機(jī)械制造設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、以及對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、云計算技術(shù)的研究與應(yīng)用，使機(jī)械制造工廠智能化技術(shù)得到了跨越式的發(fā)展，可以說這是又一次具有劃時代意義的工業(yè)技術(shù)革命。
不具有智能化的數(shù)控設(shè)備是根據(jù)程序指令控制設(shè)備的運(yùn)動軌跡來完成零件加工的，所有的運(yùn)動和軌跡都是預(yù)先把編好的程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，不管加工條件和環(huán)境變化，嚴(yán)格執(zhí)行程序命令，是一個被動執(zhí)行者。智能化數(shù)控設(shè)備就是融合了智能化技術(shù)的設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)智能化制造任務(wù)的主要執(zhí)行者。智能化數(shù)控設(shè)備能根據(jù)當(dāng)前的加工條件和環(huán)境，對制造過程的信息感知與分析、通過感知進(jìn)行自主判斷和決策，實(shí)時地優(yōu)化調(diào)整參數(shù)，從而保證加工質(zhì)量和效率。
1、智能化制造數(shù)控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)
目前，智能化制造數(shù)控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，除了機(jī)械主體以外，主要是由智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)、智能感知技術(shù)、智能自適應(yīng)技術(shù)、智能神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能云計算技術(shù)和智能專家系統(tǒng)等主要技術(shù)構(gòu)成。
(1)智能化數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控設(shè)備智能化的發(fā)展是以數(shù)控系統(tǒng)完善的軟硬件功能及高靈敏度、高精度感知檢測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以適應(yīng)智能化、信息化、數(shù)字化集成技術(shù)發(fā)展的要求。為追求數(shù)控設(shè)備加工效率和加工質(zhì)量，數(shù)控系統(tǒng)不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學(xué)習(xí)控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動參數(shù)動態(tài)補(bǔ)償?shù)戎悄芑δ�，并有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨勢完善。伺服驅(qū)動系統(tǒng)智能化，能自動感知負(fù)載變化，自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。如發(fā)那科推出的HRV控制，通過共振追隨型HRV濾波器，可以避免因頻率變動而造成設(shè)備的共振。通過融合旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)，高精度、高響應(yīng)和高分辨率脈沖編碼器，實(shí)現(xiàn)高速和高精度的伺服控制，保證極其平穩(wěn)的進(jìn)刀。
西門子基于Internet的“ePS” (電子產(chǎn)品服務(wù))軟件方案，可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問Sinumerik840Dsl/828D數(shù)控系統(tǒng)，通過其CM系統(tǒng)在線連續(xù)監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)的軸狀態(tài)、PLC狀態(tài)等，并評估機(jī)床狀況、分析機(jī)床相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷維修服務(wù)，防止早期故障引起的停機(jī)檢修，提高了可靠性和生產(chǎn)效率，降低了維護(hù)費(fèi)用。海德漢公司研制的自適應(yīng)進(jìn)給控制AFC功能，根據(jù)刀具軸性能和其他工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)給率，可在狀態(tài)窗口顯示一個動態(tài)條形圖，可以看出加工進(jìn)給率與主軸性能之間的相互關(guān)系，從而供用戶分析選擇最佳運(yùn)行參數(shù)。
國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)正在努力朝智能化方向發(fā)展，引入了一些智能化技術(shù)。比如華中的“華中8型”和凱恩帝“KNDl000TIV型”等數(shù)控系統(tǒng)都具有自診斷功能、狀態(tài)實(shí)時顯示和故障實(shí)時報警等智能化功能，并都在進(jìn)一步豐富和完善智能化技術(shù)。
(2)智能自適應(yīng)控制技術(shù)自適應(yīng)控制分為工藝自適應(yīng)和幾何自適應(yīng)。工藝自適應(yīng)又分為最佳自適應(yīng)控制系統(tǒng)(ACO)和約束式自適應(yīng)(ACC)。自適應(yīng)控制自20世紀(jì)60年代已開始研究，但用于生產(chǎn)實(shí)踐尚不普遍。目前應(yīng)用面較廣的還是結(jié)構(gòu)簡單的ACC系統(tǒng)，已用于銑、車、鉆、磨、電加工和加工中心等機(jī)床上，而ACO多用于加工因素相對簡單的磨削和電火花加工(EDM)上。影響加工的因素很多很復(fù)雜，不僅建立數(shù)學(xué)模型困難，而且要實(shí)時采集和實(shí)時調(diào)整參數(shù)也有很大難度，有待深入研究。
(3)智能化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最智能的莫過于人的大腦，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)是一種模擬人的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，即類似人的大腦神經(jīng)突觸連接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想記憶功能、非線性映射功能和高速尋找優(yōu)化解的功能等。目前，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)多用于數(shù)控設(shè)備可靠性預(yù)測和優(yōu)化工藝參數(shù)方面，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)方面的研究與應(yīng)用尚不多見。隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)控機(jī)床方面的應(yīng)用可能會有很好的前景，或許會把數(shù)控系統(tǒng)的智能化水平推向高級階段。未來幾年希望能有一個較快的發(fā)展。
(4)智能專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，其專家知識庫中含有某個領(lǐng)域大量的專家知識與經(jīng)驗，就是利用這些專家知識、經(jīng)驗和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的技術(shù)問題。它能夠應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)該專家系統(tǒng)中的知識和經(jīng)驗進(jìn)行推理和判斷，模擬專家的決策過程，來解決需要專家處理的復(fù)雜問題。目前，數(shù)控設(shè)備領(lǐng)域尚缺乏這種專家系統(tǒng)。
(5)云計算將把智能化制造推向更高級階段國外工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)國家的大型工業(yè)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和高等院校對云計算的研究和發(fā)展都極為重視，認(rèn)為這是一種具有劃時代意義的技術(shù)。如美國宇航局和通用汽車公司都在研究和應(yīng)用云計算技術(shù)；我國北京建有云計算基地，華為技術(shù)有限公司和TCL集團(tuán)也都特別關(guān)注云計算的發(fā)展、研究和應(yīng)用。
在我國機(jī)床行業(yè)也啟動了云計算的研究工作。2012年7月17日，ACL力豐集團(tuán)和中科院正式簽署了“云計算技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床制造”的合作協(xié)議。2012年8月7日“諾美雕刻機(jī)”發(fā)布“云計算技術(shù)應(yīng)用于雕刻機(jī)”的信息。
2、智能化工廠
智能化機(jī)械工廠是以“智能化”為核心，以智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為主要特征的生產(chǎn)、經(jīng)營實(shí)體。智能化工廠將逐步分層次實(shí)現(xiàn)。智能工業(yè)機(jī)器人在智能自動化制造工廠中扮演著重要角色。
(1)智能工業(yè)機(jī)器人 在智能化數(shù)控設(shè)備中，除了各種數(shù)控設(shè)備和相關(guān)數(shù)控配套設(shè)備以外，智能工業(yè)機(jī)器人在智能制造單元、智能制造系統(tǒng)和智能制造工廠中具有重要作用。
例如日本發(fā)那科開發(fā)的智能化工業(yè)機(jī)器人，安裝了三維視覺傳感器和力傳感器，用于數(shù)控設(shè)備自動上下料和產(chǎn)品組裝方面。視覺傳感器能識別三維圖像、能識別零件的位置和姿態(tài)，能抓取散放零件。發(fā)那科的智能工業(yè)機(jī)器人，在安裝了用于生產(chǎn)的視覺傳感器之外，還使用了力傳感器用于產(chǎn)品組裝作業(yè)。
最近幾年，國內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人專家都把注意力和精力投入到“視覺伺服”智能工業(yè)機(jī)器人的研究方面，成為國內(nèi)外最熱門的研究課題。工業(yè)機(jī)器人的“視覺伺服”研究，包括從視覺信號處理到機(jī)器人控制的全過程。包括機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、控制理論；包括實(shí)時圖像的識別與處理，以及三維信息的獲取、處理和重構(gòu)技術(shù)；包括實(shí)時計算技術(shù)等領(lǐng)域的融合；包括機(jī)器人本體標(biāo)定和攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)等。
“視覺伺服”智能工業(yè)機(jī)器人，技術(shù)難點(diǎn)較多，較復(fù)雜，但是目前在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域已有較成熟的高速度、高靈敏度、高精度伺服控制技術(shù)和機(jī)器人方面的視覺傳感技術(shù)作為基礎(chǔ)和借鑒，相信是能夠攻克“視覺伺服”工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的。
(2)智能化自動化工廠 在各種智能化自動化數(shù)控設(shè)備的基礎(chǔ)上，智能化工廠將由工廠局部智能自動化、逐步分層次地發(fā)展到全工廠智能自動化和社會化智能制造。
第一層次：單機(jī)或單元智能自動化。
單機(jī)或單元智能自動化，可以實(shí)現(xiàn)長時間無人值守。國內(nèi)外都有用于生產(chǎn)的實(shí)例。比如日本發(fā)那科在20世紀(jì)80年代第一代智能數(shù)控加工中心上，加幾個用于人工上下料托盤，可以實(shí)現(xiàn)24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。20世紀(jì)90年代的第二代智能加工系統(tǒng)，以4～6臺加工中心和裝有帶加工夾具的立體托盤架，能擺放待加工的大量毛坯件，可實(shí)現(xiàn)60h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。20世紀(jì)末和21世紀(jì)初的第三代智能加工系統(tǒng)，稱作“智能機(jī)器人化加工單元”，該單元就是用智能化機(jī)器人為智能加工數(shù)控設(shè)備的夾具自動裝卸工件。與第二代加工系統(tǒng)相比，由機(jī)器人代替了人工上下工件，解放了工人的繁重勞力，減少了夾具，減少了設(shè)備投資，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定，降低了生產(chǎn)成本。
第二個層次：生產(chǎn)制造系統(tǒng)智能自動化。
在第三代“智能機(jī)器人化單元”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制生產(chǎn)車間全自動化系統(tǒng)。包括毛坯倉儲管理，再制品倉儲管理，成品零件倉儲管理及其搬運(yùn)、裝卸、裝配作業(yè)和質(zhì)量檢驗等。
第三個層次：智能化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)。
在第二層次生產(chǎn)制造系統(tǒng)智能自動化的基礎(chǔ)上，配置網(wǎng)絡(luò)綜合管理系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)全工廠的智能化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)制造。智能化工廠的實(shí)現(xiàn)主要是靠信息通信技術(shù)(ICT)和智能網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行加以保證。具有實(shí)時資料搜集與傳輸功能、高效能計算機(jī)與分析預(yù)測功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷功能及模擬功能等。
智能化工廠最核心的部分是生產(chǎn)過程和全面經(jīng)營運(yùn)行的智能自動化，包括設(shè)計智能化，生產(chǎn)排序自動化，生產(chǎn)線自動化，測試檢驗自動化，倉儲自動化，電力管理智能自動化等等，進(jìn)一步發(fā)展到自動化無人化工廠(絕大多數(shù)設(shè)備可以無人值守)。
除生產(chǎn)過程智能自動化外，還包括人力資源優(yōu)化調(diào)度，物資資源(設(shè)備，工具，材料等)智能優(yōu)化調(diào)配，并具有強(qiáng)化專案時程能力，時間彈性應(yīng)用支配能力，完善調(diào)整生產(chǎn)周期，優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營方案，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和降低成本的目標(biāo)。
目前，這種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能工廠基本形態(tài)在技術(shù)先進(jìn)國家有實(shí)力的技術(shù)先進(jìn)企業(yè)已率先實(shí)現(xiàn)。但是用于工業(yè)智能網(wǎng)絡(luò)不同于一般ICT通信網(wǎng)絡(luò)，有不少難點(diǎn)需要克服。工業(yè)智能化網(wǎng)絡(luò)必須具有防水、防塵、防磁、防爆以及抗高低溫和抗腐蝕的能力。在可靠性、耐用性方面都比一般通信網(wǎng)絡(luò)要求高得多。
例如：Tata汽車有限公司在印度Gujarat投資4億1700萬美元建造一座先進(jìn)的具有智能化特征的工廠，每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用“智能化”制造技術(shù)，對于來自經(jīng)銷商的訂單，可以及時對客戶的偏好加以調(diào)整，滿足個性化需求。采用“智能化”制造技術(shù)，可以追蹤每種零件的來源，可以快速確認(rèn)及解決任何可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷和安全問題。
此外，智能網(wǎng)絡(luò)還可以與智能電網(wǎng)相連，以便在能源最為充沛或最便宜時段大量投入設(shè)備運(yùn)行以降低成本。
智能化制造工廠，應(yīng)該具有掌握整體市場的需求與變化能力，適時調(diào)整生產(chǎn)經(jīng)營的彈性靈活運(yùn)行，協(xié)調(diào)生產(chǎn)線，推出最適合市場需求的產(chǎn)品。發(fā)展智能化制造工廠，絕對勢在必行。這取決于三大關(guān)鍵要素：人性化操作接口，高功能高速度計算機(jī)運(yùn)算平臺連接及跨網(wǎng)絡(luò)的云端運(yùn)算與信息集成分析與統(tǒng)計。
第四個層次：智能化社會化生產(chǎn)。
智能化網(wǎng)絡(luò)化社會化制造，將由企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)經(jīng)因特網(wǎng)向企業(yè)外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網(wǎng)絡(luò)可使企業(yè)與企業(yè)之間進(jìn)行跨地區(qū)協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、信息共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷和服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)能為制造提供完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，可以通過網(wǎng)絡(luò)將加工程序傳給遠(yuǎn)方的設(shè)備進(jìn)行加工，也可遠(yuǎn)程診斷并發(fā)出指令調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)使各地分散的數(shù)控機(jī)床聯(lián)系在一起，互相協(xié)調(diào)，統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)整，使產(chǎn)品加工不局限于一個工廠內(nèi)而實(shí)現(xiàn)社會化生產(chǎn)。智能化社會化制造能夠借助Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨國際智能化制造，進(jìn)入Internet/Intranet時代。云計算借助Internet網(wǎng)整合了計算機(jī)資源，為智能化制造開了先河。智能化網(wǎng)絡(luò)化社會化制造將引領(lǐng)社會和全球資源的整合與優(yōu)化運(yùn)用，同時將有效地提高人類的生活質(zhì)量，逐步地減少人類的體力勞動而擴(kuò)大腦力勞動的比重，進(jìn)入知識社會，智能社會。
3、結(jié)語
專家認(rèn)為，數(shù)控機(jī)床智能化技術(shù)應(yīng)朝著以下三個方面發(fā)展。首先從單因子的約束型的智能控制向綜合因素優(yōu)化的智能控制發(fā)展；其次由管理信息和技術(shù)信息離線的智能化向過程在線實(shí)時智能控制發(fā)展；然后由程序設(shè)定型智能控制向自主聯(lián)想型智能控制發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控設(shè)備的智能化正在快速發(fā)展，智能化水平將不斷提高，會變得越來越“智慧”和擬人化。這有大量的研究工作要做，它與思考機(jī)理有關(guān)，是一個逐步發(fā)展進(jìn)化的問題。
近代出現(xiàn)的智能化航天器、無人駕駛飛機(jī)、無人駕駛汽車、無人職守的制造設(shè)備、智能無尾電器及智能手機(jī)等等，都是高度智能化自動化設(shè)備，標(biāo)志著已開始進(jìn)入智能化自動化蓬勃發(fā)展的時代。
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