金屬切削機床是現代製造業的關鍵設備，其產量和技術（shù）水平在某種程度上代（dài）表了一個（gè）國家的製造業水平和競爭力。中國製造業正（zhèng）在（zài）實現由（yóu）製（zhì）造（zào）大國向製造強國的曆（lì）史性跨越，由此引發的產業升級必將引領中國（guó）機加工行業從低端向高（gāo）端製（zhì）造轉（zhuǎn）型。而當前存在的機床生產效率偏低，人員成本（běn）持續升高以及機加工工藝水平有限等一係列問題，正成為（wéi）嚴重製約金屬切削行業實現產業升級（jí）的瓶頸。智能（néng）金屬（shǔ）切削技術所具有的無人化加工、高效率製造（zào）和工藝整合能力有助於解決上述難題，平衡效率、成本和質量三者之間的關係，為金屬切削機床的製造和應用提供新的發（fā）展（zhǎn）模式和發展方向。 

      智能金屬切削技術的（de）定義（yì）
 
 

     從20世紀50年代以來，機（jī）械製造技術開始進入現代製造技術時代（dài），並經曆了（le）4個主要發展階段，包括實現機械加工過程自動化（huà）的直接數控（DNC）技術、實現在線（xiàn）過程調度與規劃的柔性製造係統（FMS）、實現CAD/CAM/CAPP技術綜（zōng）合及其與管理、經營集成的計算機集（jí）成製（zhì）造係統（CIMS）和當前正在成為（wéi）研究熱點的智能製造係統（IMS）和智能製造技術（shù）（IMT）。IMS/IMT主要解決製造知識和經驗的形式（shì）化描述，研（yán）究不確定（dìng）性和不完全信息下的製造（zào）約（yuē）束問題求解，通過智能化的手段來（lái）增強製（zhì）造係（xì）統柔性與自治性。也就是說，DNC和（hé）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（gèng）注重製造係統的自組織、自學習（xí）、自（zì）適應能力 。
 

     智能製造技（jì）術作為先進（jìn）製造技術與數（shù）字化技術相結合的產物，其本質是將計算模型、仿（fǎng）真工具（jù）和科學實驗應用於製造裝（zhuāng）備、製造（zào）過程和製造係統的定（dìng）量描述與分析，通過對製造（zào）全過程中的複雜物理現象（xiàng）和信息演變過程進（jìn）行定（dìng）量計算、模擬與控製，結合科學實驗，揭示製造活動乃至產品全生（shēng）命（mìng）周期過程中的科（kē）學規律，提高製造裝備的自（zì）律性和適應性，實現對製造過程和產品性能的（de）預測（cè）和有效控（kòng）製，增強製造係統的可維護性和製造信息的可重用性，促使製造（zào）活（huó）動由部分定量、經驗的試湊模式向全麵數字化的計（jì）算和推理模式轉（zhuǎn）變，實（shí）現基於科學的高性能製造。智能製造強調信息集成與知識融合、製造係（xì）統與製造過程（chéng）之間協同（tóng）、虛擬仿（fǎng）真和（hé）數字加工軟硬件技術並重，更多（duō）關注數字建模、數字加工等底層技術以及製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（bèi）的實現 。
 

     金屬切削機床是（shì）智能化製造的主要組成（chéng）單（dān）元，其本身也是一個複雜的機（jī）電一（yī）體化係統。當前，在全球化競爭的背景（jǐng）下，高、精、尖裝備（bèi）的生產（chǎn）不斷向金屬切削機床的極限（xiàn）能效提出新的挑戰，亟需綜合運用信息與計算技（jì）術、多學科聯合仿真方法和科學實（shí）驗手段，通過對切削過程中的複雜物理行為的數字化建（jiàn）模、仿真和（hé）優化，實現對加工過（guò）程的定量主動控製。國外21世（shì）紀初就提出了“智能機（jī）床”的概念（niàn），旨在通過數字化（huà）製造技術在機床上的應用來取代人（rén）的部分腦力勞動，通過自主監控和決策來控製加工質量。歐美等發達國家也通過製定研究計劃（huá），如PMI、SMPI、NEXT計劃等，用於機床智能（néng）化的研究。因此，將智能製造技術應用於金屬切削機（jī）床，在加工設（shè）備與加工過程之間建（jiàn）立協同關係，為實（shí）現生產（chǎn）製造更（gèng）高層次（cì）的智能化（huà）奠（diàn）定基礎，是國家科技戰略（luè）的重要發展方向之一。 

     金（jīn）屬（shǔ）切削機床的智能化技術（shù）
 
 

     目前，對智能機床尚無規範完整的定義。美國的SMPI計劃給出了智能（néng）機床的基本特征，主要（yào）包括：（1）知曉自身的（de）加工能力和工（gōng）作條（tiáo）件；（2）能夠自動（dòng）監測和優化自身的運行（háng）狀態；（3）可以測量和（hé）判斷產品加（jiā）工質量；（4）具（jù）備自學習與（yǔ）自適應能力（lì）；（5）機器之（zhī）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（zhǔ）要區別在於，智能化的（de）金屬切（qiē）削（xuē）機床除了具有（yǒu）數控加工功能外，還具有感（gǎn）知、推理、決策、學習等智能功能，具體體現（xiàn）在以下幾個方麵。
 

      1、 工序集成與模塊化加工（gōng）
 

     工序集成化通常也稱為（wéi）複合加工或完整加工，是指在（zài）一台機床上能加工完一個零件的所（suǒ）有工序（xù）。例如，德國INDEX公司的車銑複合（hé）加工中心就能夠完成車削（xuē）、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等許多（duō）工序，完成複（fù）雜零件的全部加工。不僅使生產管理和計劃調（diào）度簡化，而且使透明度明顯提高，無需複雜的計劃係統就能夠迅速解（jiě）決（jué）所發生（shēng）的事情並使之優化。工件（jiàn）越複雜，它相對傳統工序分散的生產方法的優勢就越明顯 。
 

     在如上所（suǒ）說的工序集成過程中（zhōng），采用了不同的（de）加工模塊進行合理調配；在實際的生產製造中，為滿足（zú）柔性化製造要求（qiú），不但需要即插即用的智能工作（zuò）單元，同時也需（xū）要模塊化（huà）製造技術來統籌安排加工方案和加工過程。模塊化製造有2個關鍵的概念，一是標準化、特征化的可重構智（zhì）能加工單元；二是快速（sù）設計、評價和使用單元組合（hé）方（fāng）案的決策係統 ，尤其需要考慮（lǜ）避免工藝冗餘和坐標幹涉的問題。瑞典Modig公司的柔性製造係統（TransFlex System），采取倒置式龍門配置，可以很方（fāng）便地（dì）以串聯或並聯的方式，加上物流係統及裝卸機械手組成自動生產線或無人化加工（gōng）車間，將高效率的大批量生產和柔性製造（zào）結合起來。德（dé）國DS-Technologie公司按照（zhào）飛機結構件加工（gōng）工藝（yì）的（de）特點，獨創性地推出采用（yòng）並聯運動（dòng）機構的Sprint Z3型動力頭（如圖1），並充分利用其可重構特點，開發了Ecospeed係列加工中心，兼顧了（le）加工空間和加工效率的要求（qiú），已在航空製（zhì）造領域得到廣泛應用。
 

     近年來，Mikron、DMG、EMAG等品牌都（dōu）開發了（le）各自的工件托盤（pán）管理模塊，和（hé）傳統的托盤交（jiāo）換模塊不同之處在於，新的（de）模塊包含智能化且獨立於機床控製係統以外的專用控製係統（tǒng），操作員可以把不同工件混編（biān）在（zài）一起，並且可以在線（xiàn）更改、增刪工件的加工內容和排（pái）序，而不影響機（jī）床加工過程，如圖1所示。

      2 、監控決策自主化（huà）
 

     智能機床需具有自優化、自監控、自診斷和預（yù）維護功能。在（zài）加工過程中，可借助各種傳感器、聲頻（pín）和視頻係統對加工過程中的力、振動、噪聲、溫度、工件表麵質量等進行實時（shí）監測 ，進而通過預先建立的（de）係統性能參數庫或知（zhī）識庫進行切削參數（shù）的自動優化與誤差補償。同時，根據健康狀態（tài）進行及時維（wéi）護，保障加工質量，減（jiǎn）少停（tíng）工時（shí）間。
 

     瑞士Mikron公司配置智能加工係統的Mikron HSM係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（jiā）速度傳感器，使銑削（xuē）過程中產生的振動可（kě）以加速度“g載荷”值的形式顯示，振動大（dà）小在0~10g範圍內分（fèn）為10級，並可預測在該振動級（jí）主軸部件的工作壽命，操作員可根據振動（dòng）級別采取不同處理措施。
 

     此外，該公（gōng）司開發的ITC智能熱補償係統，采用溫度傳感器（qì）實現對主軸切削端（duān）溫度變化的實時監控，並將這些溫度變化反應至數控係（xì）統（tǒng），數控係統（tǒng）中內（nèi）置了熱補償經驗值的智能熱控（kòng）製模塊，可以根據溫度（dù）變化自動調整刀（dāo）尖位置，避免Z方向的嚴重漂移 。
 

     Fischer公司推出具有軸向（xiàng）位移（yí）補償的（de）電主軸，這（zhè）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（jī）械力造成（chéng）的軸向位移，數據經過處理並輸（shū）入數控係統後，就可以進行相應的（de）補償，提（tí）高工作台的（de）移動精度 。
 

     近年來，各數控係統製造商（如SIEMENS、FANUC等）推出的係統都具有較好的刀具監控（kòng）功能，如在西門子SINUMERIK810/840D係（xì）統內（nèi）就可以集成以色列OMAT公司的ACM自適應監控係統（tǒng），能夠實時采（cǎi）樣（yàng）機床主軸（zhóu）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，並輸出數（shù）據（jù）至Windows用戶圖形（xíng）界麵。GE fanuc智能平台公（gōng）司Proficy MTE設備效率監控與分（fèn）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（hù）需要生成相應（yīng）的數據圖表。同時，係統可根據設備使用情況預（yù）測維護時（shí）間點，製訂維（wéi）護計劃，並通（tōng）過遠程診斷（duàn）工具延長機床平均故障工作時間，縮短維（wéi）護時間 。
 

      3 、信息化和（hé）網絡化
 

     對於現代製造工廠來說（shuō），除了要提高機床的智能化水（shuǐ）平，更要使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功（gōng）能，以保證信息流在車間的底層（céng）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製（zhì）造（zào）能力和特點。而對計算（suàn）機、手機（jī）、平板電腦、機外和機內（nèi）攝像頭等現代通信設備的應用，實現了其與加（jiā）工裝備的語音、圖形、視像和文（wén）本的通信功能。設備還可通（tōng）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（shòu）權後可在各類終端上觀察加工過程及故障報警，並（bìng）進行在線處（chù）理（lǐ）。
 

     日本Mazak公司生產的（de）車銑複合加工機床，不僅（jǐn）能夠進行零件的複合加工，在一台機床上完成全部加工工（gōng）序，還可通過配置信息塔（e-Tower）設備，通過不同終端實現對機（jī）床的在線計劃調度和（hé）信息處理，如圖3所示。
 

     企業（yè）的（de）生產計（jì）劃調度（dù）係統可以安排一周的加工任務（wù），並發送到信息塔。信息塔向操作者發出指令，並在屏幕上顯示機床的實時工作（zuò）狀態。操作（zuò）者可以按照作業計（jì）劃下載零件的（de）數控程序，按照屏幕（mù）指示進行模擬仿真，無誤後進行加工（gōng），並將機床狀態和任務完成情況報告給有關（guān）人員 。
 
 

      智能切削技術的發展趨勢
 
 

     目（mù）前，應用於金屬切削機床上的智能化技術主要是由數字（zì）化製造技術衍生發展而來，其主要目（mù）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（děng）實時狀態反饋到控製器中，通過采（cǎi）用針對性的控製算（suàn）法，對加工軌跡進行在線補（bǔ）償，從而有效提高加（jiā）工精度、表麵質量和加工效率；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（jiāo）互。隨著（zhe）物聯網和雲計算技術的不斷成熟（shú），未來的智能機床將呈現以下形式。
 

     1 、基於智能體的製造技術
 

     當前的金屬切削加（jiā）工中，智能化技術主（zhǔ）要（yào）集中應用於機床這個加工體上，工件、刀具等仍（réng）然（rán）處於被加工（gōng）、被操作地位（wèi），物聯網技術的（de）不（bú）斷發展，尤其各種智能元件的（de）微型化、自主化，使得（dé）工（gōng）件、刀具甚至機床的各工（gōng）作模（mó）塊作為智能體存在成為可能。在未來的製造過程（chéng）中，工件（jiàn）可以（yǐ）作為施令方來根據自身特點和加工目標（biāo）確定工（gōng）藝流程、選擇和控（kòng）製工裝夾具，直（zhí）至完成對自身（shēn）的質量檢測；刀具可以根據工藝要求“毛遂自薦”，與機床（chuáng）、工件進行“多向選（xuǎn）擇”，可（kě）以根據（jù）工況條（tiáo）件調整加工參數，並根據日常使用情況（kuàng）預測（cè）自身的使用壽命；在模塊（kuài）化（huà）加工方式（shì）中，各模塊之間可以互相協調統籌，既能夠向中（zhōng）央控製係（xì）統提（tí）供自己的使用特點和應用方向，也可以對係統下達的組合方案和調配（pèi）指令提出整改或優化意見（jiàn）。由於各級智能體的存在（zài），金屬切削過程將由現在的自上而下形式轉變（biàn）為自下而上形式，各生產製造要素得到（dào）充（chōng）分調動，生產效率進一步提高。
 

      2、開放式製造模式
 

     多年以來，我國的機床（尤（yóu）其是高端機床）進口量和持有量均“高（gāo）居（jū）世界第一”，然（rán）而這些機床（chuáng）的生產效能並（bìng）未得到充分發揮，平均利用率遠低於世界（jiè）主（zhǔ）要工業國家。這其中有管理（lǐ）的原（yuán）因，也有生產製造模式（shì）的原因，許多（duō）企業雖然建成了企業層級生產製造網（wǎng）絡，但終究是各自（zì）為戰，機床資源（yuán）沒（méi）有得到充分利用，而許多好的產品設計製造（zào）思想又由於資源匱乏而（ér）擱置、放棄。
 

     這個問題不僅存在於中國，在世界範圍內也越來越受（shòu）到重視。美國國防（fáng）先（xiān）進研究規劃局 （DARPA）由此提出了開放式製造的思想，即充分利用社會製造資源（yuán），降低生產成（chéng）本，縮短開發（fā）周期（qī），使好的創意盡（jìn）快轉（zhuǎn）化為現實。
 

     而機床企業能夠做的，就是沿著這（zhè）一“世界大同”的發展（zhǎn）思（sī）路，運（yùn）用日益（yì）成熟可靠的雲計算技（jì）術，賦予機床“雲端（duān）製造”的能力。這不但要求企（qǐ）業具有良好（hǎo）的（de）信息（xī）化基礎，也（yě）需要攻克許多技術難關，例如知識的製造資源雲端化，製造（zào）雲管理引（yǐn）擎、雲製造應用協同、雲可視化等技術都是未來需要攻克（kè）的重要基（jī）礎技術。 

        結束語 
 

     金屬切削機床的智能（néng）化，將使（shǐ）得多品種、小批量、定製式的智能化協同製造成為企業的主（zhǔ）要生產製造（zào）模式，在我國（guó）由製造大國向製造強（qiáng）國邁進的（de）過程中起著重（chóng）要的基礎支（zhī）撐作（zuò）用。

     智能機床相（xiàng）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（shí）庫與專家（jiā）係統的創建、多學科信息融（róng）合與處理技（jì）術以及智能化標準體係的（de）建立等，需要結合我國數控裝備的特點和需要，通過產學研（yán）結合的創（chuàng）新平台，加強基礎研究，促進成果轉化，從而充分推動（dòng）我國智能（néng）金屬切削機床以及智能加工技術的快速向前發展。