【編者按】金屬切削機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備讯赏，其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代表了一個(gè)國家的制造業(yè)水平和競爭力义黎。本文闡述了金屬切削機(jī)床的智能化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢润文。

金屬切削機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備姐呐，其產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上代表了一個(gè)國家的制造業(yè)水平和競爭力。中國制造業(yè)正在實(shí)現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的歷史性跨越典蝌，由此引發(fā)的產(chǎn)業(yè)升級必將引領(lǐng)中國機(jī)加工行業(yè)從低端向高端制造轉(zhuǎn)型曙砂。而當(dāng)前存在的機(jī)床生產(chǎn)效率偏低，人員成本持續(xù)升高以及機(jī)加工工藝水平有限等一系列問題骏掀，正成為嚴(yán)重制約金屬切削行業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的瓶頸鸠澈。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猴宾，平衡效率潘吸、成本和質(zhì)量三者之間的關(guān)系，為金屬切削機(jī)床的制造和應(yīng)用提供新的發(fā)展模式和發(fā)展方向漆埋。

智能金屬切削技術(shù)的定義

從20世紀(jì)50年代以來卤撬，機(jī)械制造技術(shù)開始進(jìn)入現(xiàn)代制造技術(shù)時(shí)代，并經(jīng)歷了4個(gè)主要發(fā)展階段您窒，包括實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程自動(dòng)化的直接數(shù)控（DNC）技術(shù)柄楼、實(shí)現(xiàn)在線過程調(diào)度與規(guī)劃的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP技術(shù)綜合及其與管理翻萨、經(jīng)營集成的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和當(dāng)前正在成為研究熱點(diǎn)的智能制造系統(tǒng)（IMS）和智能制造技術(shù)（IMT）翅陪。IMS/IMT主要解決制造知識和經(jīng)驗(yàn)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俄蔗，通過智能化的手段來增強(qiáng)制造系統(tǒng)柔性與自治性钠台。也就是說，DNC和FMS主要用來替代人的體力勞動(dòng)蛀漆，CIMS強(qiáng)調(diào)物流和信息流的集成辟劲，而IMS/IMT則更注重制造系統(tǒng)的自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力[1-3]徙菠。

智能制造技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物讯沈，其本質(zhì)是將計(jì)算模型、仿真工具和科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于制造裝備婿奔、制造過程和制造系統(tǒng)的定量描述與分析缺狠，通過對制造全過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象和信息演變過程進(jìn)行定量計(jì)算、模擬與控制萍摊，結(jié)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)挤茄，揭示制造活動(dòng)乃至產(chǎn)品全生命周期過程中的科學(xué)規(guī)律，提高制造裝備的自律性和適應(yīng)性冰木，實(shí)現(xiàn)對制造過程和產(chǎn)品性能的預(yù)測和有效控制驮樊，增強(qiáng)制造系統(tǒng)的可維護(hù)性和制造信息的可重用性，促使制造活動(dòng)由部分定量片酝、經(jīng)驗(yàn)的試湊模式向全面數(shù)字化的計(jì)算和推理模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)的高性能制造挖腰。智能制造強(qiáng)調(diào)信息集成與知識融合雕沿、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)并重场时，更多關(guān)注數(shù)字建模荡西、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(jī)理和高速、高精度數(shù)字加工裝備的實(shí)現(xiàn)[4]强进。

金屬切削機(jī)床是智能化制造的主要組成單元舵翘，其本身也是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。當(dāng)前袱族，在全球化競爭的背景下服驼，高、精渔舵、尖裝備的生產(chǎn)不斷向金屬切削機(jī)床的極限能效提出新的挑戰(zhàn)鹅唠，亟需綜合運(yùn)用信息與計(jì)算技術(shù)、多學(xué)科聯(lián)合仿真方法和科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段劈遂，通過對切削過程中的復(fù)雜物理行為的數(shù)字化建模给急、仿真和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對加工過程的定量主動(dòng)控制疮炼。國外21世紀(jì)初就提出了“智能機(jī)床”的概念烁胳，旨在通過數(shù)字化制造技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用來取代人的部分腦力勞動(dòng)，通過自主監(jiān)控和決策來控制加工質(zhì)量廷支。歐美等發(fā)達(dá)國家也通過制定研究計(jì)劃频鉴，如PMI、SMPI酥泞、NEXT計(jì)劃等砚殿，用于機(jī)床智能化的研究啃憎。因此，將智能制造技術(shù)應(yīng)用于金屬切削機(jī)床似炎，在加工設(shè)備與加工過程之間建立協(xié)同關(guān)系辛萍，為實(shí)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)展方向之一羡藐。

金屬切削機(jī)床的智能化技術(shù)

目前贩毕，對智能機(jī)床尚無規(guī)范完整的定義。美國的SMPI計(jì)劃給出了智能機(jī)床的基本特征仆嗦，主要包括：（1）知曉自身的加工能力和工作條件辉阶；（2）能夠自動(dòng)監(jiān)測和優(yōu)化自身的運(yùn)行狀態(tài)；（3）可以測量和判斷產(chǎn)品加工質(zhì)量瘩扼；（4）具備自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力退旅；（5）機(jī)器之間能夠無障礙地進(jìn)行交流。

與普通數(shù)控機(jī)床或加工中心的主要區(qū)別在于农幢，智能化的金屬切削機(jī)床除了具有數(shù)控加工功能外呕长，還具有感知、推理肩容、決策悯堂、學(xué)習(xí)等智能功能，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面勘米。

1 工序集成與模塊化加工

工序集成化通常也稱為復(fù)合加工或完整加工矗壹，是指在一臺(tái)機(jī)床上能加工完一個(gè)零件的所有工序。例如痪猿，德國INDEX公司的車銑復(fù)合加工中心就能夠完成車削几郎、銑削、鉆削拢胆、滾齒婆沟、磨削、激光熱處理等許多工序猛计，完成復(fù)雜零件的全部加工唠摹。不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡化，而且使透明度明顯提高奉瘤，無需復(fù)雜的計(jì)劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化勾拉。工件越復(fù)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]盗温。

在如上所說的工序集成過程中藕赞，采用了不同的加工模塊進(jìn)行合理調(diào)配；在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，為滿足柔性化制造要求斧蜕，不但需要即插即用的智能工作單元双霍，同時(shí)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(gè)關(guān)鍵的概念批销，一是標(biāo)準(zhǔn)化洒闸、特征化的可重構(gòu)智能加工單元；二是快速設(shè)計(jì)均芽、評價(jià)和使用單元組合方案的決策系統(tǒng)[6]丘逸，尤其需要考慮避免工藝冗余和坐標(biāo)干涉的問題。瑞典Modig公司的柔性制造系統(tǒng)（TransFlex System）肝珍，采取倒置式龍門配置镇眷，可以很方便地以串聯(lián)或并聯(lián)的方式痴奏，加上物流系統(tǒng)及裝卸機(jī)械手組成自動(dòng)生產(chǎn)線或無人化加工車間掏躬，將高效率的大批量生產(chǎn)和柔性制造結(jié)合起來涌遏。德國DS-Technologie公司按照飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝的特點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)性地推出采用并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Sprint Z3型動(dòng)力頭（如圖1）抽堵，并充分利用其可重構(gòu)特點(diǎn)崇已，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脑苫，已在航空制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

近年來中痴，Mikron舱踊、DMG、EMAG等品牌都開發(fā)了各自的工件托盤管理模塊疮窟，和傳統(tǒng)的托盤交換模塊不同之處在于膳膝，新的模塊包含智能化且獨(dú)立于機(jī)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鬼癣，并且可以在線更改陶贼、增刪工件的加工內(nèi)容和排序，而不影響機(jī)床加工過程待秃，如圖1所示拜秧。

2 監(jiān)控決策自主化

智能機(jī)床需具有自優(yōu)化、自監(jiān)控章郁、自診斷和預(yù)維護(hù)功能枉氮。在加工過程中，可借助各種傳感器暖庄、聲頻和視頻系統(tǒng)對加工過程中的力聊替、振動(dòng)、噪聲、溫度惹悄、工件表面質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[7]春叫，進(jìn)而通過預(yù)先建立的系統(tǒng)性能參數(shù)庫或知識庫進(jìn)行切削參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化與誤差補(bǔ)償。同時(shí)泣港，根據(jù)健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)暂殖，保障加工質(zhì)量，減少停工時(shí)間钦将。

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)控模塊促弯，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阱纷，使銑削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)可以加速度“g載荷”值的形式顯示诲厚，振動(dòng)大小在0~10g范圍內(nèi)分為10級，并可預(yù)測在該振動(dòng)級主軸部件的工作壽命辞唤，操作員可根據(jù)振動(dòng)級別采取不同處理措施蔽曙。

此外，該公司開發(fā)的ITC智能熱補(bǔ)償系統(tǒng)为巾，采用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對主軸切削端溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控家澈，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(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)值的智能熱控制模塊彰朴，可以根據(jù)溫度變化自動(dòng)調(diào)整刀尖位置蚀比，避免Z方向的嚴(yán)重漂移[8]。

Fischer公司推出具有軸向位移補(bǔ)償?shù)碾娭鬏S据智，這種結(jié)構(gòu)在電主軸的殼體中安裝了軸向位移傳感器甩汞，可以檢測由溫升引起的熱變形和機(jī)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)后篙梢，就可以進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償顷帖，提高工作臺(tái)的移動(dòng)精度[9]。

近年來渤滞，各數(shù)控系統(tǒng)制造商（如SIEMENS贬墩、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)妄呕，能夠?qū)崟r(shí)采樣機(jī)床主軸負(fù)載變化陶舞，記錄主軸切削負(fù)載、進(jìn)給率變化绪励、刀具磨損量等加工參數(shù)吊说，并輸出數(shù)據(jù)至Windows用戶圖形界面。GE fanuc智能平臺(tái)公司Proficy MTE設(shè)備效率監(jiān)控與分析軟件优炬，可將工廠各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信息數(shù)字化颁井，構(gòu)建成一個(gè)可以在任何地點(diǎn)厅贪、時(shí)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)圖表雅宾。同時(shí)倚撰，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備使用情況預(yù)測維護(hù)時(shí)間點(diǎn)，制訂維護(hù)計(jì)劃擅锁，并通過遠(yuǎn)程診斷工具延長機(jī)床平均故障工作時(shí)間窝秤，縮短維護(hù)時(shí)間[9]。

3 信息化和網(wǎng)絡(luò)化

對于現(xiàn)代制造工廠來說母谋，除了要提高機(jī)床的智能化水平幽州，更要使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能堰哗，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匙戚，從而充分發(fā)揮智能機(jī)床的制造能力和特點(diǎn)。而對計(jì)算機(jī)恐梅、手機(jī)潭三、平板電腦、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等現(xiàn)代通信設(shè)備的應(yīng)用掀塞，實(shí)現(xiàn)了其與加工裝備的語音玖项、圖形、視像和文本的通信功能喂很。設(shè)備還可通過與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度聯(lián)網(wǎng)惜颇，實(shí)時(shí)反映機(jī)床工作狀態(tài)和加工進(jìn)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(bào)警少辣，并進(jìn)行在線處理官还。

日本Mazak公司生產(chǎn)的車銑復(fù)合加工機(jī)床，不僅能夠進(jìn)行零件的復(fù)合加工毒坛，在一臺(tái)機(jī)床上完成全部加工工序，還可通過配置信息塔（e-Tower）設(shè)備林说，通過不同終端實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的在線計(jì)劃調(diào)度和信息處理煎殷，如圖3所示。

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

智能切削技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前粮郁，應(yīng)用于金屬切削機(jī)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(biāo)是智能化的閉環(huán)加工作两，即通過智能傳感裝置將機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)變学咸、振動(dòng)、熱變形等實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋到控制器中袒覆，通過采用針對性的控制算法骤顿，對加工軌跡進(jìn)行在線補(bǔ)償，從而有效提高加工精度鱼虽、表面質(zhì)量和加工效率海黍；通過工序智能集成和模塊化加工方式縮短加工流程，提高加工效率付准；通過網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床之間闲挚、機(jī)床與人的智能交互。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的不斷成熟泰啼，未來的智能機(jī)床將呈現(xiàn)以下形式男枝。

1 基于智能體的制造技術(shù)

當(dāng)前的金屬切削加工中，智能化技術(shù)主要集中應(yīng)用于機(jī)床這個(gè)加工體上分衫，工件场刑、刀具等仍然處于被加工、被操作地位蚪战，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展牵现，尤其各種智能元件的微型化、自主化邀桑，使得工件瞎疼、刀具甚至機(jī)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壁畸，工件可以作為施令方來根據(jù)自身特點(diǎn)和加工目標(biāo)確定工藝流程贼急、選擇和控制工裝夾具，直至完成對自身的質(zhì)量檢測捏萍；刀具可以根據(jù)工藝要求“毛遂自薦”太抓，與機(jī)床、工件進(jìn)行“多向選擇”令杈，可以根據(jù)工況條件調(diào)整加工參數(shù)走敌，并根據(jù)日常使用情況預(yù)測自身的使用壽命；在模塊化加工方式中棋眠，各模塊之間可以互相協(xié)調(diào)統(tǒng)籌蛙饮，既能夠向中央控制系統(tǒng)提供自己的使用特點(diǎn)和應(yīng)用方向，也可以對系統(tǒng)下達(dá)的組合方案和調(diào)配指令提出整改或優(yōu)化意見滋样。由于各級智能體的存在迁搜，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闲问娇荼魃a(chǎn)制造要素得到充分調(diào)動(dòng)，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高烤恃。

2 開放式制造模式

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

這個(gè)問題不僅存在于中國坝咐，在世界范圍內(nèi)也越來越受到重視循榆。美國國防先進(jìn)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(huì)制造資源墨坚，降低生產(chǎn)成本秧饮，縮短開發(fā)周期，使好的創(chuàng)意盡快轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)泽篮。

而機(jī)床企業(yè)能夠做的盗尸，就是沿著這一“世界大同”的發(fā)展思路，運(yùn)用日益成熟可靠的云計(jì)算技術(shù)帽撑，賦予機(jī)床“云端制造”的能力泼各。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)亏拉，例如知識的制造資源云端化扣蜻，制造云管理引擎、云制造應(yīng)用協(xié)同及塘、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)莽使。

結(jié)束語

金屬切削機(jī)床的智能化，將使得多品種槐骂、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)制造模式赞亡，在我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)的過程中起著重要的基礎(chǔ)支撐作用肪躯。

智能機(jī)床相關(guān)技術(shù)已有部分實(shí)現(xiàn)了商品化，但是仍存在技術(shù)難點(diǎn)需要解決生纫，例如知識庫與專家系統(tǒng)的創(chuàng)建掀舷、多學(xué)科信息融合與處理技術(shù)以及智能化標(biāo)準(zhǔn)體系的建立等药锯，需要結(jié)合我國數(shù)控裝備的特點(diǎn)和需要，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新平臺(tái)幅猖，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究怒随，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化，從而充分推動(dòng)我國智能金屬切削機(jī)床以及智能加工技術(shù)的快速向前發(fā)展梢翼。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)彰你，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)雪怠，也不構(gòu)成任何其他建議柿菩。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳雨涛，對此類作品本站僅提供交流平臺(tái)枢舶，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻替久、圖片凉泄、文字如涉及作品版權(quán)問題，請第一時(shí)間告知蚯根，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容后众，以保證您的權(quán)益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn稼锅。