智能裝備綜述

趙子義，王硯良，王連明，周 曌，寇 許

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山 063030）

0 引言

“新工業(yè)革命”正在以“山雨欲來(lái)風(fēng)滿樓”的架勢(shì)席卷全球，世界發(fā)展模式將會(huì)發(fā)生再一次的巨大改變，新的智能技術(shù)將會(huì)全面引入企業(yè)發(fā)展，將會(huì)使得我國(guó)企業(yè)的發(fā)展模式發(fā)生巨大變化，其中產(chǎn)業(yè)形態(tài)會(huì)發(fā)展為更加分散的工業(yè)模式。

1 改變?cè)兄圃鞓I(yè)模式的必要性

（1）現(xiàn)有的制造系統(tǒng)無(wú)法滿足未來(lái)市場(chǎng)的需要。

（2）快速市場(chǎng)響應(yīng)（如電子相關(guān)產(chǎn)品）。生命周期較短，僅2年，調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)適應(yīng)新產(chǎn)品需要將近半年；

（3）全球化制造模式?？鐑r(jià)值網(wǎng)的企業(yè)間集成，不在價(jià)值之內(nèi)，參與不了全球化組織。

2 人工智能

2.1 智能科學(xué)

從微觀、宏觀層面研究大腦，解釋人類智能的產(chǎn)生機(jī)理，即腦科學(xué)?；诮沂镜脑?，用模擬的方法加以實(shí)現(xiàn)就是人工智能。人工智能技術(shù)的進(jìn)步是提高智能制造和智能機(jī)器人水平的制高點(diǎn)。

2.2 我國(guó)人工智能發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)2013 年裝備制造業(yè)產(chǎn)值20 萬(wàn)億元，約占全國(guó)GDP 的1/3，全球裝備制造業(yè)占比1/3。但是2014 年我國(guó)高端制造業(yè)占比10%。例如，現(xiàn)代化武器、重大裝備、各類智能產(chǎn)品控制系統(tǒng)心臟的芯片：80%以上依賴進(jìn)口，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電子設(shè)備和配套件大量進(jìn)口，高鐵所需部分核心零部件80%以上需要進(jìn)口；工程機(jī)械所需的高壓泵、閥、馬達(dá)及控制系統(tǒng)幾乎全部進(jìn)口；機(jī)器人重要的伺服電機(jī)、減速器等也需要進(jìn)口。

3 先進(jìn)裝備基本介紹

3.1 基本概念

數(shù)字控制（Numerical Control，NC）就是在計(jì)算機(jī)編程技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的算法進(jìn)行描述，然后按照程序進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)制造，以符號(hào)為主要內(nèi)容，以編程語(yǔ)言為依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全面控制。

數(shù)控技術(shù)（Numerical Control Technology）是指采用的控制方法較為單一，一般僅運(yùn)用數(shù)字工具實(shí)現(xiàn)對(duì)某一生產(chǎn)過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。

數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Machine Tools）是指以數(shù)字控制為工具進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程的智能化控制，能夠使得機(jī)床按照一定的程序進(jìn)行生產(chǎn)工作。數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行控制的一種重要類型，在我國(guó)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)中占有重要地位。

數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）運(yùn)用數(shù)字進(jìn)行控制時(shí)所需選用的工具。

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control，CNC）是用數(shù)字符號(hào)進(jìn)行控制的一種模式，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心

3.2 機(jī)器人的幾種類別

在國(guó)際上，大家普遍認(rèn)同的一種機(jī)器人定義為，對(duì)人類完成工作具有輔助作用的一種工具，既包括能夠全過(guò)程自主工作的機(jī)器也包括在受到較少指導(dǎo)后能夠進(jìn)行半自主工作的機(jī)器人。其中包括為進(jìn)行工業(yè)操作而設(shè)計(jì)的機(jī)器人，具有較高的自由度，具有多種功能。為保護(hù)那些在特殊不利條件下工作的人設(shè)計(jì)了能代替其工作的抗輻射機(jī)器人。

除了在工業(yè)領(lǐng)域有相應(yīng)的工業(yè)化機(jī)器人，在人們的生活領(lǐng)域，也有相關(guān)機(jī)器人的研究，生活服務(wù)性機(jī)器人能夠?qū)θ祟愡M(jìn)行日常護(hù)理，監(jiān)理以及保護(hù)人類。

3.3 機(jī)器人應(yīng)該被大力推廣的原因

（1）能夠保證重復(fù)工作的工作效率，提高工人的操作效率。

（2）使得生產(chǎn)勞動(dòng)環(huán)節(jié)能夠與生產(chǎn)技術(shù)相適應(yīng)，從而使得科技發(fā)展速度更快。

（3）使得生產(chǎn)過(guò)程更具規(guī)范性，產(chǎn)品質(zhì)量更有保證。

（4）能夠減輕較重勞動(dòng)力的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。

（5）對(duì)于在較為危險(xiǎn)的環(huán)境中工作的人的來(lái)說(shuō)，能夠減少周圍環(huán)境對(duì)其身體的危害。

（6）使得生產(chǎn)廠家能夠緊跟科技潮流，提升競(jìng)爭(zhēng)力。

4 先進(jìn)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)裝備產(chǎn)業(yè)急需機(jī)械化改革的原因較多，第一，我國(guó)是較大的設(shè)備加工大國(guó)，我國(guó)許多工廠都與裝備工作聯(lián)系密切，是進(jìn)行智能化改革的重要領(lǐng)域，我國(guó)能給智能化技術(shù)帶來(lái)較大的發(fā)展市場(chǎng)，能夠提高我國(guó)很多工廠的裝備效率。另一方面，我國(guó)這十幾年間將會(huì)面臨嚴(yán)重的人口老齡化挑戰(zhàn)，我國(guó)能夠從事勞動(dòng)力工作的人較少，因此就需要先進(jìn)的機(jī)器人來(lái)填補(bǔ)我國(guó)部分工廠的勞動(dòng)力空白。最后，機(jī)器人在設(shè)計(jì)投產(chǎn)以后所投入的資本較少，而能夠完成的工作量較大，因此能夠降低生產(chǎn)成本，緩解我國(guó)的勞動(dòng)力危機(jī)。

4.1 國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展情況

我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展雖然目前已經(jīng)取得了一定成效，在國(guó)際上也處于較為先進(jìn)的國(guó)家，但是我國(guó)的數(shù)控技術(shù)還存在很多問(wèn)題。

首先我國(guó)的數(shù)控技術(shù)研究起步較晚，在國(guó)際上20 世紀(jì)50年代就開(kāi)始了數(shù)控技術(shù)的研究，而我國(guó)由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較為落后，在其他國(guó)家研制十年之后才開(kāi)始相關(guān)研究，因此我國(guó)發(fā)展歷史較短。

最初我國(guó)進(jìn)行數(shù)控技術(shù)研究最為先進(jìn)的單位是清華大學(xué)相關(guān)的研究院，并在我國(guó)開(kāi)始引入數(shù)控技術(shù)10 年內(nèi)就建造出了一臺(tái)較小的數(shù)控設(shè)備，成為我國(guó)首個(gè)數(shù)控設(shè)備。

我國(guó)研制出數(shù)控設(shè)備后普及速度加快，僅10 左右時(shí)間就使得我國(guó)80%以上的工廠引入了數(shù)控設(shè)備。但是我國(guó)的機(jī)器生產(chǎn)水平與其他國(guó)家還有較大差距，因此我國(guó)引入了發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備，掀起了我國(guó)數(shù)控改革的高潮。

此后短短5 年時(shí)間，我國(guó)數(shù)控設(shè)備研究工作不斷發(fā)展，已經(jīng)有幾十種不同的數(shù)控設(shè)備相繼問(wèn)世，分別服務(wù)于不同的生產(chǎn)行業(yè)。

5 年后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)發(fā)展達(dá)到了鼎盛時(shí)期，我國(guó)已經(jīng)能夠自主研發(fā)較為高端的數(shù)控設(shè)備，我國(guó)開(kāi)始大量研究并生產(chǎn)數(shù)控設(shè)備，已經(jīng)擺脫了我國(guó)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)依賴，實(shí)現(xiàn)自力更生。隨著我國(guó)技術(shù)突破，我國(guó)數(shù)控工廠應(yīng)運(yùn)而生。在我國(guó)首都，東北地區(qū)，南方地區(qū)都建造了大量的數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)工廠。

由于東北是我國(guó)的重要工業(yè)基地，因此我國(guó)的數(shù)控設(shè)備發(fā)展最快的為東北地區(qū)，尤其是沈陽(yáng)與大連，這兩個(gè)地區(qū)所生產(chǎn)的數(shù)控設(shè)備已經(jīng)為全國(guó)的工廠進(jìn)行服務(wù)。僅兩個(gè)城市的產(chǎn)值已經(jīng)占到我國(guó)的1/5。

我國(guó)機(jī)器人保有量和密度（萬(wàn)名員工擁有機(jī)器人數(shù)量）相對(duì)較低。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2013 年全球機(jī)器人保有量約140 萬(wàn)臺(tái)，我國(guó)約13.4 萬(wàn)臺(tái)，不到全球的10%，機(jī)器人密度，國(guó)際平均水平58 臺(tái)，韓國(guó)347 臺(tái)，日本是339 臺(tái)，德國(guó)是251臺(tái)，美國(guó)135 臺(tái)，而我國(guó)僅為23 臺(tái)。

4.2 近年來(lái)我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用高速發(fā)展

中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟2013 年上半年對(duì)我國(guó)6 家主要機(jī)器人企業(yè)統(tǒng)計(jì)顯示，機(jī)器人產(chǎn)量和總產(chǎn)量同比增速分別達(dá)到68%和67%。

據(jù)IFR 統(tǒng)計(jì)：2005 年到2013 年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷售以年均25%以上的速度高速增長(zhǎng)，已成為全球增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一；這一增速自2008 年之后進(jìn)一步加快，2008 年到2013 年，銷售量年均增長(zhǎng)36%，綜合機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟6 月發(fā)布的數(shù)據(jù)，2013 年當(dāng)年我國(guó)機(jī)器人銷量近37 000 臺(tái)。占全球銷量的1/5，成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)（IFR2011 年曾預(yù)測(cè)，大約2014 年我國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)將會(huì)處于世界前列）。

4.3 中國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)

（1）不同行業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用技術(shù)將是瓶頸之一。

（2）具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)不多。

（3）高技能機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)人才匱乏。

（4）“一哄而上”的苗頭有所顯現(xiàn)。

（5）基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)亟待加強(qiáng)，支撐機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5 新一代數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 向智能化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

智能控制加工質(zhì)量和效率，智能提高驅(qū)動(dòng)性能，智能編程和操作，智能監(jiān)控、智能診斷等。首先柔性發(fā)展方向是指數(shù)控技術(shù)的發(fā)展將會(huì)以機(jī)器、和生產(chǎn)線向自動(dòng)化的車間整體方向發(fā)展。另一方面，機(jī)器將會(huì)不斷降低造價(jià)水平，不斷增強(qiáng)其實(shí)用功能，呈現(xiàn)出性價(jià)比較高的發(fā)展模式，有利于機(jī)器化設(shè)備的普及。網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向，是數(shù)控技術(shù)取得重大突破的重要基礎(chǔ)。

5.2 開(kāi)放性發(fā)展態(tài)勢(shì)

開(kāi)放式發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)擺脫了原有的數(shù)據(jù)束縛，能夠在原有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新打亂組合，在重新設(shè)計(jì)，能夠加強(qiáng)數(shù)據(jù)管理，從而使得系統(tǒng)的種類更加豐富。并且可以針對(duì)不同廠家、用戶和行業(yè)需求，將其特殊應(yīng)用和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)集成到數(shù)控系統(tǒng)中，形成定制型數(shù)控系統(tǒng)。未來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)能夠被用戶重新配置、修改、擴(kuò)充和改裝。

6 機(jī)器人未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域及廣闊空間

機(jī)器人原來(lái)的設(shè)計(jì)理念較為簡(jiǎn)單，只是為了幫助人們做一些簡(jiǎn)單卻重復(fù)的工作，只是將勞動(dòng)枯燥的勞動(dòng)者解放出來(lái)，同時(shí)使得人們的工作效率更高，工作成本更低，從而使得人們的生活朝著便捷的方向不斷發(fā)展。后來(lái)隨著人們觀念的解放以及機(jī)器人行業(yè)的深入研究，人們對(duì)機(jī)器人的要求越來(lái)越高，已經(jīng)不是簡(jiǎn)單地將機(jī)器人作為重復(fù)工作的執(zhí)行者，而是逐漸使得機(jī)器人能夠代替某一類勞動(dòng)人員，機(jī)器人的造型也不斷多樣化，不只是模仿人的四肢工作，具有了更多的形狀，更加豐富的功能。

另一方面，機(jī)器人除了代替人類做很多工作以外，還起到了保護(hù)人類的作用，例如有的工作人員要承擔(dān)較多的輻射，對(duì)人體造成傷害，還有的人工作環(huán)境會(huì)對(duì)其內(nèi)臟造成不同程度的損壞，機(jī)器人深入到對(duì)人類的保護(hù)領(lǐng)域。

此外，機(jī)器人與智能化技術(shù)的結(jié)合，使得機(jī)器人的應(yīng)用范圍更廣，已經(jīng)深入到各種高科技行業(yè)，代替人類在水下或者高空進(jìn)行作業(yè)，觸及到了人類難以到達(dá)的領(lǐng)域。最后，現(xiàn)代人們生活繁忙，機(jī)器人還深入到了人們的生活領(lǐng)域，能夠給人們的日常生活減輕負(fù)擔(dān)。

因此機(jī)器人還會(huì)具有更廣闊的發(fā)展方向，深入到更多的領(lǐng)域幫助更多的人，機(jī)器人的質(zhì)量將不斷減小，結(jié)構(gòu)不斷精簡(jiǎn)，造價(jià)也會(huì)更低，但是其功能將不斷豐富，更好地服務(wù)于人們的日常生活。