数控机床的智能化及其在航空领域的应用

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1、钐论坛嘲uM数控机床的智能化及其在航空领域的应用球方辉，许斌(四川大学制造科学与工程学院，成都610065)【摘要】数控机床是国民经济关键领域的基础性支撑装备，按照用户的需要进行个性化设计、制造，逐渐成为市场对生产体系的基本要求。机床的智能化是数控机床的高级表现形式，是机床产业应对个性化制造趋势的有效途径，具体体现在加工过程、操作与管理、加工能力的智能化。航空工业是典型的个性化制造领域，机床设计制造企业纷纷通过提高机床智能化水平、提高机床专业化程度、提供复合化加工能力，来满足航空工业对数控机床的要求。关键词：数控机床；智能化；增材制造；航空DoI：10．16080／j．issn

2、l671．833x．2016．09．050方辉四川大学制造科学与工程学院机械工程系副教授。博士．主要科研方向为数控机床结构优化与误差补偿、增材制造(3D打印)技术与设备、精密超精密加工理论与技术。t基金项目：四川省科技支撑计划“民用飞机结构部件关键制造技术研究与应用”项目(2014GZ0122)。50航空制造技术·2016年第9期20世纪初出现的以流水线为代表的大批量生产模式创造了巨大的物质财富，提高了人们的生活水平，丰富了生活内容。但是，由于大批量生产模式的高刚性，不仅使生产组织方式，甚至科学探索、技术创新、产品应用的转化扩散都受到较强的制约，难以为社会提供多样化、个性化、低

3、成本的产品和服务，同时带来了资源能源的高消耗、环境代价高昂、不同国家社会的发展鸿沟扩大等问题。随着经济社会和科学技术的发展，20世纪60年代以后，大批量生产模式逐步向多品种、中小批量生产模式过渡。进入2l世纪，由于信息技术的大规模应用，人们对个性化产品的需求迅速增长，按照用户的需要进行个性化设计、制造，逐渐成为市场对生产体系的基本要求。着眼于个性化服务的定制生产，成为从日常消费品到复杂工业系统的典型生产模式。这样的外部条件，对包括数控机床在内的生产设备的智能化提出了更高的要求。目前的数控技术与设备在适应和满足个性化制造等方面仍然有巨大的提升空间，机床智能化发展存在强烈的内在动力

4、11。21。机床智能化的体现加工过程、使用操作和加工能力的智能化，是机床智能化的具体体现。(1)加工过程的智能化。以金属切削为代表的数控机床加工过程的智能化具体体现在：通过力、功率、扭矩、速度、加速度、振动、声、光、电等多传感器综合优化配置，实现对加工过程中多物理量的识别、监测，并分析上述物理量及其复杂耦合对机床关键部件、整机和工件所产生或可能产生的影响，通过高可靠性高速工业信息与通讯系统，适时调整加工状态或工艺参数，实现产品经济精度条件下的高效、低耗个性化制造【3卅。以温度传感与监控为例，德马吉森精机公司推出的DIxI210龙门五轴加工中心在主轴、滚珠丝杠、驱动电动机、变速箱

5、等多处设置了高通量冷却装置，所设的热量控制点由传感系统采集和传输数据，一旦超过设定温度范围即启动控温程序。通过这类措施及采用高性能传动部件，使机床的精度显著提高，各轴定位精度达到4斗m【5

6、。随着机床智能化程度的不断深化和扩展，越来越多的机床添加了故障诊断、温控、防碰撞、空间插补、振动控制、刀具视觉检测睁71等智能模块或子系统，特别是故障诊断与修复技术，不仅保障了智能机床的高效、高可靠运行，提升了机床维护的智能化水平，也为包括机床在内的制造系统的连续工作创造了有利的技术条件(8一oI。上述技术的互相协调与综合运用，为机床的综合智能集成奠定了技术基础。(2)操作与管理的智能化。数

7、控机床是高度专业化的生产设备，但目前的数控机床及其配套技术在很大程度上存在操作技术难度大、系统兼容性和可移植性差、维护成本高、难以协同管理等问题。机床智能化的关键内容，就是提高机床操作、管理的智能化水平，降低机床操作、管理的技术门槛和时间成本，使机床使用者能够将主要精力放在更好地理解用户需求上，从而进行更高质量的设计和优化制造，更好地满足用户对产品的个性化需求。智能机床不仅注重为使用者提供智能化的人机交互系统，还具有强大的数据获取、挖掘、分析和运用能力，例如，通过基于大数据的信息物理系统实现人与机床、机床与机床、机床与生产体系其他环节的信息共享与协调运行；利用移动互联技术和设备

8、与机床状态信息的互联互通，实现机床远程操作与管理，在提高机床使用效率的同时，降低机床采购、维护、升级和管理成本⋯。121；采用开放性的数控软件，通过逻辑控制器的高可靠实时联接，使其与传统意义上的数控系统逐步融合，降低各类数控设备之间的数据运用障碍，同时，通过开源硬件和开源软件构建低成本、高智能、高可靠性的可重构软硬件体系，实现智能数控机床开发者、使用者的融合。当前出现的机器人与数控机床融合发展(如图l所示)的趋势，就是机床操作与管理智能化发展的具体体现。(3)加工能力的智能化。加工能力的智能