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智能機(jī)床技術(shù)體系框架

1智能機(jī)床定義

結(jié)合機(jī)床、國(guó)內(nèi)外的研究情況以及自身在智能機(jī)床方面的研究成果，給出狹義和廣義的智能機(jī)床定義如下。狹義智能機(jī)床的定義：對(duì)其加工制造過(guò)程能夠智能輔助決策、自動(dòng)感知、智能監(jiān)測(cè)、智能調(diào)節(jié)和智能維護(hù)的機(jī)床，從而支持加工制造過(guò)程的高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行。廣義智能機(jī)床的定義：以人為中心、機(jī)器協(xié)助，通過(guò)自動(dòng)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(dòng)力源推動(dòng)，以物理的、化學(xué)的或其他方法作成形加工的機(jī)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(biāo)優(yōu)化運(yùn)行的加工機(jī)械。狹義智能機(jī)床定義強(qiáng)調(diào)的是單機(jī)所具有智能功能和對(duì)加工過(guò)程多目標(biāo)優(yōu)化的支持性，而廣義智能機(jī)床定義強(qiáng)調(diào)的是在以人為中心、人機(jī)協(xié)調(diào)的宗旨下，機(jī)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(duì)制造系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行的支持性。

2智能技術(shù)特征

(1)人計(jì)機(jī)的協(xié)同性。人在生產(chǎn)活動(dòng)中是非?；钴S的和具有巨大靈活性的因素，智能機(jī)床研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中應(yīng)以人為中心，人、計(jì)算機(jī)和機(jī)械以及各類軟件系統(tǒng)共處在一個(gè)系統(tǒng)中，互相獨(dú)立，發(fā)揮著各自特長(zhǎng)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同工作從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳效益。(2)整體與局部的協(xié)調(diào)性。一方面，智能機(jī)床的各智能功能部件、數(shù)控系統(tǒng)、各類執(zhí)行機(jī)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(shí)現(xiàn)智能機(jī)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(jī)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(yàn)和技能等)、智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和一般數(shù)據(jù)庫(kù)等構(gòu)成信息庫(kù)[57]支撐下，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)床整體上的協(xié)調(diào)。(3)智能的恰當(dāng)性與無(wú)止性。一方面，由于技術(shù)的限制以及人們對(duì)機(jī)床智能化水平的要求和認(rèn)識(shí)的不同，機(jī)床本身的智能化水平的高低是不同，機(jī)床在特定時(shí)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(dāng)?shù)臐M足用戶的需要就認(rèn)為是智能機(jī)床；另一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)機(jī)床智能化的要求和認(rèn)識(shí)的不斷提高，從智能機(jī)床的發(fā)展的角度來(lái)看，其智能化水平是無(wú)止盡提高的。(4)自學(xué)習(xí)及其能力持續(xù)提高性。現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)加工過(guò)程千差萬(wàn)別，智能機(jī)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(guò)分析已有的案例和人腦的智慧的形式化表達(dá)，自學(xué)習(xí)相關(guān)控制和決策算法，并在實(shí)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(cè)、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(jī)床可獨(dú)立完成加工任務(wù)，出現(xiàn)故障時(shí)可自我修復(fù)，同時(shí)不斷總結(jié)和分析發(fā)生在自身上的各種事件和經(jīng)驗(yàn)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(jī)床的智能化水平，智能機(jī)床應(yīng)具有能集中管控的能力，以使機(jī)床不僅能通過(guò)自學(xué)提高智能化水平，通過(guò)共享方式還能運(yùn)用同類機(jī)床所獲取到的經(jīng)過(guò)提煉的知識(shí)來(lái)提高自己，同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程的監(jiān)控和維護(hù)維修提供其利用率。(6)結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。技術(shù)是不斷發(fā)展的，客戶的要求是不斷變化的，機(jī)床的智能也是無(wú)止境。為滿足客戶的需要和適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能機(jī)床在結(jié)構(gòu)上應(yīng)該是開(kāi)放的，其各類接口系統(tǒng)(包括軟硬件)應(yīng)是對(duì)各供應(yīng)商是開(kāi)放的，同時(shí)，隨時(shí)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(duì)于制造廠家，要求設(shè)計(jì)制造智能機(jī)床時(shí)保證其綠色性，同時(shí)保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品本身是綠色的，對(duì)于用戶廠家，應(yīng)保證其加工使用過(guò)程的綠色性。(8)智能的貫穿性。在智能機(jī)床設(shè)計(jì)、制造、使用、再制造和報(bào)廢的全生命周期過(guò)程中，應(yīng)充分體現(xiàn)其智能性，實(shí)現(xiàn)其智能化的設(shè)計(jì)、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(bào)廢。

3智能功能特征

對(duì)于不同的類型，智能機(jī)床就其功能本身千差萬(wàn)別，同時(shí)如第2.2節(jié)中提到的其智能功能應(yīng)是恰當(dāng)和無(wú)止境的，是在不斷變化的，但從本質(zhì)來(lái)說(shuō)，其智能功能特征應(yīng)具有一個(gè)中心三類基本功能所能概括的特征。(1)一個(gè)中心——以人為中心的人、計(jì)、機(jī)動(dòng)態(tài)交互功能。在智能機(jī)床中，人、計(jì)算機(jī)與機(jī)床(機(jī)床機(jī)械和電氣部分)之間及時(shí)地信息傳遞與反饋、配合和結(jié)合是實(shí)現(xiàn)超過(guò)普通機(jī)床制造能力和智力的關(guān)鍵，因此，智能機(jī)床中的人、計(jì)、機(jī)動(dòng)態(tài)交互功能是其重要功能特征之一。其動(dòng)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(jī)床中，人是一個(gè)最不確定的因素，需要采用語(yǔ)音提示、自然語(yǔ)言識(shí)別、人工智能、粗糙集和模糊集等理論和技術(shù)，建立一個(gè)具有超魯棒性[57]以及人、計(jì)、機(jī)高度耦合和融合的動(dòng)態(tài)交互界面，保證機(jī)床高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的運(yùn)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(shí)，應(yīng)具有集自主檢測(cè)、智能診斷、自我優(yōu)化加工行為、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控為一體的執(zhí)行能力，總結(jié)和分析智能機(jī)床的各種執(zhí)行智能功能需求。2)準(zhǔn)備智能功能。在加工任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)，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(hù)智能功能。在機(jī)床維護(hù)時(shí)，具有自主故障檢測(cè)和智能維修維護(hù)以及遠(yuǎn)程智能維護(hù)，同時(shí)具有自學(xué)習(xí)和共享學(xué)習(xí)的能力，其中故障檢測(cè)和維修維護(hù)功能見(jiàn)表3，知識(shí)智能維護(hù)功能見(jiàn)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(jī)床的狹義和廣義定義。(2)給出了智能機(jī)床的八個(gè)智能技術(shù)特征。(3)闡述了包括以人為中心的人計(jì)機(jī)動(dòng)態(tài)交互功能、三個(gè)基本功能——執(zhí)行智能功能、準(zhǔn)備智能功能、維護(hù)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(jī)床中所起的主導(dǎo)作用的八類理論與技術(shù)的智能機(jī)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(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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