智能制造引領 我國機床業走上強盛之路
http://www.moduwu.com 2014-01-13 16:07 來源：中國工業報
機床，作為目前工業設備加工制造上最重要的設備之一，正在不斷向智能化邁進。
中國機械工程學會監事長宋天虎日前表示，在未來的20年，中國智能制造裝備產業，應牢牢抓住發展的戰略機遇期，本著“創新優先、重點突破、技術融合、夯實基礎、多元投入”的原則，面向傳統產業改造提升的需求和戰略性新興產業發展的需求，融合集成先進制造、信息和智能等技術，實現制造業的綠色化、數字化和智能化。
為了進一步推進高端裝備智能化步伐，國家出臺了《“十二五”高端裝備制造業產業發展規劃》（以下簡稱《規劃》）將智能裝備發展轉型、衛星及應用發展專項目前已經開始落實，這表明高端裝備制造業的發展規劃已進入實質操作層面。
數據顯示，目前智能裝備的產業規模約為3000億元，市場多被國外廠商壟斷，國內廠商市占率低，智能儀器儀表與控制系統為10%，工業機器人與專用裝備為20%，中檔數控機床為20%，高檔數控機床為1%。而《規劃》制定的目標是，到2015年，銷售收入達到1萬億元，國民經濟重點產業所需高端智能裝備及基礎制造裝備國內市場占有率達到50%；2020年銷售收入達到2萬億元，國內市場占有率達到70%。
智能制造要素
近20年來，微電子、通信、計算機、人工智能、控制和圖像處理等多學科的突飛猛進，為智能機器的發展奠定了基礎。
宋天虎指出，盡管智能機器的種類千差萬別、任務多種多樣，但從其科學技術的本質上來說，主要包含三個基本要素，即感知、決策和執行。
感知功能主要表現在智能機器的信息輸入，就像人的五官負責采集工作環境的數據一樣。感知技術主要是傳感器技術和通信技術，前者負責將實際工況的物理特性轉換為智能機器可理解的數字量，而后者則負責將數字量快速、無誤地傳遞到智能機器的決策層。
決策功能是智能機器能做到智能性的表現，就像人的大腦對感知到的信息作出判斷并為下一步的動作發出指令。決策技術主要是人工智能技術及智能控制技術，它要求智能機器能夠實時地、閉環地處理各類工況，而不僅僅是完全按照預定程序進行開環執行。
執行功能就是決策系統的命令必須得到執行，而執行需要由一系列動作來得以實現，就像人的運動系統在大腦的命令下產生實際動作一樣。實現動作功能的主要技術為執行機構技術，包括所謂的手臂和手爪、移動平臺、驅動器，同時也涵蓋了執行機構的控制器，如電機控制器、壓力控制器等。
智能制造技術特征
追根溯源，智能制造的技術特征主要有以下四點：
首先，智能性是智能制造的核心。智能性表現為對工作環境的自動識別與判斷，其工作指令根據反饋信息自動生成。智能性也是智能制造技術上的難點，盡管目前人工智能技術已經獲得了較大的突破，但相對于人的智能而言，智能制造技術的聰明度還很低，尚有較大差距。
其次，綜合性是智能制造技術的集成技術，有典型的交叉學科性。然而，任何一個單一技術的突破，也都可為智能制造技術帶來革命性的轉變。
再次，智能制造技術要求對現實工況作出快速反應。人能夠快速地對各種不可預知的突發情況作出實時的響應，這就要求智能制造技術也必須有此能力才能保證工作任務的完成。目前，實現這一目標還有不小差距。
最后是實現技術的交互性。智能制造技術必須能夠理解人的意圖和思想，必須實現與人和社會的交流。例如語音識別技術和語音合成技術，就是幫助智能制造時能“聽”懂人類的語言，并將自己的回應轉化為語音“說”給人們聽。人機交互技術的本質就是讓智能制造技術具有與人交流的能力，并且這一交流過程越自然越好。
六趨勢促機床智能化轉型
高檔數控機床與基礎制造裝備“科技重大專項實施管理辦公室”，通過深刻研究，系統地提出了機床智能化的六個技術動向：
一是監測機床工作狀態的智能化。
在機床工作狀態的監測中，主軸的智能化進展最為明顯，通過裝有溫度傳感器和載荷位移傳感器的傳感系統實現主軸的高度智能化。
這里主要是通過MEMS溫度傳感器監控軸承潤滑狀況、防止軸承燒結和進行主軸熱位移修正；通過載荷位移傳感器檢測加工中的異常載荷，監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確地監測機床加工狀態。但在主軸有限空間內安裝傳感系統并非簡單，仍有很多課題。如通過在結構材料中安裝FBG傳感器（應變傳感器）來檢測結構的熱位移，以此判斷和修正機床結構的熱位移模式，進行主體結構溫度分布控制，使熱變形最小化。
另外，還有運用機床結構中若干個監測點的溫度和主軸的運行信息，通過CNC指令對刀具和工件間的相對熱變形進行修正。
二是監測維修狀態的智能化。為減輕維修作業的負荷，需要有在發生大的故障之前采取對策的系統，因此對維修狀況進行經常性監測是非常重要的。積累機床工作狀態的歷史數據并基于此預測壽命，以及在工作狀態下檢測壽命，可以說是今后的課題。
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，可以說是避免發生碰撞的技術。通過程序，在運動過程中以及在準備工作時就可進行干涉檢查。
另外，還有檢測刀具的離心力破壞和臨界安全速度等技術，有的會因安全性而犧牲操作性，這些也可能通過智能化得到解決。
四是實現節能的智能化。切屑排出的狀態，因加工條件、加工材料和加工對象不同而會時刻發生變化，通過檢測切屑量的變化、控制切屑處理裝置的動作，可達到很好的節能效果。
這種方法也適用于冷卻潤滑液供應系統，通過調節冷卻潤滑液使其符合加工條件，也會達到較好的節能效果。
五是工藝條件決策的智能化。檢測加工中的振動、發出回避這種振動的指令，形成自動回避振動的系統。在主軸回轉速度較慢的車削加工中，可隨時計算出主軸回轉速度的變動振幅和變動周期，防止再生震動的發生。在銑削加工中，通過利用主軸回轉速度與振動的周期性關系，可以保持主軸在特定沒有振動的區域內工作。
作為工藝條件的選擇，并非單純自動地決定加工條件，在判斷用戶所選定的加工條件是否合理，為實現必要的加工精度制定合理的工藝條件等可進一步提升智能化程度方面，目前尚在研究開發中。
六是準備作業的智能化。在準備作業的智能化方面，進展尚不明顯。在加工鑄造零部件、鍛造零部件等異形材料時，因其質量不平衡以及位置變化，使得在高速回轉中加工較困難。因此需要在進行平衡的同時進行加工，自動平衡裝置擬可解決這一問題。除此之外，尚無相關事例。至于其他準備作業的智能化系統正在開發中。
“從體力到腦力的逐步解放，從傳統經驗向科學認知的不斷飛躍以及人與自然的和諧共存等等，已經并繼續深刻地改變著人類社會的生產形態。”宋天虎說。
政策扶持高端裝備智能化
目前，世界機床的技術水平，是以生產促進數控機床單機為主流，今后20年內的發展，也將如此。在進一步提高精度、效率、自動化、智能化、網絡化的基礎上，逐步向加工單元和尖端柔性制造系統過渡，人類的智慧與創造力必將又一次推動現代科學與技術以更高的密度集成。
然而，工程機械、機電產品、數控機床、港口設備、船舶制造等諸多行業，盡管中國制造的產銷量均躍居世界前列，多組數據顯示，中國裝備制造的經濟總量已經連續4年全球排名第一。但是，遍布世界各地的“中國制造”，長期被認為是品質低下、價格低廉、勞動密集、科技含量不高的代名詞。
作為戰略新興產業的重要內容，高端裝備制造業“十二五”的發展思路是從五大方向重點突破，分別是航空裝備、衛星及應用、軌道交通裝備、海洋工程裝備和智能制造裝備。該《規劃》提出的目標是，到2015年高端裝備的銷售產值占裝備制造業的比例將達20%以上，預計年銷售產值將會達到6萬億元。
首批用于補貼智能裝備制造的資金已經下達。第一批落實補貼資金的智能制造裝備有19個項目，國家補貼資金9.5億元，現已正式啟動。尤其為支持智能制造裝備企業拓展市場，國家將劃撥首臺套補貼資金，補貼資金高達產品銷售價格的25%~50%。
據相關統計，《規劃》預計到2015年，高端裝備制造業年銷售產值將在6萬億元以上。如今，隨著未來工業生產都將是高度自動化甚至是智能化的生產模式，我國將繼續推進智能裝備產業的發展。
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