先进智能锯切装备的关键技术及发展趋势 | CJME论文推荐

引用论文

Yangyu Wang, Yongle Zhang, Dapeng Tan, et al . Key Technologies and Development Trends in Advanced Intelligent Sawing Equipments. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2021, 34: 30.

研究背景及目的

锯切装备作为金属切削加工机床十一大类中的一类，处于装备制造的起点，在工业生产中具有不可替代的作用，广泛应用于航空航天、核电、化工、船舶、轨道交通等战略工程领域。随着新能源、空间和海洋资源利用等相关领域重大装备的不断涌现，如百万千级瓦核电装备、巨型舰船、大型飞行器等，其核心部件的服役条件日益趋于极端化，多采用力学性能优异的难切削金属材料，且尺寸规格大，其生产制造越来越依赖于巨型重载制造装备的能力与水平。

本文通过综述国内外高端锯切装备发展现状，指出其研发、制造过程中的技术难题，并对“以锯代车、以锯代铣”新业态进行了重点阐述。针对当前国内锯切装备生产存在的加工过程控制稳定性差、单机智能化水平低、在线锯切加工数据服务缺乏等问题，对其所涉及的锯切加工- 测量一体化控制系统、锯床整体动力学优化、智能化锯切协同生产网络构架、分布式锯切生产云平台与自适应服务方法等关键技术进行了深入分析，并给出了相应的研究思路与建议。

结论

随着机械加工精度与生产效率要求的不断提高，特别是在航空航天、核电、高铁等战略工程领域，给锯切装备性能提出了重要技术挑战。鉴于上述形势，我国高端锯切装备产业的发展模式应由“跟踪引进吸收”逐步向“并行自主创新”、“原始创新领跑”转变。因此，针对国家重大战略需求，梳理核心技术、关键元器件、工艺和装备的短板问题，探索高端锯切装备产业链协同创新模式，构建高端锯切装备共性技术协同创新体系，可重点从如下方面进行着手。

(1) 高端锯切装备应致力于实现智能锯带纠偏、智能选锯切参数、智能识别形状、智能故障诊断、远程无线监控、实时智能反馈控制等多功能集成控制，进行大规模协同生产。

(2) 通过锯切装备动力学优化、自动检测及智能控制技术，实现大型锯切装备“以锯代车、以锯代铣”，提高加工过程控制稳定性，降低共振啸叫。

(3) 整合高端锯切企业建设行业大数据库，汇集产业供应链数据、企业产销数据、设备运行数据，构建高端锯切装备的联合加工中心，提供在线锯切加工数据服务，对锯床连续作业产线进行控制，精确锁定加工优化控制目标，提高机床高效运行效率。

(4) 开发嵌入式锯切加工- 测量一体化控制系统，搭建智能化锯切协同生产网络构架、建设“行业共享、企业专用”分布式锯切生产云服务平台，提出嵌入式自适应服务方法，实现复杂曲面数字化加工的信息集成控制。

(5) 运用大数据分析，指导行业发展，为企业提供产品质量标杆对照分析、销售市场分析、技术研发方向等数据分析，解决企业的共性技术难题，推动行业发展。

此外，行业企业与高校科研院所建立“产学研用”长效合作机制，形成分布式、网络化的新型科研机构集群，为锯床装备制造企业特别是中小企业提供技术支持，填补以高等院校和科研院所为主体的基础研究与以企业为主体的产品和产业技术创新之间的鸿沟，以扎实推动我国高端锯切装备的良性、持续发展。

前景与应用

锯切加工作为装备制造的起点，由于其应用的广泛性，所加工的材料属性( 硬度、粘弹性、导热性) 差异很大，刀具种类繁多，且加工过程对于环境温度、湿度具有一定敏感性。锯切加工的上述工艺特性使得其涉及大量的加工对象物理参数、加工过程工艺参数及衍生数据，且呈现较明显的随机性与无序性。锯切加工作为一类典型的高速冷加工方式，在原料消耗、工作能耗、环境压力、生产效率、热影响区等方面具有优势：①与传统的车削、刨削、铣削、火焰切割相比，锯切的材料消耗可减少70% ；② 与激光、火焰、等离子、线切割等热切割方法相比，其等值热耗仅为上述方法的20%-30% ，且没有热影响区，工作安全性高，运维成本低；③基于本项目技术开发的锯切装备，其工作精度、材料消耗可与激光、线切割相当，但在加工对象尺寸规格、加工效率方面优势明显。随着智能制造技术的快速发展，云计算、5G 通信等技术的不断成熟，为高端锯切装备控制系统设计、锯切加工在线服务等需求提供了重要支撑。

当前，高端锯切装备技术朝着高速、高精、极端制造、绿色制造、功能复合、网络化和智能化的方向发展。发展智能锯切装备，提高锯切装备产业的智能化水平，成为了锯切装备制造企业高端化的一致选择，中国高端锯切装备为步入先进制造国家行列，保障制造强国目标的实现，立足四个方向稳步发展。

(1) 装备整机和关键部件的特性优化设计。受锯切切削加工振动影响，对其导致的加工误差研究较少，相关行业机理沉淀能力较弱，所涉及的高性能锯切智能控制系统与嵌入式云数据服务方法在特殊结构工件、难加工材料、高温高湿环境等特殊工况下的工程适用性会受到一定限制，这也是本领域下一步需要攻克的难点方向。面向锯切细分领域( 难加工材料、钛合金、有色金属、碳纤维) ，搭建完善的锯切加工云数据在线服务平台，合理分配生产资源，进而大幅提高工业生产效率，开发状态监测、故障诊断、预测预警、工艺优化、质量控制等功能模块。锯床的动静刚度、热稳定性、抗震性、工作效率、工作稳定性等整机性能大幅提升。高端锯切装备由于其高稳定性与加工精度的要求，对支承件和关键零部件的动态特性提出了更高的要求，在保证轻量化设计的同时，满足刚度要求。

(2) 数字化制造持续推进，装备智能控制技术深入发展。大数据是云数据服务的基础，在目前的锯切加工系统中，可用于训练计算的数据量较少，企业数据采集能力不足。因此，这给基于云数据服务的精密锯切加工带来阻扰。打造敏捷服务、快速协同、按需重构的智能化锯切工厂，最大程度上共享生产与信息资源。在锯切加工中，工厂实时进行数据采集、传输，平台依据所采集的各环境参数及加工数据进行分析决策，尽可能实现整个产业流程的智能化。智能制造正在快速发展，以智能制造为引领的全球制造业竞争加剧。在“人工智能与实体经济深度融合”精神指引下，高端锯切装备数字化制造模式不断成熟，装备制造企业深入开展数字化转型，探索智能化解决方案，逐步迈向价值链高端。

(3) 集成制造内涵和实践不断深化和延伸。锯车、锯铣复合锯床与“以锯代车、以锯代铣”高端制造新业态的产生，推动锯床进一步向高性能、高效率方向发展。构建面向锯切加工智能控制创新生态，协同国内锯切装备生产企业及其用户，实现加工数据间共享，推动锯切加工技术数据库的建立，完善服务决策算法的训练，建立具备工业泛在性的锯切加工理论模型与工艺方法。

(4) 锯切加工云服务持续推进与完善。由于工业传感器本身的加密机制较为简单，因此工业互联网更需要严密的安全防护技术。针对上述问题，将完善服务平台加密机制，将企业核心数据进行分布式存储，协调好云服务加工下的新型人机关系。面向锯切细分领域( 难加工材料、钛合金、有色金属、碳纤维) ，针对高温高湿等特殊环境工况，完善高端锯切装备加工云数据在线服务平台，生产资料分配合理化，进而大幅提高工业生产效率。建立多物理场的理论模型，满足生产环境迥异的各分布式生产企业云数据服务。在实际工况中，锯切加工受多物理场、多尺度等因素影响，而目前的企业建模大多只考虑了单一物理场作用，对流场、温度场、声场等影响因素的考虑较少。在企业加工中，相关调节工作只针对定点定机器进行。因而，上述因素对企业加工精度的影响不大，但云数据服务针对各分布式生产企业，面临的生产环境迥异，考虑多物理场的理论建模非常有必要。

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团队带头人介绍

谭大鹏，博士、教授、博士生导师、博士后合作导师，浙江工业大学机械工程学院副院长；浙江省万人计划青年拔尖人才、浙江省杰出青年科学基金获得者、浙江省院士结对青年英才、浙江省新世纪151人才工程第二层次、浙江省高校中青年学科带头人；中国智能制造专委会委员(党组成员)、中国转子动力学会常务理事、中国机械工程领域期刊分级委员会委员、浙江省青年高层次人才协会常务理事（党组成员）。主要从事嵌入式控制系统、智能制造相关领域研究；以第一/通信作者发表期刊论文140篇(SCI检索60篇/EI检索80篇/卓越计划期刊30篇)，ESI热点/高被引论文10篇次，同行他引2000余次，H指数大于20；以第一完成人获得“吴文俊人工智能科学技术奖”二等奖、浙江省青年数字经济“鸿鹄奖”、“陆增祺FPTC高科技奖励”二等奖；授权专利130项(发明专利70项/转让转化10余项)，年均转化效益数亿元。

主要从事智能制造、精密加工、嵌入式系统控制

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编辑：恽海艳 校对：向映姣

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