智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)分析

王澤琪

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

制造產(chǎn)業(yè)是世界上許多國家的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，制造產(chǎn)業(yè)以及許多先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)也在朝著開放型、智能化方向發(fā)展。隨著全球智能化制造的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的模式從專用封閉式開環(huán)控制模式，逐漸變?yōu)橥ㄓ瞄_放式全閉環(huán)控制模式，先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于制造產(chǎn)業(yè)，對于制造產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展具有重要意義。

數(shù)控技術(shù)是制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，對于制造產(chǎn)業(yè)的自動化、智能化發(fā)展有著極其重要的作用。它也是當(dāng)今社會制造產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的動力源泉。我國的制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，也擁有較為完整的體系，在國內(nèi)得到了普遍重視，政府也制定了許多有利于制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。但是，我國制造產(chǎn)業(yè)的整體智能化水平仍需進(jìn)一步提高。

1 我國智能制造產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)

1.1 智能制造產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中的優(yōu)勢

我國工業(yè)生產(chǎn)制造體系較為完整，許多企業(yè)都建立了完善的生產(chǎn)制造能力體系，相關(guān)行業(yè)也都在向智能制造產(chǎn)業(yè)的方向發(fā)展。在世界排名較前的主要工業(yè)品中，我國生產(chǎn)制造的工業(yè)品的產(chǎn)量許多都占據(jù)在全球第一位，我國的制造產(chǎn)業(yè)的競爭力指數(shù)也非常靠前。

在部分智能制造相關(guān)領(lǐng)域中制造產(chǎn)業(yè)具有一定的優(yōu)勢，在部分相關(guān)行業(yè)也取得了重大突破，例如制造產(chǎn)業(yè)中具有關(guān)鍵作用的數(shù)控技術(shù)。目前我國數(shù)控技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)都已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)布局也相對完善，而且國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展也較為迅速，相應(yīng)的配套應(yīng)用設(shè)施也非常完善。

在ICT（Information and Communication Technology，信息和通信技術(shù)）設(shè)備制造和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，智能制造產(chǎn)業(yè)也具有一定優(yōu)勢。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，我國的ICT 設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用軟件產(chǎn)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)等均取得了一定發(fā)展，較高的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平為智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了人才和技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 智能制造產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

我國制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，但大而不強(qiáng)的特征明顯。目前，我國制造業(yè)增加值率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國家的水平，制造業(yè)增加值占據(jù)GDP 的份額與其能源消耗占據(jù)全國能耗的份額相比，存在著較大差距。我國的高端數(shù)控機(jī)床大部分還依賴于進(jìn)口，制造業(yè)中創(chuàng)新能力不強(qiáng)、核心技術(shù)薄弱和資源浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象仍然存在。同時，我國制造業(yè)也面臨著發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的雙重擠壓。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入發(fā)展，許多國家都制定了新的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，引導(dǎo)企業(yè)把高端制造產(chǎn)業(yè)引回國內(nèi)，促進(jìn)自己國家制造產(chǎn)業(yè)的再發(fā)展。一些發(fā)展中國家也加大了開放的力度，不斷吸引外資，以促進(jìn)本地區(qū)制造業(yè)的發(fā)展。從目前的情況來看，我國的生產(chǎn)制造企業(yè)也面臨著成本、環(huán)境以及資源的多重壓力，促進(jìn)企業(yè)快速轉(zhuǎn)型，不斷提高制造產(chǎn)業(yè)的智能化水平，是制造行業(yè)尋求進(jìn)一步發(fā)展必須要做的事情。

2 智能制造產(chǎn)業(yè)中的先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)

2.1 智能制造的相關(guān)內(nèi)容

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，將兩種技術(shù)相互融合應(yīng)用于制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，就形成了智能制造，整個智能制造貫穿于制造產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、和服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，是當(dāng)今社會下一種新型生產(chǎn)方式。智能制造的本質(zhì)就是將信息技術(shù)和制造技術(shù)進(jìn)行深度的融合，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢來促進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展。為了成為世界制造強(qiáng)國，我國制定了相應(yīng)的智能制造的戰(zhàn)略目標(biāo)，依托于生產(chǎn)要素和互聯(lián)網(wǎng)，對制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)行智能轉(zhuǎn)型，從而推動制造產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)制造產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展，就必須要實(shí)現(xiàn)高端制造裝備以及對相關(guān)控制的智能化，高端制造裝備實(shí)際上是人機(jī)一體化的智能系統(tǒng)，其融合了先進(jìn)的制造技術(shù)、信息通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)，具體表現(xiàn)在高端數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、3D 打印設(shè)備等領(lǐng)域（圖1）。

圖1 智能制造主要內(nèi)容

2.2 智能制造相關(guān)的先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)

在全球制造產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展的背景下，相關(guān)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)也在向智能化方向發(fā)展。對于數(shù)控技術(shù)來說，高檔數(shù)控機(jī)床是其物質(zhì)載體。在集成制造系統(tǒng)中，高檔數(shù)控機(jī)床作為獨(dú)立制造單元，通過相應(yīng)先進(jìn)技術(shù)的支持，也推動了集成化智能制造系統(tǒng)的發(fā)展。智能制造與先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)之間的邏輯關(guān)系如圖2 所示。

圖2 智能制造和數(shù)控技術(shù)之間的邏輯關(guān)系

先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)是高檔數(shù)控機(jī)床的核心競爭力，高檔數(shù)控機(jī)床集成了多種先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，包括智能編程技術(shù)、多軸聯(lián)動技術(shù)、高速高精控制技術(shù)和機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)等。下面介紹高速高精聯(lián)動控制技術(shù)、機(jī)床多源誤差補(bǔ)償技術(shù)和智能化控制技術(shù)。

2.2.1 高速高精聯(lián)動控制技術(shù)

數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的最大的區(qū)別是能否進(jìn)行多軸聯(lián)動來控制加工過程，而在多軸聯(lián)動的情況下，其實(shí)時精確控制會存在一定困難。針對高速高精聯(lián)動控制技術(shù)，信息實(shí)時交互式現(xiàn)場總線技術(shù)以及多軸聯(lián)動同步控制技術(shù)是該技術(shù)的子技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)在制造產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種總線并存的局面，能夠滿足高速高精的相關(guān)控制需求，對實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)間同步、高效的通信具有重要作用。

針對多軸聯(lián)動同步控制技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)間同步、高效通信的情況下，最終運(yùn)動輪廓的誤差會受到多軸聯(lián)動同步誤差的直接影響，這就需要對伺服控制的精確同步進(jìn)行保證。但多伺服軸的高速高精同步仍然存在一些問題，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)從控制策略和控制算法等方面對這些問題進(jìn)行解決。

2.2.2 機(jī)床多源誤差補(bǔ)償技術(shù)

數(shù)控機(jī)床多軸聯(lián)動加工的精度受到多方面因素的影響，在這個過程中也會產(chǎn)生一定的誤差。機(jī)床多源誤差的來源包括機(jī)床各零部件原始制造、安裝或磨損時引起的幾何誤差。企業(yè)為了提升加工精度，目前廣泛采用的是一種機(jī)床多源誤差補(bǔ)償技術(shù)，如幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)、熱誤差補(bǔ)償技術(shù)等，該技術(shù)經(jīng)濟(jì)高效、操作也容易控制。機(jī)床幾何誤差一般是在機(jī)床各零部件進(jìn)行原始制造、安裝或者磨損時引起的。幾何誤差補(bǔ)償方法主要有誤差模型解耦分離和輪廓精度反饋控制等。

使用機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償后，制約精密數(shù)控機(jī)床加工精度的因素還有熱變形誤差。該誤差來源于表征機(jī)床溫度變化引起的零部件相對位置以及其形狀發(fā)生變化的原因。熱誤差具有許多特性，包括時滯時變、多項(xiàng)耦合和復(fù)雜非線性。在人工智能技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，關(guān)于熱誤差的實(shí)證建模方法得到了迅速發(fā)展，從而也提高了機(jī)床功能部件和整體熱誤差的預(yù)測精度。

2.3 智能化控制技術(shù)

在智能制造的大環(huán)境下，智能化控制技術(shù)已經(jīng)成為高端數(shù)控機(jī)床普遍應(yīng)用的技術(shù)。該技術(shù)以大數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，通過利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)和算法建立相關(guān)的模型，對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)采集以及實(shí)時監(jiān)控，通過智能化控制技術(shù)的支持，數(shù)控機(jī)床能夠更好地了解自身的加工和運(yùn)行狀態(tài)。

3 總結(jié)

在全球制造產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展的浪潮下，作為制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步重要標(biāo)志的先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，成為眾多企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注和研究的對象。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘等先進(jìn)技術(shù)的融合應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)會變得越來越先進(jìn)，制造產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展前景也會越來越好。