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智能機床技術(shù)體系框架

1智能機床定義

結(jié)合機床、國內(nèi)外的研究情況以及自身在智能機床方面的研究成果，給出狹義和廣義的智能機床定義如下。狹義智能機床的定義：對其加工制造過程能夠智能輔助決策、自動感知、智能監(jiān)測、智能調(diào)節(jié)和智能維護的機床，從而支持加工制造過程的高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的多目標優(yōu)化運行。廣義智能機床的定義：以人為中心、機器協(xié)助，通過自動感知、智能決策以及智能執(zhí)行方式，將固體材料，經(jīng)由一動力源推動，以物理的、化學(xué)的或其他方法作成形加工的機械，及其以一定方式各類智能功能組合支持所在制造系統(tǒng)高效、優(yōu)質(zhì)和低碳等多目標優(yōu)化運行的加工機械。狹義智能機床定義強調(diào)的是單機所具有智能功能和對加工過程多目標優(yōu)化的支持性，而廣義智能機床定義強調(diào)的是在以人為中心、人機協(xié)調(diào)的宗旨下，機床以及一定方式組合的加工設(shè)備或生產(chǎn)線所具有智能功能和對制造系統(tǒng)多目標優(yōu)化運行的支持性。

2智能技術(shù)特征

(1)人計機的協(xié)同性。人在生產(chǎn)活動中是非?；钴S的和具有巨大靈活性的因素，智能機床研究開發(fā)和應(yīng)用中應(yīng)以人為中心，人、計算機和機械以及各類軟件系統(tǒng)共處在一個系統(tǒng)中，互相獨立，發(fā)揮著各自特長，取長補短，協(xié)同工作從而使整個系統(tǒng)達到最佳效益。(2)整體與局部的協(xié)調(diào)性。一方面，智能機床的各智能功能部件、數(shù)控系統(tǒng)、各類執(zhí)行機構(gòu)以及各類控制軟件從局部上相互配合，協(xié)調(diào)完成各類工作，實現(xiàn)智能機床上的局部協(xié)調(diào)；另一方面，在局部協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，人和機床裝備(包括軟件和硬件)在路甬祥等提出的包括人的頭腦(智慧、經(jīng)驗和技能等)、智能計算機系統(tǒng)的知識庫和一般數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成信息庫[57]支撐下，實現(xiàn)智能機床整體上的協(xié)調(diào)。(3)智能的恰當性與無止性。一方面，由于技術(shù)的限制以及人們對機床智能化水平的要求和認識的不同，機床本身的智能化水平的高低是不同，機床在特定時期以及特定應(yīng)用領(lǐng)域其智能化水平是一定的，只要能恰當?shù)臐M足用戶的需要就認為是智能機床；另一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對機床智能化的要求和認識的不斷提高，從智能機床的發(fā)展的角度來看，其智能化水平是無止盡提高的。(4)自學(xué)習及其能力持續(xù)提高性?，F(xiàn)實的生產(chǎn)加工過程千差萬別，智能機床的智能體現(xiàn)的重要方面之一是在不確定環(huán)境下，通過分析已有的案例和人腦的智慧的形式化表達，自學(xué)習相關(guān)控制和決策算法，并在實際工作中不斷提升這種能力。(5)自治與集中的統(tǒng)一性。一方面，根據(jù)加工任務(wù)以及自身具有集自主檢測、智能診斷、自我優(yōu)化加工行為、智能監(jiān)控為一體的執(zhí)行能力，智能機床可獨立完成加工任務(wù)，出現(xiàn)故障時可自我修復(fù)，同時不斷總結(jié)和分析發(fā)生在自身上的各種事件和經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷提高自身的智能化水平；另一方面，為滿足服務(wù)性制造的需要和更好地提高機床的智能化水平，智能機床應(yīng)具有能集中管控的能力，以使機床不僅能通過自學(xué)提高智能化水平，通過共享方式還能運用同類機床所獲取到的經(jīng)過提煉的知識來提高自己，同時，通過遠程的監(jiān)控和維護維修提供其利用率。(6)結(jié)構(gòu)的開放性和可擴展性。技術(shù)是不斷發(fā)展的，客戶的要求是不斷變化的，機床的智能也是無止境。為滿足客戶的需要和適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計開發(fā)的智能機床在結(jié)構(gòu)上應(yīng)該是開放的，其各類接口系統(tǒng)(包括軟硬件)應(yīng)是對各供應(yīng)商是開放的，同時，隨時可根據(jù)新的需要，配置各種功能部件和軟件。(7)制造和加工的綠色性。為滿足低碳制造和可持續(xù)發(fā)展的需要，對于制造廠家，要求設(shè)計制造智能機床時保證其綠色性，同時保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品本身是綠色的，對于用戶廠家，應(yīng)保證其加工使用過程的綠色性。(8)智能的貫穿性。在智能機床設(shè)計、制造、使用、再制造和報廢的全生命周期過程中，應(yīng)充分體現(xiàn)其智能性，實現(xiàn)其智能化的設(shè)計、智能化的制造、智能化的加工、智能化的再制造和智能化的報廢。

3智能功能特征

對于不同的類型，智能機床就其功能本身千差萬別，同時如第2.2節(jié)中提到的其智能功能應(yīng)是恰當和無止境的，是在不斷變化的，但從本質(zhì)來說，其智能功能特征應(yīng)具有一個中心三類基本功能所能概括的特征。(1)一個中心——以人為中心的人、計、機動態(tài)交互功能。在智能機床中，人、計算機與機床(機床機械和電氣部分)之間及時地信息傳遞與反饋、配合和結(jié)合是實現(xiàn)超過普通機床制造能力和智力的關(guān)鍵，因此，智能機床中的人、計、機動態(tài)交互功能是其重要功能特征之一。其動態(tài)交互功能應(yīng)具有支撐三類基本功能完成的作用。在智能機床中，人是一個最不確定的因素，需要采用語音提示、自然語言識別、人工智能、粗糙集和模糊集等理論和技術(shù)，建立一個具有超魯棒性[57]以及人、計、機高度耦合和融合的動態(tài)交互界面，保證機床高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的運行。(2)三類基本功能。1)執(zhí)行智能功能。在加工任務(wù)執(zhí)行時，應(yīng)具有集自主檢測、智能診斷、自我優(yōu)化加工行為、遠程智能監(jiān)控為一體的執(zhí)行能力，總結(jié)和分析智能機床的各種執(zhí)行智能功能需求。2)準備智能功能。在加工任務(wù)準備時，應(yīng)具有在不確定變化環(huán)境中自主規(guī)劃工藝參數(shù)、編制加工代碼、確定控制邏輯等最佳行為策略能力。3)維護智能功能。在機床維護時，具有自主故障檢測和智能維修維護以及遠程智能維護，同時具有自學(xué)習和共享學(xué)習的能力，其中故障檢測和維修維護功能見表3，知識智能維護功能見表4。上述功能之間是相互作用，相互支撐的。

結(jié)論

(1)提出了智能機床的狹義和廣義定義。(2)給出了智能機床的八個智能技術(shù)特征。(3)闡述了包括以人為中心的人計機動態(tài)交互功能、三個基本功能——執(zhí)行智能功能、準備智能功能、維護智能功能的智能功能特征，以及功能之間的相互關(guān)系。(4)建立了體現(xiàn)了人在智能機床中所起的主導(dǎo)作用的八類理論與技術(shù)的智能機床技術(shù)理論框架。

作者：鄢萍閻春平劉飛何龍蔣林單位：重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室重慶大學(xué)重慶市網(wǎng)絡(luò)化制造工程技術(shù)研究中心