智能加工技術(shù)概念

　　1 智能加工問題的提出

　　在生產(chǎn)實踐中，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)計或工藝參數(shù)選擇不合理，就會導(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，同時機床組件及刀具的使用壽命也會受到影響。

　　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)控機床或者加工過程本身，但缺乏對機床與加工過程中交互作用機理的綜合理解。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，將機床與加工過程一起考慮，對交互作用進行建模與仿真，進而優(yōu)化加工過程、改進加工系統(tǒng)設(shè)計，減少加工過程中的缺陷。同時，借助先進的傳感器技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)裝備數(shù)控機床，對加工過程中的工況進行及時的感知和預(yù)測，對加工過程中的參數(shù)與加工狀態(tài)進行評估和調(diào)整，達到經(jīng)濟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)借助先進的檢測、加工設(shè)備及仿真手段，實現(xiàn)對加工過程的建模、仿真、預(yù)測，對加工系統(tǒng)的監(jiān)測與控制;同時集成現(xiàn)有加工知識，使得加工系統(tǒng)能根據(jù)實時工況自動優(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：針對不同零件的加工工藝、切削參數(shù)、進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，進行參數(shù)的預(yù)測和優(yōu)化選取，生成優(yōu)化的加工過程控制指令。

　　(2)過程監(jiān)控與誤差補償：利用各種傳感器、遠程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)，對加工過程中的振動、切削溫度、刀具磨損、加工變形以及設(shè)備的運行狀態(tài)與健康狀況進行監(jiān)測;根據(jù)預(yù)先建立的系統(tǒng)控制模型，實時調(diào)整加工參數(shù)，并對加工過程中產(chǎn)生的誤差進行實時補償。

　　(3)通訊等其他輔助智能：將實時信息傳遞給遠程監(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)特征與國家戰(zhàn)略重要發(fā)展方向，在美國及歐洲等發(fā)達國家倍受重視，近年來不斷投入大量資金進行研究，典型研究計劃有PMI計劃、SMPI 計劃和NEXT 計劃。

　　1 PMI 計劃

　　PMI 計劃由學(xué)術(shù)性團體——國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)發(fā)起，CIRP于2003 年成立了聯(lián)合研究小組進行該領(lǐng)域的研究，參加機構(gòu)包括CIRP的相關(guān)成員單位以及德、法等國的大學(xué)。

　　PMI 的研究內(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，以及機床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)行為的研究。

　　2 SMPI 計劃

　　SMPI 是美國政府支持的智能加工系統(tǒng)研究計劃。該計劃于2005年提出，美國國防部累計撥款超過1000 萬美元資助該項研究。參與單位包括美國宇航局(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，美國馬里蘭大學(xué)、德國亞琛工大等科研機構(gòu)。SPMI 的研究內(nèi)容包括基于設(shè)備的局部活動以及基于工藝的全局活動，如圖 2 所示。

　　3 NEXT 計劃

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

　　NEXT 計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)、新型機床研發(fā)、輕型結(jié)構(gòu)及機床組件研究和并聯(lián)機床研發(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。新型機床研發(fā)包括高速機床研發(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。機床組件方面包括輕型材料機床組件、旋轉(zhuǎn)軸準確度測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、機床結(jié)構(gòu)及其特性分析、動態(tài)切削過程的分析，以及在此基礎(chǔ)上進行的切削參數(shù)優(yōu)化和加工質(zhì)量預(yù)測等。

　　(1)機床系統(tǒng)建模。

　　通過機床結(jié)構(gòu)建模與優(yōu)化設(shè)計，可提高機床的運行精度、降低定位與運行誤差，同時可進行誤差的預(yù)測與補償。主軸系統(tǒng)的建模分析可根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)預(yù)測不同轉(zhuǎn)速下的刀具動剛度，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，在加工過程中可以獲得更大的穩(wěn)定切深;通過刀具負載的優(yōu)化，獲得變化的優(yōu)化進給可以獲得更高的加工效率與經(jīng)濟效益。

　　(2)切削過程仿真。

　　切削過程仿真借助各種先進的仿真手段，對加工過程中的切屑形成機理、力熱分布、表面形貌以及刀具磨損進行仿真和研究。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)驗知識，對復(fù)雜加工工況及加工過程中的切削參數(shù)、機床運動進行優(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。

　　加工質(zhì)量預(yù)測采用可視化方法對切削加工過程中形成的表面紋理及加工質(zhì)量進行預(yù)測，為切削參數(shù)的優(yōu)化選取提供支持，從而進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際工程的需要。同時，由于加工過程中出現(xiàn)的材料、機床、系統(tǒng)狀態(tài)等方面的突發(fā)性情況，必須對加工過程進行實時監(jiān)控，并進行誤差補償和現(xiàn)場控制。

　　2 過程監(jiān)控與誤差補償

　　加工過程監(jiān)控借助先進設(shè)備對加工工況、工件、刀具與設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測與控制，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的分析與誤差補償。加工設(shè)備的性能表征是進行過程監(jiān)控的前提，可定期通過測試設(shè)備與傳感器測定設(shè)備的性能參數(shù)，并及時對系統(tǒng)性能參數(shù)庫或知識庫進行更新。在加工過程中，可借助各種傳感器、聲音和視頻系統(tǒng)對加工過程中的力、振動、噪聲、溫度、工件表面質(zhì)量等進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測信號和預(yù)先建立的多個模型判定加工狀態(tài)、刀具磨損情況、機床工作狀態(tài)與加工質(zhì)量，進而進行切削參數(shù)的自動優(yōu)化與誤差補償。同時，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(維護部門、采購部門等)，根據(jù)健康狀態(tài)進行及時維護，保障加工質(zhì)量，減少停工時間。

　　3 智能加工機床

　　智能加工機床借助微型傳感器將機床在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)變、振動、熱變形等檢測出來，傳遞給預(yù)先建立的模型，根據(jù)該模型進行數(shù)據(jù)的分析與誤差補償，從而提高加工精度、表面質(zhì)量和加工效率。此外，智能機床也可進行人機對話，實現(xiàn)系統(tǒng)故障的遠程診斷。典型的智能加工機床有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)劃與運動干涉的處理。

　　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)的高速加工運動學(xué)與機床復(fù)雜工藝系統(tǒng)的動力學(xué)問題。而工藝系統(tǒng)在加工過程中又具有時變特性——其動力學(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)的幾何與運動學(xué)模型、動力學(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，對工藝系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行分析，在此基礎(chǔ)上進行工藝系統(tǒng)的控制及誤差補償。這些模型的建立奠定了智能加工實現(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動仿真可以對刀具的運動軌跡和機床運動進行仿真，驗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，還可在加工過程中通過對加工工況的分析，實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化選取。通過對加工過程中機床各運動軸的分析與運動的優(yōu)化，對機床運動與加工參數(shù)進行優(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)測機床系統(tǒng)組件、加工刀具的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進行加工過程的優(yōu)化。例如，在薄壁葉片的加工過程中，通過工藝系統(tǒng)動力學(xué)特性的分析，采用余量優(yōu)化方法可以有效減少加工過程中的振動，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遠不夠，必須充分利用現(xiàn)有的物理仿真軟件。同時，還需將仿真建模理論和生產(chǎn)實際需要進行密切結(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。

　　3 在線監(jiān)控與優(yōu)化

　　在加工過程中，系統(tǒng)實時不斷地監(jiān)測主軸負載、工藝系統(tǒng)振動、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)測與控制模型對實時數(shù)據(jù)進行過濾、分解與分析，在此基礎(chǔ)上進行切削參數(shù)的實時優(yōu)化與反饋控制;同時根據(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)實時調(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，葉片根部和輪盤的連接處通常留有余量，焊接后采用機加方法去除。同時，焊接時會導(dǎo)致葉片與盤體之間的相對位置與理論模型相比各有差異。焊接式整體葉盤的機械加工可充分借助智能加工技術(shù)。如圖 5 所示，采用在機測量技術(shù)，可對每個葉片進行檢測，快速生成葉片的實際模型，對葉片與盤體之間的相對位置進行評估并生成對應(yīng)的加工軌跡。這樣可獲得良好的加工質(zhì)量，同時可大大減少因為焊接原因?qū)е碌娜~片位置偏差。

　　結(jié)束語

　　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紐帶，為實現(xiàn)生產(chǎn)制造更高層次的自動化、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，需要在以下幾個方面加強。
　　(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)測多信息的融合與處理技術(shù)、在線測量技術(shù)等。
　　(2)智能加工技術(shù)的發(fā)展要結(jié)合我國國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備的特點。針對目前我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及大飛機、高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備等國家科技重大專項的實施，研究發(fā)展符合我國國產(chǎn)機床設(shè)備的性能測試、監(jiān)控、優(yōu)化方法，推動國產(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。大力推進建設(shè)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的數(shù)控加工創(chuàng)新平臺建設(shè)，建立國產(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)研究機構(gòu)之間的聯(lián)盟機制，加強智能加工技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)向?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化，從而推動我國裝備制造業(yè)的快速向前發(fā)展。