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金屬切削機床是現代制造業的關鍵設備，其產量和技術水平在某種程度上代表了一個國家的制造業水平和競爭力。中國制造業正在實現由制造大國向制造強國的歷史性跨越，由此引發的產業升級必將引領中國機加工行業從低端向高端制造轉型。而當前存在的機床生產效率偏低，人員成本持續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實現產業升級的瓶頸。智能金屬切削技術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、成本和質量三者之間的關系，為金屬切削機床的制造和應用提供新的發展模式和發展方向。

智能金屬切削技術的定義

從20世紀50年代以來，機械制造技術開始進入現代制造技術時代，并經歷了4個主要發展階段，包括實現機械加工過程自動化的直接數控（DNC）技術、實現在線過程調度與規劃的柔性制造系統（FMS）、實現CAD/CAM/CAPP技術綜合及其與管理、經營集成的計算機集成制造系統（CIMS）和當前正在成為研究熱點的智能制造系統（IMS）和智能制造技術（IMT）。IMS/IMT主要解決制造知識和經驗的形式化描述，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強調物流和信息流的集成，而IMS/IMT則更注重制造系統的自組織、自學習、自適應能力[1-3]。

智能制造技術作為先進制造技術與數字化技術相結合的產物，其本質是將計算模型、仿真工具和科學實驗應用于制造裝備、制造過程和制造系統的定量描述與分析，通過對制造全過程中的復雜物理現象和信息演變過程進行定量計算、模擬與控制，結合科學實驗，揭示制造活動乃至產品全生命周期過程中的科學規律，提高制造裝備的自律性和適應性，實現對制造過程和產品性能的預測和有效控制，增強制造系統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、經驗的試湊模式向全面數字化的計算和推理模式轉變，實現基于科學的高性能制造。智能制造強調信息集成與知識融合、制造系統與制造過程之間協同、虛擬仿真和數字加工軟硬件技術并重，更多關注數字建模、數字加工等底層技術以及制造過程中物理因素對產品質量的影響機理和高速、高精度數字加工裝備的實現[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。當前，在全球化競爭的背景下，高、精、尖裝備的生產不斷向金屬切削機床的極限能效提出新的挑戰，亟需綜合運用信息與計算技術、多學科聯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字化建模、仿真和優化，實現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，旨在通過數字化制造技術在機床上的應用來取代人的部分腦力勞動，通過自主監控和決策來控制加工質量。歐美等發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，將智能制造技術應用于金屬切削機床，在加工設備與加工過程之間建立協同關系，為實現生產制造更高層次的智能化奠定基礎，是國家科技戰略的重要發展方向之一。

金屬切削機床的智能化技術

目前，對智能機床尚無規范完整的定義。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）能夠自動監測和優化自身的運行狀態；（3）可以測量和判斷產品加工質量；（4）具備自學習與自適應能力；（5）機器之間能夠無障礙地進行交流。

與普通數控機床或加工中心的主要區別在于，智能化的金屬切削機床除了具有數控加工功能外，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。不僅使生產管理和計劃調度簡化，而且使透明度明顯提高，無需復雜的計劃系統就能夠迅速解決所發生的事情并使之優化。工件越復雜，它相對傳統工序分散的生產方法的優勢就越明顯[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配；在實際的生產制造中，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來統籌安排加工方案和加工過程。模塊化制造有2個關鍵的概念，一是標準化、特征化的可重構智能加工單元；二是快速設計、評價和使用單元組合方案的決策系統[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（TransFlex System），采取倒置式龍門配置，可以很方便地以串聯或并聯的方式，加上物流系統及裝卸機械手組成自動生產線或無人化加工車間，將高效率的大批量生產和柔性制造結合起來。德國DS-Technologie公司按照飛機結構件加工工藝的特點，獨創性地推出采用并聯運動機構的Sprint Z3型動力頭（如圖1），并充分利用其可重構特點，開發了Ecospeed系列加工中心，兼顧了加工空間和加工效率的要求，已在航空制造領域得到廣泛應用。

近年來，Mikron、DMG、EMAG等品牌都開發了各自的工件托盤管理模塊，和傳統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以外的專用控制系統，操作員可以把不同工件混編在一起，并且可以在線更改、增刪工件的加工內容和排序，而不影響機床加工過程，如圖1所示。

2  監控決策自主化

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

瑞士Mikron公司配置智能加工系統的Mikron HSM系列高速銑削加工中心（如圖2）可選用加工過程監控模塊，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，操作員可根據振動級別采取不同處理措施。

此外，該公司開發的ITC智能熱補償系統，采用溫度傳感器實現對主軸切削端溫度變化的實時監控，并將這些溫度變化反應至數控系統，數控系統中內置了熱補償經驗值的智能熱控制模塊，可以根據溫度變化自動調整刀尖位置，避免Z方向的嚴重漂移[8]。

Fischer公司推出具有軸向位移補償的電主軸，這種結構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，數據經過處理并輸入數控系統后，就可以進行相應的補償，提高工作臺的移動精度[9]。

近年來，各數控系統制造商（如SIEMENS、FANUC等）推出的系統都具有較好的刀具監控功能，如在西門子SINUMERIK810/840D系統內就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應監控系統，能夠實時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，并輸出數據至Windows用戶圖形界面。GE fanuc智能平臺公司Proficy MTE設備效率監控與分析軟件，可將工廠各環節產生的信息數字化，構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，可根據用戶需要生成相應的數據圖表。同時，系統可根據設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  信息化和網絡化

對于現代制造工廠來說，除了要提高機床的智能化水平，更要使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，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、機外和機內攝像頭等現代通信設備的應用，實現了其與加工裝備的語音、圖形、視像和文本的通信功能。設備還可通過與生產計劃調度聯網，實時反映機床工作狀態和加工進度。操作者在授權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）設備，通過不同終端實現對機床的在線計劃調度和信息處理，如圖3所示。

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

智能切削技術的發展趨勢

目前，應用于金屬切削機床上的智能化技術主要是由數字化制造技術衍生發展而來，其主要目標是智能化的閉環加工，即通過智能傳感裝置將機床在加工過程中產生的應變、振動、熱變形等實時狀態反饋到控制器中，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；通過網絡化技術實現機床之間、機床與人的智能交互。隨著物聯網和云計算技術的不斷成熟，未來的智能機床將呈現以下形式。

1  基于智能體的制造技術

當前的金屬切削加工中，智能化技術主要集中應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，物聯網技術的不斷發展，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量檢測；刀具可以根據工藝要求“毛遂自薦”，與機床、工件進行“多向選擇”，可以根據工況條件調整加工參數，并根據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調統籌，既能夠向中央控制系統提供自己的使用特點和應用方向，也可以對系統下達的組合方案和調配指令提出整改或優化意見。由于各級智能體的存在，金屬切削過程將由現在的自上而下形式轉變為自下而上形式，各生產制造要素得到充分調動，生產效率進一步提高。

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效能并未得到充分發揮，平均利用率遠低于世界主要工業國家。這其中有管理的原因，也有生產制造模式的原因，許多企業雖然建成了企業層級生產制造網絡，但終究是各自為戰，機床資源沒有得到充分利用，而許多好的產品設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，在世界范圍內也越來越受到重視。美國國防先進研究規劃局 （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，降低生產成本，縮短開發周期，使好的創意盡快轉化為現實。

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

結束語

金屬切削機床的智能化，將使得多品種、小批量、定制式的智能化協同制造成為企業的主要生產制造模式，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支撐作用。

智能機床相關技術已有部分實現了商品化，但是仍存在技術難點需要解決，例如知識庫與專家系統的創建、多學科信息融合與處理技術以及智能化標準體系的建立等，需要結合我國數控裝備的特點和需要，通過產學研結合的創新平臺，加強基礎研究，促進成果轉化，從而充分推動我國智能金屬切削機床以及智能加工技術的快速向前發展。

參考文獻
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