智能化机床：制造业的未来方向

1）智能机床的概述

智能机床，是对影响制造过程的多种参数及功能做出判断并自我做出正确选择决定方案的机床。智能机床了解制造的整个过程，能够监控、诊断和修正在生产过程中出现的各类偏差。并且能为生产的最优化提供方案。此外，还能计算出所使用的切削刀具、主轴、轴承和导轨的剩余寿命，让使用者清楚其剩余使用时间和替换时间。

美国的智能机床启动平台（SMPI）认为，智能机床至少应具备以下特征：知晓自身的加工能力/条件，并且能与操作人员交流、共享这些信息；能够自动检测和优化自身的运行状况；可以评定产品/输出的质量；具备自学习与提高的能力；符合通用的标准，机器之间能够无障碍地进行交流。

日本的Mazak公司认为，机床自身可以替代操作人员的经验技术或感官支持加工过程，减轻操作人员的负担，实现机床的机器人化，从制造零件的机械到制造零件的机器人，这就是具有智能化功能的机床。

现代的制造业，面临产品多样化、更新换代加速、老龄化社会等多种多样的问题。通过机床的智能化，使机床自身具备可替代高度熟练技能者的智能化功能，减轻操作人员的负担，以弥补不足。智能机床与喷涂数控机床或加工中心的主要区别：智能机床处理具有数控加工功能外，还具有感知、推理、决策、学习等智能功能。为了实现上述功能，需要对材料去除过程和工艺系统性能进行客观、科学的理解和表述。就机床本身来说，主要集中于机床性能描述及表征、加工过程优化与控制以及机床运行状态监测三方面，其核心问题在于开发系统动力学以及全局优化的工具和方法。

智能机床的出现，为未来装备制造业实现全盘生产自动化创造了条件。首先，通过自动抑制振动、减少热变形、防止干涉、自动调节润滑油量、减少噪声等，可提高机床的加工精度、效率。其次，对于进一步发展集成制造系统来说，单个机床自动化水平提高后，可以大大减少人在管理机床方面的工作量。人能有更多的精力和时间来解决机床以外的复杂问题，能更进一步发展智能机床和智能系统。最后，数控系统的开发创新，对于机床智能化起到了极其重大的作用。它能够收容大量信息，对各种信息进行储存、分析、处理、判断、调节、优化、控制。它还具有重要功能，如工夹具数据库、对话型编程、刀具路径检验、工序加工时间分析、开工时间状况解析、实际加工负荷监视、加工导航、调节、优化，以及适应控制。

2）智能机床的发展

早在20世纪80年代，美国就曾提出研究发展“适应控制”机床，但由于许多自动化环节如自动检测、自动调节、自动补偿等没有解决，虽有各种试验，但进展较慢。后来在电加工机床（EDM）方面，首先实现了“适应控制”，通过对放电间隙、加工工艺参数进行自动选择和调节，以提高机床加工精度、效率和自动化。

随后，由美国政府出资创建的机构——智能机床启动平台，一个由公司、政府部门和机床厂商组成的联合体对智能机床进行了加速的研究。

而于2006年9月在IMTS展会上展出的日本Mazak公司研发制造的智能机床，则向未来理想的“适应控制”机床方面大大前进了一步。日本这种智能机床具有六大特色：

（1）有自动抑制振动的功能。

（2）能自动测量和自动补偿，减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响。

（3）有自动防止刀具和工件碰撞的功能。

（4）有自动补充润滑油和抑制噪声的功能。(www.xing528.com)

（5）数控系统具有特殊的人机对话功能，在编程时能在监测画面上显示刀具轨迹等，进一步提高了切削效率。

（6）机床故障能进行远距离诊断。

智能机床的发展主要经历了如下几个阶段：

第一阶段是1930—1960年从手动机床向机、电、液高效自动化机床和自动线发展，主要解决减少体力劳动问题。

第二阶段是1952—2006年数字控制机床发展，解决了进一步减少体力和部分脑力劳动问题。

第三阶段是2006年开发了智能机床。智能化机床的加速发展，将进一步解决减少脑力劳动问题。

3）典型的智能机床

（1）Mazak的智能机床。Mazak对智能机床的定义是：机床能对自身进行监控，可自行分析众多与机床、加工状态、环境有关的信息及其他因素，然后自行采取应对措施来保证最优化的加工。换句话说，机床进化到可发出信息和自行进行思考。结果是机床可自行适应柔性和高效生产系统的要求。当前Mazak的智能机床有以下四大智能：主动振动控制，即将振动减至最小；智能热屏障，即热位移控制；智能安全屏障，即防止部件碰撞；马扎克语音提示，即语音信息系统。

（2）Okuma的智能机床。在2006年IMTS展会上，日本Okuma公司展出了名为“Thinc”的智能数字控制系统（Intelligent Numerical Control System）。Okuma的智能数字控制系统的名称为“Thinc”，它是英文“思想”（think）的谐音，表明它具备思想能力。Okuma认为当前经典的数控系统的设计（结构）、执行和使用3个方面已经过时，对它进行根本性变革的时机已经到来。

Okuma认为，Thinc不仅可在不受人的干预下，对变化了的情况做出“聪明的决策”（smart decision），还可使用户拿到机床后，以增量的方式使其功能在应用中自行不断增长，并会更加自适应新的情况和需求，更加容错，更容易编程和使用。总之，在不受人工干预的情况下，该机床将为用户带来更高的生产效率。

（3）GE Fanuc公司和辛辛那提公司的进展。GE Fanuc公司引入的一套监控和分析方案也是智能机床发展的一个例子，这套方案在2006年9月的IMTS展览会得以展示。它通过收集机床和其他设备复杂的基本数据而提供富有洞察力、可指出原因的分析方法。它还提供一套远程诊断工具，从而使不出现故障的平均时间最长，而用于修理的时间最短。它还能用于计算机维护管理系统中监控不同的现场。智能机床的另一个例子是辛辛那提的多任务加工中心设计的软件，它可探测到B旋转轴的不平衡条件。装备了SINUMERIK 840D控制系统，新的平衡传感器监控Z轴发生的错误后，能准确和迅速地感受不平衡；探测后，由一套平衡辅助程序通过计算产生一个显示图，来确定出不平衡的位置所在，以及需要进行多少补偿。该技术也已用于Giddings&Lewis的立式车床上。

（4）米克朗智能机床模块。米克朗系列化的模块（软件和硬件）是该公司在智能机床领域的成果。不同“智能机床”模块的目标是将切削加工过程变得更透明、控制更方便。为此，必须首先建立用户和机床之间的通信；其次，还必须在不同切削加工优化过程中为用户提供工具，以显著改善加工效能；再次，机床必须能独立控制和优化切削过程，从而改善工艺安全性和工件加工质量。

米克朗的高级工艺控制系统（APS）模块是一套监视系统，它使用户能观察和控制切削加工过程。它是特为高性能和高速切削而开发的，而且能很好地用于其他切削加工系统。