01序言當(dāng)前，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為全球制造業(yè)發(fā)展的重要方向，以數(shù)控機床為硬件載體的數(shù)字化制造是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，而切削加工一直是航空航天等離散制造業(yè)關(guān)鍵零件加工的主導(dǎo)工藝，用于精確控制產(chǎn)品幾何尺寸、形狀和表面質(zhì)量。近年來，數(shù)字化、智能化生產(chǎn)線在我國航空航天制造企業(yè)中的應(yīng)用逐漸擴大，與單機運行相比，智能生產(chǎn)線對數(shù)控加工工藝流程、工藝方法、自動化水平等提出了更為嚴(yán)苛的要求。我國航空航天等離散制造企業(yè)在數(shù)控加工工藝、制造過程控制等方面的數(shù)字化制造基礎(chǔ)薄弱，工藝水平較低，尤其是缺乏對設(shè)備運行、產(chǎn)品質(zhì)量管控等數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，難以為生產(chǎn)決策提供及時、準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)支撐與反饋，導(dǎo)致生產(chǎn)線運行的適應(yīng)性、穩(wěn)健性和智能化水平無法滿足離散制造業(yè)多品種、小批量的高柔性需求。02離散制造智能生產(chǎn)線的特點與構(gòu)成離散制造屬于典型的多品種、小批量的生產(chǎn)模式，與流程制造相比，其生產(chǎn)線布局取決于零件的典型工藝需求，設(shè)備功能更加強大才能滿足多工序加工的需求。適用于離散制造企業(yè)的智能生產(chǎn)線的基本構(gòu)成如圖1所示，主要包括5個子系統(tǒng)。圖1

離散制造智能生產(chǎn)線的基本構(gòu)成（1）技術(shù)準(zhǔn)備系統(tǒng)在零件加工前完成對產(chǎn)品狀態(tài)標(biāo)識和加工過程所需的快換工裝、刀具及夾具的準(zhǔn)備。（2）自適應(yīng)制造系統(tǒng)通過機內(nèi)測量系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、加工工藝自適應(yīng)優(yōu)化、刀具磨損預(yù)測和再制造的補償加工。（3）物料傳輸系統(tǒng)通過運輸機器人和機器臂實現(xiàn)毛坯的自動倉儲、毛坯運輸和刀具庫擴容等。（4）總線控制系統(tǒng)設(shè)置線內(nèi)感知機構(gòu)，集成加工全過程管控系統(tǒng)，優(yōu)化排產(chǎn)，從管控系統(tǒng)指令調(diào)控生產(chǎn)控制。（5）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對毛坯數(shù)據(jù)、機床運行數(shù)據(jù)、刀具壽命數(shù)據(jù)及產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理，便于基于加工大數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析。國內(nèi)以航空航天領(lǐng)域為代表的離散制造企業(yè)已開展了數(shù)字化、智能化生產(chǎn)線的建設(shè)及試點示范，正在促進(jìn)設(shè)計、制造等專業(yè)智能制造關(guān)鍵技術(shù)的落地實施。部分先進(jìn)制造企業(yè)通過搭建數(shù)字化生產(chǎn)線三維虛擬展示和仿真驗證平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬規(guī)劃、優(yōu)化配置和柔性生產(chǎn)。同時針對智能生產(chǎn)線實際運行需求和零件的結(jié)構(gòu)工藝特點，建立支持?jǐn)?shù)控加工編程及仿真的工藝資源庫，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝、工裝的快速設(shè)計。在實際加工方面，通過數(shù)控加工設(shè)備運行狀態(tài)采集、數(shù)控加工刀具/工件機內(nèi)檢測等數(shù)據(jù)感知，結(jié)合工藝決策優(yōu)化技術(shù)手段，實現(xiàn)加工過程綜合誤差分析與自適應(yīng)誤差補償調(diào)整，有效保證產(chǎn)品加工質(zhì)量?？傮w而言，基于生產(chǎn)線自動化、數(shù)字化、智能化運行實際需求，先進(jìn)制造企業(yè)已基本突破生產(chǎn)線運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、異構(gòu)系統(tǒng)集成、生產(chǎn)過程可視化等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)線運行管理與控制的高度數(shù)字化、模塊化；同時，對基于生產(chǎn)現(xiàn)場的任務(wù)排程、資源管理、數(shù)據(jù)管理和看板管理等核心應(yīng)用模塊進(jìn)行了開發(fā)驗證，實現(xiàn)了生產(chǎn)線運行的全面智能化綜合管控與決策智能輔助。

03智能生產(chǎn)線中數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3.1

數(shù)控加工裝備應(yīng)用現(xiàn)狀我國航空航天等離散制造企業(yè)加工的產(chǎn)品對象多具有多品種、小批量的特點，產(chǎn)品型號眾多且差異較大，因此加工裝備也呈現(xiàn)多樣化。機床是制造業(yè)的“工業(yè)母機”，其智能化程度對智能制造的實施具有重要影響。機床隨著不同的工業(yè)時代發(fā)展而進(jìn)化，并呈現(xiàn)出各個時代的技術(shù)特點，如圖2所示。機床4.0是未來機床行業(yè)發(fā)展的趨勢所向，應(yīng)用人工智能技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，利用自主感知信息，通過自主學(xué)習(xí)與建模生成知識，并進(jìn)行自主優(yōu)化與決策，完成自主控制與執(zhí)行，實現(xiàn)加工制造過程的優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠和低耗的多目標(biāo)優(yōu)化等。

圖2

工業(yè)發(fā)展與機床進(jìn)化史

然而目前國內(nèi)離散制造企業(yè)數(shù)控加工多采用傳統(tǒng)的通用數(shù)控機床，從數(shù)控系統(tǒng)功能上而言，缺少自動裝夾、在線檢測和自動補償?shù)裙δ?，且很少結(jié)合產(chǎn)品加工工藝特點對設(shè)備進(jìn)行功能的定制研發(fā)，無法滿足產(chǎn)品的高效數(shù)控加工需求，也無法解決數(shù)控系統(tǒng)和設(shè)備的適應(yīng)性問題。因此通過模塊化設(shè)計，在加工工藝、故障診斷和運行維護等方面提供定制化服務(wù)是數(shù)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)定制化的改進(jìn)方向。目前在數(shù)控機床的智能化方面，由于過分依賴人類專家進(jìn)行理論建模和數(shù)據(jù)分析，所以機床的自主學(xué)習(xí)、生成知識的能力不足。“感知、互聯(lián)、學(xué)習(xí)、決策和自適應(yīng)”將成為數(shù)控機床智能化的主要功能特征，加工大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)和數(shù)字孿生等將有力助推未來智能機床技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

3.2

數(shù)控編程應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)控編程效率和質(zhì)量的高低，對產(chǎn)品加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用?；诘湫土慵膶I(yè)化數(shù)控加工編程技術(shù)（見圖3）的快速發(fā)展，數(shù)字化生產(chǎn)線、智能生產(chǎn)線滿足了典型零件柔性加工的要求。將典型零件的特征與工藝參數(shù)、機床模型庫及刀具模型庫等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，自動化快速編程在離散制造業(yè)得到深入應(yīng)用，實現(xiàn)智能生產(chǎn)線產(chǎn)品快速換型。通過特征識別方法實現(xiàn)加工特征的識別，進(jìn)而開發(fā)建立幾何加工特征、工藝策略和數(shù)控程序模板相集成的綜合特征模型，解決數(shù)控加工編程效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題。a）葉盤零件b）發(fā)動機殼體零件圖3

典型零件專業(yè)化數(shù)控編程目前數(shù)控編程技術(shù)的不足主要體現(xiàn)在以下兩方面。1）編程水平與效率低，產(chǎn)品質(zhì)量及一致性差。復(fù)雜零件加工特征數(shù)量多、形狀復(fù)雜且呈自由分布，特征間互有遮擋，因此編程過程中需要創(chuàng)建大量輔助幾何參數(shù)，數(shù)控編程時間長，且對編程水平要求極高。2）加工特征依靠人工識別，工藝知識無法重用。實際上，對于不同性能需求的復(fù)雜零件，雖然其形狀各異，但究其本質(zhì)均是由典型特征構(gòu)成，其相似特征的輔助幾何參數(shù)、加工策略、加工參數(shù)和刀軌策略具有可移植性，但現(xiàn)在商品化CAM系統(tǒng)無法實現(xiàn)移植。因此，基于特征自動識別技術(shù)，實現(xiàn)零件相似特征的辨認(rèn)，進(jìn)而在繼承已創(chuàng)建輔助加工幾何參數(shù)和工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況進(jìn)行校核與修改，是提高復(fù)雜零件編程效率、節(jié)省工藝準(zhǔn)備時間的有效途徑。3.3

加工仿真應(yīng)用現(xiàn)狀為保證數(shù)控加工過程中機床、刀具、工件和工裝等工藝系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行，減少物理試驗次數(shù)，以及實現(xiàn)零件一次性加工合格，虛擬仿真技術(shù)在工藝驗證領(lǐng)域得到了廣泛的研究及應(yīng)用（見圖4）。目前對數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)的研究已經(jīng)相對成熟，并出現(xiàn)了NX、CATIA、VERICUT等大量的商業(yè)軟件。物理仿真技術(shù)主要是對加工過程中切削力、切削溫度、應(yīng)力應(yīng)變及變形等因素的數(shù)值模擬，對于數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化、刀具選型和工藝策略優(yōu)化等有著重要意義，更有利于提升研發(fā)新產(chǎn)品的研制效率。a）NC程序驗證

b）加工過程干涉及碰撞仿真圖4

虛擬仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用物理仿真技術(shù)為了提高適應(yīng)性，會降低數(shù)學(xué)建模的復(fù)雜性，往往是關(guān)聯(lián)單一的變化因素，多數(shù)側(cè)重于切削力、刀具磨損和切削變形等單項因素仿真，因此存在著仿真模型的準(zhǔn)確性差、通用性差、質(zhì)量預(yù)測精度差、控制效果差和仿真系統(tǒng)的實用性差等問題。智能生產(chǎn)線需建立起能夠精確模擬實際加工情況并為用戶提供精確仿真結(jié)果的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，將物理仿真技術(shù)涉及的切削力、切削熱、零件加工變形預(yù)測及刀具磨損等因素集合到仿真系統(tǒng)中，同時將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元分析和混沌理論等新方法用于提高建模能力，增強仿真模型預(yù)測的可靠性和適應(yīng)性，此外通過仿真系統(tǒng)與上層計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與共享，實現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、PDM和ERP等系統(tǒng)的無縫集成，實現(xiàn)零件加工過程的全要素數(shù)字孿生。04智能生產(chǎn)線對數(shù)控加工技術(shù)的需求4.1

數(shù)據(jù)+模型混合驅(qū)動的工藝過程自主優(yōu)化技術(shù)零件數(shù)控加工過程缺乏有效的數(shù)據(jù)采集手段，就難以保證產(chǎn)品質(zhì)量問題的及時追溯，嚴(yán)重制約了工藝迭代優(yōu)化工作的開展。因此智能生產(chǎn)線上重要的一環(huán)就是通過有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測，基于OPC/DDE技術(shù)和先進(jìn)傳感器對設(shè)備數(shù)據(jù)及加工現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和智能算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的工藝參數(shù)優(yōu)化，并建立起優(yōu)化評價體系，實現(xiàn)工藝迭代優(yōu)化。離散制造企業(yè)智能生產(chǎn)線中對加工前的毛坯質(zhì)量判定和毛坯的自適應(yīng)裝夾定位也是很重要的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動的包容性分析和自適應(yīng)裝夾定位技術(shù)將是未來智能生產(chǎn)線中必不可缺的關(guān)鍵技術(shù)。通過三維掃描測量技術(shù)、在機測量技術(shù)對毛坯進(jìn)行掃描，得到毛坯測量數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過加工余量配準(zhǔn)優(yōu)化方法，計算出毛料最佳加工姿態(tài)和切削余量，從而為實現(xiàn)毛坯自動快速定位，保證產(chǎn)品加工基準(zhǔn)和加工過程的一致性奠定基礎(chǔ)。毛坯測量數(shù)據(jù)和余量配準(zhǔn)優(yōu)化模型的有效結(jié)合可實現(xiàn)毛坯的自適應(yīng)定位與余量最佳分配，實現(xiàn)復(fù)雜零件的自適應(yīng)加工。4.2

基于集成化、專業(yè)化的通用數(shù)控設(shè)備的自適應(yīng)加工技術(shù)傳統(tǒng)數(shù)控加工設(shè)備無法自動根據(jù)加工過程的控制參數(shù)和切削參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，難以保證加工零件的精度、表面質(zhì)量和實現(xiàn)加工效率的最大化。就刀具磨損檢測和壽命預(yù)測而言，目前多數(shù)企業(yè)的刀具壽命無法量化評價，基本依據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行定性評估，加工質(zhì)量不可控。因此，迫切需要研究不同類型刀具及切削參數(shù)對刀具壽命的影響，建立刀具壽命與切削參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合刀具壽命模型與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)控刀具當(dāng)前的磨損狀態(tài)和壽命。智能化設(shè)備是通過智能化技術(shù)與設(shè)備基本功能的有效融合，具備加工過程參數(shù)動態(tài)感知分析、智能優(yōu)化決策和自適應(yīng)精準(zhǔn)執(zhí)行功能的一類設(shè)備總稱。離散企業(yè)整個工廠的智能化水平在很大程度上取決于設(shè)備的智能化程度。通過集成狀態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能為一體的自適應(yīng)加工技術(shù)，開發(fā)具有數(shù)據(jù)采集、工件檢測、刀具壽命控制和再制造自適應(yīng)加工等功能的數(shù)控裝備，可為離散制造企業(yè)數(shù)控加工提質(zhì)增效奠定基礎(chǔ)。因此，通用數(shù)控設(shè)備的集成化和專業(yè)化，是傳統(tǒng)數(shù)控裝備向高端智能裝備發(fā)展的必然趨勢。4.3

智能化生產(chǎn)線建設(shè)與集成技術(shù)由于數(shù)控編程過程中的工藝策略、切削參數(shù)及后置處理等工藝資源無法共享，人為影響因素較多，因而基于工藝資源集成數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化加工編程方法是智能加工編程的發(fā)展趨勢。在充分利用特征編程及標(biāo)準(zhǔn)工藝模板等方面研究成果的基礎(chǔ)上，通過基于模型特征的自動識別、自動化編程及數(shù)據(jù)庫集成等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)基于加工特征、工藝資源集成數(shù)據(jù)庫支撐的數(shù)控加工程序自動化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化生成，提高數(shù)控加工編程的效率和質(zhì)量。運用數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)建立具備敏捷制造和柔性制造能力的智能化生產(chǎn)線，是離散制造企業(yè)從智能生產(chǎn)線向智能車間轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。對于航空航天等離散制造業(yè)的復(fù)雜精密零件，由于其毛料一致性差、加工特征多及數(shù)控加工周期長，因而迫切需要開發(fā)適應(yīng)小批