智能機床最早出現在賴特（P·K·Wright）與伯恩（D·A·Bourne）1998年出版的智（zhì）能製造研究（jiū）領域的首本專著《智能製造（zào）》（Manufacturing Intelligence）中 。由於對（duì）先進製造業具（jù）有重要作用（yòng），智能技術引起各個國（guó）家的重（chóng）視（shì）。美國推出了智能（néng）加工平台計劃（SMPI）；歐洲實（shí）施 “Next Generation Production System”研究；德國推出了“Industry 4.0”計劃；中國中長期科技（jì）發展對“數字化智能化製造技術”提出了迫切需求，並製定了相應的“十二五”發展規劃；在2006年美國芝加哥國際製（zhì）造技術展覽會（IMTS2006）上，日（rì）本Mazak公司推出的首次命名為“Intelligent Machine”的智能（néng）機床和日本Okuma公司推出的命名為“thinc”的智能數控係統，開啟了數控機床智（zhì）能化時代（dài） 。

       本文從傳感（gǎn）器出發，將數控機床的智能技術（shù）按層次劃分為智能傳感器、智能功能、智（zhì）能部件、智能係統等部分，對智能技術進行了總（zǒng）結，指出不足，揭示了發展方向（xiàng），並（bìng）對未來進行了展望。

       智能傳感器

       由機床、刀具、工（gōng）件組成的數控機床製造係統在加工（gōng）過程中，隨著材料的切除，伴隨著多種複雜的物理（lǐ）現象，隱含著豐富的信（xìn）息 。在這種動態、非線性（xìng）、時變、非確定性環境中，數控機床自身的感知技（jì）術是（shì）實現智能化的基本條件。

       數控（kòng）機床要實現智能，需要各種傳感器收集外（wài）部（bù）環（huán）境和內部狀態信息，近似人（rén）類五官感知（zhī）環境變化的功能，如表1所示。對人（rén）來講，眼睛是五官中最重要的感覺器官，能獲得90％以上的環境信息，但視覺傳（chuán）感（gǎn）器在數控機床中的（de）應（yīng）用還比較少。隨著自動化（huà）和智能化水平的提高，視覺功能（néng）在數控機床中將發揮越來越重要的作用。

       表1 數控機床可用傳感（gǎn）器

       隨著MEMS（微機電係統）技術、嵌入技術（shù）、智能材料與結構等技術的發展，傳（chuán）感器趨（qū）向（xiàng）小（xiǎo）型化。MEMS微（wēi）傳（chuán）感器、薄膜傳感（gǎn）器以及光纖（xiān）傳感器等微型（xíng）傳感器的成熟應用，為傳感器嵌（qiàn）入數控機床奠定（dìng）了基（jī）礎。

       由於製造過程中存（cún）在不可預測（cè）或不能預（yù）料的複雜現象和奇怪（guài）問題，以及（jí）所監測到的信息存在時效性、精確（què）性、完整性等問題，因此，要求傳感（gǎn）器具有分析、推理、學習等智能，這要求傳感器（qì）要有高性能智能處理器來充當“大腦”。美國高通公（gōng）司正在研製能夠模擬人腦工作的（de）人工智能係統微處理器。將來可通過半導體集成技術，將高性能人工智（zhì）能係統微處理器與傳感器、信號處理電路、I/O接（jiē）口（kǒu）等（děng）集成在同一芯片（piàn）上，形（xíng）成大規模（mó）集成電路式智能傳感器，不但具有檢測（cè）、識別、記憶、分析（xī）等功能，而且具（jù）有自學習甚至思維能力（lì） 。相信隨（suí）著（zhe）計算機技術、信號處理技術、MEMS技術、高新材料技（jì）術、無線通信技術等（děng）不斷進步，智能傳（chuán）感器將會在數控機（jī）床智能感知方麵帶來全新變革。

       智能功能

       數控機床向高速、高效、高（gāo）精化發展，要求數控機（jī）床具有熱（rè）補償、振動（dòng）監測（cè）、磨（mó）損監測（cè）、狀態監測與故障診（zhěn）斷等（děng）智能功能。融合幾個或幾種（zhǒng）智能傳感器，采用人工智能方法（fǎ），通過識別、分析、判斷及（jí）推理，實現數控機床的智能（néng）功能，為智能部件（jiàn）的實現打下基礎。

       數（shù）控機（jī）床的誤差包括幾何誤差、熱（變形）誤（wù）差、力（變形）誤差、裝配誤差等。研究表明，幾何誤差、熱誤差占到機床總誤差的50%以上，是影響機床加工精度的關鍵因素，如圖1所示 。其中，幾何誤（wù）差是製造、裝配過程中造成的與機床結構本身有關的誤差（chà），隨時間變化不大（dà），屬於（yú）靜態誤差，誤差預測模型相對簡單（dān），可以通過（guò）係統的補（bǔ）償功能得到有效控製，而熱誤差隨時間變化很大，屬於動（dòng）態誤差，誤差預測模型複雜，是國際研究的難（nán）點和熱點。

      
 
       圖1 數控機床加（jiā）工（gōng）誤差來源（百分比（bǐ））

       數控機床在加工過程中的（de）熱源（yuán）包括（kuò）軸承、滾珠絲杠、電機、齒輪箱、導軌、刀具等。這些部件的升溫會引起（qǐ）主軸（zhóu）延伸、坐標變化、刀具伸長（zhǎng）等變（biàn）化，造成機（jī）床誤差增（zēng）大。由於溫度敏感點多、分布（bù）廣，溫度測試點位置優化設計很重要，主要方法有遺傳算法、神（shén）經網絡、模糊聚類、粗糙集、信息論、灰色係統等 。在確定了溫度測點的基礎上，常用神經網絡、遺傳算（suàn）法、模（mó）糊邏輯、灰色係統（tǒng）、支持向量機等來進行（háng）誤差預測與補償 。

       在航空航天領域，隨著鈦合（hé）金、鎳合金、高強度鋼等難加工材料的（de）廣（guǎng）泛應用，以及高速切削條（tiáo）件下，切削量的不斷增大，刀具、工件間很容易發生振動，嚴重影響工件的加工（gōng）精度和表麵（miàn）質量。由於切削力是切削過程的原始特征信號，最能反映加工過程的動態（tài）特性（xìng），因此可以借助切削力監測與預報進行振動監測。借助測力儀、力傳感器、進給電機的電流等，利用粒子群算法、模糊理（lǐ）論、遺傳算法、灰色理論等對切削力進行建模和（hé）預測 。考慮到引起機床振動的原因主要有主軸、絲杠、軸承等部件，也可以采集這些部件的振動、切削力、聲發射等信號，利用神經網絡、模糊邏輯、支持向量機等智能方法直接進行振動監測 。

       刀（dāo）具安裝在主軸前端，與加工（gōng）工（gōng）件接觸，直接切削工件表麵，對加工質量的影響是（shì）最直接和關鍵的。刀具磨損、破損等異常現象影響加工精度和工作安（ān）全。鑒於直接測量法需要離（lí）線檢測的缺陷，常采集（jí）電流、切（qiē）削力、振動、功率、溫度等一種或多種間接信號（hào），采用（yòng）RBF神經網絡、模糊神經網絡、小波神經（jīng）網（wǎng）絡、支持向量機等智能算（suàn）法對刀具磨損狀態進行智能監測 。

       隨著自動化程度的提高（gāo），數控機床集成越（yuè）來越（yuè）多的功能，複雜程度不斷提高。為了高效運行，對數控機（jī）床的內部狀態（tài）進行監測（cè）與性能評價（jià）、對故障進行預（yù）警與診斷（duàn）十分必要。由於故障模式再現性不強（qiáng），樣本采集困難，因此BP神經網（wǎng）絡等要求樣本多的智能方法不適合這種場合。狀態監測與故（gù）障診斷常采用SOM神經網絡、模糊邏輯、支持向量機、專家係統和多Agent等智能方法 。

       研究人員不斷探索和研究智能功能的新方法或多種方法的混合，但大部（bù）分集（jí）中在實驗（yàn）室環境下，缺少實時性高（gāo）、在線功能強的方法，尚需深入發展簡潔、快（kuài）速、適（shì）應性強的智能方法。

       智能部（bù）件

       數（shù）控機床機械部分主要包括支撐結（jié）構件、主傳動（dòng）件、進給傳動件（jiàn）、刀具等部分，涉及到床身、立柱、主軸、刀具、絲杠與導軌以及旋轉軸等部件。這些（xiē）部件（jiàn）可以（yǐ）集成智能傳感器的一種或幾種智能功能構成數控機床智能部件，如圖2所示。

      
 
       圖2 數控機床智能（néng）部件（jiàn）

       主軸是主（zhǔ）傳動部件，作為（wéi）核心部件，直接關係到工件加工精度。由（yóu）於主軸（zhóu）轉速較高，特別是（shì）電主軸，發熱、磨損、振（zhèn）動對加工質量影（yǐng）響很大，因此，越來越多的智能傳感器被集成到主軸中，實現對工作狀態的（de）監控、預警以及補償等功能。日本山崎馬紮克研製（zhì）的（de）“智能主軸”，裝有溫度、振動、位移及距離等多種傳感器（qì），不但具（jù）有溫度、振動、夾具壽命監（jiān）控和防護功能（néng），而且能夠根據溫度、振動（dòng）狀態，智能（néng）協調加工參數 。瑞士Step-Tec、IBAG等製造的電主軸，裝有溫（wēn）度、加速度（dù）、軸向位移等多種傳感（gǎn）器[14]，如圖3所示，能（néng）夠進行熱補償、振動監測等。

      
 
       圖3 瑞士（shì）斯特普電主軸傳感器分布

       絲杠、導軌是數控機床坐標運動和定（dìng）位的關鍵部件，其性能直接影響坐標運動精度和動態特性（xìng），對工件加工質量（liàng）影響很大，因（yīn）此監測絲杠副、導（dǎo）軌副在加工中的性能變化及壽（shòu）命預測對數控機床的（de）智能化（huà）具（jù）有重要作用。通過電機驅動電流信號、功率、切削力、聲音等傳感器信號，結（jié）合進給速度、切削深度、絲杠轉速等工藝參數，可對絲杠、導軌的磨損情況進行監控，對剩餘壽命進（jìn）行（háng）預測，及（jí）時報（bào）警，預防重大生產事故。

       軸承（chéng）是數控機床旋（xuán）轉軸的關鍵部件，起著支撐載荷、減小摩擦係數的作用，其運行狀（zhuàng）態直接影響機床的運轉精度（dù）和可靠性。軸承在高轉速下摩擦劇烈，發熱量大（dà），是最易損壞的部件，因（yīn）此監測軸承運（yùn）行狀態（tài），可避免因軸承問題（tí）而導致（zhì）設備異常（cháng）或損壞。瑞典SKF公司生產外（wài）掛式（shì）智能軸（zhóu）承如圖4所示 ，利用應用環境（jìng）自供電，對轉速、溫（wēn）度、速度、振（zhèn）動以及載荷等關鍵參數進行測量，並利用無線（xiàn）網絡發送（sòng）自（zì）身狀態信息，實現對軸承狀態（tài）監測。

      
 
       圖4 瑞典SKF公司外掛式智能軸承

       刀具直接與工（gōng）件接觸，切削工件表麵發熱量大，容易產生振動（dòng），對（duì）表麵質（zhì）量的影響很大，因此刀具（jù）中（zhōng）融（róng）合越來越多的傳感器，實現對刀具的（de）磨損監控、振動監測、斷裂報警等功能。克裏斯托弗、羅伯特等（děng）發明的智能刀具夾具如圖5所（suǒ）示，集成有力/扭矩（jǔ）、溫度、處理器、無（wú）線收發器（qì）等芯片，能夠估計和預測顫動頻率、建議穩定的主軸速度、磨損監視以及建議進給速率等[16]。瑞士ACTICUT公（gōng）司的生產的智能刀具內部由機構、傳感器和驅動（dòng）器構成,用（yòng）於（yú）精密數控車削,可對磨損、速度、溫度等進（jìn）行監控 。

      
 
       圖5 智能刀具夾具

       智（zhì）能係統

       數控機（jī）床一般由（yóu）數控係統、驅動係統、輔助（zhù）係統以及機床本體組（zǔ）成，如圖6所示。隨著人工智能技術的（de）不斷成熟，神經網絡、模糊理論以及專家係統等方法逐漸應用到數控（kòng）係統、驅動係統以及（jí）輔助係統中，實現（xiàn）工藝參數優化專家係統（tǒng）、自適應控製、加工過程監控、智能診斷等（děng）功（gōng）能（néng）。

      
 
       圖6 數控機床（chuáng）組成

       航空製造領域需要（yào）加工（gōng）的部件含有很多孔、溝、槽、腔（qiāng）等特征，加工（gōng）工藝（yì）複雜，因（yīn）此在數控機床中（zhōng）嵌入工藝參數（shù）優化專家係統成為必然。專家係統利用人（rén）工智能技（jì）術將某領域內一個或多個專家的（de）知識和經驗固（gù）化（huà）到程序中（zhōng），模擬人類專家的決策過程，進行（háng）推理和判斷（duàn），以便解決加工中（zhōng）的複雜問題。瑞士米克朗公司匯集了幾十年（nián）銑（xǐ）削經驗的結晶，開發了（le）操作者支持（chí）模塊OSS（Operator Support System）,能夠根據（jù）加工要求調整相關的工藝參數，優化加工程序，獲（huò）得更理（lǐ）想的加工結果 。

       隨著數控係統的發展，主流數控（kòng）係統（tǒng）廠家在產品中嵌入了自適應控製、加工（gōng）過程監控、智能診斷等實用功能。西門子數控係統具（jù）有（yǒu）電機參數自適應運算、自動識別負載、刀具壽命監控、安（ān）全集成等功能，與（yǔ）以色列的OMATIVE優銑控製器（qì）OMAT-PRO相結合，可對主軸功率進行約束，通過學習和再學習掌握主軸功率（lǜ）的最佳狀態，然後在加工（gōng）過程中，實時監測主軸功率的變化，及時調整進給率[19]。奧地利WFL的Crash Guard防撞衛士（shì）係統，利用CNC係統（tǒng）的高速（sù）處理能力，實時監控機床的（de）運動，確保機床在手動、自動等各種運動模式下均正常工作，降低運行過程機（jī）床突發事故的產生，提高機床工作的安全性和可靠性 。GE Fanuc公司的（de）Proficy軟件監控和（hé）分析機床設備複雜的基本數據，對機床的工作狀態、健康狀況（kuàng）進行遠程診斷（duàn）[20]。德（dé）國ARTIS監控係（xì）統是對工（gōng）作狀態進行監控的係統，通過學習（xí），獲取監控（kòng）信號的特（tè）征，實現對加（jiā）工過（guò）程中的斷刀、刀具磨損、碰撞等異（yì）常行為的實時監控 。

       展望

       智能化是數控機床發展的高級階段，能夠實現高度自動化，進（jìn）一步解放（fàng）人類的腦（nǎo）力智能。隨（suí）著技術水平的發展和需求的提高，數控機（jī）床出現越來越多智能功能（néng）、智能部件以及智能係統。盡管其智能水平還處於發展階（jiē）段，但隨著人（rén）工智能技術、計算機技術、傳感器微型化與智能化以及（jí）微處（chù）理器技術等發展，實現（xiàn）真正意義上的 “自學習、自進化”的具有人類智能水平的數控機床將不再是“夢”。