人工智能在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用分析

呂甜甜

（江蘇省洪澤中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223100）

1 引言

隨著“工業(yè)4.0”“中國(guó)制造2025”等戰(zhàn)略的提出，為更好地應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，中國(guó)機(jī)械制造業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程中，積極融入智能化、自動(dòng)化及人工智能技術(shù)等轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的制造模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造自動(dòng)化，最終形成大規(guī)模計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，從而達(dá)到降低制造成本和提高生產(chǎn)效率的目的，具體在工業(yè)中的應(yīng)用主要包括數(shù)控集成、加工中心等。

2 人工智能技術(shù)概述

人工智能（Artificial Intelligence）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新技術(shù)科學(xué)，主要涵蓋專家系統(tǒng)、圖像識(shí)別、語言識(shí)別、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)。人工智能已經(jīng)融入到機(jī)械、電子、經(jīng)濟(jì)、哲學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中，滲透到人們生活的方方面面，變得無處不在。人工智能已經(jīng)發(fā)展為新一輪機(jī)械產(chǎn)業(yè)變革核心驅(qū)動(dòng)力，助推著產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式創(chuàng)新與發(fā)展。

3 人工智能在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用

本文以農(nóng)機(jī)數(shù)控車床機(jī)械系統(tǒng)為例，具體探討人工智能在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)踐。

3.1 基于人工智能技術(shù)的機(jī)械系統(tǒng)分類

伴隨著人工智能的快速發(fā)展，人工智能在數(shù)控車床加工系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用，目前主要可以分為以下4類：

第一類：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化處理，從而通過不斷地學(xué)習(xí)與訓(xùn)練獲取知識(shí)，對(duì)于一些比較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，在系統(tǒng)中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以提高系統(tǒng)的智能化程度和學(xué)習(xí)、診斷能力。

第二類：專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)作為一種交互式、可靠的基于計(jì)算機(jī)的決策系統(tǒng)，通過從專家那里獲得知識(shí)來解決需要人類專家的許多問題，是人工智能在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中使用的主要分支，比如機(jī)械故障診斷，通過對(duì)機(jī)械癥狀的觀察與分析，推導(dǎo)出癥狀產(chǎn)生原因及排除故障的方法。

第三類：模糊控制。模糊控制技術(shù)是人工智能中的一個(gè)重要分支，是利用模糊數(shù)學(xué)知識(shí)模仿人腦思維的一種高級(jí)算法策略，被廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人、機(jī)械手控制、汽車控制、電梯控制等機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中，可以有效提高機(jī)械系統(tǒng)控制的精確性，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

第四類：?jiǎn)l(fā)式搜索。啟發(fā)式搜索算法是一種在解空間中使用的優(yōu)化算法，這種算法主要用于加速逼近最優(yōu)解的搜索過程，能夠提高系統(tǒng)搜索的速度和智能化程度。

3.2 人工智能在機(jī)械自動(dòng)化中的應(yīng)用案例

農(nóng)機(jī)零部件加工數(shù)控車床主要分為臥式和立式兩種類型，其中，臥式數(shù)控車床分為傾斜導(dǎo)軌和水平導(dǎo)軌兩種類型，相比于水平導(dǎo)軌，傾斜導(dǎo)軌的剛性更大，更利于切削廢屑的排除；立式數(shù)控車床的主軸與水平面相互垂直，主要用于加工一些比較大型的零部件。

3.2.1 數(shù)控車床模塊化設(shè)計(jì)及工作流程

基于人工智能的農(nóng)機(jī)零部件加工數(shù)控車床主要由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置、輸入/輸出單元、單片機(jī)CPU、主控制器、機(jī)床主軸、速度控制單元、伺服電機(jī)、位置檢測(cè)反饋、工作等模塊組成。其工作流程如圖1所示。

圖1 數(shù)控車床模塊化工作流程

在農(nóng)機(jī)零部件進(jìn)行加工時(shí)，采用上述裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的自動(dòng)化加工。首先，將待處理的零部件加工要求輸入到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置中，然后，啟動(dòng)數(shù)控編程程序，對(duì)加工要求進(jìn)行譯碼處理，接著數(shù)控系統(tǒng)開始工作，并根據(jù)加工要求控制車床道具對(duì)零部件進(jìn)行切割處理，其中，位置檢測(cè)反饋模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具位置的控制，為了提高刀具切割的自動(dòng)化程度和加工精度，利用人工智能技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控車床系統(tǒng)模塊進(jìn)行優(yōu)化不失為一條有效的途徑。

目前，實(shí)例推理是一種比較常用的人工智能技術(shù)。所謂實(shí)例推理，是指通過系統(tǒng)輸入機(jī)制和之前對(duì)問題的解決方案獲得實(shí)例庫(kù)數(shù)據(jù)，從而利用該數(shù)據(jù)來求解

新的問題。引入了實(shí)例庫(kù)的數(shù)控加工，首先由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置根據(jù)農(nóng)機(jī)零部件車削加工過程中的問題描述，在實(shí)例庫(kù)中查找能與之相匹配的實(shí)例，如果找到的實(shí)例與實(shí)際問題完全相符，則可以直接利用該實(shí)例；反之，則需要對(duì)實(shí)例進(jìn)行一定的優(yōu)化和改善，使其能夠吻合加工需求，與此同時(shí)，將此次的問題和答案作為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備下次加工時(shí)可以循環(huán)利用。相比于傳統(tǒng)的數(shù)控加工，基于實(shí)例推理的人工智能技術(shù)的車床，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)床各模塊的智能優(yōu)化，而且增加了功能、簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)、提高了農(nóng)機(jī)零部件的加工效率。

將人工智能技術(shù)引入到數(shù)控車床中，其主要目的是利用實(shí)例庫(kù)對(duì)數(shù)控車床的各個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)（如圖2）。

圖2 農(nóng)機(jī)零件數(shù)控加工車床模塊智能優(yōu)化流程

其中，在農(nóng)機(jī)零部件加工過程中，當(dāng)設(shè)計(jì)模塊符合加工需求時(shí)，選擇該模塊進(jìn)行加工；反之，可以通過自主創(chuàng)建模塊，并進(jìn)行人工智能選擇，這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床各個(gè)模塊的智能化優(yōu)化與控制。

3.2.2 基于人工智能的數(shù)控車床加工測(cè)試

為了檢驗(yàn)在數(shù)控車床系統(tǒng)中引入人工智能和實(shí)例推理的可行性，對(duì)車床的功能特征、位置特征、方位面特征、裝配幾何特征、聯(lián)系特征、拓?fù)潢P(guān)系特征等，采用模塊化和智能化的拼裝，然后對(duì)農(nóng)機(jī)零部件數(shù)控車床的加工性能進(jìn)行了測(cè)試。

以農(nóng)機(jī)軸承零部件加工為例，如圖3所示。軸承是機(jī)械設(shè)備中的一種重要零部件，其加工精度直接影響著數(shù)控車床的加工效率。通過對(duì)車床優(yōu)化前后的軸承車削加工效率進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

圖3 農(nóng)機(jī)零部件加工示意圖

表1 優(yōu)化前后加工效率對(duì)比

從表1中，可以看出利用人工智能技術(shù)優(yōu)化后的數(shù)控車床加工效率明顯高于優(yōu)化之前的，這說明人工智能技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備中的運(yùn)用，對(duì)于提高車床加工效率的影響是比較明顯的。

將優(yōu)化前后的數(shù)控車床加工精度進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 優(yōu)化前后加工精度對(duì)比

從表2可以看出，優(yōu)化后的數(shù)控機(jī)床加工精度明顯要優(yōu)于優(yōu)化之前的，這說明采用人工智能技術(shù)能夠在一定上提高數(shù)控機(jī)床加工精度。

4 結(jié)語

實(shí)踐表明，將人工智能技術(shù)引入到機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中，可以全面提高機(jī)械自動(dòng)化工程的工作精準(zhǔn)度和工作效率，在一定程度上促進(jìn)了機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。數(shù)控車床是機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成，研究表明，在數(shù)控車床的加工中利用人工智能技術(shù)對(duì)其模塊和程序進(jìn)行優(yōu)化，其加工效率和加工質(zhì)量能夠得到顯著提升，同時(shí)有效提升車床加工的自動(dòng)化水平。