智能化制造技術和智能化工廠

中國質(zhì)量協(xié)會全國數(shù)控設備用戶委員會 （北京 100088） 幺開宇 幺炳唐

機械制造設備的智能化、網(wǎng)絡化、以及對神經(jīng)元網(wǎng)絡、云計算技術的研究與應用，使機械制造工廠智能化技術得到了跨越式的發(fā)展，可以說這是又一次具有劃時代意義的工業(yè)技術革命。

不具有智能化的數(shù)控設備是根據(jù)程序指令控制設備的運動軌跡來完成零件加工的，所有的運動和軌跡都是預先把編好的程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，不管加工條件和環(huán)境變化，嚴格執(zhí)行程序命令，是一個被動執(zhí)行者。智能化數(shù)控設備就是融合了智能化技術的設備，是實現(xiàn)智能化制造任務的主要執(zhí)行者。智能化數(shù)控設備能根據(jù)當前的加工條件和環(huán)境，對制造過程的信息感知與分析、通過感知進行自主判斷和決策，實時地優(yōu)化調(diào)整參數(shù)，從而保證加工質(zhì)量和效率。

1.智能化制造數(shù)控設備的關鍵技術

目前，智能化制造數(shù)控設備的關鍵技術，除了機械主體以外，主要是由智能數(shù)控系統(tǒng)技術、智能感知技術、智能自適應技術、智能神經(jīng)元網(wǎng)絡技術、智能云計算技術和智能專家系統(tǒng)等主要技術構成。

（1）智能化數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控設備智能化的發(fā)展是以數(shù)控系統(tǒng)完善的軟硬件功能及高靈敏度、高精度感知檢測系統(tǒng)為基礎，以適應智能化、信息化、數(shù)字化集成技術發(fā)展的要求。為追求數(shù)控設備加工效率和加工質(zhì)量，數(shù)控系統(tǒng)不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學習控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)戎悄芑δ?，并有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨勢完善。伺服驅(qū)動系統(tǒng)智能化，能自動感知負載變化，自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。如發(fā)那科推出的HRV控制，通過共振追隨型HRV濾波器，可以避免因頻率變動而造成設備的共振。通過融合旋轉(zhuǎn)伺服電動機，高精度、高響應和高分辨率脈沖編碼器，實現(xiàn)高速和高精度的伺服控制，保證極其平穩(wěn)的進刀。

西門子基于Internet的“ePS”（電子產(chǎn)品服務）軟件方案，可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問Sinumerik840D sl/828D數(shù)控系統(tǒng)，通過其CM系統(tǒng)在線連續(xù)監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)的軸狀態(tài)、PLC狀態(tài)等，并評估機床狀況、分析機床相關參數(shù)，可實現(xiàn)遠程診斷維修服務，防止早期故障引起的停機檢修，提高了可靠性和生產(chǎn)效率，降低了維護費用。海德漢公司研制的自適應進給控制AFC功能，根據(jù)刀具軸性能和其他工藝參數(shù)優(yōu)化進給率，可在狀態(tài)窗口顯示一個動態(tài)條形圖，可以看出加工進給率與主軸性能之間的相互關系，從而供用戶分析選擇最佳運行參數(shù)。

國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)正在努力朝智能化方向發(fā)展，引入了一些智能化技術。比如華中的“華中8型”和凱恩帝“KND1000TIV型”等數(shù)控系統(tǒng)都具有自診斷功能、狀態(tài)實時顯示和故障實時報警等智能化功能，并都在進一步豐富和完善智能化技術。

（2）智能自適應控制技術 自適應控制分為工藝自適應和幾何自適應。工藝自適應又分為最佳自適應控制系統(tǒng)（ACO）和約束式自適應（ACC）。自適應控制自20世紀60年代已開始研究，但用于生產(chǎn)實踐尚不普遍。目前應用面較廣的還是結構簡單的ACC系統(tǒng)，已用于銑、車、鉆、磨、電加工和加工中心等機床上；而ACO多用于加工因素相對簡單的磨削和電火花加工（EDM）上。影響加工的因素很多很復雜，不僅建立數(shù)學模型困難，而且要實時采集和實時調(diào)整參數(shù)也有很大難度，有待深入研究。

（3）智能化神經(jīng)元網(wǎng)絡技術 最智能的莫過于人的大腦，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡（ANN）是一種模擬人的神經(jīng)結構，即類似人的大腦神經(jīng)突觸連接的結構進行信息處理的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有自學習功能、聯(lián)想記憶功能、非線性映射功能和高速尋找優(yōu)化解的功能等。目前，神經(jīng)元網(wǎng)絡多用于數(shù)控設備可靠性預測和優(yōu)化工藝參數(shù)方面，神經(jīng)元網(wǎng)絡在機床數(shù)控系統(tǒng)方面的研究與應用尚不多見。隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在數(shù)控機床方面的應用可能會有很好的前景，或許會把數(shù)控系統(tǒng)的智能化水平推向高級階段。未來幾年希望能有一個較快的發(fā)展。

（4）智能專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其專家知識庫中含有某個領域大量的專家知識與經(jīng)驗，就是利用這些專家知識、經(jīng)驗和解決問題的方法來處理該領域的技術問題。它能夠應用人工智能技術，根據(jù)該專家系統(tǒng)中的知識和經(jīng)驗進行推理和判斷，模擬專家的決策過程，來解決需要專家處理的復雜問題。目前，數(shù)控設備領域尚缺乏這種專家系統(tǒng)。

（5）云計算將把智能化制造推向更高級階段 國外工業(yè)技術發(fā)達國家的大型工業(yè)企業(yè)、研究機構和高等院校對云計算的研究和發(fā)展都極為重視，認為這是一種具有劃時代意義的技術。如美國宇航局和通用汽車公司都在研究和應用云計算技術；我國北京建有云計算基地，華為技術有限公司和TCL集團也都特別關注云計算的發(fā)展、研究和應用。

在我國機床行業(yè)也啟動了云計算的研究工作。2012年7月7日，ACL力豐集團和中科院正式簽署了“云計算技術應用于機床制造”的合作協(xié)議。2012年8月7日“諾美雕刻機”發(fā)布“云計算技術應用于雕刻機”的信息。

2.智能化工廠

智能化機械工廠是以“智能化”為核心，以智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化為主要特征的生產(chǎn)、經(jīng)營實體。智能化工廠將逐步分層次實現(xiàn)。智能工業(yè)機器人在智能自動化制造工廠中扮演著重要角色。

（1）智能工業(yè)機器人 在智能化數(shù)控設備中，除了各種數(shù)控設備和相關數(shù)控配套設備以外，智能工業(yè)機器人在智能制造單元、智能制造系統(tǒng)和智能制造工廠中具有重要作用。

例如日本發(fā)那科開發(fā)的智能化工業(yè)機器人，安裝了三維視覺傳感器和力傳感器，用于數(shù)控設備自動上下料和產(chǎn)品組裝方面。視覺傳感器能識別三維圖像、能識別零件的位置和姿態(tài)，能抓取散放零件。發(fā)那科的智能工業(yè)機器人，在安裝了用于生產(chǎn)的視覺傳感器之外，還使用了力傳感器用于產(chǎn)品組裝作業(yè)。

最近幾年，國內(nèi)外的工業(yè)機器人專家都把注意力和精力投入到“視覺伺服”智能工業(yè)機器人的研究方面，成為國內(nèi)外最熱門的研究課題。工業(yè)機器人的“視覺伺服”研究，包括從視覺信號處理到機器人控制的全過程。包括機器人運動學、控制理論；包括實時圖像的識別與處理，以及三維信息的獲取、處理和重構技術；包括實時計算技術等領域的融合；包括機器人本體標定和攝像機標定技術等。

“視覺伺服”智能工業(yè)機器人，技術難點較多，較復雜，但是目前在數(shù)控技術領域已有較成熟的高速度、高靈敏度、高精度伺服控制技術和機器人方面的視覺傳感技術作為基礎和借鑒，相信是能夠攻克“視覺伺服”工業(yè)機器人技術的。

（2）智能化自動化工廠 在各種智能化自動化數(shù)控設備的基礎上，智能化工廠將由工廠局部智能自動化、逐步分層次地發(fā)展到全工廠智能自動化和社會化智能制造。

第一層次：單機或單元智能自動化。

單機或單元智能自動化，可以實現(xiàn)長時間無人值守。國內(nèi)外都有用于生產(chǎn)的實例。比如日本發(fā)那科在20世紀80年代第一代智能數(shù)控加工中心上，加幾個用于人工上下料托盤，可以實現(xiàn)24h連續(xù)運轉(zhuǎn)。20世紀90年代的第二代智能加工系統(tǒng)，以4～6臺加工中心和裝有帶加工夾具的立體托盤架，能擺放待加工的大量毛坯件，可實現(xiàn)60h連續(xù)運轉(zhuǎn)。20世紀末和21世紀初的第三代智能加工系統(tǒng)，稱作“智能機器人化加工單元”，該單元就是用智能化機器人為智能加工數(shù)控設備的夾具自動裝卸工件。與第二代加工系統(tǒng)相比，由機器人代替了人工上下工件，解放了工人的繁重勞力，減少了夾具，減少了設備投資，縮短了生產(chǎn)準備時間，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本。

第二個層次：生產(chǎn)制造系統(tǒng)智能自動化。

在第三代“智能機器人化單元”的基礎上，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡控制生產(chǎn)車間全自動化系統(tǒng)。包括毛坯倉儲管理，再制品倉儲管理，成品零件倉儲管理及其搬運、裝卸、裝配作業(yè)和質(zhì)量檢驗等。

第三個層次：智能化數(shù)字化網(wǎng)絡制造系統(tǒng)。

在第二層次生產(chǎn)制造系統(tǒng)智能自動化的基礎上，配置網(wǎng)絡綜合管理系統(tǒng)，來實現(xiàn)全工廠的智能化數(shù)字化網(wǎng)絡制造。智能化工廠的實現(xiàn)主要是靠信息通信技術（ICT）和智能網(wǎng)絡的可靠運行加以保證。具有實時資料搜集與傳輸功能、高效能計算機與分析預測功能、遠程監(jiān)控與診斷功能及模擬功能等。

智能化工廠最核心的部分是生產(chǎn)過程和全面經(jīng)營運行的智能自動化，包括設計智能化，生產(chǎn)排序自動化，生產(chǎn)線自動化，測試檢驗自動化，倉儲自動化，電力管理智能自動化等等，進一步發(fā)展到自動化無人化工廠（絕大多數(shù)設備可以無人值守）。

除生產(chǎn)過程智能自動化外，還包括人力資源優(yōu)化調(diào)度，物資資源（設備，工具，材料等）智能優(yōu)化調(diào)配，并具有強化專案時程能力，時間彈性應用支配能力，完善調(diào)整生產(chǎn)周期，優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營方案，達到提高生產(chǎn)效率和降低成本的目標。

目前，這種工業(yè)網(wǎng)絡智能工廠基本形態(tài)在技術先進國家有實力的技術先進企業(yè)已率先實現(xiàn)。但是用于工業(yè)智能網(wǎng)絡不同于一般ICT通信網(wǎng)絡，有不少難點需要克服。工業(yè)智能化網(wǎng)絡必須具有防水、防塵、防磁、防爆以及抗高低溫和抗腐蝕的能力。在可靠性、耐用性方面都比一般通信網(wǎng)絡要求高得多。

例如：Tata汽車有限公司在印度Gujarat投資4億1700萬美元建造一座先進的具有智能化特征的工廠，每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用“智能化”制造技術，對于來自經(jīng)銷商的訂單，可以及時對客戶的偏好加以調(diào)整，滿足個性化需求。采用“智能化”制造技術，可以追蹤每種零件的來源，可以快速確認及解決任何可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷和安全問題。

此外，智能網(wǎng)絡還可以與智能電網(wǎng)相連，以便在能源最為充沛或最便宜時段大量投入設備運行以降低成本。

智能化制造工廠，應該具有掌握整體市場的需求與變化能力，適時調(diào)整生產(chǎn)經(jīng)營的彈性靈活運行，協(xié)調(diào)生產(chǎn)線，推出最適合市場需求的產(chǎn)品。

發(fā)展智能化制造工廠，絕對勢在必行。這取決于三大關鍵要素：人性化操作接口，高功能高速度計算機運算平臺連接及跨網(wǎng)絡的云端運算與信息集成分析與統(tǒng)計。

第四個層次：智能化社會化生產(chǎn)。

智能化網(wǎng)絡化社會化制造，將由企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)經(jīng)因特網(wǎng)向企業(yè)外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網(wǎng)絡可使企業(yè)與企業(yè)之間進行跨地區(qū)協(xié)同設計、協(xié)同制造、信息共享、遠程監(jiān)控、遠程診斷和服務等。網(wǎng)絡能為制造提供完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，可以通過網(wǎng)絡將加工程序傳給遠方的設備進行加工，也可遠程診斷并發(fā)出指令調(diào)整。網(wǎng)絡使各地分散的數(shù)控機床聯(lián)系在一起，互相協(xié)調(diào)，統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)整，使產(chǎn)品加工不局限于一個工廠內(nèi)而實現(xiàn)社會化生產(chǎn)。智能化社會化制造能夠借助Internet網(wǎng)實現(xiàn)跨行業(yè)、跨國際智能化制造，進入Internet/Intranet時代。云計算借助Internet網(wǎng)整合了計算機資源，為智能化制造開了先河。智能化網(wǎng)絡化社會化制造將引領社會和全球資源的整合與優(yōu)化運用，同時將有效地提高人類的生活質(zhì)量，逐步地減少人類的體力勞動而擴大腦力勞動的比重，進入知識社會，智能社會。

3.結語

專家認為，數(shù)控機床智能化技術應朝著以下三個方面發(fā)展。首先從單因子的約束型的智能控制向綜合因素優(yōu)化的智能控制發(fā)展；其次由管理信息和技術信息離線的智能化向過程在線實時智能控制發(fā)展；然后由程序設定型智能控制向自主聯(lián)想型智能控制發(fā)展。隨著科學技術的進步，數(shù)控設備的智能化正在快速發(fā)展，智能化水平將不斷提高，會變得越來越“智慧”和擬人化。這有大量的研究工作要做，它與思考機理有關，是一個逐步發(fā)展進化的問題。

近代出現(xiàn)的智能化航天器、無人駕駛飛機、無人駕駛汽車、無人職守的制造設備、智能無尾電器及智能手機等等，都是高度智能化自動化設備，標志著已開始進入智能化自動化蓬勃發(fā)展的時代。