新书访谈 | 曹宏瑞教授谈智能主轴建模、监测与控制

“新书访谈”致力于邀请各学科的作者为读者介绍最新出版的新书以及他们所在研究领域的工作。本期，我们很荣幸地邀请到曹宏瑞教授来介绍由他及其团队撰写的新书《智能主轴建模、监测与控制》。

01

作者介绍

About the Author

曹宏瑞  教授

曹宏瑞，西安交通大学教授、博士生导师，德国洪堡学者、国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家高层次特殊人才，爱斯唯尔（Elsevier）“中国高被引学者”。担任中国振动工程学会故障诊断专业委员会理事、转子动力学专业委员会理事、陕西省振动工程学会常务理事。主持国家自然科学基金4项，重大专项、总装预研等其他项目10余项。获陕西省高等学校科学技术一等奖1项，共发表期刊和会议论文80余篇，其中SCI收录50余篇，4篇入选ESI高被引论文，获Int J Mach Tool Manu期刊最佳论文奖（2019）。1篇论文入选中国精品科技期刊顶尖学术论文，获中国机械工程学会、振动工程学会、航空学会等学会优秀论文奖5项。从2019年来连续三年入选世界排名前2%科学家名单。

02

关于本书

About the Book

《智能主轴建模、监测与控制》

论述了智能主轴动力学建模、颤振监测、颤振控制三个方面的基础理论和关键技术：构建了智能主轴动力学建模理论框架，阐明了智能主轴强迫振动/颤振机理；介绍了基于3σ准则、同步压缩变换及深度学习等理论的智能主轴铣削颤振在线检测及微弱颤振辨识方法；探讨了智能主轴颤振的非对称刚度调控方法、靶向控制方法及模型预测控制方法；结合开发的智能主轴原理样机，开展了大量的切削实验，对理论方法的应用效果进行验证。

03

作者专访

Interview

Q

什么样的主轴可以称为智能主轴？研究智能主轴的意义主要体现在哪些方面？

智能主轴是新一代智能机床的核心功能部件，是下一代主轴的发展方向。随着航空、航天等领域对复杂精密零件高速高效加工日益增长的需求，主轴的速度、精度、可靠性等性能指标向更高的水平发展。智能主轴与普通主轴的最大区别在于智能主轴具有感知、决策与执行功能。通过对振动、温度、转速、力矩等工况信号的实时监测与控制，智能主轴可以比普通主轴达到更高的速度、精度和可靠性，并实现更高的加工效率。

智能制造是以“工业4.0”为代表的新一轮工业革命的核心技术，已成为发达国家占领先进制造技术制高点的重点研发领域。智能装备是实现智能制造的基础，而我国制造基础研究能力薄弱，特别是关键基础部件核心技术的缺乏已经成为我国智能装备发展的主要瓶颈。因此，亟需研制以智能主轴为代表的一批关键基础部件，支撑我国高端装备向高精尖和智能化方向发展，引领装备的智能化升级。

Q

国内外有关智能主轴研究的进展如何？

国外许多著名大学、企业对智能主轴的关注程度日益增加，纷纷设立智能主轴研究项目，尝试将智能主轴工程化、产业化。例如，德国达姆斯达特工业大学、美国桑迪亚国家实验室及瑞士苏黎世理工大学利用压电驱动器对主轴进行振动主动控制，开发了原理样机。在国外工业界，主轴单元尤其是高速电主轴已形成了一系列标准产品，一些著名的主轴生产厂商均在加快智能化的步伐。例如，德国Siemens-Weiss公司、瑞士Fischer公司、日本山崎Mazak公司及以色列OMAT公司等。

自2000年以来，国内在主轴设计、分析、制造和测试等方面开展了大量研究工作，国产高性能主轴开发取得了很大的进步。2017年，我们团队在国际上首次提出了智能主轴的完整概念，系统地总结了智能主轴的研究进展，并开发了具有颤振监测与控制等功能的智能主轴原理样机。随着航空航天、能源、汽车等领域对高速高效和高可靠加工的迫切需求以及智能机床的发展，主轴单元智能化势在必行。从现有的主轴智能化应用效果来看，未来的发展潜力是巨大的。

Q

本书的先进性和实用性主要体现在哪些方面？

本书的先进性体现在立足学科前沿，论述了智能主轴动力学建模、颤振监测、颤振控制三个方面的基础理论和关键技术。构建了智能主轴动力学建模理论框架，阐明了智能主轴强迫振动/颤振机理；介绍了基于3σ准则、同步压缩变换及深度学习等理论的智能主轴铣削颤振在线检测及微弱颤振辨识方法；探讨了智能主轴颤振的非对称刚度调控方法、靶向控制方法及模型预测控制方法；结合开发的智能主轴原理样机，开展了大量的切削实验，对理论方法的应用效果进行验证。本书总结了作者智能主轴研究工作的最新成果和新进展，特色鲜明，具有先进性与新颖性。

本书的实用性体现在理论与实践相结合，基于动力学建模揭示智能主轴的振动机理，在颤振监测与控制方面提出了若干关键技术，并进行了实验验证，可供机械、能源、航空航天等领域从事机械加工研究与应用的科技人员使用，也可以作为高等院校机械及相关学科教师和研究生的参考用书。

Q

请您对智能主轴未来的发展趋势作一预判。

随着大数据、边缘计算、传感器、作动器等软硬件技术的发展，智能主轴技术未来发展趋势或研究的重点包括：

1）自上而下设计的设计方法

智能主轴是一个基于机械、力学、材料、控制等多学科交叉研究的机电一体化系统。在初始设计阶段，需要明确定义所有智能功能，相应地，需要设计机械结构以适应智能功能。

2）集成智能传感器和执行器

传感器、作动器和控制器与主轴结构的集成使智能主轴成为机床的一个智能单元模块。

3）先进的实时数据处理和决策

数据是智能主轴状态监测和控制的基础，为了实现智能主轴的实时监控目标，需要创新开发出高效、快速的实时数据处理算法。

4）基于故障预测的控制和维护

预测作为一种事前事件分析，在故障和性能退化发生之前进行预测。在实现智能主轴零停机性能方面，基于故障预测的控制和维护比故障发生后的事后维护策略更有效。

5）融入工业大数据环境

集成传感器简化了数据收集过程，可以在短时间内生成大量数据，有效地将大数据转化为有价值的知识是智能主轴性能可持续提升的关键。

Q

能否请您分享一些科研工作中的感悟？

机械工程是应用性很强的学科。我们的研究一定要从实际工程问题出发，并从中提炼出隐藏的科学问题，由此开展深入的理论研究，力求取得原始创新。研究的问题要从实际需求中来，产生的成果要到实际需求中去，形成研究的全闭环。未来，将继续胸怀“国之大者”，勇担国家使命，为促进学科发展，培养卓越人才尽一份力。