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20 世紀初出現(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)化擴散都受到較強的制約，難以為社會提供多樣化、個性化、低成本的產(chǎn)品和服務(wù)，同時帶來了資源能源的高消耗、環(huán)境代價高昂、不同國家社會的發(fā)展鴻溝擴大等問題。

隨著經(jīng)濟社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20 世紀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。進入21 世紀，由于信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，人們對個性化產(chǎn)品的需求迅速增長，按照用戶的需要進行個性化設(shè)計、制造，逐漸成為市場對生產(chǎn)體系的基本要求。著眼于個性化服務(wù)的定制生產(chǎn)，成為從日常消費品到復(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)和滿足個性化制造等方面仍然有巨大的提升空間，機床智能化發(fā)展存在強烈的內(nèi)在動力。

加工過程、使用操作和加工能力的智能化，是機床智能化的具體體

現(xiàn)。

以金屬切削為代表的數(shù)控機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、聲、光、電等多傳感器綜合優(yōu)化配置，實現(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)雜耦合對機床關(guān)鍵部件、整機和工件所產(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)，適時調(diào)整加工狀態(tài)或工藝參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)濟精度條件下的高效、低耗個性化制造。以溫度傳感與監(jiān)控為例，德馬吉森精機公司推出的DIXI 210 龍門五軸加工中心在主軸、滾珠絲杠、驅(qū)動電動機、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)定溫度范圍即啟動控溫程序。通過這類措施及采用高性能傳動部件，使機床的精度顯著提高，各軸定位精度達到4μm。

隨著機床智能化程度的不斷深化和擴展，越來越多的機床添加了故障診斷、溫控、防碰撞、空間插補、振動控制、刀具視覺檢測等智能模塊或子系統(tǒng)，特別是故障診斷與修復(fù)技術(shù)，不僅保障了智能機床的高效、高可靠運行，提升了機床維護的智能化水平，也為包括機床在內(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。上述技術(shù)的互相協(xié)調(diào)與綜合運用，為機床的綜合智能集成奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)控機床是高度專業(yè)化的生產(chǎn)設(shè)備，但目前的數(shù)控機床及其配套技術(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、維護成本高、難以協(xié)同管理等問題。機床智能化的關(guān)鍵內(nèi)容，就是提高機床操作、管理的智能化水平，降低機床操作、管理的技術(shù)門檻和時間成本，使機床使用者能夠?qū)⒅饕Ψ旁诟玫乩斫庥脩粜枨笊?，從而進行更高質(zhì)量的設(shè)計和優(yōu)化制造，更好地滿足用戶對產(chǎn)品的個性化需求。

智能機床不僅注重為使用者提供智能化的人機交互系統(tǒng)，還具有強大的數(shù)據(jù)獲取、挖掘、分析和運用能力，例如，通過基于大數(shù)據(jù)的信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)人與機床、機床與機床、機床與生產(chǎn)體系其他環(huán)節(jié)的信息共享與協(xié)調(diào)運行；利用移動互聯(lián)技術(shù)和設(shè)備與機床狀態(tài)信息的互聯(lián)互通，實現(xiàn)機床遠程操作與管理，在提高機床使用效率的同時，降低機床采購、維護、升級和管理成本；采用開放性的數(shù)控軟件，通過邏輯控制器的高可靠實時聯(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)運用障礙，同時，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，實現(xiàn)智能數(shù)控機床開發(fā)者、使用者的融合。

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

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)控機床的集成、復(fù)合、高速、高效、高精、柔性、綠色等諸多內(nèi)涵。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)控機床，是已經(jīng)發(fā)展進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，并自行進行工藝規(guī)劃和決策，進行柔性、高效和綠色加工的智能化制造系統(tǒng)。它能夠?qū)λ庸す?/span>件的材料特性、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，通過數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)使機床具備學(xué)習(xí)能力，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)濟和綠色的加工解決方案。同時，智能機床具備對機床本體、刀具、控制系統(tǒng)等的智能故障診斷與自修復(fù)能力，是智能機床的核心能力，也是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的熱點研究領(lǐng)域。

智能機床的發(fā)展，不是哪一類單項技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，而是各項技術(shù)綜

合集成運用的結(jié)果。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)展為包括智能機床在內(nèi)的制造技術(shù)與裝備的發(fā)展提供了強有力的支撐。

從1845 年美國的菲奇發(fā)明轉(zhuǎn)塔車床，到1952 年出現(xiàn)數(shù)控機床，時至今日，機床設(shè)計、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，為機床設(shè)計制造行業(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，實現(xiàn)機床產(chǎn)品的智能化，創(chuàng)造了前所未有的良好環(huán)境。

不論是機床的熱誤差檢測與控制、空間插補與誤差補償，還是機床與工件在位檢測、遠程監(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±0.01℃，已遠高于常用數(shù)控機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，為智能機床的出現(xiàn)和發(fā)展提供了基本技術(shù)條件。

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

高端數(shù)控機床是機械、電氣、計算機、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床發(fā)展完善的需要。例如，基于數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)和人工智能的智能工藝規(guī)劃，需要數(shù)學(xué)、計算機、腦科學(xué)甚至心理學(xué)的交叉與融合；智能人機交互系統(tǒng)的實現(xiàn)，離不開自然語言辨識與理解的支持，而這一領(lǐng)域包含廣泛的社會學(xué)內(nèi)容。在當前科學(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)域而獨自發(fā)展了，學(xué)科交叉不僅是一個領(lǐng)域獲得發(fā)展的內(nèi)在要求，也是任何一個領(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，為智能機床的出現(xiàn)和發(fā)展創(chuàng)造了協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境。

數(shù)控機床的產(chǎn)生就是直接為航空工業(yè)服務(wù)的。1948 年，美國Parsons 公司因為掌握了使用計算機進行飛機槳葉形狀三維插值的技術(shù)，獲得了一項來自美國空軍的訂單，制造軍用飛機的變截面機翼；麻省理工學(xué)院作為該訂單的二次承包單位，負責相應(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——世界上第一臺三坐標數(shù)控立式銑床就這樣誕生了。從第一臺數(shù)控機床誕生到現(xiàn)在的60 余年間，數(shù)控機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，機床設(shè)計制造企業(yè)紛紛通過提升機床的智能化水平、提高機床專業(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。達到這樣的加工要求，必須對加工過程狀態(tài)參數(shù)及時獲取、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，否則可能會因個別加工參數(shù)的偏離而造成巨大浪費。增強數(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)了新一代具有人機對話式編程方式的智能化、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)MAZATROL，實現(xiàn)了CNC 和PC 的雙向通訊；國內(nèi)沈陽機床的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，不僅提升機床單機的智能化水平，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、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床。以飛機蒙皮加工為例：蒙皮是飛機外表面受力構(gòu)件，外形復(fù)雜，由于飛機減重設(shè)計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，再采用化銑工藝進行后續(xù)加工，存在化學(xué)污染嚴重、耗電量大、鋁材消耗率高等問題。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（mirrormilling system，如圖3 所示）專門用于飛機蒙皮的數(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)由兩臺五坐標機床組成，其中一臺五坐標銑床用于正面加工蒙皮工件，另一臺五坐標機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動，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，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床、成形機床之外的第三類機床，從工作原理的角度而言，增材制造是完全符合個性化產(chǎn)品定制要求的制造技術(shù)；同時，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；增材制造設(shè)備還具有操作簡便，易于通過開源軟硬件實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)等優(yōu)勢?；谝陨蟽?yōu)點，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床展覽會上，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)計要求。在適當提高材料性能，解決材料、設(shè)備、加工精度和加工效率的綜合經(jīng)濟性等問題后，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。

智能機床是數(shù)控機床的高級表現(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、計算機、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。以智能化為目標的先進數(shù)控技術(shù)和高端數(shù)控機床是充滿創(chuàng)新潛力和市場機遇的領(lǐng)域，但也存在巨大的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。我國在數(shù)控機床設(shè)計制造領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的進步，但機床產(chǎn)業(yè)水平不僅是經(jīng)濟、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。只要認清差距，找準切入點，堅持科學(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床裝備為目標，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床產(chǎn)業(yè)像其他領(lǐng)域一樣，逐步實現(xiàn)對世界先進水平的趕超。

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