智能機(jī)床最早出現(xiàn)在賴特(P·K·Wright)與伯恩(D·A·Bourne)1998年出版的智能制造研究領(lǐng)域的首本專(zhuān)著《智能制造》(Manufacturing Intelligence)中。由于對(duì)先進(jìn)制造業(yè)具有重要作用，智能技術(shù)引起各個(gè)國(guó)家的重視。美國(guó)推出了智能加工平臺(tái)計(jì)劃(SMPI);歐洲實(shí)施 “Next Generation Production System”研究;德國(guó)推出了“Industry 4.0”計(jì)劃;中國(guó)中長(zhǎng)期科技發(fā)展對(duì)“數(shù)字化智能化制造技術(shù)”提出了迫切需求，并制定了相應(yīng)的“十三五”發(fā)展規(guī)劃;在2006年美國(guó)芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)(IMTS2006)上，日本Mazak公司推出的首次命名為“Intelligent Machine”的智能機(jī)床和日本Okuma公司推出的命名為“thinc”的智能數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)啟了數(shù)控機(jī)床智能化時(shí)代。 本文從傳感器出發(fā)，將數(shù)控機(jī)床的智能技術(shù)按層次劃分為智能傳感器、智能功能、智能部件、智能系統(tǒng)等部分，對(duì)智能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出不足，揭示了發(fā)展方向，并對(duì)未來(lái)進(jìn)行了展望。
智能傳感器由機(jī)床、刀具、工件組成的數(shù)控機(jī)床制造系統(tǒng)在加工過(guò)程中，隨著材料的切除，伴隨著多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，隱含著豐富的信息。在這種動(dòng)態(tài)、非線性、時(shí)變、非確定性環(huán)境中，數(shù)控機(jī)床自身的感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化的基本條件。 數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)智能，需要各種傳感器收集外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)信息，近似人類(lèi)五官感知環(huán)境變化的功能，如表1所示。對(duì)人來(lái)講，眼睛是五官中最重要的感覺(jué)器官，能獲得90%以上的環(huán)境信息，但視覺(jué)傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用還比較少。隨著自動(dòng)化和智能化水平的提高，視覺(jué)功能在數(shù)控機(jī)床中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。表1數(shù)控機(jī)床可用傳感器
隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)、嵌入技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，傳感器趨向小型化。MEMS微傳感器、薄膜傳感器以及光纖傳感器等微型傳感器的成熟應(yīng)用，為傳感器嵌入數(shù)控機(jī)床奠定了基礎(chǔ)。 由于制造過(guò)程中存在不可預(yù)測(cè)或不能預(yù)料的復(fù)雜現(xiàn)象和奇怪問(wèn)題，以及所監(jiān)測(cè)到的信息存在時(shí)效性、精確性、完整性等問(wèn)題，因此，要求傳感器具有分析、推理、學(xué)**等智能，這要求傳感器要有高性能智能處理器來(lái)充當(dāng)“大腦”。美國(guó)高通公司正在研制能夠模擬人腦工作的人工智能系統(tǒng)微處理器。將來(lái)可通過(guò)半導(dǎo)體集成技術(shù)，將高性能人工智能系統(tǒng)微處理器與傳感器、信號(hào)處理電路、I/O接口等集成在同一芯片上，形成大規(guī)模集成電路式智能傳感器，不但具有檢測(cè)、識(shí)別、記憶、分析等功能，而且具有自學(xué)**甚至思維能力。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、MEMS技術(shù)、高新材料技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等不斷進(jìn)步，智能傳感器將會(huì)在數(shù)控機(jī)床智能感知方面帶來(lái)全新變革。
智能功能數(shù)控機(jī)床向高速、高效、高精化發(fā)展，要求數(shù)控機(jī)床具有熱補(bǔ)償、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、磨損監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等智能功能。融合幾個(gè)或幾種智能傳感器，采用人工智能方法，通過(guò)識(shí)別、分析、判斷及推理，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能功能，為智能部件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。 數(shù)控機(jī)床的誤差包括幾何誤差、熱(變形)誤差、力(變形)誤差、裝配誤差等。研究表明，幾何誤差、熱誤差占到機(jī)床總誤差的50%以上，是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵因素，如圖1所示。其中，幾何誤差是制造、裝配過(guò)程中造成的與機(jī)床結(jié)構(gòu)本身有關(guān)的誤差，隨時(shí)間變化不大，屬于靜態(tài)誤差，誤差預(yù)測(cè)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)系統(tǒng)的補(bǔ)償功能得到有效控制，而熱誤差隨時(shí)間變化很大，屬于動(dòng)態(tài)誤差，誤差預(yù)測(cè)模型復(fù)雜，是國(guó)際研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的熱源包括軸承、滾珠絲杠、電機(jī)、齒輪箱、導(dǎo)軌、刀具等。這些部件的升溫會(huì)引起主軸延伸、坐標(biāo)變化、刀具伸長(zhǎng)等變化，造成機(jī)床誤差增大。由于溫度敏感點(diǎn)多、分布廣，溫度測(cè)試點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)很重要，主要方法有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類(lèi)、粗糙集、信息論、灰色系統(tǒng)等[6]。在確定了溫度測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、灰色系統(tǒng)、支持向量機(jī)等來(lái)進(jìn)行誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償。
在航空航天領(lǐng)域，隨著鈦合金、鎳合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的廣泛應(yīng)用，以及高速切削條件下，切削量的不斷增大，刀具、工件間很容易發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。由于切削力是切削過(guò)程的原始特征信號(hào)，最能反映加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，因此可以借助切削力監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。借助測(cè)力儀、力傳感器、進(jìn)給電機(jī)的電流等，利用粒子群算法、模糊理論、遺傳算法、灰色理論等對(duì)切削力進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。考慮到引起機(jī)床振動(dòng)的原因主要有主軸、絲杠、軸承等部件，也可以采集這些部件的振動(dòng)、切削力、聲發(fā)射等信號(hào)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、支持向量機(jī)等智能方法直接進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
刀具安裝在主軸前端，與加工工件接觸，直接切削工件表面，對(duì)加工質(zhì)量的影響是最直接和關(guān)鍵的。刀具磨損、破損等異常現(xiàn)象影響加工精度和工作安全。鑒于直接測(cè)量法需要離線檢測(cè)的缺陷，常采集電流、切削力、振動(dòng)、功率、溫度等一種或多種間接信號(hào)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能算法對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。 隨著自動(dòng)化程度的提高，數(shù)控機(jī)床集成越來(lái)越多的功能，復(fù)雜程度不斷提高。為了高效運(yùn)行，對(duì)數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與性能評(píng)價(jià)、對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警與診斷十分必要。由于故障模式再現(xiàn)性不強(qiáng)，樣本采集困難，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等要求樣本多的智能方法不適合這種場(chǎng)合。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷常采用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、支持向量機(jī)、專(zhuān)家系統(tǒng)和多Agent等智能方法。 研究人員不斷探索和研究智能功能的新方法或多種方法的混合，但大部分集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，缺少實(shí)時(shí)性高、在線功能強(qiáng)的方法，尚需深入發(fā)展簡(jiǎn)潔、快速、適應(yīng)性強(qiáng)的智能方法。
智能部件數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分主要包括支撐結(jié)構(gòu)件、主傳動(dòng)件、進(jìn)給傳動(dòng)件、刀具等部分，涉及到床身、立柱、主軸、刀具、絲杠與導(dǎo)軌以及旋轉(zhuǎn)軸等部件。這些部件可以集成智能傳感器的一種或幾種智能功能構(gòu)成數(shù)控機(jī)床智能部件。
主軸是主傳動(dòng)部件，作為核心部件，直接關(guān)系到工件加工精度。由于主軸轉(zhuǎn)速較高，特別是電主軸，發(fā)熱、磨損、振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量影響很大，因此，越來(lái)越多的智能傳感器被集成到主軸中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警以及補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｈ毡旧狡轳R扎克研制的“智能主軸”，裝有溫度、振動(dòng)、位移及距離等多種傳感器，不但具有溫度、振動(dòng)、夾具壽命監(jiān)控和防護(hù)功能，而且能夠根據(jù)溫度、振動(dòng)狀態(tài)，智能協(xié)調(diào)加工參數(shù)。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的電主軸，裝有溫度、加速度、軸向位移等多種傳感器，如圖3所示，能夠進(jìn)行熱補(bǔ)償、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。
智能傳感器由機(jī)床、刀具、工件組成的數(shù)控機(jī)床制造系統(tǒng)在加工過(guò)程中，隨著材料的切除，伴隨著多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，隱含著豐富的信息。在這種動(dòng)態(tài)、非線性、時(shí)變、非確定性環(huán)境中，數(shù)控機(jī)床自身的感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化的基本條件。 數(shù)控機(jī)床要實(shí)現(xiàn)智能，需要各種傳感器收集外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)信息，近似人類(lèi)五官感知環(huán)境變化的功能，如表1所示。對(duì)人來(lái)講，眼睛是五官中最重要的感覺(jué)器官，能獲得90%以上的環(huán)境信息，但視覺(jué)傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用還比較少。隨著自動(dòng)化和智能化水平的提高，視覺(jué)功能在數(shù)控機(jī)床中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。表1數(shù)控機(jī)床可用傳感器
隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)、嵌入技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，傳感器趨向小型化。MEMS微傳感器、薄膜傳感器以及光纖傳感器等微型傳感器的成熟應(yīng)用，為傳感器嵌入數(shù)控機(jī)床奠定了基礎(chǔ)。 由于制造過(guò)程中存在不可預(yù)測(cè)或不能預(yù)料的復(fù)雜現(xiàn)象和奇怪問(wèn)題，以及所監(jiān)測(cè)到的信息存在時(shí)效性、精確性、完整性等問(wèn)題，因此，要求傳感器具有分析、推理、學(xué)**等智能，這要求傳感器要有高性能智能處理器來(lái)充當(dāng)“大腦”。美國(guó)高通公司正在研制能夠模擬人腦工作的人工智能系統(tǒng)微處理器。將來(lái)可通過(guò)半導(dǎo)體集成技術(shù)，將高性能人工智能系統(tǒng)微處理器與傳感器、信號(hào)處理電路、I/O接口等集成在同一芯片上，形成大規(guī)模集成電路式智能傳感器，不但具有檢測(cè)、識(shí)別、記憶、分析等功能，而且具有自學(xué)**甚至思維能力。相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、MEMS技術(shù)、高新材料技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等不斷進(jìn)步，智能傳感器將會(huì)在數(shù)控機(jī)床智能感知方面帶來(lái)全新變革。
智能功能數(shù)控機(jī)床向高速、高效、高精化發(fā)展，要求數(shù)控機(jī)床具有熱補(bǔ)償、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、磨損監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等智能功能。融合幾個(gè)或幾種智能傳感器，采用人工智能方法，通過(guò)識(shí)別、分析、判斷及推理，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能功能，為智能部件的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。 數(shù)控機(jī)床的誤差包括幾何誤差、熱(變形)誤差、力(變形)誤差、裝配誤差等。研究表明，幾何誤差、熱誤差占到機(jī)床總誤差的50%以上，是影響機(jī)床加工精度的關(guān)鍵因素，如圖1所示。其中，幾何誤差是制造、裝配過(guò)程中造成的與機(jī)床結(jié)構(gòu)本身有關(guān)的誤差，隨時(shí)間變化不大，屬于靜態(tài)誤差，誤差預(yù)測(cè)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)系統(tǒng)的補(bǔ)償功能得到有效控制，而熱誤差隨時(shí)間變化很大，屬于動(dòng)態(tài)誤差，誤差預(yù)測(cè)模型復(fù)雜，是國(guó)際研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的熱源包括軸承、滾珠絲杠、電機(jī)、齒輪箱、導(dǎo)軌、刀具等。這些部件的升溫會(huì)引起主軸延伸、坐標(biāo)變化、刀具伸長(zhǎng)等變化，造成機(jī)床誤差增大。由于溫度敏感點(diǎn)多、分布廣，溫度測(cè)試點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)很重要，主要方法有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊聚類(lèi)、粗糙集、信息論、灰色系統(tǒng)等[6]。在確定了溫度測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、灰色系統(tǒng)、支持向量機(jī)等來(lái)進(jìn)行誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償。
在航空航天領(lǐng)域，隨著鈦合金、鎳合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的廣泛應(yīng)用，以及高速切削條件下，切削量的不斷增大，刀具、工件間很容易發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。由于切削力是切削過(guò)程的原始特征信號(hào)，最能反映加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，因此可以借助切削力監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。借助測(cè)力儀、力傳感器、進(jìn)給電機(jī)的電流等，利用粒子群算法、模糊理論、遺傳算法、灰色理論等對(duì)切削力進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。考慮到引起機(jī)床振動(dòng)的原因主要有主軸、絲杠、軸承等部件，也可以采集這些部件的振動(dòng)、切削力、聲發(fā)射等信號(hào)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、支持向量機(jī)等智能方法直接進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
刀具安裝在主軸前端，與加工工件接觸，直接切削工件表面，對(duì)加工質(zhì)量的影響是最直接和關(guān)鍵的。刀具磨損、破損等異常現(xiàn)象影響加工精度和工作安全。鑒于直接測(cè)量法需要離線檢測(cè)的缺陷，常采集電流、切削力、振動(dòng)、功率、溫度等一種或多種間接信號(hào)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能算法對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。 隨著自動(dòng)化程度的提高，數(shù)控機(jī)床集成越來(lái)越多的功能，復(fù)雜程度不斷提高。為了高效運(yùn)行，對(duì)數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與性能評(píng)價(jià)、對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警與診斷十分必要。由于故障模式再現(xiàn)性不強(qiáng)，樣本采集困難，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等要求樣本多的智能方法不適合這種場(chǎng)合。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷常采用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、支持向量機(jī)、專(zhuān)家系統(tǒng)和多Agent等智能方法。 研究人員不斷探索和研究智能功能的新方法或多種方法的混合，但大部分集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，缺少實(shí)時(shí)性高、在線功能強(qiáng)的方法，尚需深入發(fā)展簡(jiǎn)潔、快速、適應(yīng)性強(qiáng)的智能方法。
智能部件數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分主要包括支撐結(jié)構(gòu)件、主傳動(dòng)件、進(jìn)給傳動(dòng)件、刀具等部分，涉及到床身、立柱、主軸、刀具、絲杠與導(dǎo)軌以及旋轉(zhuǎn)軸等部件。這些部件可以集成智能傳感器的一種或幾種智能功能構(gòu)成數(shù)控機(jī)床智能部件。
主軸是主傳動(dòng)部件，作為核心部件，直接關(guān)系到工件加工精度。由于主軸轉(zhuǎn)速較高，特別是電主軸，發(fā)熱、磨損、振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量影響很大，因此，越來(lái)越多的智能傳感器被集成到主軸中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警以及補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｈ毡旧狡轳R扎克研制的“智能主軸”，裝有溫度、振動(dòng)、位移及距離等多種傳感器，不但具有溫度、振動(dòng)、夾具壽命監(jiān)控和防護(hù)功能，而且能夠根據(jù)溫度、振動(dòng)狀態(tài)，智能協(xié)調(diào)加工參數(shù)。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的電主軸，裝有溫度、加速度、軸向位移等多種傳感器，如圖3所示，能夠進(jìn)行熱補(bǔ)償、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。