金屬切削機床是現代製造業的關鍵設備，其產量和技術水平（píng）在（zài）某種程（chéng）度上代表了一個國家（jiā）的製造業水平和競（jìng）爭力（lì）。中國製造（zào）業正在實（shí）現由製（zhì）造大國向製造（zào）強國的曆史性跨越（yuè），由此引發的產業升級（jí）必將引領中國機加工行業從低端向高端製造轉型。而當前存（cún）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（xiàn）等一係列問題，正成為嚴重製約（yuē）金屬切削（xuē）行業實現產業升級的瓶頸。智能金屬切削技（jì）術所具有的無人化加工、高效率製造和工藝整合能力有助於解決上述難題，平衡效率、成本和（hé）質量三（sān）者之間的關係，為金（jīn）屬切削機床的（de）製造和應用提供新的發展模式和（hé）發展方向。 

      智能金屬切削技術的定義
 
 

     從20世紀50年代以來，機械製造（zào）技術開始（shǐ）進入現（xiàn）代製造技術時代，並經曆了4個主要發展階段，包（bāo）括實現機械加工過程自動化的直接數控（DNC）技術、實（shí）現（xiàn）在線（xiàn）過程調度與規劃的柔性製造係統（FMS）、實現CAD/CAM/CAPP技術綜合及其與管理、經營集成的計算機集成製（zhì）造係統（CIMS）和（hé）當前正在成（chéng）為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（shí）和經驗的形式化描述（shù），研究不確定性和不完全信息下的製造約束問題求解，通過智能化的手段來增強製造係統柔性與自治性（xìng）。也就是說，DNC和（hé）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則更注重製造係統（tǒng）的自組織、自學（xué）習、自適應能力 。
 

     智能製造技術作為先進製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（hé）科學實驗應用於製造裝（zhuāng）備、製造過程和製造係統（tǒng）的定量描述與分析，通過對（duì）製造全過程中的複雜物理（lǐ）現象和信息演變過程（chéng）進行定量（liàng）計算、模擬（nǐ）與（yǔ）控製（zhì），結合（hé）科學實驗，揭示製造活動乃至產品全生命周期過程（chéng）中的科學規律，提（tí）高製造裝備的自律性和適應性，實現對製造過程和產（chǎn）品性能的預測和有效控（kòng）製（zhì），增強製造係統的可維（wéi）護性和製造信（xìn）息的可（kě）重用性，促使製造活動由部分定量、經驗的試湊模式向全（quán）麵數字化的計算和推理模式轉變，實現基於科學的高性能製造。智能製造強調（diào）信息集成與知識融合、製造係統與製造過（guò）程之間協同、虛擬仿真和數字加工軟硬件技術並重，更多關注數字建模（mó）、數字加工等底層技（jì）術（shù）以及製造過程中物理因素對產（chǎn）品質量（liàng）的影（yǐng）響（xiǎng）機理和高速、高精度數字加工裝備的實現 。
 

     金屬切削機床是（shì）智能（néng）化製造的主要（yào）組成單元，其本身（shēn）也是一個複雜的機電一體化係統（tǒng）。當前，在全球化競爭的背景下，高、精、尖裝備的生產不斷（duàn）向（xiàng）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（kē）學實驗手段，通過對切削過程中的複雜物理行為的數字化建模、仿真和（hé）優化，實現對加工過程的定量主動控製。國外21世紀初就提出了“智能機床”的概念，旨在通過數字化製造技術（shù）在機床（chuáng）上的應用來取代人（rén）的部分腦力勞動，通過自主（zhǔ）監控和決策來控（kòng）製加工質量。歐美等發達國家也通過製定研究計劃，如PMI、SMPI、NEXT計劃等，用於機床智能化的研究。因此，將智（zhì）能製造（zào）技術應（yīng）用於金屬切削（xuē）機床，在加（jiā）工設備與加工（gōng）過程之間建立協（xié）同關係，為實現生（shēng）產製造（zào）更高層（céng）次的智（zhì）能化奠定基礎，是國家科技戰略的重要（yào）發展方（fāng）向之一。 

     金屬切削機床（chuáng）的智能化技術
 
 

     目前，對智能機床尚無規（guī）範（fàn）完整的定義。美國的SMPI計劃給出了智能機床的基本（běn）特征，主要包括：（1）知曉自身的（de）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（pàn）斷產品加工質量；（4）具備（bèi）自學習與自適應能力；（5）機器之間能（néng）夠無障礙地進行交流。
 

     與普通數控（kòng）機（jī）床或加工中心的主要區別在於，智能化的金屬（shǔ）切削機床除（chú）了具有數控（kòng）加工功能外（wài），還具有感知、推理、決策、學習等智能（néng）功能，具（jù）體體現在（zài）以下幾個方麵。
 

      1、 工序集成（chéng）與模塊化加工
 

     工（gōng）序集成化通常也稱為複合（hé）加工（gōng）或完整加工，是指在一台機床上能加工完一個（gè）零件（jiàn）的所有工（gōng）序。例如，德國INDEX公司的車銑複合加工中心就能夠完（wán）成車削（xuē）、銑削、鑽削、滾齒、磨（mó）削、激光熱處理等許多工序（xù），完成複雜零件的全部加工。不（bú）僅（jǐn）使生產管理和計劃調度簡（jiǎn）化，而且使透明度明顯提高，無需複雜的（de）計劃係統就能夠（gòu）迅（xùn）速解決所發（fā）生（shēng）的事情並（bìng）使之優化。工件越複雜，它相對傳統工序分散的生產方法（fǎ）的優勢就（jiù）越明（míng）顯（xiǎn） 。
 

     在如上（shàng）所說（shuō）的工序集（jí）成過程中（zhōng），采用了不同的加工模塊進行合理調配；在實際的生產製造中，為（wéi）滿（mǎn）足柔（róu）性化製造要求，不但需要即插即用的智能工作單元，同時也需要模塊化製造技（jì）術來統（tǒng）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（niàn），一是標準化、特征化的可重構智（zhì）能加工單元；二是快速設計、評（píng）價和使用單元組合方案的（de）決策係統 ，尤其需要考慮避免工藝冗餘和坐標（biāo）幹（gàn）涉的問題。瑞典Modig公司的柔性製造係統（TransFlex System），采取倒置式（shì）龍（lóng）門配（pèi）置（zhì），可（kě）以很方便地以串聯或並聯（lián）的（de）方式，加上物流係統（tǒng）及裝卸機械（xiè）手組成自動生產線（xiàn）或無人化加工車間，將高效率的大批量生產（chǎn）和柔（róu）性製造結合（hé）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（chū）采用並聯運動機構（gòu）的Sprint Z3型（xíng）動力頭（如圖（tú）1），並充分利用其可重構特點，開發了Ecospeed係列加工中心，兼顧了加工空間和加工效率的要求，已在航空製造領域得到（dào）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（huàn）模塊不同之處在於（yú），新的模塊包含智能化（huà）且獨立於機床控製係統以外的專用控製係統，操作員可以把不同工（gōng）件混編在一起，並且可以在線更（gèng）改（gǎi）、增（zēng）刪工件的加工內容和排序，而不影響機床加工過（guò）程，如圖1所（suǒ）示。

      2 、監控決策自主化
 

     智（zhì）能（néng）機床需具有自優化、自監控、自診斷和預維護功能。在加（jiā）工過程中，可借助各種傳感器、聲頻和視頻係（xì）統對加工過程中（zhōng）的力、振動、噪聲、溫度、工件表麵質量等進行實時監測 ，進而通過預先建立（lì）的係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（jiā）工質量，減少停工時間。
 

     瑞士Mikron公司（sī）配置智能加工係統的Mikron HSM係列高速銑削加工（gōng）中心（如圖2）可選用加工過程監控模塊，以便用（yòng）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（qì），使（shǐ）銑削過程中產生的振動可以（yǐ）加速度“g載荷”值的形式顯（xiǎn）示（shì），振（zhèn）動大（dà）小在0~10g範圍內分為10級，並（bìng）可預測在該振動級主軸部件的工作壽命，操作員（yuán）可根據振（zhèn）動級別（bié）采取不同處理措施。
 

     此外，該公司開發的ITC智能熱補償係統，采（cǎi）用溫度傳感器實現對主軸切削端溫度變化的實時監控，並將這些（xiē）溫（wēn）度變化反應至數（shù）控係統，數控係統中內置了熱補償經驗值的智能熱控製模塊，可以根據溫度變化自動調整刀尖位（wèi）置，避免（miǎn）Z方向的嚴重漂移 。
 

     Fischer公（gōng）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（qì），可以檢測由溫升引起的熱變形和機械力造成的軸向位移，數據經過處理並輸入數控係統後，就可以進行相應（yīng）的補償（cháng），提高工作台的移動精度 。
 

     近（jìn）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功能，如在西門子SINUMERIK810/840D係統內就可（kě）以集成以色列OMAT公司的（de）ACM自（zì）適應監控係統，能（néng）夠實時采樣機床主軸負載（zǎi）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，並輸出數據至Windows用戶圖形界麵。GE fanuc智能平（píng）台公司Proficy MTE設備效率監控與分析軟件，可將（jiāng）工廠（chǎng）各環節產生的信息數字化，構建成一個可以（yǐ）在任何地點、時間通（tōng）過任（rèn）何（hé）方式訪問的虛（xū）擬工廠（chǎng），可根（gēn）據用戶需要生（shēng）成相應的（de）數據圖表。同（tóng）時，係統可根據設備使用情況預測（cè）維護（hù）時間點，製訂維護計劃，並通過遠程診斷工（gōng）具延長機床平均故（gù）障工作（zuò）時間，縮短維（wéi）護時間 。
 

      3 、信息化和網絡化
 

     對於現代製造工廠來說，除了要提高機（jī）床的智能化水平，更要使（shǐ）數控（kòng）機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以（yǐ）保證信息流在（zài）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（chuáng）的製（zhì）造能力和（hé）特點。而對計算機、手機、平板電腦、機（jī）外和機內攝像頭等現代（dài）通信設備（bèi）的應用（yòng），實現（xiàn）了其與加工裝備的語音、圖形、視像和文本的通信功（gōng）能。設備還可通過與生產計劃調度聯網，實（shí）時反映機床工作狀態和加工進度。操作者在授權後可在各類終端上觀察加工過程及故（gù）障報警，並進行在線處理。
 

     日本Mazak公（gōng）司生產的車銑複合加工機床，不僅能夠進行零件的複合加工，在一台機床上完成全部加工工序，還可通（tōng）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（diào）度（dù）和信息處理，如圖3所示（shì）。
 

     企業的生產（chǎn）計劃調（diào）度係統可以安排一（yī）周的加工任務，並發送到信息（xī）塔。信（xìn）息塔向操作者發出指令，並在（zài）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（shì）進行模擬仿真，無誤（wù）後進行（háng）加工，並將機床狀態和任務完成情況報（bào）告給有關人員 。
 
 

      智能切削技術的發展趨勢
 
 

     目前，應用於金屬切削機床上的智能化技術主要是由數字化製（zhì）造技術衍生發（fā）展而來，其主要目標是智能化的閉環加工（gōng），即通過智能傳感裝置將機床在加（jiā）工過程中產生的應變、振動、熱變形等實時狀態反饋到控製器中，通過采用針對性（xìng）的控製算法，對（duì）加工軌跡進行（háng）在（zài）線補償，從而有效提高加工精度、表（biǎo）麵質量和加工效率；通過工序智能集成和模塊化加工方式（shì）縮短加工流程，提高加工（gōng）效率；通過網絡化技術實現機（jī）床之間、機（jī）床與人的智能交互。隨著物聯網和雲計算技術的不斷成熟，未來的智能機床將呈現以下形式。
 

     1 、基於智能體的製造技術
 

     當（dāng）前的金屬切削加工中，智（zhì）能化技術主要集中應用於機（jī）床這個加工體上，工件、刀具等（děng）仍然處於被加工、被操作地位，物聯網技術的（de）不斷發展，尤（yóu）其各種智能元件的微型化、自（zì）主化（huà），使（shǐ）得工件、刀具甚至機床的（de）各工作模塊作為智能體存在（zài）成為可能。在未來的製造過程中，工件可以作為施令方來（lái）根據自（zì）身特點和加工目標確定工（gōng）藝流程、選擇和控製工裝夾（jiá）具，直至完成對自身的質（zhì）量檢測；刀具可以根據工藝要求（qiú）“毛遂自薦”，與機床、工件進行“多向選擇”，可以根據工況條（tiáo）件調整加工參數，並（bìng）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（kě）以互相協調統籌，既能（néng）夠向中央控製（zhì）係統提供自己（jǐ）的使（shǐ）用特點（diǎn）和應用方向，也可（kě）以對係統下達的組合（hé）方案（àn）和調配指令提出整改或（huò）優化意見（jiàn）。由於（yú）各級智能體的存在，金屬（shǔ）切削過程將由現在的自上而下形式轉變為自下而（ér）上形式，各生產製造要素得到（dào）充分（fèn）調動，生產效率進一（yī）步提（tí）高。
 

      2、開放式製造模式
 

     多年以來，我國的機床（尤（yóu）其是高端（duān）機（jī）床）進口量和（hé）持有量均“高居世界第（dì）一”，然而這些機床（chuáng）的生產效能並未得（dé）到充分發揮，平均利（lì）用率遠低於世（shì）界主要（yào）工業國家。這其中有管理的原因，也有生產製造模式的原（yuán）因，許（xǔ）多（duō）企業雖然建成了企業層級（jí）生產製造網絡（luò），但終究是各自為戰，機床資源（yuán）沒（méi）有得到充分利用，而許多好（hǎo）的產（chǎn）品設計製造思想又（yòu）由於（yú）資（zī）源匱乏而擱置、放棄。
 

     這個問題不（bú）僅（jǐn）存在於中國，在世界範圍內也越來越受到重視。美國國防先進（jìn）研究規劃局 （DARPA）由此提出了開放（fàng）式製造的思（sī）想，即充分利用社會製造資源（yuán），降低生產成本，縮短開發周期，使（shǐ）好的創意盡快（kuài）轉化為現實。
 

     而機床企業能夠做的，就（jiù）是沿著這一“世界（jiè）大同”的發展思路，運用（yòng）日益成熟可靠的雲計算技術（shù），賦予機床“雲端製造”的（de）能力。這不但要求企業具有良好的信息化基礎，也需（xū）要攻克許多技術難關，例如知識的製造資源雲（yún）端化，製造雲管理引擎、雲製造應用協同、雲可視化等技術都是未來需要攻克的重要基礎技術。 

        結束（shù）語 
 

     金屬切削機床的智能化，將使得（dé）多品（pǐn）種、小批量（liàng）、定製式的智能化協同製造成為企（qǐ）業的主要生產製造模式（shì），在我國由製造大國向製造強（qiáng）國邁進的過程中起著重要的基礎支（zhī）撐作（zuò）用。

     智能機床相關技術已有部（bù）分實現了商品（pǐn）化，但是仍存在技術難點（diǎn）需要解決，例如知識庫與專家係統（tǒng）的創建、多學科信息（xī）融合與處理技術以及智能化標準體係的建立等，需要結（jié）合我國數控裝備的特點和需要，通過產學研（yán）結合（hé）的創新平台，加強基礎研究，促進成（chéng）果轉（zhuǎn）化，從而充分（fèn）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。