工程機械制造階段智能技術(shù)研究

鄭曉濤

摘 要：工程機械種類多、應(yīng)用范圍大、分布數(shù)量多，在國防、交通、建筑、水利、電力等工程領(lǐng)域，均發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。概述工程機械高質(zhì)量制造的內(nèi)涵與意義，剖析了新時期應(yīng)用智能技術(shù)的多重作用，并在此基礎(chǔ)上，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工控制、故障診斷、生產(chǎn)仿真四個方面，對智能技術(shù)的應(yīng)用進行了具體討論。

關(guān)鍵詞：工程機械；高質(zhì)量制造；智能技術(shù)

中圖分類號：TH181? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）04-0046-03

0 引言

在新一輪工業(yè)化改革浪潮推動下，工業(yè)機械制造類企業(yè)建立了基于產(chǎn)品生產(chǎn)制造的產(chǎn)業(yè)鏈條，深化了產(chǎn)品設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)加工、訂單處理、市場營銷、售后服務(wù)諸環(huán)節(jié)的分工程度。在技術(shù)賦能路徑下擴大了對智能技術(shù)的配置比例，希望通過此類方式推動工程機械從傳統(tǒng)制造階段向智能制造階段的轉(zhuǎn)型，逐漸實現(xiàn)智能工廠建設(shè)目標等。

1 工程機械高質(zhì)量制造概述

1.1 內(nèi)涵

進入新時代后，內(nèi)涵式、集約化、高質(zhì)量經(jīng)濟增長模式，取代了傳統(tǒng)時期的粗放型經(jīng)濟增長模式，為工程機械高質(zhì)量制造提供了明確方向。高質(zhì)量制造要求遵循工程機械中應(yīng)用的科學(xué)原理，在客觀規(guī)律約束下通過技術(shù)創(chuàng)新提升其性能。需要以提質(zhì)增效為目標，將生產(chǎn)效率與制造質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來，輔助企業(yè)將經(jīng)濟效益延伸到社會效益、生態(tài)效益等方面。高質(zhì)量制造兼具了理論與技術(shù)雙重屬性，在理論層面將產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、企業(yè)結(jié)合起來，通過宏觀引導(dǎo)選擇適配性技術(shù)開展工程機械高質(zhì)量制造實踐等。

1.2 意義

工程機械高質(zhì)量制造具有十分明確的現(xiàn)實意義，集中表現(xiàn)在宏觀與微觀兩大層面：①宏觀層面，工程機械制造類企業(yè)可以結(jié)合統(tǒng)一大市場條件下的供應(yīng)鏈競爭、擴大研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)的知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新，一方面在同行業(yè)中積極爭奪行業(yè)質(zhì)量體系管理標準制定權(quán)，另一方面擴大自身在價值鏈的可營利空間。②微觀層面，工程機械制造類企業(yè)經(jīng)過近年來的改革，增強了電氣自動化技術(shù)與集成化技術(shù)資源的整合及應(yīng)用。在新時期憑借高質(zhì)量制造，將進一步擴大對先進數(shù)字技術(shù)要素的配置，使自身從傳統(tǒng)制造階段升級到智能制造階段，完成智能工廠的建設(shè)等。

2 智能技術(shù)在工程機械高質(zhì)量制造階段的作用

近年來，在工程機械制造過程中，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素配置為主。進入“十四五”建設(shè)階段后，要求在技術(shù)賦能路徑下持續(xù)推進“數(shù)字孿生制造”。現(xiàn)階段企業(yè)中配置的智能技術(shù)包括BIM、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)防火墻、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)等。從實踐經(jīng)驗看，在工程機械高質(zhì)量制造階段，既可以根據(jù)不同的制造環(huán)節(jié)選擇適配的智能技術(shù)，也能夠通過搭建系統(tǒng)性控制平臺的方式，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)制造全過程的智能管控等。對于工程機械高質(zhì)量制造實踐主體而言，應(yīng)用智能技術(shù)后可以提高制造效率、增強產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)出綜合效益[1]。

2.1 提高制造效率

工程機械制造過程中，如果采用傳統(tǒng)的機械加工方式，一般需要按24 h、3班制輪崗位方式進行作業(yè)，人力、物力、財力的投入相對較大，而且制造效率低下。與之相比，應(yīng)用智能技術(shù)后，可以根據(jù)工程機械設(shè)備、加工流程等，選擇智能機械臂代替部分崗位，一方面減少人力資源配置，另一方面能夠大幅度提升制造效率。

2.2 增強產(chǎn)品質(zhì)量

現(xiàn)代工程機械精密化程度越來越高，傳統(tǒng)的人機結(jié)合方案，雖然能夠整合人機雙重資源，但在實際的零件、部件及整個產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，人會因知識結(jié)構(gòu)、專業(yè)技能、實施經(jīng)驗的不同，而對同一件產(chǎn)品做出不同的評價，客觀的產(chǎn)品質(zhì)量容易受到主觀因素影響。應(yīng)用智能技術(shù)后，可以根據(jù)產(chǎn)品及其構(gòu)成要素匹配的技術(shù)質(zhì)量指標，借助人工智能等技術(shù)對產(chǎn)品中的各項指標進行精準、細致的檢驗，并通過監(jiān)測、預(yù)警、識別、檢出等，降低次品率，增強產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

2.3 產(chǎn)出綜合效益

工程機械高質(zhì)量制造階段對智能技術(shù)的應(yīng)用是其發(fā)展的必然趨勢。大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)字孿生等技術(shù)，一方面可以將原來的信息化管理升級到數(shù)據(jù)化管理，通過在生產(chǎn)制造中開展數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、提取、分析、生成報告、應(yīng)用報告等，更為精準地掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過將其與業(yè)務(wù)、財務(wù)等數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析，輔助企業(yè)提高經(jīng)濟效益[3]。另一方面工業(yè)機械制造過程中會產(chǎn)生一定的污染，如企業(yè)針對揮發(fā)性有機物排放對大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境、職業(yè)環(huán)境的污染，借助數(shù)據(jù)分析與處理，可以對相關(guān)工藝與流程做出一些優(yōu)化與調(diào)整，從而輔助企業(yè)提高環(huán)境管理效果。

3 智能技術(shù)在工程機械高質(zhì)量制造階段的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)機械高質(zhì)量制造過程中，明確了技術(shù)賦能路徑，重點集中在對智能技術(shù)要素的優(yōu)化配置方面。從近年來對智能技術(shù)的自主學(xué)習(xí)、同行交流及工作經(jīng)驗看，在應(yīng)用實踐中，智能技術(shù)幾乎貫穿到了設(shè)計、采購、生產(chǎn)、訂單、營銷、售后各個階段。同時，隨著對智能技術(shù)的推廣應(yīng)用，部分工程機械制造企業(yè)還創(chuàng)建了以需求為導(dǎo)向的“訂單+采購+制造+售后”新型產(chǎn)業(yè)鏈條，走上了定制化生產(chǎn)之路。這不僅有利于此類企業(yè)在統(tǒng)一大市場下更好的參與同行業(yè)競爭，還有利于輔助企業(yè)產(chǎn)出綜合效益等。從設(shè)計制造一體化實踐的實際情況出發(fā)，可分別對智能技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工控制、故障診斷三大方面的應(yīng)用展開具體分析。

3.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

現(xiàn)代工程機械制造中，主要按照設(shè)計制造一體化實踐模式進行實施，因而此類制造類企業(yè)強調(diào)了機械設(shè)計環(huán)節(jié)的引領(lǐng)性作用，并且將重點集中到了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上。從設(shè)計內(nèi)容方面看，構(gòu)件主要構(gòu)成要素包括材料、形狀、公差、熱處理方式、表面狀況、加工工藝、性能等。選擇智能技術(shù)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員可以根據(jù)實際情況選擇數(shù)值模擬技術(shù)、BIM技術(shù)等實現(xiàn)對優(yōu)化、深化設(shè)計目標。優(yōu)化模型如圖1所示。

在設(shè)計實踐中，設(shè)計人員可以根據(jù)確立優(yōu)化模型、分析受力情況、建模三維模型、進行仿真分析、制造應(yīng)用的基本思路，在不同環(huán)節(jié)選擇適配性技術(shù)，完成從設(shè)計到應(yīng)用仿真等。在確立優(yōu)化模型時，建議按照工業(yè)設(shè)計思想，明確以設(shè)計、仿真、優(yōu)化、制造一體化為核心的優(yōu)化模型流程，選擇配套的軟件完成相關(guān)設(shè)計工作。

從實踐經(jīng)驗看，該環(huán)節(jié)的重點集中在設(shè)計要素清單制作與設(shè)計指標設(shè)置及模型優(yōu)化上。同時，需要根據(jù)工程機械之間的關(guān)聯(lián)性，對各構(gòu)件及鉸接位置的受力情況做出細致分析，確保臂、軸、桿等部件功能的有效性。建模三維模型時，可以按照二維到三維圖形的轉(zhuǎn)化，借助指標參數(shù)與幾何形態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，深入到工程機械的各個層面，并借助ANSYS軟件對其進行仿真及應(yīng)用。

3.2 在加工控制中的應(yīng)用

現(xiàn)代工程機械加工過程中，受到分工程度深化，既增加了加工環(huán)節(jié)的專業(yè)性，也要求各加工環(huán)節(jié)之間建立密切關(guān)聯(lián)，保障“大平臺+小系統(tǒng)”條件下加工的有序開展。

工程機械加工時以數(shù)控機床為主，現(xiàn)階段使用的數(shù)控控車機主要由操作平臺與若干系統(tǒng)（如冷卻、數(shù)控、潤滑、機械系統(tǒng)）構(gòu)成[4]。這個環(huán)節(jié)就可以借助對智能技術(shù)的應(yīng)用搭建數(shù)控機床智能設(shè)計平臺系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過對各系統(tǒng)模塊的功能控制，完成對數(shù)控機床各個結(jié)構(gòu)的組建，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、自動切削等。

以某數(shù)控車床為例，其主要由6大部分構(gòu)成：①床身，包括平床身與斜床身。②刀架，分為普通刀架和囚刀頭刀架。③滑臺，分為滑動滑臺與滾動滑臺，前者又分為驅(qū)動方式和導(dǎo)軌方式，驅(qū)動時按照閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán)步進電動驅(qū)動均可，導(dǎo)軌則分為普通與鑲金屬滑動導(dǎo)軌兩類。④尾座，設(shè)置有自動、手動控制方式。⑤電動驅(qū)動系統(tǒng)，分為帶傳動與直接驅(qū)動，帶傳動過程中要求通過三角帶或多楔帶進行傳動，配套的電動功率可以選擇3 kW或7.5 kW。⑥冷卻系統(tǒng)，冷卻速度分別為12 L/min、50 L/min。

明確該數(shù)控車床結(jié)構(gòu)后，車床管理人員可以根據(jù)智能控制需求搭建平臺，并設(shè)置各功能模塊，確保加工控制效果。按照數(shù)據(jù)庫支撐層→后臺程序?qū)印鷧?shù)輸入層→用戶層作為平臺架構(gòu)（如圖2所示），在第一層按照可選設(shè)計方案實例庫、零部件屬性實例庫、結(jié)果實例庫，為整個加工控制提供數(shù)據(jù)支撐。

在第二層借助數(shù)控車方床方案中的模塊化設(shè)計思想，設(shè)計遺傳算法方案生成模塊、實例推理零部件檢索模塊、參數(shù)化設(shè)計模塊，通過后臺程序控制，確保數(shù)控車床能夠根據(jù)設(shè)置好流程進行加工生產(chǎn)。

在第三層主要以數(shù)控車床方案智能設(shè)計系統(tǒng)界面為準，操作人員只需要結(jié)合客戶需求在系統(tǒng)中輸入相關(guān)加工參數(shù)，即可以保障數(shù)控車床按照預(yù)定的程序完成加工，從而實現(xiàn)對加工全過程的智能化控制。

3.3 在故障診斷中的應(yīng)用

工程機械制造過程中，無論是整體上的設(shè)備，還是局部的零部件生產(chǎn)，既可能出現(xiàn)生產(chǎn)方面的故障，也不排除產(chǎn)品下線后使用中發(fā)生故障的現(xiàn)象。設(shè)計制造一體化實踐模式，在前期生產(chǎn)制造階段做好設(shè)備故障診斷與設(shè)備故障清除，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，并可減少后續(xù)使用中的故障發(fā)生率[5]。

以零部件的生產(chǎn)為例，生產(chǎn)制造過程中可以選擇大數(shù)據(jù)技術(shù)，創(chuàng)建智能型故障診斷系統(tǒng)，一方面增強對生產(chǎn)過程的故障監(jiān)測，另一方面對各類加工件質(zhì)量的檢驗。例如，在近年來的實踐過程中，部分工程機械制造類企業(yè)應(yīng)用SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，搭建了“故障范例庫”。當數(shù)控車床進入加工過程后，上面安裝的傳感器可以實時的將車床信息與對加工件實時監(jiān)測捕獲的信息，同時將其存儲到信息管理系統(tǒng)。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)后，可以借助其中的專家系統(tǒng)，對兩類數(shù)據(jù)快速做出對比分析，并生成分析報告。

一旦發(fā)現(xiàn)采集到數(shù)據(jù)與故障范例庫中某個故障發(fā)生時的數(shù)據(jù)接近、相似、關(guān)聯(lián)，那么就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的紅、橙、黃、藍等故障等級，及時預(yù)警預(yù)報。如果屬于小問題則由系統(tǒng)下達指令進行重啟或關(guān)停。如果問題比較嚴重，則需要在系統(tǒng)自動停機后通過人工方式對其加以處理。除此之外，大數(shù)據(jù)應(yīng)用后此類企業(yè)可以在生產(chǎn)、運營、維保各環(huán)節(jié)，借助精準化管理為價值鏈賦能，提高企業(yè)的全要素生產(chǎn)率。

3.4 在虛擬仿真中的應(yīng)用

工程機械高質(zhì)量制造內(nèi)涵豐富，為了通過智能技術(shù)實現(xiàn)其定位中的目標，需要按照數(shù)字孿生的方向，增強虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用。從實踐經(jīng)驗看，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以產(chǎn)生較好的效果。具體而言，此類企業(yè)可以按照“物理空間”與“數(shù)字孿生空間”之間的映射關(guān)系，先將CAD平面圖導(dǎo)入三維建模軟件，生成三維模型后可以按照“四大映射”，對工廠車間實物進行虛擬投射并生成數(shù)字孿生車間。具體映射應(yīng)包括設(shè)備實體、關(guān)鍵動作、變化過程、環(huán)境要素等?？梢园凑丈a(chǎn)前的設(shè)計仿真、生產(chǎn)中的工藝仿真、生產(chǎn)后的回溯仿真，建立一個包括了工程機械高質(zhì)量制造諸環(huán)節(jié)仿真系統(tǒng)，從而在生產(chǎn)之前提前預(yù)測潛在風(fēng)險，并制定相應(yīng)的舉措等。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代工程生產(chǎn)建設(shè)過程中，對于工程機械的需求量相對較大，在新時期高質(zhì)量制造階段，增強智能技術(shù)在工程機械制造中的應(yīng)用，既可以提高制造效率，也能夠增強產(chǎn)品質(zhì)量，輔助企業(yè)產(chǎn)出綜合效益。結(jié)合上述分析可以看出，智能技術(shù)在工業(yè)機械制造諸階段，均可以進行有效應(yīng)用。因此，建議工業(yè)機械制造類企業(yè)，盡可能在當前階段按照“具體需求，具體分析，針對性應(yīng)用”的思路，選擇一些適配性較高的智能技術(shù)，將其應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工控制、故障診斷、生產(chǎn)仿真等各方面。

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