設(shè)備與加工過程之間建立協(xié)同關(guān)系，為實現(xiàn)生產(chǎn)制造更高層次的智能化奠定基礎(chǔ)，是國家科技戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向之一。

金屬切削機床的智能化技術(shù)

目前，對智能機床尚無規(guī)范完整的定義。美國的SMPI計劃給出了智能機床的基本特征，主要包括：（1）知曉自身的加工能力和工作條件；（2）能夠自動監(jiān)測和優(yōu)化自身的運行狀態(tài)；（3）可以測量和判斷產(chǎn)品加工質(zhì)量；（4）具備自學習與自適應(yīng)能力；（5）機器之間能夠無障礙地進行交流。

與普通數(shù)控機床或加工中心的主要區(qū)別在于，智能化的金屬切削機床除了具有數(shù)控加工功能外，還具有感知、推理、決策、學習等智能功能，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

1  工序集成與模塊化加工

工序集成化通常也稱為復合加工或完整加工，是指在一臺機床上能加工完一個零件的所有工序。例如，德國INDEX公司的車銑復合加工中心就能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等許多工序，完成復雜零件的全部加工。不僅使生產(chǎn)管理和計劃調(diào)度簡化，而且使透明度明顯提高，無需復雜的計劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化。工件越復雜，它相對傳統(tǒng)工序分散的生產(chǎn)方法的優(yōu)勢就越明顯[5]。

在如上所說的工序集成過程中，采用了不同的加工模塊進行合理調(diào)配；在實際的生產(chǎn)制造中，為滿足柔性化制造要求，不但需要即插即用的智能工作單元，同時也需要模塊化制造技術(shù)來統(tǒng)籌安排加工方案和加工過程。模塊化制造有2個關(guān)鍵的概念，一是標準化、特征化的可重構(gòu)智能加工單元；二是快速設(shè)計、評價和使用單元組合方案的決策系統(tǒng)[6]，尤其需要考慮避免工藝冗余和坐標干涉的問題。瑞典Modig公司的柔性制造系統(tǒng)（TransFlex System），采取倒置式龍門配置，可以很方便地以串聯(lián)或并聯(lián)的方式，加上物流系統(tǒng)及裝卸機械手組成自動生產(chǎn)線或無人化加工車間，將高效率的大批量生產(chǎn)和柔性制造結(jié)合起來。德國DS-Technologie公司按照飛機結(jié)構(gòu)件加工工藝的特點，獨創(chuàng)性地推出采用并聯(lián)運動機構(gòu)的Sprint Z3型動力頭（如圖1），并充分利用其可重構(gòu)特點，開發(fā)了Ecospeed系列加工中心，兼顧了加工空間和加工效率的要求，已在航空制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

近年來，Mikron、DMG、EMAG等品牌都開發(fā)了各自的工件托盤管理模塊，和傳統(tǒng)的托盤交換模塊不同之處在于，新的模塊包含智能化且獨立于機床控制系統(tǒng)以外的專用控制系統(tǒng)，操作員可以把不同工件混編在一起，并且可以在線更改、增刪工件的加工內(nèi)容和排序，而不影響機床加工過程，如圖1所示。

2  監(jiān)控決策自主化

智能機床需具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預維護功能。在加工過程中，可借助各種傳感器、聲頻和視頻系統(tǒng)對加工過程中的力、振動、噪聲、溫度、工件表面質(zhì)量等進行實時監(jiān)測[7]，進而通過預先建立的系統(tǒng)性能參數(shù)庫或知識庫進行切削參數(shù)的自動優(yōu)化與誤差補償。同時，根據(jù)健康狀態(tài)進行及時維護，保障加工質(zhì)量，減少停工時間。

瑞士Mikron公司配置智能加工系統(tǒng)的Mikron HSM系列高速銑削加工中心（如圖2）可選用加工過程監(jiān)控模塊，以便用戶能夠觀察銑削過程是否正常。通過電主軸殼體中前端軸承附近安裝的加速度傳感器，使銑削過程中產(chǎn)生的振動可以加速度“g載荷”值的形式顯示，振動大小在0~10g范圍內(nèi)分為10級，并可預測在該振動級主軸部件的工作壽命，操作員可根據(jù)振動級別采取不同處理措施。

此外，該公司開發(fā)的ITC智能熱補償系統(tǒng)，采用溫度傳感器實現(xiàn)對主軸切削端溫度變化的實時監(jiān)控，并將這些溫度變化反應(yīng)至數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)中內(nèi)置了熱補償經(jīng)驗值的智能熱控制模塊，可以根據(jù)溫度變化自動調(diào)整刀尖位置，避免Z方向的嚴重漂移[8]。

Fischer公司推出具有軸向位移補償?shù)碾娭鬏S，這種結(jié)構(gòu)在電主軸的殼體中安裝了軸向位移傳感器，可以檢測由溫升引起的熱變形和機械力造成的軸向位移，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理并輸入數(shù)控系統(tǒng)后，就可以進行相應(yīng)的補償，提高工作臺的移動精度[9]。

近年來，各數(shù)控系統(tǒng)制造商（如SIEMENS、FANUC等）推出的系統(tǒng)都具有較好的刀具監(jiān)控功能，如在西門子SINUMERIK810/840D系統(tǒng)內(nèi)就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采樣機床主軸負載變化，記錄主軸切削負載、進給率變化、刀具磨損量等加工參數(shù)，并輸出數(shù)據(jù)至Windows用戶圖形界面。GE fanuc智能平臺公司Proficy MTE設(shè)備效率監(jiān)控與分析軟件，可將工廠各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信息數(shù)字化，構(gòu)建成一個可以在任何地點、時間通過任何方式訪問的虛擬工廠，可根據(jù)用戶需要生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖表。同時，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備使用情況預測維護時間點，制訂維護計劃，并通過遠程診斷工具延長機床平均故障工作時間，縮短維護時間[9]。

3  信息化和網(wǎng)絡(luò)化

對于現(xiàn)代制造工廠來說，除了要提高機床的智能化水平，更要使數(shù)控機床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間的底層之間及底層與上層之間通信暢通無阻，從而充分發(fā)揮智能機床的制造能力和特點。而對計算機、手機、平板電腦、機外和機內(nèi)攝像頭等現(xiàn)代通信設(shè)備的應(yīng)用，實現(xiàn)了其與加工裝備的語音、圖形、視像和文本的通信功能。設(shè)備還可通過與生產(chǎn)計劃調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，實時反映機床工作狀態(tài)和加工進度。操作者在授權(quán)后可在各類終端上觀察加工過程及故障報警，并進行在線處理。

日本Mazak公司生產(chǎn)的車銑復合加工機床，不僅能夠進行零件的復合加工，在一臺機床上完成全部加工工序，還可通過配置信息塔（e-Tower）設(shè)備，通過不同終端實現(xiàn)對機床的在線計劃調(diào)度和信息處理，如圖3所示。

企業(yè)的生產(chǎn)計劃調(diào)度系統(tǒng)可以安排一周的加工任務(wù)，并發(fā)送到信息塔。信息塔向操作者發(fā)出指令，并在屏幕上顯示機床的實時工作狀態(tài)。操作者可以按照作業(yè)計劃下載零件的數(shù)控程序，按照屏幕指示進行模擬仿真，無誤后進行加工，并將機床狀態(tài)和任務(wù)完成情況報告給有關(guān)人員[10]。

智能切削技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前，應(yīng)用于金屬切削機床上的智能化技術(shù)主要是由數(shù)字化制造技術(shù)衍生發(fā)展而來，其主要目標是智能化的閉環(huán)加工，即通過智能傳感裝置將機床在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)變、振動、熱變形等實時狀態(tài)反饋到控制器中，通過采用針對性的控制算法，對加工軌跡進行在線補償，從而有效提高加工精度、表面質(zhì)量和加工效率；通過工序智能集成和模塊化加工方式縮短加工流程，提高加工效率；通過網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實現(xiàn)機床之間、機床與人的智能交互。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的不斷成熟，未來的智能機床將呈現(xiàn)以下形式。

1  基于智能體的制造技術(shù)

當前的金屬切削加工中，智能化技術(shù)主要集中應(yīng)用于機床這個加工體上，工件、刀具等仍然處于被加工、被操作地位，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其各種智能元件的微型化、自主化，使得工件、刀具甚至機床的各工作模塊作為智能體存在成為可能。在未來的制造過程中，工件可以作為施令方來根據(jù)自身特點和加工目標確定工藝流程、選擇和控制工裝夾具，直至完成對自身的質(zhì)量檢測；刀具可以根據(jù)工藝要求“毛遂自薦”，與機床、工件進行“多向選擇”，可以根據(jù)工況條件調(diào)整加工參數(shù)，并根據(jù)日常使用情況預測自身的使用壽命；在模塊化加工方式中，各模塊之間可以互相協(xié)調(diào)統(tǒng)籌，既能夠向中央控制系統(tǒng)提供自己的使用特點和應(yīng)用方向，也可以對系統(tǒng)下達的組合方案和調(diào)配指令提出整改或優(yōu)化意見。由于各級智能體的存在，金屬切削過程將由現(xiàn)在的自上而下形式轉(zhuǎn)變?yōu)樽韵露闲问剑魃a(chǎn)制造要素得到充分調(diào)動，生產(chǎn)效率進一步提高。

2  開放式制造模式

多年以來，我國的機床（尤其是高端機床）進口量和持有量均“高居世界第一”，然而這些機床的生產(chǎn)效能并未得到充分發(fā)揮，平均利用率遠低于世界主要工業(yè)國家。這其中有管理的原因，也有生產(chǎn)制造模式的原因，許多企業(yè)雖然建成了企業(yè)層級生產(chǎn)制造網(wǎng)絡(luò)，但終究是各自為戰(zhàn)，機床資源沒有得到充分利用，而許多好的產(chǎn)品設(shè)計制造思想又由于資源匱乏而擱置、放棄。

這個問題不僅存在于中國，在世界范圍內(nèi)也越來越受到重視。美國國防先進研究規(guī)劃局 （DARPA）由此提出了開放式制造的思想，即充分利用社會制造資源，降低生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期，使好的創(chuàng)意盡快轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。

而機床企業(yè)能夠做的，就是沿著這一“世界大同”的發(fā)展思路，運用日益成熟可靠的云計算技術(shù)，賦予機床“云端制造”的能力。這不但要求企業(yè)具有良好的信息化基礎(chǔ)，也需要攻克許多技術(shù)難關(guān)，例如知識的制造資源云端化，制造云管理引擎、云制造應(yīng)用協(xié)同、云可視化等技術(shù)都是未來需要攻克的重要基礎(chǔ)技術(shù)。

結(jié)束語

金屬切削機床的智能化，將使得多品種、小批量、定制式的智能化協(xié)同制造成為企業(yè)的主要生產(chǎn)制造模式，在我國由制造大國向制造強國邁進的過程中起著重要的基礎(chǔ)支撐作用。

智能機床相關(guān)技術(shù)已有部分實現(xiàn)了商品化，但是仍存在技術(shù)難點需要解決，例如知識庫與專家系統(tǒng)的創(chuàng)建、多學科信息融合與處理技術(shù)以及智能化標準體系的建立等，需要結(jié)合我國數(shù)控裝備的特點和需要，通過產(chǎn)學研結(jié)合的創(chuàng)新平臺，加強基礎(chǔ)研究，促進成果轉(zhuǎn)化，從而充分推動我國智能金屬切削機床以及智能加工技術(shù)的快速向前發(fā)展。

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