智能機床是智能制造的基礎。如今，機床智能化發展極大地推進了我國機床行業的發展，助推國產機床走向世界，創造了更多的價值。本文，同濟大學現代制造技術研究所名譽所長張曙教授對智能機床的現狀進行分析以及對未來的展望。以下為主要內容。
智能機床是智能制造的基礎。機床智能化可分為3個方面：①機床部件本身，包括主軸單元、進給驅動、結構件的智能化，用以抑制振動和熱變形補償等;②數控系統智能化，從加工設備控制器進化到工廠網絡的終端，生產數據能夠自動采集，實現機床與機床、機床與各級管理系統的實時通信，使生產透明化，融入企業的組織和管理，締造智能化工廠;③機床智能化和網絡化為制造資源社會共享、構建異地的、虛擬的云工廠創造了條件，從而邁向共享經濟新時代，創造更多的價值。
傳統的數控機床是按照G指令和M指令驅動機床部件，實現刀具與工件的相對運動，對機床的實際工作狀態并無感知和反饋。機床在工作過程中，在切削力、慣性力、摩擦力以及內部和環境熱載荷的作用下，產生變形和振動，導致刀具的實際路徑偏離理論路徑，降低加工精度、表面質量和生產效率。
智能機床的核心在于構建一個基于模型的閉環加工系統。借助溫度、加速度和位移等傳感器監測機床工作狀態和環境的變化，實時進行調節和控制，優化切削參數，抑制或消除振動，補償熱變形，充分發揮機床的潛力。智能機床的另一功能是網絡通信，它是工廠網絡的一個節點，可實現機床之間和車間管理系統的相互通信，提高生產系統效率和效益。
智能主軸
智能主軸的特征是自主性、自學習、兼容性和開放性。從感知到決策到控制，再到執行是實現智能的四部曲。主軸的智能化分為兩類：①與主軸結構相關，即對溫度或熱誤差、主軸平衡、主軸健康的監控和控制，進而實現溫度控制和熱誤差補償、不平衡度監控和主動平衡、主軸元器件損壞和失效監控與基于主軸實際狀態的預測維護。②與加工過程有關，對顫振、刀具狀態、主軸干涉的監控和控制，從而實現顫振的辨識及抑制和控制、刀具磨損和破損監測、刀具變形補償、有效預防干涉與碰撞。
瑞士StepTec智能主軸是智能主軸的范例，它的智能化系統由電感軸向位移傳感器、熱電偶溫度監控、主軸診斷模塊、拉桿位置傳感系統、加速度計振動測量、前軸承液壓預緊載荷系統組成。可通過V3D三維振動測量和SDS主軸診斷軟件優化主軸性能;通過AMS軸向位移傳感器、TMS溫度控制系統、SDM主軸診斷模塊進行誤差控制。
德國Prometec公司的主軸傳感系統和分析(Spindle Sensor System and Analysis，3SA)環由固定的外環和旋轉的內環組成，可安裝在任何電主軸的前端，實現主軸智能化。安裝在主軸殼體上的固定外環上分布有傳感器，與安裝在主軸上的旋轉內環相互作用，進行主軸工作狀態監控。3SA環可記錄主軸的載荷狀態、監控軸承或主軸的損傷和不平衡度，將信號發送給機床數控系統，補償主軸的位置誤差。3SA環提高了主軸的可用性和性能、以及知識的積累，實現基于主軸工作狀態的維護，同時進行刀具和加工過程的監控。3SA環記錄主軸工況變化的所有數據，如連接計算機或數控系統人機界面可隨時顯示，并對最近90次變化進行趨勢分析。
智能機床結構
日本Makino T4鈦合金加工機床的力控制智能導軌是一種控制導軌表面摩擦力與切削力保持平衡而消除振動的方法，其原理是借助測微計測量移動部件與導軌之間的間隙，控制伺服閥，調整氣墊腔的上浮力，從而改變摩擦力，抵消切削力的變化。
增加機床結構的阻尼可減小受激振動的振幅，并使其很快衰減。機床結構阻尼器有兩種：調諧阻尼器與主動阻尼器。調諧阻尼器(Turned Damping Device)是在主體結構上附加一定質量比的振動系統，用相位差來抵消振動，同時吸收能量并轉化成熱能耗散，兼具動力吸振和阻尼性能改善。主動阻尼器(Active Damping Device，ADD)是借助傳感器感知機床結構的振動，經放大后轉換成電信號，通過動圈式作動器改變機床主體結構的阻尼性能，抑制其振動。主動阻尼器具有頻率響應范圍寬、慣性質量小、安裝方便等優點。
智能數控系統
智能數控系統是新一代的機床“大腦”，具有以下4方面功能：①自主選擇加工參數+優化刀具路徑=智能編程，進一步從三維CAD模型提取特征語義，直接生成無G指令的數控程序;②數控系統從運動控制器進化為車間管理系統的終端，成為工廠網絡的基層節點，并可接入云平臺;③數控系統嵌入MTConnect適配器和代理應用程序，能夠實現機床之間的通信，進行信息交互;④數控系統連接到數字鏡像服務器，與虛擬機床構成數字雙胞胎，使產品設計、加工制造和測量檢驗連接成數字主線，實時看到如何相互影響，以便做出更好的決策，更高效、高質量地運行。
德國SolidCam公司的iMachining是智能編程的例子，它的“工藝向導”匯集了數百位經驗豐富的CAM和CNC工程師所掌握的知識和經驗，根據機床、材料和刀具優化進給、主軸轉速、切削深度和寬度。從第一刀切削開始到加工完畢，iMachining都對毛坯、刀具材料和機床規格進行計算自動生成最佳的切削條件，借助“控制步距”技術，iMachining刀具路徑保證切削條件嚴格遵循工藝向導，而且iMachining可根據主軸的剛性、夾具的剛性和刀具的伸出長度來設置相關的參數。
iMachining能夠進行刀具路徑優化，采用變體螺旋(Morphing)刀路而不是傳統的次擺線(Trochoidal)刀路，減少退刀次數，盡量保證“刀具在切削中”;為了保證材料的最大去除率，iMachining會把刀路自動分成幾個小的部分，以保證變體螺旋切削的最大效能;iMachining從最初進刀和最后退刀，動態的毛坯更新及追蹤，確保刀路始終在切削材料，消除無用時間和運動;iMachining移動刀具從一個位置運動到下一個切深，僅在絕對需要抬刀的時候才退刀。
日本OKUMA的OSP Suite是智能數控系統的范例，該系統不僅能夠實現熱親和、防碰撞、加工導航、伺服導航、5軸機床誤差校正這5項智能化技術，同時讓生產指示、作業指示，以及機床狀態數據的管理可視化，從而縮短加工時間、提高運轉率、縮短準備時間。
此外，無G指令的STEP-NC編程能夠根據髙層產品數據對加工過程進行優化，提高生產效率與產品質量;可明確地描述需要加工的特征、工藝和允差;面向對象結構化的產品幾何與制造信息模型，避免各環節間的數據格式轉換;具有通用性和可重用性，STEP-NC文件能不經修改地用于不同的數控機床;實現信息雙向傳輸，下游環節對產品數據的修改可直接保存，并反饋給上游環節。
終端-網絡-云平臺
在互聯網條件下，數控系統不僅能夠實現機床與機床的互聯，還是一個能夠生成車間管理數據、并與有關部門進行數據交換的網絡終端。通過制造過程的“數據透明”，實現制造過程和生產管理的無縫連接。這不僅為了方便加工零件，同時產生服務于管理、財務、生產、銷售的實時數據。實現了設備、生產計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務、銷售、庫存等一系列生產和管理環節的資源整合與信息互聯，減少浪費，提高效率。
在數控系統提供“透明”數據的前提下，需要與商業模式相配合的云端平臺和云端應用。沈陽機床集團旗下智能云科公司研發的云協同制造平臺(i-Smart Engineering&Services Online，iSESOL)平臺，通過i5智能機床的在線信息，打造了一套云端產能分享平臺，用戶可以將閑置產能公示于iSESOL產能平臺，有產能需求的用戶無需購買設備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產能提供方可以利用閑置產能獲得收益，產能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會改變制造業的組織形式，并且充分挖掘社會閑置制造資源，進行產能切換，從閑置資源中獲得利益最大化。基于iSESOL平臺的智能機床互聯網應用框架如圖2所示。
結束語
機床智能化的第一個方面聚焦于機床部件本身，包括主軸單元、進給驅動、結構件的智能化，用以抑制振動和熱變形補償等。第二個方面是從加工設備進化到工廠網絡的終端，生產數據能夠自動采集，實現機床與機床、機床與各級管理系統的實時通信，使生產透明化，機床融入企業的組織和管理，締造智能化工廠。機床智能化和網絡化為制造資源社會共享、構建異地的、虛擬的云工廠創造了條件，從而邁向共享經濟新時代，創造更多的價值。
智能機床是智能制造的基礎。機床智能化可分為3個方面：①機床部件本身，包括主軸單元、進給驅動、結構件的智能化，用以抑制振動和熱變形補償等;②數控系統智能化，從加工設備控制器進化到工廠網絡的終端，生產數據能夠自動采集，實現機床與機床、機床與各級管理系統的實時通信，使生產透明化，融入企業的組織和管理，締造智能化工廠;③機床智能化和網絡化為制造資源社會共享、構建異地的、虛擬的云工廠創造了條件，從而邁向共享經濟新時代，創造更多的價值。
沈陽i5智能機床
傳統的數控機床是按照G指令和M指令驅動機床部件，實現刀具與工件的相對運動，對機床的實際工作狀態并無感知和反饋。機床在工作過程中，在切削力、慣性力、摩擦力以及內部和環境熱載荷的作用下，產生變形和振動，導致刀具的實際路徑偏離理論路徑，降低加工精度、表面質量和生產效率。
智能機床的核心在于構建一個基于模型的閉環加工系統。借助溫度、加速度和位移等傳感器監測機床工作狀態和環境的變化，實時進行調節和控制，優化切削參數，抑制或消除振動，補償熱變形，充分發揮機床的潛力。智能機床的另一功能是網絡通信，它是工廠網絡的一個節點，可實現機床之間和車間管理系統的相互通信，提高生產系統效率和效益。
智能主軸
智能主軸的特征是自主性、自學習、兼容性和開放性。從感知到決策到控制，再到執行是實現智能的四部曲。主軸的智能化分為兩類：①與主軸結構相關，即對溫度或熱誤差、主軸平衡、主軸健康的監控和控制，進而實現溫度控制和熱誤差補償、不平衡度監控和主動平衡、主軸元器件損壞和失效監控與基于主軸實際狀態的預測維護。②與加工過程有關，對顫振、刀具狀態、主軸干涉的監控和控制，從而實現顫振的辨識及抑制和控制、刀具磨損和破損監測、刀具變形補償、有效預防干涉與碰撞。
瑞士StepTec智能主軸是智能主軸的范例，它的智能化系統由電感軸向位移傳感器、熱電偶溫度監控、主軸診斷模塊、拉桿位置傳感系統、加速度計振動測量、前軸承液壓預緊載荷系統組成。可通過V3D三維振動測量和SDS主軸診斷軟件優化主軸性能;通過AMS軸向位移傳感器、TMS溫度控制系統、SDM主軸診斷模塊進行誤差控制。
圖1 基于模型的閉環加工系統
德國Prometec公司的主軸傳感系統和分析(Spindle Sensor System and Analysis，3SA)環由固定的外環和旋轉的內環組成，可安裝在任何電主軸的前端，實現主軸智能化。安裝在主軸殼體上的固定外環上分布有傳感器，與安裝在主軸上的旋轉內環相互作用，進行主軸工作狀態監控。3SA環可記錄主軸的載荷狀態、監控軸承或主軸的損傷和不平衡度，將信號發送給機床數控系統，補償主軸的位置誤差。3SA環提高了主軸的可用性和性能、以及知識的積累，實現基于主軸工作狀態的維護，同時進行刀具和加工過程的監控。3SA環記錄主軸工況變化的所有數據，如連接計算機或數控系統人機界面可隨時顯示，并對最近90次變化進行趨勢分析。
智能機床結構
日本Makino T4鈦合金加工機床的力控制智能導軌是一種控制導軌表面摩擦力與切削力保持平衡而消除振動的方法，其原理是借助測微計測量移動部件與導軌之間的間隙，控制伺服閥，調整氣墊腔的上浮力，從而改變摩擦力，抵消切削力的變化。
增加機床結構的阻尼可減小受激振動的振幅，并使其很快衰減。機床結構阻尼器有兩種：調諧阻尼器與主動阻尼器。調諧阻尼器(Turned Damping Device)是在主體結構上附加一定質量比的振動系統，用相位差來抵消振動，同時吸收能量并轉化成熱能耗散，兼具動力吸振和阻尼性能改善。主動阻尼器(Active Damping Device，ADD)是借助傳感器感知機床結構的振動，經放大后轉換成電信號，通過動圈式作動器改變機床主體結構的阻尼性能，抑制其振動。主動阻尼器具有頻率響應范圍寬、慣性質量小、安裝方便等優點。
智能數控系統
智能數控系統是新一代的機床“大腦”，具有以下4方面功能：①自主選擇加工參數+優化刀具路徑=智能編程，進一步從三維CAD模型提取特征語義，直接生成無G指令的數控程序;②數控系統從運動控制器進化為車間管理系統的終端，成為工廠網絡的基層節點，并可接入云平臺;③數控系統嵌入MTConnect適配器和代理應用程序，能夠實現機床之間的通信，進行信息交互;④數控系統連接到數字鏡像服務器，與虛擬機床構成數字雙胞胎，使產品設計、加工制造和測量檢驗連接成數字主線，實時看到如何相互影響，以便做出更好的決策，更高效、高質量地運行。
德國SolidCam公司的iMachining是智能編程的例子，它的“工藝向導”匯集了數百位經驗豐富的CAM和CNC工程師所掌握的知識和經驗，根據機床、材料和刀具優化進給、主軸轉速、切削深度和寬度。從第一刀切削開始到加工完畢，iMachining都對毛坯、刀具材料和機床規格進行計算自動生成最佳的切削條件，借助“控制步距”技術，iMachining刀具路徑保證切削條件嚴格遵循工藝向導，而且iMachining可根據主軸的剛性、夾具的剛性和刀具的伸出長度來設置相關的參數。
iMachining能夠進行刀具路徑優化，采用變體螺旋(Morphing)刀路而不是傳統的次擺線(Trochoidal)刀路，減少退刀次數，盡量保證“刀具在切削中”;為了保證材料的最大去除率，iMachining會把刀路自動分成幾個小的部分，以保證變體螺旋切削的最大效能;iMachining從最初進刀和最后退刀，動態的毛坯更新及追蹤，確保刀路始終在切削材料，消除無用時間和運動;iMachining移動刀具從一個位置運動到下一個切深，僅在絕對需要抬刀的時候才退刀。
日本OKUMA的OSP Suite是智能數控系統的范例，該系統不僅能夠實現熱親和、防碰撞、加工導航、伺服導航、5軸機床誤差校正這5項智能化技術，同時讓生產指示、作業指示，以及機床狀態數據的管理可視化，從而縮短加工時間、提高運轉率、縮短準備時間。
此外，無G指令的STEP-NC編程能夠根據髙層產品數據對加工過程進行優化，提高生產效率與產品質量;可明確地描述需要加工的特征、工藝和允差;面向對象結構化的產品幾何與制造信息模型，避免各環節間的數據格式轉換;具有通用性和可重用性，STEP-NC文件能不經修改地用于不同的數控機床;實現信息雙向傳輸，下游環節對產品數據的修改可直接保存，并反饋給上游環節。
終端-網絡-云平臺
在互聯網條件下，數控系統不僅能夠實現機床與機床的互聯，還是一個能夠生成車間管理數據、并與有關部門進行數據交換的網絡終端。通過制造過程的“數據透明”，實現制造過程和生產管理的無縫連接。這不僅為了方便加工零件，同時產生服務于管理、財務、生產、銷售的實時數據。實現了設備、生產計劃、設計、制造、供應鏈、人力、財務、銷售、庫存等一系列生產和管理環節的資源整合與信息互聯，減少浪費，提高效率。
圖2 沈陽機床i5智能機床和云協同制造平臺
在數控系統提供“透明”數據的前提下，需要與商業模式相配合的云端平臺和云端應用。沈陽機床集團旗下智能云科公司研發的云協同制造平臺(i-Smart Engineering&Services Online，iSESOL)平臺，通過i5智能機床的在線信息，打造了一套云端產能分享平臺，用戶可以將閑置產能公示于iSESOL產能平臺，有產能需求的用戶無需購買設備即可快速獲得制造能力，通過這種方式產能提供方可以利用閑置產能獲得收益，產能需求方可以以較低的成本獲得制造能力，雙方通過分享獲得利益最大化。這種制造能力的分享模式將會改變制造業的組織形式，并且充分挖掘社會閑置制造資源，進行產能切換，從閑置資源中獲得利益最大化。基于iSESOL平臺的智能機床互聯網應用框架如圖2所示。
結束語
機床智能化的第一個方面聚焦于機床部件本身，包括主軸單元、進給驅動、結構件的智能化，用以抑制振動和熱變形補償等。第二個方面是從加工設備進化到工廠網絡的終端，生產數據能夠自動采集，實現機床與機床、機床與各級管理系統的實時通信，使生產透明化，機床融入企業的組織和管理，締造智能化工廠。機床智能化和網絡化為制造資源社會共享、構建異地的、虛擬的云工廠創造了條件，從而邁向共享經濟新時代，創造更多的價值。