機(jī)床，作為目前工業(yè)設(shè)備加工制造最重要的設(shè)備之一，正在不斷向智能化邁進(jìn)。
中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事長(zhǎng)宋天虎日前表示，在未來(lái)的20年，中國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)，應(yīng)牢牢抓住發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，本著“創(chuàng)新優(yōu)先、重點(diǎn)突破、技術(shù)融合、夯實(shí)基礎(chǔ)、多元投入”的原則，面向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造提升的需求和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，融合集成先進(jìn)制造、信息和智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的綠色化、數(shù)字化和智能化。
為了進(jìn)一步推進(jìn)高端裝備智能化步伐，國(guó)家出臺(tái)了《“十二五”高端裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》）將智能裝備發(fā)展轉(zhuǎn)型、衛(wèi)星及應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)目前已經(jīng)開(kāi)始落實(shí)，這表明高端裝備制造業(yè)的發(fā)展規(guī)劃已進(jìn)入實(shí)質(zhì)操作層面。
數(shù)據(jù)顯示，目前智能裝備的產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為3000億元，市場(chǎng)多被國(guó)外廠商壟斷，國(guó)內(nèi)廠商市占率低，智能儀器儀表與控制系統(tǒng)為10%，工業(yè)機(jī)器人與專用裝備為20%，中檔數(shù)控機(jī)床為20%，高檔數(shù)控機(jī)床為1%。而《規(guī)劃》制定的目標(biāo)是，到2015年，銷售收入達(dá)到1萬(wàn)億元，國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)所需高端智能裝備及基礎(chǔ)制造裝備國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到50%；2020年銷售收入達(dá)到2萬(wàn)億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到70%。
智能制造要素
近20年來(lái)，微電子、通信、計(jì)算機(jī)、人工智能、控制和圖像處理等多學(xué)科的突飛猛進(jìn)，為智能機(jī)器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
宋天虎指出，盡管智能機(jī)器的種類千差萬(wàn)別、任務(wù)多種多樣，但從其科學(xué)技術(shù)的本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，主要包含三個(gè)基本要素，即感知、決策和執(zhí)行。
感知功能主要表現(xiàn)在智能機(jī)器的信息輸入，就像人的五官負(fù)責(zé)采集工作環(huán)境的數(shù)據(jù)一樣。感知技術(shù)主要是傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，前者負(fù)責(zé)將實(shí)際工況的物理特性轉(zhuǎn)換為智能機(jī)器可理解的數(shù)字量，而后者則負(fù)責(zé)將數(shù)字量快速、無(wú)誤地傳遞到智能機(jī)器的決策層。
決策功能是智能機(jī)器能做到智能性的表現(xiàn)，就像人的大腦對(duì)感知到的信息作出判斷并為下一步的動(dòng)作發(fā)出指令。決策技術(shù)主要是人工智能技術(shù)及智能控制技術(shù)，它要求智能機(jī)器能夠?qū)崟r(shí)地、閉環(huán)地處理各類工況，而不僅僅是完全按照預(yù)定程序進(jìn)行開(kāi)環(huán)執(zhí)行。
執(zhí)行功能就是決策系統(tǒng)的命令必須得到執(zhí)行，而執(zhí)行需要由一系列動(dòng)作來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，就像人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在大腦的命令下產(chǎn)生實(shí)際動(dòng)作一樣。實(shí)現(xiàn)動(dòng)作功能的主要技術(shù)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)，包括所謂的手臂和手爪、移動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)也涵蓋了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器，如電機(jī)控制器、壓力控制器等。
智能制造技術(shù)特征
追根溯源，智能制造的技術(shù)特征主要有以下四點(diǎn)：
首先，智能性是智能制造的核心。智能性表現(xiàn)為對(duì)工作環(huán)境的自動(dòng)識(shí)別與判斷，其工作指令根據(jù)反饋信息自動(dòng)生成。智能性也是智能制造技術(shù)上的難點(diǎn)，盡管目前人工智能技術(shù)已經(jīng)獲得了較大的突破，但相對(duì)于人的智能而言，智能制造技術(shù)的聰明度還很低，尚有較大差距。
其次，綜合性是智能制造技術(shù)的集成技術(shù)，有典型的交叉學(xué)科性。然而，任何一個(gè)單一技術(shù)的突破，也都可為智能制造技術(shù)帶來(lái)革命性的轉(zhuǎn)變。
再次，智能制造技術(shù)要求對(duì)現(xiàn)實(shí)工況作出快速反應(yīng)。人能夠快速地對(duì)各種不可預(yù)知的突發(fā)情況做出實(shí)時(shí)的響應(yīng)，這就要求智能制造技術(shù)也必須有此能力才能保證工作任務(wù)的完成。目前，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有不小差距。
最后是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的交互性。智能制造技術(shù)必須能夠理解人的意圖和思想，必須實(shí)現(xiàn)與人和社會(huì)的交流。例如語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)，就是幫助智能制造時(shí)能“聽(tīng)”懂人類的語(yǔ)言，并將自己的回應(yīng)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音“說(shuō)”給人們聽(tīng)。人機(jī)交互技術(shù)的本質(zhì)就是讓智能制造技術(shù)具有與人交流的能力，并且這一交流過(guò)程越自然越好。
六趨勢(shì)促機(jī)床智能化轉(zhuǎn)型
高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備“科技重大專項(xiàng)實(shí)施管理辦公室”，通過(guò)深刻研究，系統(tǒng)地提出了機(jī)床智能化的六個(gè)技術(shù)動(dòng)向：
一是監(jiān)測(cè)機(jī)床工作狀態(tài)的智能化。
在機(jī)床工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)中，主軸的智能化進(jìn)展最為明顯，通過(guò)裝有溫度傳感器和載荷位移傳感器的傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸的高度智能化。
這里主要是通過(guò)MEMS溫度傳感器監(jiān)控軸承潤(rùn)滑狀況、防止軸承燒結(jié)和進(jìn)行主軸熱位移修正；通過(guò)載荷位移傳感器檢測(cè)加工中的異常載荷，監(jiān)控軸承載荷并推斷其壽命，避免軸承損傷。因主軸接近工件加工位置，因而它更適合用于準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)機(jī)床加工狀態(tài)。但在主軸有限空間內(nèi)安裝傳感系統(tǒng)并非簡(jiǎn)單，仍有很多課題。如通過(guò)在結(jié)構(gòu)材料中安裝FBG傳感器（應(yīng)變傳感器）來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的熱位移，以此判斷和修正機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱位移模式，進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)溫度分布控制，使熱變形最小化。
另外，還有運(yùn)用機(jī)床結(jié)構(gòu)中若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度和主軸的運(yùn)行信息，通過(guò)CNC指令對(duì)刀具和工件間的相對(duì)熱變形進(jìn)行修正。
二是監(jiān)測(cè)維修狀態(tài)的智能化。為減輕維修作業(yè)的負(fù)荷，需要有在發(fā)生大的故障之前采取對(duì)策的系統(tǒng)，因此對(duì)維修狀況進(jìn)行經(jīng)常性監(jiān)測(cè)是非常重要的。積累機(jī)床工作狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)并基于此預(yù)測(cè)壽命，以及在工作狀態(tài)下檢測(cè)壽命，可以說(shuō)是今后的課題。
三是確保安全性的智能化。為確保安全性的最新智能化技術(shù)，可以說(shuō)是避免發(fā)生碰撞的技術(shù)。通過(guò)程序，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以及在準(zhǔn)備工作時(shí)就可進(jìn)行干涉檢查。
另外，還有檢測(cè)刀具的離心力破壞和臨界安全速度等技術(shù)，有的會(huì)因安全性而犧牲操作性，這些也可能通過(guò)智能化得到解決。
四是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的智能化。切屑排出的狀態(tài)，因加工條件、加工材料和加工對(duì)象不同而會(huì)時(shí)刻發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)切屑量的變化、控制切屑處理裝置的動(dòng)作，可達(dá)到很好的節(jié)能效果。
這種方法也適用于冷卻潤(rùn)滑液供應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻潤(rùn)滑液使其符合加工條件，也會(huì)達(dá)到較好的節(jié)能效果。
五是工藝條件決策的智能化。檢測(cè)加工中的振動(dòng)、發(fā)出回避這種振動(dòng)的指令，形成自動(dòng)回避振動(dòng)的系統(tǒng)。在主軸回轉(zhuǎn)速度較慢的車削加工中，可隨時(shí)計(jì)算出主軸回轉(zhuǎn)速度的變動(dòng)振幅和變動(dòng)周期，防止再生震動(dòng)的發(fā)生。在銑削加工中，通過(guò)利用主軸回轉(zhuǎn)速度與振動(dòng)的周期性關(guān)系，可以保持主軸在特定沒(méi)有振動(dòng)的區(qū)域內(nèi)工作。
作為工藝條件的選擇，并非單純自動(dòng)地決定加工條件，在判斷用戶所選定的加工條件是否合理，為實(shí)現(xiàn)必要的加工精度制定合理的工藝條件等可進(jìn)一步提升智能化程度方面，目前尚在研究開(kāi)發(fā)中。
六是準(zhǔn)備作業(yè)的智能化。在準(zhǔn)備作業(yè)的智能化方面，進(jìn)展尚不明顯。在加工鑄造零部件、鍛造零部件等異形材料時(shí)，因其質(zhì)量不平衡以及位置變化，使得在高速回轉(zhuǎn)中加工較困難。因此需要在進(jìn)行平衡的同時(shí)進(jìn)行加工，自動(dòng)平衡裝置擬可解決這一問(wèn)題。除此之外，尚無(wú)相關(guān)事例。至于其他準(zhǔn)備作業(yè)的智能化系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中。
“從體力到腦力的逐步解放，從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)認(rèn)知的不斷飛躍以及人與自然的和諧共存等等，已經(jīng)并繼續(xù)深刻地改變著人類社會(huì)的生產(chǎn)形態(tài)。”宋天虎說(shuō)。
政策扶持高端裝備智能化
目前，世界機(jī)床的技術(shù)水平，是以生產(chǎn)促進(jìn)數(shù)控機(jī)床單機(jī)為主流，今后20年內(nèi)的發(fā)展，也將如此。在進(jìn)一步提高精度、效率、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，逐步向加工單元和尖端柔性制造系統(tǒng)過(guò)渡，人類的智慧與創(chuàng)造力必將又一次推動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)以更高的密度集成。
然而，工程機(jī)械、機(jī)電產(chǎn)品、數(shù)控機(jī)床、港口設(shè)備、船舶制造等諸多行業(yè)，盡管中國(guó)制造的產(chǎn)銷量均躍居世界前列，多組數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)裝備制造的經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)連續(xù)4年全球排名第一。但是，遍布世界各地的“中國(guó)制造”，長(zhǎng)期被認(rèn)為是品質(zhì)低下、價(jià)格低廉、勞動(dòng)密集、科技含量不高的代名詞。
作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，高端裝備制造業(yè)“十二五”的發(fā)展思路是從五大方向重點(diǎn)突破，分別是航空裝備、衛(wèi)星及應(yīng)用、軌道交通裝備、海洋工程裝備和智能制造裝備。該《規(guī)劃》提出的目標(biāo)是，到2015年高端裝備的銷售產(chǎn)值占裝備制造業(yè)的比例將達(dá)20%以上，預(yù)計(jì)年銷售產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到6萬(wàn)億元。
首批用于補(bǔ)貼智能裝備制造的資金已經(jīng)下達(dá)。第一批落實(shí)補(bǔ)貼資金的智能制造裝備有19個(gè)項(xiàng)目，國(guó)家補(bǔ)貼資金9.5億元，現(xiàn)已正式啟動(dòng)。尤其為支持智能制造裝備企業(yè)拓展市場(chǎng)，國(guó)家將劃撥首臺(tái)套補(bǔ)貼資金，補(bǔ)貼資金高達(dá)產(chǎn)品銷售價(jià)格的25%～50%。
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，《規(guī)劃》預(yù)計(jì)到2015年，高端裝備制造業(yè)年銷售產(chǎn)值將在6萬(wàn)億元以上。如今，隨著未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)都將是高度自動(dòng)化甚至是智能化的生產(chǎn)模式，我國(guó)將繼續(xù)推進(jìn)智能裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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