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智能制造引领 我国机床业走上强盛之路

机床,作为目前工业设备加工制造上最重要的设备之一,正在不断向智能化迈进。

中国机械工程学会监事长宋天虎日前表示,在未来的20年,中国智能制造装备产业,应牢牢抓住发展的战略机遇期,本着“创新优先、重点突破、技术融合、夯实基础、多元投入”的原则,面向传统产业改造提升的需求和战略性新兴产业发展的需求,融合集成先进制造、信息和智能等技术,实现制造业的绿色化、数字化和智能化。

为了进一步推进高端装备智能化步伐,国家出台了《“十二五”高端装备制造业产业发展规划》(以下简称《规划》)将智能装备发展转型、卫星及应用发展专项目前已经开始落实,这表明高端装备制造业的发展规划已进入实质操作层面。

数据显示,目前智能装备的产业规模约为3000亿元,市场多被国外厂商垄断,国内厂商市占率低,智能仪器仪表与控制系统为10%,工业机器人与专用装备为20%,中档数控机床为20%,高档数控机床为1%。而《规划》制定的目标是,到2015年,销售收入达到1万亿元,国民经济重点产业所需高端智能装备及基础制造装备国内市场占有率达到50%;2020年销售收入达到2万亿元,国内市场占有率达到70%。

智能制造要素

近20年来,微电子、通信、计算机、人工智能、控制和图像处理等多学科的突飞猛进,为智能机器的发展奠定了基础。

宋天虎指出,尽管智能机器的种类千差万别、任务多种多样,但从其科学技术的本质上来说,主要包含三个基本要素,即感知、决策和执行。

感知功能主要表现在智能机器的信息输入,就像人的五官负责采集工作环境的数据一样。感知技术主要是传感器技术和通信技术,前者负责将实际工况的物理特性转换为智能机器可理解的数字量,而后者则负责将数字量快速、无误地传递到智能机器的决策层。

决策功能是智能机器能做到智能性的表现,就像人的大脑对感知到的信息作出判断并为下一步的动作发出指令。决策技术主要是人工智能技术及智能控制技术,它要求智能机器能够实时地、闭环地处理各类工况,而不仅仅是完全按照预定程序进行开环执行。

执行功能就是决策系统的命令必须得到执行,而执行需要由一系列动作来得以实现,就像人的运动系统在大脑的命令下产生实际动作一样。实现动作功能的主要技术为执行机构技术,包括所谓的手臂和手爪、移动平台、驱动器,同时也涵盖了执行机构的控制器,如电机控制器、压力控制器等。

智能制造技术特征

追根溯源,智能制造的技术特征主要有以下四点:

首先,智能性是智能制造的核心。智能性表现为对工作环境的自动识别与判断,其工作指令根据反馈信息自动生成。智能性也是智能制造技术上的难点,尽管目前人工智能技术已经获得了较大的突破,但相对于人的智能而言,智能制造技术的聪明度还很低,尚有较大差距。

其次,综合性是智能制造技术的集成技术,有典型的交叉学科性。然而,任何一个单一技术的突破,也都可为智能制造技术带来革命性的转变。

再次,智能制造技术要求对现实工况作出快速反应。人能够快速地对各种不可预知的突发情况作出实时的响应,这就要求智能制造技术也必须有此能力才能保证工作任务的完成。目前,实现这一目标还有不小差距。

最后是实现技术的交互性。智能制造技术必须能够理解人的意图和思想,必须实现与人和社会的交流。例如语音识别技术和语音合成技术,就是帮助智能制造时能“听”懂人类的语言,并将自己的回应转化为语音“说”给人们听。人机交互技术的本质就是让智能制造技术具有与人交流的能力,并且这一交流过程越自然越好。

六趋势促机床智能化转型

高档数控机床与基础制造装备“科技重大专项实施管理办公室”,通过深刻研究,系统地提出了机床智能化的六个技术动向:

一是监测机床工作状态的智能化。

在机床工作状态的监测中,主轴的智能化进展最为明显,通过装有温度传感器和载荷位移传感器的传感系统实现主轴的高度智能化。

这里主要是通过MEMS温度传感器监控轴承润滑状况、防止轴承烧结和进行主轴热位移修正;通过载荷位移传感器检测加工中的异常载荷,监控轴承载荷并推断其寿命,避免轴承损伤。因主轴接近工件加工位置,因而它更适合用于准确地监测机床加工状态。但在主轴有限空间内安装传感系统并非简单,仍有很多课题。如通过在结构材料中安装FBG传感器(应变传感器)来检测结构的热位移,以此判断和修正机床结构的热位移模式,进行主体结构温度分布控制,使热变形最小化。

另外,还有运用机床结构中若干个监测点的温度和主轴的运行信息,通过CNC指令对刀具和工件间的相对热变形进行修正。

二是监测维修状态的智能化。为减轻维修作业的负荷,需要有在发生大的故障之前采取对策的系统,因此对维修状况进行经常性监测是非常重要的。积累机床工作状态的历史数据并基于此预测寿命,以及在工作状态下检测寿命,可以说是今后的课题。

三是确保安全性的智能化。为确保安全性的最新智能化技术,可以说是避免发生碰撞的技术。通过程序,在运动过程中以及在准备工作时就可进行干涉检查。

另外,还有检测刀具的离心力破坏和临界安全速度等技术,有的会因安全性而牺牲操作性,这些也可能通过智能化得到解决。

四是实现节能的智能化。切屑排出的状态,因加工条件、加工材料和加工对象不同而会时刻发生变化,通过检测切屑量的变化、控制切屑处理装置的动作,可达到很好的节能效果。

这种方法也适用于冷却润滑液供应系统,通过调节冷却润滑液使其符合加工条件,也会达到较好的节能效果。

五是工艺条件决策的智能化。检测加工中的振动、发出回避这种振动的指令,形成自动回避振动的系统。在主轴回转速度较慢的车削加工中,可随时计算出主轴回转速度的变动振幅和变动周期,防止再生震动的发生。在铣削加工中,通过利用主轴回转速度与振动的周期性关系,可以保持主轴在特定没有振动的区域内工作。

作为工艺条件的选择,并非单纯自动地决定加工条件,在判断用户所选定的加工条件是否合理,为实现必要的加工精度制定合理的工艺条件等可进一步提升智能化程度方面,目前尚在研究开发中。

六是准备作业的智能化。在准备作业的智能化方面,进展尚不明显。在加工铸造零部件、锻造零部件等异形材料时,因其质量不平衡以及位置变化,使得在高速回转中加工较困难。因此需要在进行平衡的同时进行加工,自动平衡装置拟可解决这一问题。除此之外,尚无相关事例。至于其他准备作业的智能化系统正在开发中。

“从体力到脑力的逐步解放,从传统经验向科学认知的不断飞跃以及人与自然的和谐共存等等,已经并继续深刻地改变着人类社会的生产形态。”宋天虎说。

政策扶持高端装备智能化

目前,世界机床的技术水平,是以生产促进数控机床单机为主流,今后20年内的发展,也将如此。在进一步提高精度、效率、自动化、智能化、网络化的基础上,逐步向加工单元和尖端柔性制造系统过渡,人类的智慧与创造力必将又一次推动现代科学与技术以更高的密度集成。

然而,工程机械、机电产品、数控机床、港口设备、船舶制造等诸多行业,尽管中国制造的产销量均跃居世界前列,多组数据显示,中国装备制造的经济总量已经连续4年全球排名第一。但是,遍布世界各地的“中国制造”,长期被认为是品质低下、价格低廉、劳动密集、科技含量不高的代名词。

作为战略新兴产业的重要内容,高端装备制造业“十二五”的发展思路是从五大方向重点突破,分别是航空装备、卫星及应用、轨道交通装备、海洋工程装备和智能制造装备。该《规划》提出的目标是,到2015年高端装备的销售产值占装备制造业的比例将达20%以上,预计年销售产值将会达到6万亿元。

首批用于补贴智能装备制造的资金已经下达。第一批落实补贴资金的智能制造装备有19个项目,国家补贴资金9.5亿元,现已正式启动。尤其为支持智能制造装备企业拓展市场,国家将划拨首台套补贴资金,补贴资金高达产品销售价格的25%~50%。

据相关统计,《规划》预计到2015年,高端装备制造业年销售产值将在6万亿元以上。如今,随着未来工业生产都将是高度自动化甚至是智能化的生产模式,我国将继续推进智能装备产业的发展。


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