數(shù)控機(jī)床智能化改造研究與實(shí)踐

孫中柏

摘?要：數(shù)控機(jī)床作為21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)物，對(duì)現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)與發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。在當(dāng)前倡導(dǎo)“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”戰(zhàn)略的背景下，對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行智能化改造已成為勢(shì)在必行的重要工作之一。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;智能化改造;智能制造

中圖分類號(hào)：TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.02.003

制造業(yè)在一個(gè)國家的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到主體性作用，也是一個(gè)國家的立國之本、興國之器和強(qiáng)國之基。人類自十八世紀(jì)中葉進(jìn)入工業(yè)文明以來，世界上所有的強(qiáng)國興衰史和我們中華民族的奮斗進(jìn)程中一再表明，只有擁有強(qiáng)大的制造業(yè)，才能使國家和民族變得強(qiáng)盛。在制造業(yè)的整個(gè)發(fā)展過程中制造裝備卻又是重要的因素之一。數(shù)控機(jī)床的誕生及發(fā)展使我們的生產(chǎn)變得更加迅速和更加高效，但在使用過程中往往需要人工協(xié)助，智能化程度還不夠高。在科技迅速發(fā)展的今天，我們可以利用現(xiàn)代的技術(shù)和方法，借助于各學(xué)科的最新成果，借助于計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、傳統(tǒng)的制造技術(shù)與人工智能等新技術(shù)，發(fā)展一種全新的制造技術(shù)與系統(tǒng)，就誕生了智能制造技術(shù)與系統(tǒng)。

1?智能制造系統(tǒng)概述

智能制造系統(tǒng)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)。它在制造過程中能以一種高度柔性與高度集成的方式，借助計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)進(jìn)行分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，從而取代或者延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)。同時(shí)，收集、存貯、完善、共享、集成和發(fā)展人類專家的智能。

所謂智能制造，就是針對(duì)一類產(chǎn)品的生命周期，在缺乏感知條件下的一種信息化制造技術(shù)。智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)等尖端技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化的感知、人與機(jī)器的交互、決策與執(zhí)行技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造以及整個(gè)制造裝備的智能化，是現(xiàn)代信息技術(shù)、智能技術(shù)、傳感技術(shù)與機(jī)械裝備制造技術(shù)的一種深度融合與集成。智能制造也是現(xiàn)代信息化和現(xiàn)代工業(yè)化走向深度融合的發(fā)展趨勢(shì)。

2?智能制造系統(tǒng)的構(gòu)成

智能制造系統(tǒng)主要由MES系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、數(shù)控車床、數(shù)控加工中心、立體倉庫、中央電氣控制系統(tǒng)，及其他輔助系統(tǒng)等部件組成。

2.1?MES系統(tǒng)

MES（Manufacturing Execution System）即制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，是一套面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)。MES可以為企業(yè)提供包括制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排產(chǎn)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、庫存管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、工作中心/設(shè)備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項(xiàng)目看板管理、生產(chǎn)過程控制、底層數(shù)據(jù)集成分析、上層數(shù)據(jù)集成分解等管理模塊，為企業(yè)打造一個(gè)扎實(shí)、可靠、全面、可行的制造協(xié)同管理平臺(tái)。

當(dāng)前比較常用的MES系統(tǒng)，如國外的西門子（siemens）、默佩德衛(wèi)（mpdv）、羅克韋爾（rockwell）等，國內(nèi)的模德寶、華數(shù)、匯博等。國外的MES系統(tǒng)比較成熟，功能強(qiáng)、穩(wěn)定性好，但價(jià)格比較貴;國內(nèi)的MES系統(tǒng)發(fā)展起步較晚，功能及穩(wěn)定性方面要略差一些，我們可以根據(jù)改造的需求及經(jīng)費(fèi)情況來選擇相應(yīng)的MES系統(tǒng)。不管選用那種品牌的MES系統(tǒng)，在智能制造系統(tǒng)中的MES軟件系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：

（1）加工任務(wù)創(chuàng)建、管理;

（2）立體倉庫管理;

（3）機(jī)床啟停、初始化;

（4）加工程序管理和上傳;

（5）在線檢測實(shí)時(shí)顯示和刀具補(bǔ)償修正;

（6）智能看板功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備、立體倉庫信息以及機(jī)床刀具監(jiān)控等;

（7）訂單下達(dá)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理等。

2.2?工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)中重要組成部分之一。智能制造系統(tǒng)中配置的工業(yè)機(jī)器人最好選用六自由度工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作靈活性較高，能工作的空間范圍也比較大，并且它能夠比較靈活的繞過一些障礙物，其整體結(jié)構(gòu)也很緊湊，占用的面積也不大。目前已廣泛應(yīng)用在機(jī)床上下料、取件、弧焊、噴漆等行業(yè)。智能制造系統(tǒng)中的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)還應(yīng)配置氣動(dòng)手爪、反射型光電開關(guān)、磁性開關(guān)、RFID裝置等。

目前比較常用的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，如國外的發(fā)那科（FANUC）、庫卡（KUKA）、ABB等，國內(nèi)的華數(shù)、廣數(shù)、匯博等。我們可以根據(jù)改造的需求及經(jīng)費(fèi)的情況選擇相應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在智能制造系統(tǒng)中主要完成的功能有：

（1）攜帶RFID讀卡器對(duì)各倉位信息進(jìn)行讀寫;

（2）對(duì)工件進(jìn)行搬運(yùn)。

2.3?數(shù)控車床

數(shù)控車床自誕生以來就是一種使用非常廣泛的數(shù)控機(jī)床。它主要用于回轉(zhuǎn)零件（軸類零件或盤類零件）的內(nèi)外圓柱面、內(nèi)外圓錐面、內(nèi)外回轉(zhuǎn)曲面、槽、軸向內(nèi)孔（鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔及鏜孔）及圓柱或圓錐螺紋等特征的切削加工。

在智能制造改造過程中，我們應(yīng)對(duì)普通的數(shù)控車床進(jìn)行智能化改造，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)其數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，讓其在具有原有功能的基礎(chǔ)上增加包括：網(wǎng)絡(luò)接口、自動(dòng)化接口、攝像頭、自動(dòng)化夾具、自動(dòng)門的控制、I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.4?數(shù)控加工中心

數(shù)控加工中心是從數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它與數(shù)控銑床最大的區(qū)別就在于加工中心帶有自動(dòng)刀庫，能夠完成自動(dòng)換刀操作。在做加工準(zhǔn)備工作時(shí)，我們可以將零件加工中需要的各種刀具提前安裝在刀庫里，這樣就可以在一次裝夾中，利用刀庫自動(dòng)換刀裝置來改變主軸上的刀具，從而實(shí)現(xiàn)多種零件特征的切削加工。

在智能制造改造過程中，我們應(yīng)對(duì)普通的數(shù)控加工中心進(jìn)行智能化改造，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)其數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，讓其在具有原有功能的基礎(chǔ)上增加包括：網(wǎng)絡(luò)接口、自動(dòng)化接口、攝像頭、自動(dòng)化夾具、自動(dòng)門的控制、I/O模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸、在線測量等功能。

2.5?立體倉庫

立體倉庫即自動(dòng)化立體倉庫，也叫自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)。主要在智能制造生產(chǎn)過程中承載著毛坯料存放、半成品中轉(zhuǎn)、成品的存儲(chǔ)等功能。智能制造系統(tǒng)中的立體倉庫應(yīng)配置RFID芯片、傳感器、狀態(tài)指示燈、安全防護(hù)外罩等。

2.6?中央電氣控制系統(tǒng)

中央電氣控制系統(tǒng)主要包括Modbus TCP/IP 通信模塊和DI/DQ模塊。MODBUS/TCP協(xié)議是一種自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，它也是一種在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的通訊協(xié)議。通過該協(xié)議，可將控制器相互之間或通過網(wǎng)絡(luò)與其他硬件設(shè)備之間建立通信。Modbus協(xié)議使用的是主從通訊技術(shù)，即由主設(shè)備主動(dòng)查詢和操作從設(shè)備。

在智能制造系統(tǒng)中，主要通過PLC編程平臺(tái)完成與MES系統(tǒng)連接、與HMI連接、與RFID讀卡器模塊通訊、以及與機(jī)器人連接等功能的實(shí)現(xiàn)。

2.7?其他輔助系統(tǒng)

一套完整的智能制造系統(tǒng)除了以上主要組成部件外，還應(yīng)包括PC主機(jī)、PLC與HMI編程軟件系統(tǒng)、各類顯示設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、仿真及編程平臺(tái)、防護(hù)設(shè)備等。

3?結(jié)語

智能制造系統(tǒng)的誕生提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率，也緩解了當(dāng)代社會(huì)勞動(dòng)力成本迅速上漲給企業(yè)帶來的壓力，進(jìn)一步提升了“中國制造”在國際社會(huì)中的綜合競爭力。傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)智能方面的裝備、傳感器、新型材料、工業(yè)類軟件系統(tǒng)以及與其對(duì)應(yīng)的服務(wù)都有巨大的需求，可以形成一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)。我們國家目前整體的科技水平與美日歐等發(fā)達(dá)國家仍然有較大的差距，尤其在一些高端的科技領(lǐng)域，如芯片技術(shù)、高端傳感器、軟件系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件等缺乏自主權(quán)，需要依賴進(jìn)口，在某種程度上拖累了我們國家智能制造技術(shù)的發(fā)展。我們應(yīng)加快核心技術(shù)的自主研發(fā)、加快普通設(shè)備智能化改造升級(jí)、加大智能制造領(lǐng)域人才的培養(yǎng)力度，我國在智能制造的道路上任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 馬譽(yù)賢.提升智能制造應(yīng)用水平探索行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之路[J].造船技術(shù)，2018（4）.