智能加工技术的发展与应用

　　智能加工技术概念

　　1 智能加工问题的提出

　　在生产实践中，数控加工过程并非一直处于理想状态，而是伴随着材料的去除出现多种复杂的物理现象，如加工几何误差、热变形、弹性变形以及系统振动等。加工过程中经常出现的问题是，使用零件模型编程生成的“正确”程序，并不一定能够加工出合格、优质的零件。正是由于上述各种复杂的物理现象，导致了工件的形状精度和表面质量不能满足要求。在产品的生产制造中，一旦加工过程设计或工艺参数选择不合理，就会导致产品加工表面质量差、设备加工能力得不到充分发挥，同时机床组件及刀具的使用寿命也会受到影响。

　　产生上述问题的原因在于，传统加工过程中，经常只考虑了数控机床或者加工过程本身，但缺乏对机床与加工过程中交互作用机理的综合理解。而这种交互作用又经常产生难以预知的效果，大大增加了加工过程控制的难度。为解决上述问题，必须变革传统的理念，将机床与加工过程一起考虑，对交互作用进行建模与仿真，进而优化加工过程、改进加工系统设计，减少加工过程中的缺陷。同时，借助先进的传感器技术和其他相关技术装备数控机床，对加工过程中的工况进行及时的感知和预测，对加工过程中的参数与加工状态进行评估和调整，达到经济有效提升形状精度与表面质量的目的。

　　2 智能加工技术概念

　　智能加工技术借助先进的检测、加工设备及仿真手段，实现对加工过程的建模、仿真、预测，对加工系统的监测与控制;同时集成现有加工知识，使得加工系统能根据实时工况自动优选加工参数、调整自身状态，获得最优的加工性能与最佳的加工质效。智能加工的技术内涵包括以下几方面。

　　(1)加工过程仿真与优化：针对不同零件的加工工艺、切削参数、进给速度等加工过程中影响零件加工质量的各种参数，通过基于加工过程模型的仿真，进行参数的预测和优化选取，生成优化的加工过程控制指令。

　　(2)过程监控与误差补偿：利用各种传感器、远程监控与故障诊断技术，对加工过程中的振动、切削温度、刀具磨损、加工变形以及设备的运行状态与健康状况进行监测;根据预先建立的系统控制模型，实时调整加工参数，并对加工过程中产生的误差进行实时补偿。

　　(3)通讯等其他辅助智能：将实时信息传递给远程监控与故障诊断系统，以及车间管理MES 系统。以上流程的描述如图 1 所示。

智能加工技术研究现状

　　智能加工技术已是现代高端制造装备的主要技术特征与国家战略重要发展方向，在美国及欧洲等发达国家倍受重视，近年来不断投入大量资金进行研究，典型研究计划有PMI计划、SMPI 计划和NEXT 计划。

　　1 PMI 计划

　　PMI 计划由学术性团体——国际生产工程学会(CIRP)发起，CIRP于2003 年成立了联合研究小组进行该领域的研究，参加机构包括CIRP的相关成员单位以及德、法等国的大学。

　　PMI 的研究内容主要包括：加工过程模型的建立与研究、设备的在线监控研究以及连接二者的工艺与设备交互作用的研究。其中加工过程建模方面的研究包括切削、磨削、成形过程的研究，设备在线监控包括智能主轴系统、刀具磨损预测等的研究，工艺与设备交互作用的研究包括交互作用的描述、仿真与优化，以及机床系统结构行为的研究。

　　2 SMPI 计划

　　SMPI 是美国政府支持的智能加工系统研究计划。该计划于2005年提出，美国国防部累计拨款超过1000 万美元资助该项研究。参与单位包括美国宇航局(NASA)、武器装备研究发展与工程中心(ARDEC)等政府部门，GE、波音、TechSolve 等公司，美国马里兰大学、德国亚琛工大等科研机构。SPMI 的研究内容包括基于设备的局部活动以及基于工艺的全局活动，如图 2 所示。

　　3 NEXT 计划

　　NEXT 计划是由欧盟委员会第六框架研发计划支持的下一代生产系统研究计划，由欧洲机床工业合作委员会(CECIMO)管理。参加单位包括西门子、达诺巴特集团等机床生产企业，博世、菲亚特等终端用户企业，以及德国亚琛工大机床与生产工程研究所(WZL)、汉诺威大学生产工程研究所(IFW)、布达佩斯技术与经济大学(BUTE)等研究机构。

　　NEXT 计划中的第三部分涉及制造技术前沿的研究，主要包括加工仿真与新技术开发、新型机床研发、轻型结构及机床组件研究和并联机床研发等内容。加工仿真方面包括表面加工质量检测与切削参数优化、铣削/ 车削加工过程建模与仿真、超精密加工技术等方面的研究。新型机床研发包括高速机床研发、开放式数控系统以及光纤传感器应用等方面的研究。机床组件方面包括轻型材料机床组件、旋转轴准确度测定及空气静力轴承等的研究。