智能加工技術(shù)概念

　　1 智能加工問題的提出

　　在生產(chǎn)實(shí)踐中，數(shù)控加工過程并非一直處于理想狀態(tài)，而是伴隨著材料的去除出現(xiàn)多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如加工幾何誤差、熱變形、彈性變形以及系統(tǒng)振動(dòng)等。加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題是，使用零件模型編程生成的“正確”程序，并不一定能夠加工出合格、優(yōu)質(zhì)的零件。正是由于上述各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，導(dǎo)致了工件的形狀精度和表面質(zhì)量不能滿足要求。在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，一旦加工過程設(shè)計(jì)或工藝參數(shù)選擇不合理，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品加工表面質(zhì)量差、設(shè)備加工能力得不到充分發(fā)揮，同時(shí)機(jī)床組件及刀具的使用壽命也會(huì)受到影響。

　　產(chǎn)生上述問題的原因在于，傳統(tǒng)加工過程中，經(jīng)常只考慮了數(shù)控機(jī)床或者加工過程本身，但缺乏對(duì)機(jī)床與加工過程中交互作用機(jī)理的綜合理解。而這種交互作用又經(jīng)常產(chǎn)生難以預(yù)知的效果，大大增加了加工過程控制的難度。為解決上述問題，必須變革傳統(tǒng)的理念，將機(jī)床與加工過程一起考慮，對(duì)交互作用進(jìn)行建模與仿真，進(jìn)而優(yōu)化加工過程、改進(jìn)加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少加工過程中的缺陷。同時(shí)，借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)裝備數(shù)控機(jī)床，對(duì)加工過程中的工況進(jìn)行及時(shí)的感知和預(yù)測(cè)，對(duì)加工過程中的參數(shù)與加工狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和調(diào)整，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效提升形狀精度與表面質(zhì)量的目的。

　　2 智能加工技術(shù)概念

　　智能加工技術(shù)借助先進(jìn)的檢測(cè)、加工設(shè)備及仿真手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的建模、仿真、預(yù)測(cè)，對(duì)加工系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制;同時(shí)集成現(xiàn)有加工知識(shí)，使得加工系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)工況自動(dòng)優(yōu)選加工參數(shù)、調(diào)整自身狀態(tài)，獲得最優(yōu)的加工性能與最佳的加工質(zhì)效。智能加工的技術(shù)內(nèi)涵包括以下幾方面。

　　(1)加工過程仿真與優(yōu)化：針對(duì)不同零件的加工工藝、切削參數(shù)、進(jìn)給速度等加工過程中影響零件加工質(zhì)量的各種參數(shù)，通過基于加工過程模型的仿真，進(jìn)行參數(shù)的預(yù)測(cè)和優(yōu)化選取，生成優(yōu)化的加工過程控制指令。

　　(2)過程監(jiān)控與誤差補(bǔ)償：利用各種傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)，對(duì)加工過程中的振動(dòng)、切削溫度、刀具磨損、加工變形以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè);根據(jù)預(yù)先建立的系統(tǒng)控制模型，實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，并對(duì)加工過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

　　(3)通訊等其他輔助智能：將實(shí)時(shí)信息傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)，以及車間管理MES 系統(tǒng)。以上流程的描述如圖 1 所示。

    智能加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　智能加工技術(shù)已是現(xiàn)代高端制造裝備的主要技術(shù)特征與國(guó)家戰(zhàn)略重要發(fā)展方向，在美國(guó)及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家倍受重視，近年來不斷投入大量資金進(jìn)行研究，典型研究計(jì)劃有PMI計(jì)劃、SMPI 計(jì)劃和NEXT 計(jì)劃。

　　1 PMI 計(jì)劃

　　PMI 計(jì)劃由學(xué)術(shù)性團(tuán)體——國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)發(fā)起，CIRP于2003 年成立了聯(lián)合研究小組進(jìn)行該領(lǐng)域的研究，參加機(jī)構(gòu)包括CIRP的相關(guān)成員單位以及德、法等國(guó)的大學(xué)。

　　PMI 的研究?jī)?nèi)容主要包括：加工過程模型的建立與研究、設(shè)備的在線監(jiān)控研究以及連接二者的工藝與設(shè)備交互作用的研究。其中加工過程建模方面的研究包括切削、磨削、成形過程的研究，設(shè)備在線監(jiān)控包括智能主軸系統(tǒng)、刀具磨損預(yù)測(cè)等的研究，工藝與設(shè)備交互作用的研究包括交互作用的描述、仿真與優(yōu)化，以及機(jī)床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)行為的研究。

　　2 SMPI 計(jì)劃

　　SMPI 是美國(guó)政府支持的智能加工系統(tǒng)研究計(jì)劃。該計(jì)劃于2005年提出，美國(guó)國(guó)防部累計(jì)撥款超過1000 萬美元資助該項(xiàng)研究。參與單位包括美國(guó)宇航局(NASA)、武器裝備研究發(fā)展與工程中心(ARDEC)等政府部門，GE、波音、TechSolve 等公司，美國(guó)馬里蘭大學(xué)、德國(guó)亞琛工大等科研機(jī)構(gòu)。SPMI 的研究?jī)?nèi)容包括基于設(shè)備的局部活動(dòng)以及基于工藝的全局活動(dòng)，如圖 2 所示。

　　3 NEXT 計(jì)劃

　　NEXT 計(jì)劃是由歐盟委員會(huì)第六框架研發(fā)計(jì)劃支持的下一代生產(chǎn)系統(tǒng)研究計(jì)劃，由歐洲機(jī)床工業(yè)合作委員會(huì)(CECIMO)管理。參加單位包括西門子、達(dá)諾巴特集團(tuán)等機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)，博世、菲亞特等終端用戶企業(yè)，以及德國(guó)亞琛工大機(jī)床與生產(chǎn)工程研究所(WZL)、漢諾威大學(xué)生產(chǎn)工程研究所(IFW)、布達(dá)佩斯技術(shù)與經(jīng)濟(jì)大學(xué)(BUTE)等研究機(jī)構(gòu)。

　　NEXT 計(jì)劃中的第三部分涉及制造技術(shù)前沿的研究，主要包括加工仿真與新技術(shù)開發(fā)、新型機(jī)床研發(fā)、輕型結(jié)構(gòu)及機(jī)床組件研究和并聯(lián)機(jī)床研發(fā)等內(nèi)容。加工仿真方面包括表面加工質(zhì)量檢測(cè)與切削參數(shù)優(yōu)化、銑削/ 車削加工過程建模與仿真、超精密加工技術(shù)等方面的研究。新型機(jī)床研發(fā)包括高速機(jī)床研發(fā)、開放式數(shù)控系統(tǒng)以及光纖傳感器應(yīng)用等方面的研究。機(jī)床組件方面包括輕型材料機(jī)床組件、旋轉(zhuǎn)軸準(zhǔn)確度測(cè)定及空氣靜力軸承等的研究。

    智能加工關(guān)鍵技術(shù)

　　1 加工過程仿真與優(yōu)化

　　加工過程的仿真與優(yōu)化涉及數(shù)控系統(tǒng)伺服特性的分析、機(jī)床結(jié)構(gòu)及其特性分析、動(dòng)態(tài)切削過程的分析，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的切削參數(shù)優(yōu)化和加工質(zhì)量預(yù)測(cè)等。

　　(1)機(jī)床系統(tǒng)建模。

　　通過機(jī)床結(jié)構(gòu)建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提高機(jī)床的運(yùn)行精度、降低定位與運(yùn)行誤差，同時(shí)可進(jìn)行誤差的預(yù)測(cè)與補(bǔ)償。主軸系統(tǒng)的建模分析可根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)不同轉(zhuǎn)速下的刀具動(dòng)剛度，以及基于加工穩(wěn)定性分析結(jié)果優(yōu)化選取加工參數(shù)、提高加工質(zhì)量和效率。刀具方面，通過刀具結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，在加工過程中可以獲得更大的穩(wěn)定切深;通過刀具負(fù)載的優(yōu)化，獲得變化的優(yōu)化進(jìn)給可以獲得更高的加工效率與經(jīng)濟(jì)效益。

　　(2)切削過程仿真。

　　切削過程仿真借助各種先進(jìn)的仿真手段，對(duì)加工過程中的切屑形成機(jī)理、力熱分布、表面形貌以及刀具磨損進(jìn)行仿真和研究。通過仿真選擇優(yōu)化的切削參數(shù)，提高表面加工質(zhì)量。

　　(3)加工過程優(yōu)化。

　　借助預(yù)先建立的仿真模型與優(yōu)化方法，或者已有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，對(duì)復(fù)雜加工工況及加工過程中的切削參數(shù)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。例如，在整體葉盤的加工中，通過建立的分析模型預(yù)測(cè)不同工況下的切削狀態(tài)及穩(wěn)定性，優(yōu)選合適的刀具姿態(tài)、切深、行距，保證加工過程的穩(wěn)定，獲得高的葉片表面加工質(zhì)量。

　　(4)加工質(zhì)量預(yù)測(cè)。

　　加工質(zhì)量預(yù)測(cè)采用可視化方法對(duì)切削加工過程中形成的表面紋理及加工質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為切削參數(shù)的優(yōu)化選取提供支持，從而進(jìn)一步地提高工件表面的加工質(zhì)量，如圖3 所示。

　　從目前的研究發(fā)展來看，仿真正在朝著基于時(shí)變和物理模型的方向發(fā)展，通過仿真可以得到理論意義上的最優(yōu)結(jié)果。但是，由于目前模型本身的不完善、加工過程的復(fù)雜性和加工形式的多樣性，現(xiàn)有的仿真手段仍然難以滿足實(shí)際工程的需要。同時(shí)，由于加工過程中出現(xiàn)的材料、機(jī)床、系統(tǒng)狀態(tài)等方面的突發(fā)性情況，必須對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行誤差補(bǔ)償和現(xiàn)場(chǎng)控制。

　　2 過程監(jiān)控與誤差補(bǔ)償

　　加工過程監(jiān)控借助先進(jìn)設(shè)備對(duì)加工工況、工件、刀具與設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與誤差補(bǔ)償。加工設(shè)備的性能表征是進(jìn)行過程監(jiān)控的前提，可定期通過測(cè)試設(shè)備與傳感器測(cè)定設(shè)備的性能參數(shù)，并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)進(jìn)行更新。在加工過程中，可借助各種傳感器、聲音和視頻系統(tǒng)對(duì)加工過程中的力、振動(dòng)、噪聲、溫度、工件表面質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)和預(yù)先建立的多個(gè)模型判定加工狀態(tài)、刀具磨損情況、機(jī)床工作狀態(tài)與加工質(zhì)量，進(jìn)而進(jìn)行切削參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化與誤差補(bǔ)償。同時(shí)，可將設(shè)備的健康狀態(tài)信息通過通信系統(tǒng)傳送至車間管理層(維護(hù)部門、采購(gòu)部門等)，根據(jù)健康狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，保障加工質(zhì)量，減少停工時(shí)間。

　　3 智能加工機(jī)床

　　智能加工機(jī)床借助微型傳感器將機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)變、振動(dòng)、熱變形等檢測(cè)出來，傳遞給預(yù)先建立的模型，根據(jù)該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與誤差補(bǔ)償，從而提高加工精度、表面質(zhì)量和加工效率。此外，智能機(jī)床也可進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的遠(yuǎn)程診斷。典型的智能加工機(jī)床有Mikron、Mazak、Okuma 等公司的產(chǎn)品。

    智能加工技術(shù)應(yīng)用

　　1 數(shù)控加工工藝過程模型

　　目前為止，絕大多數(shù)數(shù)控編程系統(tǒng)是基于產(chǎn)品幾何模型來生成數(shù)控加工軌跡的，所解決的主要問題是走刀軌跡規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)干涉的處理。

　　這種數(shù)控編程技術(shù)難以解決薄壁件高速加工中出現(xiàn)的高速加工運(yùn)動(dòng)學(xué)與機(jī)床復(fù)雜工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。而工藝系統(tǒng)在加工過程中又具有時(shí)變特性——其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與加工過程中材料切除等因素引起的系統(tǒng)模態(tài)變化密切相關(guān)，這種現(xiàn)象在薄壁件的高速加工中對(duì)質(zhì)量與穩(wěn)定性的影響尤為顯著。

　　為解決上述問題，必須建立起加工過程模型，并開展基于該模型的新一代數(shù)控加工編程理論研究。加工過程模型包括由機(jī)床- 刀具- 工件-卡具構(gòu)成的復(fù)雜工藝系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的幾何與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型，以及與加工過程相關(guān)的刀具- 工件子系統(tǒng)演化模型。

　　通過上述模型的建立，對(duì)工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝系統(tǒng)的控制及誤差補(bǔ)償。這些模型的建立奠定了智能加工實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。

　　2 加工過程仿真與優(yōu)化

　　利用加工過程中的幾何與運(yùn)動(dòng)仿真可以對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證加工路線是否合理，避免加工過程中的碰撞干涉，降低事故的發(fā)生率。同時(shí)，還可在加工過程中通過對(duì)加工工況的分析，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化選取。通過對(duì)加工過程中機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的分析與運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)與加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，消除加工缺陷。

　　利用加工過程的物理仿真可以預(yù)測(cè)加工過程中的切削力、切削溫度、加工變形等的變化，以及仿真預(yù)測(cè)機(jī)床系統(tǒng)組件、加工刀具的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工過程的優(yōu)化。例如，在薄壁葉片的加工過程中，通過工藝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的分析，采用余量?jī)?yōu)化方法可以有效減少加工過程中的振動(dòng)，提高葉片表面的加工質(zhì)量。

　　目前，物理仿真使用的軟件在一定程度上都能較好地反應(yīng)加工過程中的某些物理因素及其變化情況，但若要全面仿真加工過程，單純依靠一兩種軟件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須充分利用現(xiàn)有的物理仿真軟件。同時(shí)，還需將仿真建模理論和生產(chǎn)實(shí)際需要進(jìn)行密切結(jié)合。物理仿真與幾何仿真的集成是未來數(shù)控加工仿真發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　3 在線監(jiān)控與優(yōu)化

　　在加工過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)不斷地監(jiān)測(cè)主軸負(fù)載、工藝系統(tǒng)振動(dòng)、工件變形與表面質(zhì)量變化等情況，根據(jù)前述構(gòu)建的加工過程監(jiān)測(cè)與控制模型對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、分解與分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行切削參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化與反饋控制;同時(shí)根據(jù)建立的切削過程工藝系統(tǒng)演化模型，結(jié)合工件的加工狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整夾具的裝卡參數(shù)，優(yōu)化加工過程，如圖4 所示。

　　4 焊接式整體葉盤的加工

　　采用線性摩擦焊技術(shù)制盤是整體葉盤制造的重要方法。采用摩擦焊接制盤時(shí)，葉片根部和輪盤的連接處通常留有余量，焊接后采用機(jī)加方法去除。同時(shí)，焊接時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片與盤體之間的相對(duì)位置與理論模型相比各有差異。焊接式整體葉盤的機(jī)械加工可充分借助智能加工技術(shù)。如圖 5 所示，采用在機(jī)測(cè)量技術(shù)，可對(duì)每個(gè)葉片進(jìn)行檢測(cè)，快速生成葉片的實(shí)際模型，對(duì)葉片與盤體之間的相對(duì)位置進(jìn)行評(píng)估并生成對(duì)應(yīng)的加工軌跡。這樣可獲得良好的加工質(zhì)量，同時(shí)可大大減少因?yàn)楹附釉驅(qū)е碌娜~片位置偏差。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　智能加工技術(shù)已是現(xiàn)代高端制造裝備的主要技術(shù)與國(guó)家戰(zhàn)略重要發(fā)展方向，它在加工設(shè)備與加工過程之間建立了一個(gè)紐帶，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造更高層次的自動(dòng)化、科學(xué)化、智能化創(chuàng)造了條件。目前智能加工技術(shù)已在部分領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展，但面向?qū)嶋H的生產(chǎn)應(yīng)用仍有一定差距，需要在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)。
　　(1)智能加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作。在智能加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面，還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。例如，融合幾何與物理的仿真與優(yōu)化技術(shù)、在線監(jiān)測(cè)多信息的融合與處理技術(shù)、在線測(cè)量技術(shù)等。
　　(2)智能加工技術(shù)的發(fā)展要結(jié)合我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控設(shè)備的特點(diǎn)。針對(duì)目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及大飛機(jī)、高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備等國(guó)家科技重大專項(xiàng)的實(shí)施，研究發(fā)展符合我國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)床設(shè)備的性能測(cè)試、監(jiān)控、優(yōu)化方法，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)設(shè)備在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　(3)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的數(shù)控加工創(chuàng)新平臺(tái)。大力推進(jìn)建設(shè)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的數(shù)控加工創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)，建立國(guó)產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)廠家、航空航天等高端制造企業(yè)、大學(xué)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)盟機(jī)制，加強(qiáng)智能加工技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)向?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化，從而推動(dòng)我國(guó)裝備制造業(yè)的快速向前發(fā)展。