金屬切（qiē）削機（jī）床是現代製造（zào）業的關鍵設備，其產量和技（jì）術水平在某種（zhǒng）程度上代表了一個國家的製造業水平和競爭力。中國製造業正在實現由製造大國向製造強國的曆史（shǐ）性跨越（yuè），由此（cǐ）引發的（de）產業升（shēng）級必將引領中國機加工行業從低（dī）端向高端製造轉型。而當前存在的機（jī）床生產效率偏低，人員成本持續升高以及機（jī）加工工（gōng）藝水平有限等一係列問題，正成為嚴重製約金屬切削行（háng）業實現產業升級的瓶頸。智能金屬切削技術所具有（yǒu）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（shù）難題，平衡效率、成本和質量三者之間的關係，為金屬切（qiē）削機床的製造和應用提供新的（de）發展模式和發展方向。 

      智能金屬切削技術的定義（yì）
 
 

     從20世紀50年代以來，機械製（zhì）造技術（shù）開始進（jìn）入現代製造技（jì）術時代，並經曆了4個（gè）主要發展階段，包括實現機械加工過程（chéng）自動化的直接數控（DNC）技術、實（shí）現在線過程調度與規（guī）劃（huá）的柔性（xìng）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（suàn）機集成製造係統（CIMS）和當前（qián）正在成為研（yán）究熱點的智能製造係統（IMS）和智能製造技術（IMT）。IMS/IMT主要解決製（zhì）造知識和（hé）經驗的形式化描述（shù），研究不（bú）確定性和不完全信息下的製（zhì）造（zào）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（zhì）性（xìng）。也就是說，DNC和FMS主要用（yòng）來替代人的體力勞動，CIMS強調物流和信息流的（de）集成，而（ér）IMS/IMT則更注重（chóng）製造係統的自組織、自學習（xí）、自適（shì）應能力 。
 

     智（zhì）能製造技術作為（wéi）先進製造技術與數字化技術相結合的（de）產物（wù），其本質是將計算模型、仿真工具和科學實驗應用於製造裝備、製造過（guò）程（chéng）和製造係統的定量描述與分析，通過對製造全過（guò）程（chéng）中的複雜物理現象和信息演變過程進行定量計算、模擬與控製，結合科學實驗（yàn），揭示製造活動乃至（zhì）產品全生命周（zhōu）期過程中（zhōng）的科學規律，提高（gāo）製造裝備的自律性和適應性，實現（xiàn）對製造過程和產品性能的預測和有效控製，增強製造係統的可維護性（xìng）和製造信息的可重用性，促使製造活動由部分定量、經驗的試湊模式向全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。智能製造強調信息集成與知識融合、製造係統與製造過（guò）程之間協（xié）同、虛擬仿真和數字加工（gōng）軟硬件技術並重，更（gèng）多關注數字建模（mó）、數字（zì）加工等底層技術以（yǐ）及製造過程中物理因素對產品質量的影響機（jī）理和（hé）高速、高精度數字（zì）加工裝備的實現 。
 

     金屬切削機床是智能化製造的主要組成單（dān）元，其本身也是一個複（fù）雜的機電一體化係統。當前，在全球化競（jìng）爭的背景下，高、精、尖裝備的生產不斷向（xiàng）金屬切削機床的極限能效提出新的挑戰（zhàn），亟需綜（zōng）合運用信息與計算技術、多學科聯合仿（fǎng）真方法和科學實驗手（shǒu）段，通過對切削（xuē）過程中的複雜物理行為的數字化建模、仿真和優化，實現對加工過程的（de）定量主動控（kòng）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（zhì）造技術在機床上的應用來取代人（rén）的部分腦（nǎo）力勞動，通過自主監控和決（jué）策來控製加工質量。歐（ōu）美等發達國（guó）家也通過製（zhì）定（dìng）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）能製造技術（shù）應用於金屬切削（xuē）機床，在加工設備與加工過程之間建立協同關係，為實現生產製造更高層次的智能化奠定基（jī）礎，是國（guó）家科技戰略的重要（yào）發展方向之一。 

     金屬切（qiē）削機床的智（zhì）能化技術
 
 

     目前，對智能機床尚無規範完整的定義。美國的SMPI計（jì）劃給出了智能（néng）機（jī）床的基本特征，主要包括：（1）知曉自身的加工（gōng）能（néng）力和（hé）工作條件；（2）能夠自動監測和優化自身的運行（háng）狀態；（3）可以測量和判斷產品加工質量；（4）具備（bèi）自學習與自適應能（néng）力；（5）機器之間能夠無（wú）障礙地進行交流。
 

     與（yǔ）普通數控機床或加工中心的主要區別在（zài）於，智能化的金屬切削機床除了具有（yǒu）數控加工功能外，還具有感知、推理、決策、學習（xí）等智能（néng）功能，具體體現在以下（xià）幾個方麵。
 

      1、 工（gōng）序集成與模塊化加工
 

     工序集（jí）成化通常也稱為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有工序。例如，德國INDEX公司的車（chē）銑（xǐ）複合加工中心就能夠完成車削、銑削、鑽削、滾齒（chǐ）、磨削、激光熱處（chù）理等許多工序，完成複雜零（líng）件（jiàn）的（de）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（wú）需複雜（zá）的計劃係統就能夠（gòu）迅速解決所發生的事情並使之優化。工件越複雜，它相對傳統工序分散（sàn）的生產方法的優（yōu）勢就（jiù）越明顯（xiǎn） 。
 

     在如上所說（shuō）的工序集成過程中，采用（yòng）了不同的加工模（mó）塊進行合理（lǐ）調配；在實際的生（shēng）產製造中，為滿足柔性化製造要求，不但需要即插即用的智能工作單（dān）元，同時（shí）也（yě）需要模塊化製造技術來統（tǒng）籌安排加工（gōng）方案（àn）和加工過（guò）程。模塊化製造有2個（gè）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（jià）和使用單元組合方案的決（jué）策係統 ，尤其需要考慮（lǜ）避免工藝冗餘和坐標（biāo）幹涉的問題（tí）。瑞典Modig公司的柔性製造係統（TransFlex System），采取倒置式龍門（mén）配置，可以很方（fāng）便地以串聯或並聯的方式，加上物流係統（tǒng）及裝（zhuāng）卸機械手組成自（zì）動生產線或無人化加工車間，將高效（xiào）率的大批量生產和柔性製造結合（hé）起來。德國DS-Technologie公司按照飛機結構件加（jiā）工工藝的（de）特點，獨（dú）創性地推出采用並聯運動機構的Sprint Z3型動力頭（如圖1），並充分利（lì）用其可重構特點，開發了Ecospeed係列加工中（zhōng）心，兼顧了加工（gōng）空間（jiān）和（hé）加工效率的要求，已在航空製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（tuō）盤（pán）管（guǎn）理模塊，和傳統的托盤交換模塊不同之處在（zài）於，新的模（mó）塊（kuài）包（bāo）含智能化（huà）且獨（dú）立（lì）於機床控製係統（tǒng）以外的專用控製係統，操作員可以把（bǎ）不同工（gōng）件混編在一起（qǐ），並且可以在線更改、增刪（shān）工件的加工內容和排序，而不影響機床加工過程（chéng），如圖1所示。

      2 、監（jiān）控決（jué）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（zhù）各種傳感（gǎn）器、聲頻和視頻係統對加工過程中的力、振動、噪聲、溫度（dù）、工件（jiàn）表麵質量等進行實時監測 ，進而通（tōng）過（guò）預先建立的係統性能參數庫或知識（shí）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（hù），保障加工質（zhì）量，減少停工時間。
 

     瑞士Mikron公司配置智能加工係統的Mikron HSM係列高速銑（xǐ）削加（jiā）工中心（如圖（tú）2）可選用加工過程監控模塊，以便用戶能夠觀察銑削過程（chéng）是否正常。通過（guò）電主軸殼體中前端軸承附近安裝的加速度傳感（gǎn）器，使銑削過（guò）程中產生的振動（dòng）可以加速度“g載荷”值的形式顯示，振動大小在0~10g範圍（wéi）內分為10級，並可預測在該振動級主軸部（bù）件的工作壽命，操作員可（kě）根據振動級別采取不同處理措施。
 

     此外，該公司（sī）開發（fā）的ITC智能熱補償係統，采用溫度傳感器實現對主（zhǔ）軸切削端溫（wēn）度變化的實時（shí）監控，並將這些溫度變化（huà）反應至數控係統，數控係統中內置了（le）熱補償經驗值的智能熱控製（zhì）模塊，可以根據溫度變化自動調整刀尖位（wèi）置，避免Z方向的嚴重漂移 。
 

     Fischer公司推出具有軸向位移補償的電主（zhǔ）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（cè）由（yóu）溫升引起的熱變形和機械力造成的軸向位（wèi）移，數據經過處理並輸入數（shù）控係統後（hòu），就可以進（jìn）行相應的補償，提高工作台的移動精度 。
 

     近年來，各數控係（xì）統製造商（如SIEMENS、FANUC等）推出的係統都具有較好的刀具監控功（gōng）能，如在西門子SINUMERIK810/840D係統內就可以集成以（yǐ）色列OMAT公（gōng）司的ACM自適應監控係統，能夠（gòu）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（dāo）具磨損量（liàng）等（děng）加工參數，並輸出數據至（zhì）Windows用（yòng）戶（hù）圖形界麵。GE fanuc智能平（píng）台公司Proficy MTE設備效率監控與分析（xī）軟（ruǎn）件，可將工廠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）過任何方式訪問（wèn）的虛（xū）擬工廠，可根據用戶需要生成相應的數據圖（tú）表。同時，係統可根據設備使用情況預（yù）測維護時（shí）間點（diǎn），製訂維護計劃，並通過（guò）遠程診（zhěn）斷工具延長機床平均故障工作時間，縮短維護時間（jiān） 。
 

      3 、信息化和（hé）網絡化
 

     對於現（xiàn）代製造工廠來（lái）說，除了要（yào）提（tí）高機床的智能化水平（píng），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（céng）之間及底層與上層之間通信暢通無阻，從而（ér）充分發揮智能機床的製造能力和特點。而對（duì）計算機、手機、平板電（diàn）腦（nǎo）、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（xíng）、視像和文本的通（tōng）信功能。設（shè）備還可（kě）通過與生產計劃調度聯網，實時反映機床（chuáng）工作狀態（tài）和加工進度。操作者在授權後可在各類終（zhōng）端上觀察加工過（guò）程（chéng）及故障報警，並進行在線處理。
 

     日本（běn）Mazak公司生產（chǎn）的車銑複合加工機床，不僅能（néng）夠進行零件的複合加工，在一台機床上完（wán）成全部（bù）加工工（gōng）序，還可通過（guò）配置信息塔（e-Tower）設備，通過不同終端實（shí）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係統可以安（ān）排（pái）一周的加工（gōng）任務，並發送到信息塔。信息塔（tǎ）向操作者發出（chū）指令，並在屏幕上顯示機（jī）床（chuáng）的實時工作狀態。操作（zuò）者可以按照作業計劃下載零件的數控程序，按照（zhào）屏幕指示進行模擬仿真，無（wú）誤後進行加工，並將機床狀態和任（rèn）務完成情況報告給有關人員 。
 
 

      智能切削技術的發展（zhǎn）趨勢
 
 

     目前，應用於金屬切削機床上的智能化技術主（zhǔ）要是由數字化製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製器中，通過采用針對性的控製算法，對加工軌跡進行在線補償（cháng），從而（ér）有（yǒu）效提高加工（gōng）精度、表麵質量和加工效率（lǜ）；通過工序智能集成（chéng）和模塊化（huà）加工方式縮短加工流（liú）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。隨著物聯網和雲計算技術的不斷成（chéng）熟，未來的智（zhì）能機床將（jiāng）呈現以下形式。
 

     1 、基於智能體的製造（zào）技術
 

     當前的金屬切（qiē）削加工中，智能化技術主（zhǔ）要集中應用於機床這個加工體上，工件、刀具等仍然處於（yú）被加工、被（bèi）操作地位，物聯網（wǎng）技術的不斷發（fā）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（gōng）作模塊作為智能體存在成為可能。在未來的製造過程中，工件可以作為施令方來（lái）根據自身特點和加工目標確定工藝流（liú）程、選（xuǎn）擇和控製工裝夾具，直至完成對自身（shēn）的質量檢測；刀具可（kě）以根據工藝要求“毛遂（suí）自（zì）薦”，與機床、工件進行（háng）“多向選擇”，可以根據工況（kuàng）條件調整加工參（cān）數，並根據日常（cháng）使用情況預測自身的使用（yòng）壽命；在模塊化加工方式（shì）中，各模塊之間可以互相協調統籌，既能夠向中央控製係統提供（gòng）自己的使用特點和應用方（fāng）向（xiàng），也可以對（duì）係統下達的組（zǔ）合方案和調配（pèi）指令提出（chū）整改或優化意見（jiàn）。由於（yú）各級智能體的存在，金屬切削過程將由現在的（de）自上而下形（xíng）式轉變為自下而上形式，各生產製造要素得到充分調動，生產效率（lǜ）進一步提高。
 

      2、開放式製造模式
 

     多年以來，我（wǒ）國（guó）的機床（尤（yóu）其是高端機床）進口量（liàng）和（hé）持有量均“高居（jū）世界第一”，然而（ér）這些機床的（de）生產效能並（bìng）未得（dé）到充分（fèn）發揮，平均（jun1）利用率遠低於世界主要（yào）工（gōng）業國家。這其中有管理的原因（yīn），也有生產製造模式的（de）原（yuán）因，許多企業雖然建成了企業層級（jí）生產製造網絡，但終究是各自為戰，機床資源沒有得到充（chōng）分利用，而許多好的產（chǎn）品設計製造思想（xiǎng）又由（yóu）於資源匱乏而擱置（zhì）、放棄。
 

     這個問題不僅存在於（yú）中國，在世界範圍內也（yě）越來越受到重視。美國國防先進研究（jiū）規劃局（jú） （DARPA）由此提出了開放式製造（zào）的思（sī）想，即充分利用社會製造資源，降低生產成本（běn），縮短開發（fā）周（zhōu）期（qī），使好的（de）創意盡快轉化為現實。
 

     而機床企業能夠做的，就是沿著這一（yī）“世界大同”的發展思路，運用日益成（chéng）熟可靠的雲計算技術，賦予機床“雲端製造”的能力。這不（bú）但要求企業具有良好的信（xìn）息化（huà）基（jī）礎，也需要攻克許多技術難關，例如知識的（de）製造資源雲端化，製造雲管理引擎、雲製造（zào）應用協同、雲可視化（huà）等技術都是未（wèi）來需要攻克的（de）重要基礎技術。 

        結（jié）束語 
 

     金屬（shǔ）切削機床的智能化，將使得多品種、小批量、定製式的智能化協（xié）同製造成為企（qǐ）業的主要生產製（zhì）造模式（shì），在我國由製造大國向製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（xiàng）關技術已有部分實（shí）現了商（shāng）品化，但是仍存在技術難點需要解決，例如知識庫與（yǔ）專家係統的創建、多學科信息融合與處理技術以及智能化（huà）標準體係（xì）的建立等，需（xū）要結合我（wǒ）國數控裝備的特（tè）點和需要，通過產學研結合的創新平台，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（xuē）機床以及智（zhì）能加工技術的快速向前發（fā）展。