请教专家：佐治亚理工学院未来加工教授

博士。佐治亚理工学院的加工专家兼研究员 Thomas Kurfess 开发的算法可通过自动刀具路径生成显着提高 5 轴机床的产量。在这里，我们与 Kurfess 坐下来讨论行业的最新进展以及机械加工的发展方向。

几十年前，单维加工是一个相当简单的过程，只需要决定所需的行程、进给和速度。今天的 CNC 设备的功能更先进一些。借助 5 轴加工，制造商可以同时沿五个不同的轴移动刀具，这使他们能够创建高度复杂的零件和设计。

乔治亚理工学院流体动力和运动控制教授兼 HUSCO/Ramirez 杰出主席 Thomas Kurfess 博士发现，创新才刚刚开始扩大。他的工作重点是针对复杂产品生产和优化的先进制造系统的设计和开发。

他研究了允许自动生成刀具路径的 5 轴机床算法，该功能可以通过减少用户交互量和刀具路径的准备时间来显着提高生产率。 Kurfess 还从事研究，突出量化高级刀具几何形状中刀具磨损的不足之处——他正式为白宫工作。 2012年至2013年在奥巴马总统手下的科技政策办公室担任先进制造助理主任。

我们与 Kurfess 坐下来讨论多轴加工的现状——以及未来的发展方向。

您已经完成了有关 5 轴机床自动刀具路径生成的研究。您能告诉我们您对过去、现在和未来的挑战的看法吗？

KURFESS： 我在一家小型机加工店长大；早在那天它是NC，或数控。快进到未来，我们现在处于 5 轴加工时代。虽然 2 轴或 3 轴铣削相对简单，但使用 5 轴时，物体会以不同的角度摆动，有时很难编程。老实说，我们在 1980 年代机器上的编程能力并没有提高，而且我们仍然有一项非常复杂的任务，需要一名训练有素、经验丰富的程序员。这与 3D 打印形成鲜明对比——3D 打印被认为只是下载文件和打印的问题。我的学生经常问：“我们为什么不直接 3D 打印零件？”但是，当您进入一家拥有数百万美元机床的真正工厂时，您将使用这些机床，因为它们就在那里，而且无法轻易或廉价地更换。所以产业还有一段路要走。此外，增材制造通常制造塑料部件。您可以用金属制作结构，但有一些限制。我们用于高级机床编程的支持技术之一是图形处理单元，即 GPU。

您能否详细介绍一下 GPU？

KURFESS：我 如果你买一台带显卡的电脑，它就会有一个 GPU。虽然游戏是主要市场，但我们使用该功能来生成我们的 5 轴加工轨迹……GPU 就像一台小型超级计算机，为我们提供类似游戏的编程界面，减轻人类程序员的认知负担。借助 GPU 的超级计算能力，我们可以看到所有不同的前景和各种场景，即使是专业程序员也没有时间考虑。 G 代码已经让我们走得很远，但它也有局限性，这项技术将让我们迅速超越我们今天所看到的任何事物。

您如何看待多轴加工和总体加工的未来？

KURFESS： 我特别预测了一些事情。首先，我们将朝着使机床更易于编程的方向发展。其次，虽然很多人说我们将完全自动化，但我不一定相信。有人向我提出了一个很好的洗碗机类比。在我的一生中，我不相信您会看到洗碗机自动卸载，因为装载和卸载涉及专业知识和复杂性。机器也是如此——我们需要帮助程序员做出选择，例如使用哪种工具，以及在全 5 轴连续模式下编程的方向，从而使机器更易于使用。最后，我看到了向更多图形用户界面发展的趋势，类似于您在游戏系统上的体验。这些界面可以帮助您提高工作效率，让我们面对现实吧，现在的员工，就像我的孩子一样，非常擅长使用这些游戏界面。

这些机器的某些方面今天没有得到充分利用吗？您对充分利用这些机器有何建议？

KURFESS： 这是一个充分利用高端机器的问题——最大的问题是培训。我们与附近的社区学院和技术学院密切合作，他们为这些复杂的机床提供助理级别的培训既困难又昂贵。在教学实验室拥有一台价值 500,000 美元的机床的成本相当高，但培训至关重要，尤其是多轴加工。公司也很难培训个人，因为一旦有人擅长培训，就很难留住他们。简而言之，它们的需求量很大。

您已研究开发有利于自动生成刀具路径的算法。告诉我们这项研究以及您在那里试图克服的挑战。结果是什么？您今天在哪里看到自动刀具路径生成，您认为它的发展方向是什么？

KURFESS： 关于刀具路径生成，我们在体素中工作，而不是像素。这是一个 3D 像素，我们在其中进行设计并对其进行体素化。我们进行数字体积处理，这是 GPU 的一种自然格式。我们取出 CAD 模型中的零件设计并将其体素化，以便我们可以在 GPU 上对其进行处理。这种方法非常适合加工零件和混合机床，它们结合了机床上的增材制造（增材制造和减材制造）。公司开始越来越多地使用体素来解决高端问题。缓慢但肯定的是，体素正在逐渐发展到各种产品。在乔治亚理工学院，我们的第二年设计构建课程，我们让学生使用基于体素的工具使用基于云的高性能计算平台设计车削零件，他们喜欢它。他们使用的系统比现有的任何系统都要快几个数量级；因此，当他们在绘制零件的过程中，他们会实时获得反馈，以了解他们的零件是否可以使用当前安装的工具包在车床上生产。

您还从事过有关量化复杂几何形状中刀具磨损的研究。告诉我们这项研究以及您的发现。

KURFESS： 我们在这方面做了很多工作，但让我告诉你我们最大的胜利：我们正在加工一种非常先进的镍基高温合金，这种合金很难加工。很难实现我们的目标几何形状，但我们也担心不会损坏零件的晶粒结构。在加工过程中，可能会对表面造成热损伤（开裂、亚表面损伤等）。这是由与热量相关的问题引起的，因为热量会造成最大的损害。在这种情况下，我们得到了新的陶瓷刀片来尝试，它们给了我们非常高的速度——以至于我们不得不去找我们的机床合作伙伴，询问我们是否可以换掉我们的机床。我们需要一个速度更高的主轴。因为我们使用的是陶瓷，所以我们需要避免使用冷却剂，以免在刀片中引起热冲击并使其破碎。尽管速度很快，但它在没有冷却剂的情况下工作得非常好。事实上，我们能够以如此快的速度进行加工，以至于我们超过了传热率——这意味着热量无法进入零件。因此，在您完成加工后，您会感觉到零件很酷。这有助于最大限度地减少地下损坏。我们消除了零件的热损伤，以显着更高的材料去除率运行，并且没有装载冷却剂的切屑，使它们更容易回收。

您对制造技能差距有何看法？您如何看待它，您认为它可以如何改进？各种规模的制造商应采取哪些措施来帮助他们找到未来所需的人才？

KURFESS： 技能差距是真实存在的。现在的孩子不像我们 20 或 30 年前那样热衷于编写 G 代码。当然，我们更高级的视频游戏是 Pong，我们用纸带打孔！我们的下一代员工更注重图形化，并拥有不同的技能。因此，转向更多图形界面有助于真正吸引下一代。许多人认为，要成为一名机械师或工程师，你必须是一个超级数学天才。现实情况是你不需要成为天才……你必须是优秀的并且喜欢它。此外，我担任 SME 总裁，我看到下一代运营培训产品（例如 Tooling U-SME）如何真正吸引下一代和当代劳动力在技术培训和发展方面的参与。所采用的方法是最先进的、引人入胜且非常有效的。此外，这种培训开始变得有针对性和个性化。我们正在进入一个领域，机器会知道您是否接受过适当的培训，并会向您推荐培训以改善您运行和使用机器的方式。另外，我们离三轴机也不远了，根据你在三轴机上的表现，建议你进行培训晋升为五轴机。

您认为制造商在帮助缩小技能差距方面需要发挥什么作用？

KURFESS： 这是关于终身学习的。您必须进行文化变革，让员工和雇主都明白，持续和终身培训是实现更有利可图的运营和长期、安全和成功职业的途径。你必须让每个人都认为持续培训是一件好事。现实一点吧，如果你 30 年什么都没学过，你就会变成科技恐龙，我们知道恐龙的下落！保持最新技能对于保持相关性至关重要。

您的背景还表明您曾在汽车行业工作过。你能告诉我们你所做的工作以及你在今天和未来看到这个行业的位置吗？

KURFESS： 我从 1994 年到 2005 年在佐治亚理工学院工作。2005 年，我在克莱姆森大学国际汽车研究中心开始了学术和研究计划。通常，使用 2 轴和 3 轴加工生产简单零件相对简单。然而，当涉及到 5 轴零件时，我们确实有所作为。同样，更高端和更复杂的工作是训练有素的人真正闪耀的地方，也是他们高薪的地方！

您是否密切关注其他任何特定的垂直行业创新？您认为哪些制造创新能够跨越并在今天和不久的将来产生影响？制造商真正应该注意什么？

KURFESS： 当我在科技政策办公室担任奥巴马总统的先进制造技术专员时，我对事物有了很好的认识。对双方而言，制造至关重要。几周前，我在一个小组委员会作证时强调了物联网对制造商的重要性。我们看到机器从产品和流程中提取大量信息。这不仅有助于制造更好的产品和高效的流程，还有助于提高现代劳动力的就业机会和竞争力。该小组委员会的每位代表都理解这一点，并支持推进此类技术和能力。

在自动化方面，您是否认为技术进步实际上可以帮助缩小技能差距，减少所需的工人数量？

KURFESS： 随着自动化程度的提高，我们将需要更少的具有更高技能的人。一旦员工进行高端轴编程，公司就会得到它。他们会意识到这些机器更好，他们会购买更多的机器——最终需要更多的人。诚然，我们仍然需要以人为工作中心，因为人们将完成所有的编程工作。无论是对一般劳动力还是个人而言，终生学习和理解这些机器都将把人们的能力提升到一个新的水平。因此，低技能工作将会消失，但我们将看到高技能工作的显着扩张，他们的工资率要高得多！

最后，让我们暂时讨论一下高性能加工。该领域是否有任何新的创新发展？

KURFESS： 这都是关于控制器的。易于使用、连接性……将所有信息汇集在一起​​——这就是未来。它击败了 80 年代 CNC 控制器，它看起来仍然像我的第一台 PC！

您的车间是否采用了 5 轴加工？您面临哪些挑战——您是否愿意接受带有自动刀具路径生成器的编程机器？在下面的评论部分让我们知道。