方 輝， 許 斌

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

20世紀(jì)初出現(xiàn)的以流水線為代表的大批量生產(chǎn)模式創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富，提高了人們的生活水平，豐富了生活內(nèi)容。但是，由于大批量生產(chǎn)模式的高剛性，不僅使生產(chǎn)組織方式，甚至科學(xué)探索、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品應(yīng)用的轉(zhuǎn)化擴(kuò)散都受到較強(qiáng)的制約，難以為社會(huì)提供多樣化、個(gè)性化、低成本的產(chǎn)品和服務(wù)，同時(shí)帶來了資源能源的高消耗、環(huán)境代價(jià)高昂、不同國家社會(huì)的發(fā)展鴻溝擴(kuò)大等問題。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代以后，大批量生產(chǎn)模式逐步向多品種、中小批量生產(chǎn)模式過渡。進(jìn)入21世紀(jì)，由于信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，人們對個(gè)性化產(chǎn)品的需求迅速增長，按照用戶的需要進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)、制造，逐漸成為市場對生產(chǎn)體系的基本要求。著眼于個(gè)性化服務(wù)的定制生產(chǎn)，成為從日常消費(fèi)品到復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的典型生產(chǎn)模式。這樣的外部條件，對包括數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備的智能化提出了更高的要求。目前的數(shù)控技術(shù)與設(shè)備在適應(yīng)和滿足個(gè)性化制造等方面仍然有巨大的提升空間，機(jī)床智能化發(fā)展存在強(qiáng)烈的內(nèi)在動(dòng)力[1-2]。

機(jī)床智能化的體現(xiàn)

加工過程、使用操作和加工能力的智能化，是機(jī)床智能化的具體體現(xiàn)。

（1）加工過程的智能化。以金屬切削為代表的數(shù)控機(jī)床加工過程的智能化具體體現(xiàn)在：通過力、功率、扭矩、速度、加速度、振動(dòng)、聲、光、電等多傳感器綜合優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)對加工過程中多物理量的識別、監(jiān)測，并分析上述物理量及其復(fù)雜耦合對機(jī)床關(guān)鍵部件、整機(jī)和工件所產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的影響，通過高可靠性高速工業(yè)信息與通訊系統(tǒng)，適時(shí)調(diào)整加工狀態(tài)或工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)精度條件下的高效、低耗個(gè)性化制造[3-4]。

以溫度傳感與監(jiān)控為例，德馬吉森精機(jī)公司推出的DIXI 210龍門五軸加工中心在主軸、滾珠絲杠、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、變速箱等多處設(shè)置了高通量冷卻裝置，所設(shè)的熱量控制點(diǎn)由傳感系統(tǒng)采集和傳輸數(shù)據(jù)，一旦超過設(shè)定溫度范圍即啟動(dòng)控溫程序。通過這類措施及采用高性能傳動(dòng)部件，使機(jī)床的精度顯著提高，各軸定位精度達(dá)到 4μm[5]。

隨著機(jī)床智能化程度的不斷深化和擴(kuò)展，越來越多的機(jī)床添加了故障診斷、溫控、防碰撞、空間插補(bǔ)、振動(dòng)控制、刀具視覺檢測[6-7]等智能模塊或子系統(tǒng)，特別是故障診斷與修復(fù)技術(shù)，不僅保障了智能機(jī)床的高效、高可靠運(yùn)行，提升了機(jī)床維護(hù)的智能化水平，也為包括機(jī)床在內(nèi)的制造系統(tǒng)的連續(xù)工作創(chuàng)造了有利的技術(shù)條件[8-10]。上述技術(shù)的互相協(xié)調(diào)與綜合運(yùn)用，為機(jī)床的綜合智能集成奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）操作與管理的智能化。數(shù)控機(jī)床是高度專業(yè)化的生產(chǎn)設(shè)備，但目前的數(shù)控機(jī)床及其配套技術(shù)在很大程度上存在操作技術(shù)難度大、系統(tǒng)兼容性和可移植性差、維護(hù)成本高、難以協(xié)同管理等問題。機(jī)床智能化的關(guān)鍵內(nèi)容，就是提高機(jī)床操作、管理的智能化水平，降低機(jī)床操作、管理的技術(shù)門檻和時(shí)間成本，使機(jī)床使用者能夠?qū)⒅饕Ψ旁诟玫乩斫庥脩粜枨笊?，從而進(jìn)行更高質(zhì)量的設(shè)計(jì)和優(yōu)化制造，更好地滿足用戶對產(chǎn)品的個(gè)性化需求。

智能機(jī)床不僅注重為使用者提供智能化的人機(jī)交互系統(tǒng)，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取、挖掘、分析和運(yùn)用能力，例如，通過基于大數(shù)據(jù)的信息物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人與機(jī)床、機(jī)床與機(jī)床、機(jī)床與生產(chǎn)體系其他環(huán)節(jié)的信息共享與協(xié)調(diào)運(yùn)行；利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)和設(shè)備與機(jī)床狀態(tài)信息的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)機(jī)床遠(yuǎn)程操作與管理，在提高機(jī)床使用效率的同時(shí)，降低機(jī)床采購、維護(hù)、升級和管理成本[11-12]；采用開放性的數(shù)控軟件，通過邏輯控制器的高可靠實(shí)時(shí)聯(lián)接，使其與傳統(tǒng)意義上的數(shù)控系統(tǒng)逐步融合，降低各類數(shù)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)運(yùn)用障礙，同時(shí)，通過開源硬件和開源軟件構(gòu)建低成本、高智能、高可靠性的可重構(gòu)軟硬件體系，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)控機(jī)床開發(fā)者、使用者的融合。

圖1 機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的融合發(fā)展Fig.1 Development of integration of robot and CNC machine tool

圖2 一次裝夾實(shí)現(xiàn)齒輪全套加工的車銑加工中心Fig.2 Gear machining in one clamping by a milling machining center

當(dāng)前出現(xiàn)的機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床融合發(fā)展（如圖1所示）的趨勢，就是機(jī)床操作與管理智能化發(fā)展的具體體現(xiàn)。

（3）加工能力的智能化。加工能力的智能化不僅包括一般意義上的加工過程智能化和使用操作智能化，還包含了數(shù)控機(jī)床的集成、復(fù)合、高速、高效、高精、柔性、綠色等諸多內(nèi)涵[13-14]。例如，加工效率是困擾齒輪制造企業(yè)的難題，將滾齒與磨齒相結(jié)合，或者銑齒和磨齒相結(jié)合，制造面向粗精加工一體的智能化齒輪加工機(jī)床（如圖2所示），將極大地提高齒輪加工的效率和精度。

具備加工能力智能化水平的數(shù)控機(jī)床，是已經(jīng)發(fā)展進(jìn)化到可針對具體加工任務(wù)選擇加工方式和加工工具輔具，并自行進(jìn)行工藝規(guī)劃和決策，進(jìn)行柔性、高效和綠色加工的智能化制造系統(tǒng)。它能夠?qū)λ庸すぜ牟牧咸匦?、結(jié)構(gòu)特征、工藝參數(shù)、加工程序、加工過程及相關(guān)各類物理量進(jìn)行記錄，建立各型各類加工對象參數(shù)庫，積累相應(yīng)的加工經(jīng)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)使機(jī)床具備學(xué)習(xí)能力[15]，并且隨著使役期的逐步提高為各類工件加工提供高效、經(jīng)濟(jì)和綠色的加工解決方案。同時(shí)，智能機(jī)床具備對機(jī)床本體、刀具、控制系統(tǒng)等的智能故障診斷與自修復(fù)能力，是智能機(jī)床的核心能力，也是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[8-10,16-17]。

智能機(jī)床的發(fā)展，不是哪一類單項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，而是各項(xiàng)技術(shù)綜合集成運(yùn)用的結(jié)果[18]。制造技術(shù)從來都是對科學(xué)探索、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用最敏感的領(lǐng)域，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為包括智能機(jī)床在內(nèi)的制造技術(shù)與裝備的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。

機(jī)床智能化的支撐條件

從1845年美國的菲奇發(fā)明轉(zhuǎn)塔車床，到1952年出現(xiàn)數(shù)控機(jī)床，時(shí)至今日，機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的外部環(huán)境已發(fā)生了巨大變化，信息、控制、材料甚至生物、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)和支撐技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)床設(shè)計(jì)制造行業(yè)不斷吸收科學(xué)探索、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用的最新成果，實(shí)現(xiàn)機(jī)床產(chǎn)品的智能化，創(chuàng)造了前所未有的良好環(huán)境。

（1）傳感、測試與控制理論、技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展。不論是機(jī)床的熱誤差檢測與控制、空間插補(bǔ)與誤差補(bǔ)償，還是機(jī)床與工件在位檢測、遠(yuǎn)程監(jiān)控，都離不開傳感、測試、控制理論技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展。以溫度傳感為例，鉑電阻溫度傳感器精度可達(dá)±0.01℃，已遠(yuǎn)高于常用數(shù)控機(jī)床所需要的溫度檢測需要。虛擬儀器、仿真測試、優(yōu)化控制算法等領(lǐng)域的發(fā)展也日新月異[19-20]，為智能機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展提供了基本技術(shù)條件。

（2）計(jì)算機(jī)、信息與人工智能理論與技術(shù)的發(fā)展。從工藝數(shù)據(jù)庫與知識庫到開放式數(shù)控系統(tǒng)，從三維建模到計(jì)算機(jī)輔助工程分析，從刀具缺陷識別到機(jī)床本體的實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷，都離不開計(jì)算機(jī)、信息與人工智能理論與技術(shù)的支持[21]。以工藝知識的獲取和學(xué)習(xí)為例，只有利用計(jì)算機(jī)、信息與人工智能理論與技術(shù)，采用智能化方法對工藝過程進(jìn)行存儲(chǔ)、對比和學(xué)習(xí)，才有可能實(shí)現(xiàn)針對特定工藝的智能決策[22]。計(jì)算機(jī)、信息與人工智能理論、技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展，為智能機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展創(chuàng)造了使能技術(shù)條件。

（3）多領(lǐng)域科學(xué)、技術(shù)、產(chǎn)品的相互支撐與協(xié)同發(fā)展。高端數(shù)控機(jī)床是機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、控制、軟件、通訊、材料等多學(xué)科綜合交叉集成的高技術(shù)產(chǎn)品，但是，以工程科學(xué)技術(shù)為主的學(xué)科集成已無法滿足智能機(jī)床發(fā)展完善的需要。例如，基于數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的智能工藝規(guī)劃，需要數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、腦科學(xué)甚至心理學(xué)的交叉與融合；智能人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，離不開自然語言辨識與理解的支持，而這一領(lǐng)域包含廣泛的社會(huì)學(xué)內(nèi)容。在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展條件下，已經(jīng)沒有任何學(xué)科領(lǐng)域可以拋開其他領(lǐng)域而獨(dú)自發(fā)展了，學(xué)科交叉不僅是一個(gè)領(lǐng)域獲得發(fā)展的內(nèi)在要求，也是任何一個(gè)領(lǐng)域所不得不面對的客觀環(huán)境。多領(lǐng)域科學(xué)、技術(shù)、產(chǎn)品的相互支撐與協(xié)同發(fā)展，為智能機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展創(chuàng)造了協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境。

智能機(jī)床對航空工業(yè)的支撐作用

數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生就是直接為航空工業(yè)服務(wù)的。1948年，美國Parsons公司因?yàn)檎莆樟耸褂糜?jì)算機(jī)進(jìn)行飛機(jī)槳葉形狀三維插值的技術(shù)，獲得了一項(xiàng)來自美國空軍的訂單，制造軍用飛機(jī)的變截面機(jī)翼；麻省理工學(xué)院作為該訂單的二次承包單位，負(fù)責(zé)相應(yīng)的伺服系統(tǒng)的開發(fā)，并在1952年開發(fā)出了可靠的伺服控制系統(tǒng)，將其用在銑床上——世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床就這樣誕生了。從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生到現(xiàn)在的60余年間，數(shù)控機(jī)床逐步成為包括航空工業(yè)在內(nèi)的制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備。隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床所面對的加工對象不僅材料特性日益復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜化和大型化（如大型異形件的整體一次加工等）。面對這樣的環(huán)境與需求，機(jī)床設(shè)計(jì)制造企業(yè)紛紛通過提升機(jī)床的智能化水平、提高機(jī)床專業(yè)化程度和提供復(fù)合化加工能力，來滿足航空工業(yè)對數(shù)控機(jī)床的要求。

（1）隨著民用航空器向大型化、輕量化方向發(fā)展，航空工業(yè)中越來越多地采用鈦合金、復(fù)合材料，并且對于鋁合金等常規(guī)材料的加工（如大型薄壁件的加工）也提出了諸如超大曲面結(jié)構(gòu)、小形變等極高的加工要求。達(dá)到這樣的加工要求，必須對加工過程狀態(tài)參數(shù)及時(shí)獲取、反饋和調(diào)整，使加工過程中工件的力、熱、變形均得到有效控制，否則可能會(huì)因個(gè)別加工參數(shù)的偏離而造成巨大浪費(fèi)。增強(qiáng)數(shù)控加工過程、操作管理和加工能力的智能化水平，是解決航空用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效高質(zhì)量加工的有效途徑。例如，日本馬扎克公司開發(fā)了新一代具有人機(jī)對話式編程方式的智能化、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)MAZATROL，實(shí)現(xiàn)了CNC和PC的雙向通訊；國內(nèi)沈陽機(jī)床的i5系統(tǒng)將工業(yè)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化高度融合，不僅提升機(jī)床單機(jī)的智能化水平，而且為云制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，這與高端航空業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)全球化布局的特征是高度契合的。

（2）航空工業(yè)是高度專業(yè)化的領(lǐng)域，通用設(shè)備往往難以滿足其制造需求，需要根據(jù)具體的加工需求定制特定功能和性能的機(jī)床。以飛機(jī)蒙皮加工為例：蒙皮是飛機(jī)外表面受力構(gòu)件，外形復(fù)雜，由于飛機(jī)減重設(shè)計(jì)使蒙皮存在大量下陷面，最薄處厚度僅約1mm，是典型的航空用復(fù)雜曲面薄壁零件，其數(shù)控加工是制造領(lǐng)域的難題。通常蒙皮是先經(jīng)過拉伸或滾彎成形，再采用化銑工藝進(jìn)行后續(xù)加工，存在化學(xué)污染嚴(yán)重、耗電量大、鋁材消耗率高等問題[23]。針對上述問題，一些企業(yè)提出鏡像頂撐銑削技術(shù)，并研制了相應(yīng)的數(shù)控加工系統(tǒng)。鏡像頂撐銑削系統(tǒng) MMS（mirror milling system，如圖3所示）專門用于飛機(jī)蒙皮的數(shù)控加工，如法國的Dufieux公司及西班牙MTorres公司。蒙皮鏡像頂撐銑削系統(tǒng)由兩臺(tái)五坐標(biāo)機(jī)床組成，其中一臺(tái)五坐標(biāo)銑床用于正面加工蒙皮工件，另一臺(tái)五坐標(biāo)機(jī)床主軸則安裝頂撐裝置，與用于加工的五軸銑床刀具做同步鏡像頂撐運(yùn)動(dòng)，保證了工件加工部位的剛性支撐，有效防止了加工過程中的振顫，適用于不同尺寸蒙皮的精密銑削；同時(shí)，采取真空吸附裝夾，并將切邊、鉆孔及精密加工功能集成，消除了重復(fù)裝夾對工件精度的影響。類似這樣的專用高端數(shù)控裝備必將日益智能化，為航空工業(yè)提供更多更好的加工技術(shù)裝備支持。

（3）增材制造設(shè)備被稱為金屬切削機(jī)床、成形機(jī)床之外的第三類機(jī)床，從工作原理的角度而言，增材制造是完全符合個(gè)性化產(chǎn)品定制要求的制造技術(shù)；同時(shí)，由于材料損耗率極低，某些增材制造工藝原理上甚至沒有材料損耗，因此具有綠色制造的典型特征[24]；增材制造設(shè)備還具有操作簡便，易于通過開源軟硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)等優(yōu)勢[25]?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，增材制造技術(shù)及設(shè)備受到了全球制造業(yè)的廣泛關(guān)注。目前由于受到材料、工藝等方面的制約，增材制造技術(shù)及設(shè)備尚未在諸如航空工業(yè)這樣高端工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但其技術(shù)特征是完全符合航空工業(yè)的基本要求的，在2015年10月意大利米蘭舉辦的歐洲國際機(jī)床展覽會(huì)上，專門設(shè)立了增材制造專區(qū)，共有11家企業(yè)展示了增材制造技術(shù)和產(chǎn)品。其中，來自德國的ConceptLaser公司展示了利用金屬激光熔覆這一增材制造技術(shù)所生產(chǎn)出來的飛機(jī)零件（如圖4所示），能夠兼顧零件力學(xué)要求與輕量化設(shè)計(jì)要求。在適當(dāng)提高材料性能，解決材料、設(shè)備、加工精度和加工效率[26]的綜合經(jīng)濟(jì)性等問題后，激光熔覆增材制造技術(shù)將在航空制造領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的潛力。另外，增材制造與金屬切削的復(fù)合加工技術(shù)與設(shè)備，也將為航空工業(yè)提供更有效的加工手段。

圖3 鏡像頂撐銑削系統(tǒng)Fig.3 Mirror milling system

圖4 ConceptLaser增材制造設(shè)備及所加工的零件Fig.4 ConceptLaser additive manufacturing equipment and the manufactured part

結(jié)束語

智能機(jī)床是數(shù)控機(jī)床的高級表現(xiàn)形式，具體體現(xiàn)在加工過程、操作與管理、加工能力的智能化，而現(xiàn)代傳感、測試、控制、計(jì)算機(jī)、信息、人工智能理論與技術(shù)的發(fā)展，多領(lǐng)域科學(xué)、技術(shù)、產(chǎn)品的相互支撐與交叉融合，為智能機(jī)床的發(fā)展創(chuàng)造了協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境。以智能化為目標(biāo)的先進(jìn)數(shù)控技術(shù)和高端數(shù)控機(jī)床是充滿創(chuàng)新潛力和市場機(jī)遇的領(lǐng)域，但也存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。我國在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但機(jī)床產(chǎn)業(yè)水平不僅是經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和基礎(chǔ)工業(yè)能力的綜合體現(xiàn)，也需要執(zhí)著的工匠精神作為支撐。只要認(rèn)清差距，找準(zhǔn)切入點(diǎn)，堅(jiān)持科學(xué)探索、技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品應(yīng)用的緊密結(jié)合，以為用戶提供滿意的機(jī)床裝備為目標(biāo)，保持對新技術(shù)及其應(yīng)用的敏感性，就一定能夠使我國的機(jī)床產(chǎn)業(yè)像其他領(lǐng)域一樣，逐步實(shí)現(xiàn)對世界先進(jìn)水平的趕超。

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