河北省智能制造技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)的應(yīng)用研究

李磊 張業(yè)宏

摘要： 河北作為工業(yè)大省，傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)水平低于南方發(fā)達(dá)省份，且高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)所占比重較大，創(chuàng)新能力一般。在《中國(guó)制造2025》政策指導(dǎo)下，中央和河北省政府大力推動(dòng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，推廣智能制造技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用，已取得顯著成果，成功探索出一條智能化、綠色化、服務(wù)化的發(fā)展之路。

Abstract： As a large industrial province， Hebei's traditional manufacturing technology level is lower than that of the developed provinces in the south， and the industries with high energy consumption and high pollution account for a large proportion， with general innovation ability. Under the guidance of the "made in China 2025" policy， the central government and the Hebei provincial government have vigorously promoted the digital transformation and upgrading of the manufacturing industry， promoted the application of intelligent manufacturing technology in the manufacturing industry， achieved remarkable results， and successfully explored an intelligent， green and service-oriented development road.

關(guān)鍵詞： 河北;制造業(yè);升級(jí)轉(zhuǎn)型;智能制造

Key words： Hebei;manufacturing;upgrading and transformation;intelligent manufacturing

中圖分類號(hào)：TP18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0203-03

1? 河北省制造業(yè)現(xiàn)狀

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的提出，旨在促進(jìn)整個(gè)區(qū)域協(xié)同發(fā)展，給河北的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。作為華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人口大省，擁有豐富的礦產(chǎn)資源、農(nóng)業(yè)資源和扎實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)，孕育了完整的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。河北的鋼鐵、汽車、制藥、化工等傳統(tǒng)工業(yè)占全國(guó)比重較大，存在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、企業(yè)創(chuàng)新能力一般、高能耗、高污染、低附加值問題[1-3]，因此在全國(guó)激烈的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。

2015年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)《中國(guó)制造2025》規(guī)劃明確指出“與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)制造業(yè)仍然大而不強(qiáng)，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨”[4]。河北加快傳統(tǒng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)任務(wù)迫在眉睫。

在新一輪工業(yè)革命中，以“數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化技術(shù)”與“先進(jìn)制造技術(shù)”為背景支持的智能制造技術(shù)具有強(qiáng)大的生產(chǎn)力，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)提供巨大的驅(qū)動(dòng)力，引發(fā)生產(chǎn)模式、發(fā)展理念深刻變革。河北政府搶抓歷史機(jī)遇，大力推廣智能制造戰(zhàn)略，探索出一條智能化、綠色化、服務(wù)化的發(fā)展之路[5-7]。

1.1 智能化

智能制造的核心是制造，在制造鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)均體現(xiàn)出智能化的特點(diǎn)，主要落實(shí)在智能生產(chǎn)、智能產(chǎn)品和智能服務(wù)三個(gè)子系統(tǒng)上，三個(gè)子系統(tǒng)彼此間相互聯(lián)系、相互促進(jìn)：智能生產(chǎn)是智能產(chǎn)品的物化過程;智能產(chǎn)品是智能服務(wù)的載體，也是評(píng)價(jià)智能制造性能優(yōu)劣的對(duì)象;智能服務(wù)是智能產(chǎn)品的延伸。

1.2 綠色化

綠色化是在充分考慮產(chǎn)品的資源利用率和環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)之上，使其對(duì)生態(tài)的負(fù)面影響達(dá)到最小化，甚至為零。產(chǎn)品綠色化從最初模型設(shè)計(jì)、材料選擇、加工流程、包裝運(yùn)輸，到客戶使用、報(bào)廢回收等整個(gè)生命周期均需注重保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的理念，兼顧產(chǎn)品成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與綠色環(huán)保雙贏的結(jié)果。

1.3 服務(wù)化

服務(wù)化是指產(chǎn)品功能更加多樣化、個(gè)性化，對(duì)消費(fèi)者的需求進(jìn)行深度挖掘，將產(chǎn)品體驗(yàn)感受放在重要位置，不斷豐富和更新產(chǎn)品功能，并且開發(fā)產(chǎn)品的附加價(jià)值。

2? 智能制造技術(shù)的應(yīng)用

2020年受疫情影響，河北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有所放緩，生產(chǎn)總值較去年增長(zhǎng)3.9%，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值為3880.1億元，較去年增長(zhǎng)3.2%;第二產(chǎn)業(yè)增加值為13597.2億元，較去年增長(zhǎng)4.8%;第三產(chǎn)業(yè)增加值為18729.6億元，較去年增長(zhǎng)3.3%。第二產(chǎn)業(yè)作為三類產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)幅度最大的產(chǎn)業(yè)，離不開裝備制造、鋼鐵、石化、食品、醫(yī)藥、建材、紡織服裝等七大傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高端高新產(chǎn)業(yè)的共同作用。在智能制造的助力下，高端高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極為亮眼。2019年高端高新裝備制造較上一年增長(zhǎng)8.3%：新一代信息技術(shù)產(chǎn)品液晶顯示屏產(chǎn)量較上一年增長(zhǎng)22.7%，集成電路較上一年翻倍;新興交通運(yùn)輸設(shè)備相關(guān)產(chǎn)品新能源汽車較上一年增長(zhǎng)74.5%，城市軌道車輛較上一年增長(zhǎng)73.8%;新能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品鋰離子電池較上一年增長(zhǎng)25.6%，太陽能電池較上一年增長(zhǎng)25.9%，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組較上一年增長(zhǎng)30.9%;節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)相關(guān)產(chǎn)品環(huán)境監(jiān)測(cè)專用儀器儀表較上一年增長(zhǎng)14.7%，環(huán)境污染防治專用設(shè)備較上一年增長(zhǎng)71.4%。

以上增長(zhǎng)數(shù)據(jù)的背后是智能制造技術(shù)在制造業(yè)中扮演了重要角色，發(fā)揮著至關(guān)重要作用，下面分析智能制造技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)的典型研究和應(yīng)用。

2.1 智能制造中智能機(jī)床的應(yīng)用

智能機(jī)床作為最新一代加工設(shè)備滿足自適應(yīng)柔性和更高效生產(chǎn)的要求，為智能制造注入更強(qiáng)勁的生產(chǎn)力，目前已落戶雄安新區(qū)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。搭載智能數(shù)控系統(tǒng)，在獲取加工對(duì)象以后，自動(dòng)選擇最優(yōu)加速度、轉(zhuǎn)角、平滑度、加工路線等參數(shù)進(jìn)行加工。同時(shí)也對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行自身監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)分析周圍環(huán)境因素自動(dòng)補(bǔ)償，以保證產(chǎn)品精度。

智能機(jī)床的主要優(yōu)勢(shì)有：

①優(yōu)越的減振。機(jī)床的加工軸在加速和減速的過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，其嚴(yán)重影響加工精度和表面粗糙度等參數(shù)，智能機(jī)床可實(shí)現(xiàn)最大程度抑制振動(dòng)。

②采用熱補(bǔ)償。在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得工件和刀具受溫升而變形，智能機(jī)床可實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償。

③智能防撞。在人工誤操作時(shí)，智能機(jī)床可提前檢測(cè)內(nèi)部干涉和撞擊的可能性，并于撞擊前立即停機(jī)，保護(hù)設(shè)備和工件免于碰撞。

2.2 智能制造中智能機(jī)器人的應(yīng)用

集仿生技術(shù)、傳感技術(shù)、控制理論、信號(hào)處理等技術(shù)于一身的智能機(jī)器人已在河北省的機(jī)械、汽車、化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，充分融入智能生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，例如長(zhǎng)城汽車焊接生產(chǎn)線，采用智能機(jī)械手完成點(diǎn)焊、涂膠、搬運(yùn)等一系列工序。

智能機(jī)器人根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境和任務(wù)，獲取主動(dòng)感知，執(zhí)行任務(wù)規(guī)劃，自適應(yīng)調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度。降低生產(chǎn)過程中的人力工作強(qiáng)度，避免危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)人體的傷害，極大程度提高了生產(chǎn)效率。

2.3 智能制造中機(jī)器視覺的應(yīng)用

機(jī)器視覺是采用視覺技術(shù)的機(jī)械系統(tǒng)，已成熟應(yīng)用在河北省大中型檢測(cè)線上，完成產(chǎn)品生產(chǎn)過程監(jiān)視、產(chǎn)品識(shí)別以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)任務(wù)。例如小型零件批量尺寸檢測(cè)、電氣元器件定位安裝、電路板缺陷檢測(cè)[8]。

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包含圖像采集、圖像處理、圖像分析與識(shí)別、圖像定位與顯示等模塊。利用光學(xué)傳感器獲取產(chǎn)品的圖像或者視頻模擬量，傳遞計(jì)算機(jī)圖像采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，可依據(jù)像素的顏色、亮度、灰度、梯度等信息進(jìn)行識(shí)別和判斷，并將分析結(jié)果用于控制機(jī)器設(shè)備動(dòng)作，如圖2所示。

機(jī)器視覺的主要優(yōu)勢(shì)有：

①精度高。采用高清晰光學(xué)傳感器搭配合適的光源，檢測(cè)精度可達(dá)萬分之一英寸，遠(yuǎn)超人眼識(shí)別極限。

②重復(fù)性強(qiáng)。機(jī)器可以重復(fù)性地完成一系列任務(wù)，且不會(huì)出現(xiàn)誤操作，遠(yuǎn)超人體能承受的疲勞極限。

③速度快。工業(yè)流水線上選用高頻相機(jī)，可采集快速運(yùn)動(dòng)的物體，且成像質(zhì)量高，不會(huì)出現(xiàn)模糊。

④客觀性好。人工檢測(cè)難免受到情緒波動(dòng)影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果帶有明顯的主觀性。機(jī)器視覺能很好地保持客觀檢測(cè)，因此檢測(cè)結(jié)果真實(shí)性強(qiáng)。

⑤單位檢測(cè)成本低。雖然機(jī)器視覺設(shè)備總體成本較高，然而出色的工作效率可替代幾人甚至十幾人的工作量，且能保持長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作，因此單個(gè)產(chǎn)品的單位檢測(cè)成本極低。

2.4 智能制造中虛擬仿真的應(yīng)用

虛擬仿真開始在河北尖端技術(shù)企業(yè)推廣，增強(qiáng)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集、分析、處理，最后進(jìn)行仿真運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)和全面掌控。

該應(yīng)用是以產(chǎn)品的完成生命周期作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，不是單純的生產(chǎn)過程演示，而是真正意義上的指導(dǎo)管理系統(tǒng)，既可以仿真單臺(tái)工作站產(chǎn)品模擬加工，也可拓展到全廠所有設(shè)備的協(xié)作模擬。該應(yīng)用通常離不開企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）的無縫對(duì)接，即虛擬仿真需要掌握主生產(chǎn)計(jì)劃、采購(gòu)計(jì)劃、物料計(jì)劃、能力計(jì)劃、利潤(rùn)規(guī)劃、財(cái)務(wù)報(bào)表、人力資源計(jì)劃等整個(gè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)仿真的準(zhǔn)確性。

2.5 智能制造中智慧工廠的應(yīng)用

智慧工廠為河北的能源消耗大、產(chǎn)品利潤(rùn)率的企業(yè)指明了發(fā)展方向，其技術(shù)架構(gòu)如圖3所示[4]。

以鋼鐵為例，河北的粗鋼產(chǎn)量連續(xù)十年位居全國(guó)首位。然而面對(duì)嚴(yán)峻的市場(chǎng)價(jià)格形勢(shì)，鋼鐵企業(yè)開展了一系列的“智慧生產(chǎn)、節(jié)能減排”舉措取得明顯成效，開啟了智慧工廠試點(diǎn)建設(shè)。在智慧工廠中，傳統(tǒng)的電氣控制、儀表控制、燃?xì)饪刂普诒幌冗M(jìn)的一體化智能系統(tǒng)代替，優(yōu)化鋼材設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造工藝和部門結(jié)構(gòu)管理。

鋼企的智慧工廠的主要優(yōu)勢(shì)有：

①互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算可以將諸多信息進(jìn)行綜合整理和融合，實(shí)現(xiàn)在線故障診斷和未來發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

②大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息集成，提供產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)估和異常產(chǎn)品追溯的功能，減少資金占用，提高產(chǎn)品良率。

③協(xié)同內(nèi)部各部門之間的管理，對(duì)原料采購(gòu)、生產(chǎn)加工、銷售經(jīng)營(yíng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并提供循環(huán)物質(zhì)流、信息流和能量流的流向，做到實(shí)時(shí)管理。

2.6 智能制造中無損檢測(cè)的應(yīng)用

無損檢測(cè)是在不直接接觸和不損傷檢測(cè)對(duì)象的前提下，利用聲、光、熱、電、磁等介質(zhì)檢測(cè)產(chǎn)品的表面或內(nèi)部是否存在結(jié)構(gòu)不均勻或者缺陷，同時(shí)給出缺陷的數(shù)量、大小、位置、尺寸、類型等信息。

①超聲波檢測(cè)。利用頻率20kHz以上的聲波在材料中傳播，遇到不同阻抗界面發(fā)生反射現(xiàn)象，依據(jù)反射波所攜帶的信息，判斷缺陷的各種性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于距離、厚度、液位、流量等參數(shù)的檢測(cè)，如圖4所示。

②射線檢測(cè)。利用X射線、γ射線或中子射線通過物體時(shí)會(huì)發(fā)生吸收和散射，材料中有缺陷會(huì)影響射線的吸收和散射，通過對(duì)膠片感光分析，對(duì)比底片上有缺陷部位與無缺陷部位的黑度圖像信息，判斷出缺陷的種類、數(shù)量、

大小。

③磁粉檢測(cè)。預(yù)先磁化待檢測(cè)的工件，利用磁力線穿透鐵磁材料時(shí)，在磁性不連續(xù)處形成漏磁場(chǎng)，然后在磁化的工件表面上撒上合適的干磁粉或者澆注磁懸液，最后觀察磁粉堆積痕跡，檢驗(yàn)工件表面的裂紋、疏松、氣孔和夾雜等缺陷。

④滲透檢測(cè)。利用毛細(xì)現(xiàn)象，將溶有熒光染料或著色染料的滲透劑涂抹于試件表面后，滲透劑會(huì)滲入到表面的細(xì)小缺陷中，清除依附在試件表面上多余的滲透劑，經(jīng)干燥處理再施加顯像劑，置于特殊的光源下使得缺陷處的滲透液痕跡被顯示，從而探測(cè)出缺陷的形貌或者分布狀態(tài)。

2.7 智能制造中智能CAD的應(yīng)用

智能CAD是人工智能與傳統(tǒng)CAD技術(shù)相融合的新技術(shù)。可借助數(shù)字仿真模擬、有限元分析來完成數(shù)據(jù)計(jì)算和分析。帶有強(qiáng)大的圖形圖像處理功能，支持二維、三維模型設(shè)計(jì)。此外還具備便捷的數(shù)據(jù)管理與信息交互功能和文檔編輯制作等服務(wù)，極大提高生產(chǎn)效率，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3? 創(chuàng)新應(yīng)用意義

制造業(yè)是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。在傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用蓬勃發(fā)展的智能制造技術(shù)，必將為傳統(tǒng)制造業(yè)注入強(qiáng)勁動(dòng)力。全球各個(gè)國(guó)家都在陸續(xù)提出自己的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，力圖在新一輪工業(yè)革命中掌握主導(dǎo)權(quán)，占領(lǐng)新高地。中國(guó)制造業(yè)抓住這一千載難逢的歷史機(jī)遇，發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)，出臺(tái)發(fā)展政策，鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)造，加快工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)步伐，集中優(yōu)勢(shì)力量打贏智能制造決戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯凱莉，陳妍，徐清祿.淺析河北省制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的新機(jī)遇[J].探討與研究，2021（07）：177-178.

[2]楊曉春.河北省制造業(yè)企業(yè)智能化程度調(diào)查及對(duì)策分析[J]. 河北農(nóng)機(jī)，2019，10：109-110.

[3]侯英，侯士江，陳國(guó)強(qiáng).河北省2025工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展布局探索[J].設(shè)計(jì)，2016（03）：78-79.

[4]樊召玲.河北省制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)科碩士學(xué)位論文，2021：1-10.

[5]倪立芹，張國(guó)平，高洪巖，陳彩霞.河北裝備制造業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展思路[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，19（06）：26-27.

[6]李瓊硯，路敦民，程朋樂.智能制造概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[7]周濟(jì)，李培根.智能制造導(dǎo)論[M].北京：高等教育工業(yè)出版社，2021.

[8]余文勇，石繪.機(jī)器視覺自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.