智能制造與超低溫技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)融合初探

李軍 趙林華

摘要：智能制造（Smart Manufacturing）融合了人工智能、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)制造業(yè)價(jià)值鏈優(yōu)化創(chuàng)新有重要意義，也是未來工業(yè)制造的主要發(fā)展方向之一。智能制造在發(fā)展過程中不斷進(jìn)行進(jìn)行各種融合，目前已經(jīng)進(jìn)入深度融合階段。此文結(jié)合我們承擔(dān)完成的國防工程配套超低溫項(xiàng)目，談?wù)劤蜏丶夹g(shù)產(chǎn)品開發(fā)融合智能制造的情況，與大家探討商榷。

關(guān)鍵詞：智能制造;信息化;超低溫技術(shù)

一、超低溫技術(shù)概念

超低溫技術(shù)就是采用適當(dāng)?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)裝置，獲得低于120K環(huán)境的一種技術(shù)。目前在工業(yè)生產(chǎn)或科研領(lǐng)域，經(jīng)常需要基于超低溫液化氣體進(jìn)行制冷，把需要冷卻的材料、工件或儀器浸泡到77K（-196 ℃）液氮溫區(qū)或4.2K（-269 ℃）液氦溫區(qū)冷卻，以獲得正常的工作環(huán)境和滿意的性能指標(biāo)[1]，（如圖1溫度劃分與技術(shù)對(duì)應(yīng)表所示），例如醫(yī)院的大型超導(dǎo)磁共振診斷儀中的超導(dǎo)磁體必須預(yù)冷到液氦溫度才能正常工作;某些精密加工件需要浸泡液氮進(jìn)行溫度沖擊，以保證工件材料晶相組織的穩(wěn)定性和抗超低溫性能;空間探測(cè)和國防裝備所用的紅外探測(cè)器、夜視儀也需要在超低溫條件下正常工作，只不過它需要的冷量小、瞬時(shí)，采用超低溫制冷機(jī)冷頭的熱傳導(dǎo)冷卻需要被冷卻的部件，以達(dá)到工作響應(yīng)溫度要求。下圖2為超低溫技術(shù)獲諾貝爾獎(jiǎng)情況。

二、智能制造的理解

智能制造屬于一種融合了各種技術(shù)的制造技術(shù)，主要如人工智能和自動(dòng)控制技術(shù)等，目前在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，這種技術(shù)開始受到廣泛關(guān)注[2]。

智能制造技術(shù)可以是一個(gè)五層的金字塔構(gòu)造（如下圖3所示）。如底層是企業(yè)原有的產(chǎn)品、服務(wù)、管理。在此基礎(chǔ)上，企業(yè)融合智能化技術(shù)，產(chǎn)生智能產(chǎn)品與服務(wù)，在產(chǎn)業(yè)升級(jí)和改造方面有重要的意義。第三層為智能裝備，智能產(chǎn)線和設(shè)備，這也引發(fā)生產(chǎn)模式的改變。第四層為智能管理、物流與供應(yīng)鏈。而智能決策處于最頂層，和控制決策存在密切關(guān)系。

智能制造涉及到的要素很多，如傳感設(shè)備、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、增材制造等，在運(yùn)行過程中還必須有大數(shù)據(jù)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等智能技術(shù)支撐[3]。

三、智能制造技術(shù)在超低溫制冷產(chǎn)品研制中的應(yīng)用與探討

1.產(chǎn)品智能化提升（超低溫接收機(jī)和神光Ⅲ圖片）

配套國家“嫦娥奔月”工程的超低溫接收機(jī)（見圖4）從原材料采購，零部件加工、處理，整機(jī)裝調(diào)、試驗(yàn)，檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)行信息化、數(shù)字化管理，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。承擔(dān)完成的中國工程物理研究院“神光Ⅲ”（圖5）超低溫冷凍靶項(xiàng)目采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)六自由度機(jī)器人配套，控制系統(tǒng)增加智能調(diào)控軟件、人機(jī)交互界面，從而產(chǎn)品獲得用戶好評(píng)、軍委表彰[4]。

2. 服務(wù)智能化體現(xiàn)

智能服務(wù)（如圖6所示）主要是通過傳感器采集產(chǎn)品的實(shí)時(shí)信息，然后進(jìn)行一定預(yù)防性干預(yù)，對(duì)存在缺陷的零部件進(jìn)行及時(shí)的更換，更好的滿足客戶服務(wù)要求。在運(yùn)行中對(duì)產(chǎn)品和設(shè)備的大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，據(jù)此進(jìn)行高效科學(xué)的決策。開發(fā)面向客戶的APP，針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定向性的服務(wù)，以便滿足客戶的特異性要求。

超低溫制冷產(chǎn)品中我們布置有多種傳感監(jiān)測(cè)器（大型超低溫制冷機(jī)如下圖7所示），以便及時(shí)掌控系統(tǒng)內(nèi)溫度、壓力、流量、制冷量、變化情況和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，借助網(wǎng)絡(luò)通訊可以遠(yuǎn)程指導(dǎo)用戶進(jìn)行設(shè)備維修保養(yǎng)，通過物聯(lián)網(wǎng)及時(shí)了解每臺(tái)設(shè)備的工作環(huán)境及狀況，為用戶提供智能化服務(wù)[5]。

3. 加工和工藝裝備的智能化

超低溫制冷設(shè)備（圖8為4.5K超低溫制冷系統(tǒng)）是涉及熱力學(xué)、傳絕熱、電磁學(xué)、真空技術(shù)、控制技術(shù)于一體的精密機(jī)械設(shè)備，通過采購先進(jìn)的智能化加工和工藝裝備或?qū)υ械难b備進(jìn)行智能化改造（圖9為智能裝備），可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本[6]。

智能化的焊接機(jī)器人（如圖10所示）不需要回避人的活動(dòng)，取料的時(shí)候，所有零件是隨機(jī)擺放的，它具有了機(jī)器識(shí)別功能，可以準(zhǔn)確的拿到焊接所需要的零件，根據(jù)要求調(diào)整功率、速度、焊料量進(jìn)行最佳工作[7]（如圖11增材制造與傳統(tǒng)制造融合所示）。

4.智能生產(chǎn)線

智能生產(chǎn)線上（如圖12智能生產(chǎn)線案例所示），在生產(chǎn)和裝配期間，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的傳輸和處理后，通過顯示器對(duì)相關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行顯示。利用不同類型的傳感器和機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控目的，將一些殘次品自動(dòng)剔除。統(tǒng)計(jì)分析采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)確定出相關(guān)質(zhì)量問題產(chǎn)生原因，同時(shí)也可滿足類似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)相關(guān)要求，為工藝調(diào)整提供支持。對(duì)小批量生產(chǎn)也有較高的支持性;在實(shí)際應(yīng)用過程中相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障情況下，可利用備用設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，而避免出現(xiàn)中斷問題;人工操作的工位也可方便的進(jìn)行智能協(xié)助。

目前，由于中、大型超低溫制冷裝備主要為國防、科研等前沿技術(shù)研究提供配套，不涉及批量、大規(guī)模生產(chǎn)，故智能化生產(chǎn)線建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)缺乏，有待學(xué)習(xí)加強(qiáng)[8]。

5.智能車間

智能車間（如圖13所示），能夠?qū)崿F(xiàn)全局的生產(chǎn)管控，知道該生產(chǎn)什么，了解設(shè)備狀態(tài)，能夠進(jìn)行生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、作業(yè)指導(dǎo)、質(zhì)量管控，具有生產(chǎn)防錯(cuò)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)物料的準(zhǔn)時(shí)配送以及產(chǎn)品的及時(shí)發(fā)運(yùn)。

智能車間里除了有基本的技術(shù)之外，還有一些新的技術(shù)。比如海爾現(xiàn)在有一個(gè)虛實(shí)融合技術(shù)，把數(shù)字化的三維空間和生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)做了一個(gè)集成，虛實(shí)融合系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)都是設(shè)備當(dāng)前持續(xù)作業(yè)的工單，如果出現(xiàn)故障看見的是它真正的狀態(tài)。以前我們做虛擬仿真，現(xiàn)在把真實(shí)產(chǎn)品上的傳感器采集的數(shù)據(jù)，傳到數(shù)字化的樣機(jī)做仿真分析，這個(gè)就比原來更真了，因?yàn)閿?shù)據(jù)都是來自于真實(shí)的工況，這里包括一些車間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)以及物流數(shù)據(jù)。

6. 智能工廠

一個(gè)工廠有多個(gè)車間，一個(gè)車間有多條生產(chǎn)線。雖然有這么多企業(yè)遍布全球，但是對(duì)外來講一個(gè)企業(yè)可以是一個(gè)車間、一個(gè)工廠;這個(gè)智能工廠（如圖14）可以統(tǒng)一接單，統(tǒng)一調(diào)度。這個(gè)時(shí)候MES不僅僅是車間的系統(tǒng)，還是一個(gè)企業(yè)級(jí)的制造工廠。在這個(gè)工廠里還有一些新的管理，比如說智能刀具管理等，同時(shí)還可以利用一些AGV立體倉庫。西門子的全球工廠，有一個(gè)24米高的自動(dòng)化立體倉庫，能夠做到高速和精準(zhǔn)定位。還有數(shù)字化的質(zhì)量檢測(cè)，比如一個(gè)卡尺，卡一下數(shù)據(jù)就錄入進(jìn)去了，不再需要手工錄入。

還有整體計(jì)劃制定，我們倡導(dǎo)企業(yè)需要建立一個(gè)生產(chǎn)控制中心，未來我們還應(yīng)該建立生產(chǎn)智慧中心。

7. 智能設(shè)計(jì)研發(fā)

智能設(shè)計(jì)研發(fā)方面，進(jìn)行可制造性分析（圖16），我們采用三維仿真設(shè)計(jì)，能夠做到“紙上談兵”與實(shí)際研發(fā)工作的巧妙對(duì)應(yīng)。使用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能制造分析軟件開展工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)工藝數(shù)字化。

8.智能管理

智能制造首先需要企業(yè)的信息化，傳統(tǒng)企業(yè)各個(gè)部門各自分管一部分分散的數(shù)據(jù)，智能制造要求把所有的數(shù)據(jù)都放在在一個(gè)數(shù)據(jù)庫里。

核心運(yùn)營系統(tǒng)包括ERP、HCM、CRM、SRM、SCM、MDM、EAM、企業(yè)門戶等。實(shí)現(xiàn)智能管理的基礎(chǔ)是核心系統(tǒng)無縫集成。

通過智能管理使決策層更好的掌控全局，科學(xué)決策，高效解決企業(yè)運(yùn)營與發(fā)展中出現(xiàn)的問題，從容應(yīng)對(duì)市場(chǎng)。

9.智能制造物流與供應(yīng)鏈建設(shè)

一般中、小企業(yè)建議利用社會(huì)優(yōu)良物流與供應(yīng)商進(jìn)行合作;大型集團(tuán)企業(yè)才建立智能制造物流與供應(yīng)鏈系統(tǒng)。為了物流的方便以及供應(yīng)鏈的完整，通過EDI進(jìn)行供應(yīng)鏈協(xié)同，讓制造商的供應(yīng)鏈協(xié)作信息化、自動(dòng)化（如圖17）。

10.智能決策

業(yè)務(wù)智能、業(yè)務(wù)分析與企業(yè)績(jī)效管理要有機(jī)結(jié)合，這點(diǎn)非常重要。智能決策，首先依托于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其次便是來自于生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)與質(zhì)量、產(chǎn)品運(yùn)用相關(guān)的大數(shù)據(jù)（圖18）。依靠這些數(shù)據(jù)才能進(jìn)行業(yè)務(wù)智能、業(yè)務(wù)分析，業(yè)務(wù)智能、業(yè)務(wù)分析與企業(yè)績(jī)效管理要有機(jī)結(jié)合才能助推企業(yè)智能決策，科學(xué)合理發(fā)展。

四、超低溫制冷產(chǎn)品研制智能化融合建議

超低溫制冷設(shè)備在生產(chǎn)制造過程中，無論是單純的人工作業(yè)還是半人工作業(yè)，均存在人為操作失誤的情況。目前企業(yè)缺乏有效地監(jiān)管措施來保證裝配過程中關(guān)鍵且影響產(chǎn)品性能的零配件的正確性，只能在裝配、工藝性能檢測(cè)、電性能檢測(cè)完成后進(jìn)行制冷性能檢測(cè)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，若有裝錯(cuò)的情況，必須重新拆散零件再拿回生產(chǎn)線裝配，造成了大量的人力、物力的浪費(fèi)，而且耽誤時(shí)間，影響產(chǎn)品訂單的交期;此外，在超低溫制冷設(shè)備的整個(gè)試驗(yàn)過程中，對(duì)產(chǎn)品的性能的判斷往往需要人為的干預(yù)，雖然判斷產(chǎn)品合格與否的條件由檢測(cè)工程師給出，但生產(chǎn)人員和檢驗(yàn)人員往往因?yàn)槭韬龌蚴菬o法整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)分秒不差緊盯著每一臺(tái)產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品試驗(yàn)途中發(fā)生的問題無法100﹪發(fā)現(xiàn)。為此超低溫制冷產(chǎn)品研制進(jìn)行智能化融合十分必要，建議如下：

（一）生產(chǎn)條件智能化改進(jìn)措施

1. 在超低溫制冷設(shè)備中適當(dāng)增加傳感器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化;在控制器上，對(duì)應(yīng)增加溫度、濕度、壓力、功耗等監(jiān)控調(diào)節(jié)功能。

2. 在超低溫制冷設(shè)備的主控制電路上，設(shè)置電流傳感器、電壓傳感器，用于采集制冷設(shè)備主控電路中的運(yùn)行參數(shù)。

3. 在主控制器上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

4. 設(shè)置一個(gè)Web服務(wù)器。

5. 在產(chǎn)品上安裝一條形碼，每臺(tái)產(chǎn)品的條形碼都是唯一的。

6. 在公司所有關(guān)鍵零部件進(jìn)貨入庫時(shí)安裝各自的條形碼。

7. 在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置條碼掃描器及顯示屏。

8. 在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有無線WiFi網(wǎng)絡(luò)。

9. 在倉庫現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置條碼掃描器。

10. 在倉庫現(xiàn)場(chǎng)有無線WiFi網(wǎng)絡(luò)。

（二）智能化裝配

1. 當(dāng)接到超低溫制冷產(chǎn)品訂單時(shí)，設(shè)計(jì)人員要將客戶對(duì)產(chǎn)品提出的要求以及前期樣機(jī)試驗(yàn)情況轉(zhuǎn)換成與此訂單產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵零部件清單、標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)電性能參數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)制冷性能參數(shù)等，并將這些內(nèi)容存儲(chǔ)到Web服務(wù)器中。

2. 在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，在機(jī)架上貼含有此產(chǎn)品相關(guān)信息的條形碼。

3. 生產(chǎn)裝配人員按正常程序裝配產(chǎn)品，當(dāng)產(chǎn)品裝配完畢，在進(jìn)行抽真空工序前，由操作人員用條碼掃描器先掃描機(jī)架上的產(chǎn)品條形碼。然后對(duì)掃描獲取的信息傳輸?shù)絎eb服務(wù)器，后者則將相關(guān)型號(hào)產(chǎn)品的產(chǎn)品型號(hào)、關(guān)鍵零部件清單自動(dòng)調(diào)出并發(fā)送到本條形碼產(chǎn)品的主控制器中。接著對(duì)此產(chǎn)品對(duì)應(yīng)關(guān)鍵零部件上的條碼進(jìn)行掃描。關(guān)鍵零部件的條碼掃描結(jié)束后會(huì)將掃描到的關(guān)鍵零部件信息發(fā)送到本主控控制器中，主控制器會(huì)將實(shí)際裝配的關(guān)鍵零配件信息與服務(wù)器調(diào)入的標(biāo)準(zhǔn)清單進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)結(jié)果會(huì)顯示在顯示屏上，同時(shí)將相關(guān)信息發(fā)送到服務(wù)器。進(jìn)行對(duì)比分析如果發(fā)現(xiàn)相符合則表明裝配過程正確，可以流入下道工序。如果不一致則會(huì)顯示哪些地方有出入，由操作人員進(jìn)行返工。返工后再一次進(jìn)行掃描比對(duì)，直到完全一致才流入下道工序，智能裝配過程結(jié)束;服務(wù)器會(huì)將接收到的裝配結(jié)果及過程（含不合格的過程）存儲(chǔ)并標(biāo)記。

（三）智能工藝參數(shù)檢測(cè)

1. 智能裝配過程結(jié)束后，超低溫制冷設(shè)備產(chǎn)品一般會(huì)進(jìn)行保壓檢漏、抽真空、加注制冷工劑相關(guān)操作。在此類操作前，接著對(duì)產(chǎn)品條形碼進(jìn)行掃描，產(chǎn)品條形碼通過WiFi發(fā)送到Web服務(wù)器，服務(wù)器則將對(duì)應(yīng)型號(hào)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)自動(dòng)從服務(wù)器調(diào)出發(fā)送至本主控制器中。

2. 智能裝配過程結(jié)束后，在對(duì)制冷設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行保壓、抽真空、加注制冷劑的操作等工藝過程的操作時(shí)，真空度檢測(cè)裝置、保壓性能檢測(cè)裝置、制冷劑加注機(jī)等會(huì)檢測(cè)到制冷設(shè)備產(chǎn)品的真空度、保壓參數(shù)、制冷劑加注量等參數(shù)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到本主控制器中。主控制器會(huì)將其與服務(wù)器調(diào)入的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果會(huì)顯示在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的顯示屏上并上傳至服務(wù)器。如果比對(duì)符合要求則可以流入下道工序，相反情況下則對(duì)存在偏差的參數(shù)進(jìn)行顯示，然后根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行返工處理，返工后接著對(duì)比工藝參數(shù)，一直到滿足要求后進(jìn)行下一步操作，智能檢測(cè)完畢;接收的工藝參數(shù)及過程相關(guān)信息根據(jù)一定格式進(jìn)行保存。

（四）智能電性能參數(shù)檢測(cè)

1. 智能工藝參數(shù)檢測(cè)過程結(jié)束后，超低溫制冷設(shè)備產(chǎn)品一般會(huì)進(jìn)行耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻、功率等電性能參數(shù)的檢測(cè)，在進(jìn)行這些電性能參數(shù)檢測(cè)的操作前，接著對(duì)產(chǎn)品條形碼進(jìn)行掃描，將采集的信息通過WiFi傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器則將對(duì)應(yīng)型號(hào)產(chǎn)品的電性能參數(shù)自動(dòng)從服務(wù)器調(diào)出發(fā)送至本主控制器中。

2. 智能工藝參數(shù)檢測(cè)過程結(jié)束后，在對(duì)制冷設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等電性能參數(shù)的檢測(cè)操作時(shí)，綜合電性能檢測(cè)裝置會(huì)檢測(cè)到制冷設(shè)備產(chǎn)品的耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等參數(shù)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到本主控制器中，主控制器會(huì)將其與服務(wù)器調(diào)入的標(biāo)準(zhǔn)電性能參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果會(huì)顯示在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的顯示屏上并上傳至服務(wù)器，如果比對(duì)符合要求則可以流入下道工序，相反情況下則對(duì)存在偏差的參數(shù)進(jìn)行顯示，然后根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行返工處理，返工后接著對(duì)比工藝參數(shù)，一直到滿足要求后進(jìn)行下一步操作，智能檢測(cè)完畢;接收的工藝參數(shù)及過程相關(guān)信息根據(jù)一定格式進(jìn)行保存。

（五）智能運(yùn)行監(jiān)控與服務(wù)

借助物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品運(yùn)輸、運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，站在用戶角度為用戶著想，及時(shí)解決過程中有可能出現(xiàn)的問題，提供優(yōu)良貼心的服務(wù)。

五、結(jié)束語

智能制造技術(shù)是伴隨信息技術(shù)的不斷普及而逐步發(fā)展起來的，智能制造綜合應(yīng)用了機(jī)器控制、知識(shí)工程相關(guān)的技術(shù)，針對(duì)生產(chǎn)過程和工藝進(jìn)行建模，以便在無人操作情況下也可正常的生產(chǎn)。

近年來，智能制造開始進(jìn)入迅速發(fā)展階段，很多先進(jìn)的智能機(jī)器人也被引入其中，這些機(jī)器人可進(jìn)行自主決策控制，有一定學(xué)習(xí)和判斷能力。智能化技術(shù)與產(chǎn)品已深入到我們工作生活的方方面面，使用智能化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已是大勢(shì)所趨，讓我們緊跟國家5G、6G前進(jìn)步伐，借助智能制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和再次騰飛。

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