人工智能在機(jī)械加工及其自動(dòng)化過程中的應(yīng)用探究

王麗敏

(遼寧職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112001)

0 引言

21世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能作為新興產(chǎn)業(yè)逐漸進(jìn)入人類生產(chǎn)生活的各個(gè)層面，為機(jī)械制造和自動(dòng)化創(chuàng)新發(fā)展提供了新的發(fā)展方向與基本的技術(shù)支撐。人工智能是新一代信息技術(shù)的產(chǎn)物，通過賦予機(jī)器設(shè)備以人的思維和思考方式，使設(shè)備能按照人的基本思路和想法去完成工作任務(wù)。近年來，隨著中國制造2025計(jì)劃的不斷實(shí)現(xiàn)，人工智能在人類的生產(chǎn)生活中隨處可見。同時(shí)，機(jī)械加工是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日常生活的保障，將人工智能技術(shù)與機(jī)械加工融合發(fā)展，是現(xiàn)代學(xué)者重點(diǎn)研究的對象。

1 人工智能的基本概述

1.1 人工智能的定義

人工智能(Artificial Intelligence，AI)，是一門綜合性和實(shí)用性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)[1]，人類通過對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、訓(xùn)練，使得產(chǎn)品能模仿人類的基本思考和決策能力，并將機(jī)械、電氣和控制等學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行融合，使產(chǎn)品具有一定的執(zhí)行能力，代替人類進(jìn)行在生產(chǎn)過程中高強(qiáng)度、高難度、高精度的復(fù)雜作業(yè)。

1.2 人工智能的學(xué)科范疇與基本內(nèi)涵

人工智能是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域互相融合、協(xié)同發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，各門類學(xué)科作為人工智能的基本科學(xué)支持，通過將制造、裝配等具體問題和人工智能的基本成果進(jìn)行結(jié)合，不斷拓寬其在自然語言、智能搜索、知識獲取和復(fù)雜系統(tǒng)等方面的研究范疇，最終實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)生活中常見到的智能服務(wù)，如智能控制、專家系統(tǒng)、黑燈工廠等(圖1)，具體闡述如下。

圖1 人工智能的基本內(nèi)涵

哲學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)。如通過哲學(xué)，確定生產(chǎn)系統(tǒng)中以人為中心的設(shè)計(jì)規(guī)劃理念，通過數(shù)學(xué)中微分、離散等知識抽象出具體問題中的相互關(guān)系，通過神經(jīng)心理學(xué)確定人工智能的基本學(xué)習(xí)規(guī)則和方法，最后計(jì)算機(jī)科學(xué)作為載體，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在虛擬端實(shí)現(xiàn)智能裝備的訓(xùn)練和調(diào)試。

自然語言處理、智能搜索、機(jī)器學(xué)習(xí)等研究領(lǐng)域是在基礎(chǔ)學(xué)科的支撐下，結(jié)合現(xiàn)實(shí)問題所研究出來的，其是實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)學(xué)科和智能應(yīng)用服務(wù)之間的連接關(guān)系，根據(jù)智能服務(wù)要滿足的具體功能，其借助計(jì)算機(jī)語言，智能算法等對具體問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對數(shù)據(jù)記性提取和整理。

人工智能在制造業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及到產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量控制過程，如通過數(shù)據(jù)爬蟲服務(wù)爬取數(shù)據(jù)庫中專家系統(tǒng)構(gòu)建、模式識別狀態(tài)下在制品質(zhì)量把控、數(shù)字孿生工廠中的黑燈工廠構(gòu)建等。

2 人工智能在機(jī)械制造及其自動(dòng)化過程中的應(yīng)用

機(jī)械加工及自動(dòng)化技術(shù)的融合發(fā)展，對我國工業(yè)的發(fā)展起到重要的技術(shù)保證，本節(jié)重點(diǎn)介紹我國機(jī)械加工及其自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀和人工智能在機(jī)械加工過程中的融合發(fā)展途徑。

2.1 機(jī)械加工及其自動(dòng)化現(xiàn)狀

機(jī)械加工及自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為裝備制造業(yè)中的支柱性技術(shù)，隨著我國經(jīng)濟(jì)體量的不斷擴(kuò)大，大型機(jī)械設(shè)備逐步取代了人工作業(yè)的方式，機(jī)械加工與自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，滿足了大批量生產(chǎn)需求的同時(shí)，將人工成本和時(shí)間成本控制在最小。雖然近年來我國的機(jī)械制造業(yè)得到了快速發(fā)展，但其在管理、設(shè)計(jì)、制造工藝、自動(dòng)化技術(shù)方面還存在較大的改善空間。

2.1.1 管理模式有待革新

我國現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展較晚，在管理模式和管理思想上與發(fā)達(dá)國家仍存有差距，同時(shí)管理工具的不完善也使得我國機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)程度不高，在機(jī)械加工過程設(shè)計(jì)和管理上缺乏數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理能力薄弱

與發(fā)達(dá)國家相比，我國在機(jī)械加工過程信息數(shù)據(jù)處理方面的能力仍不足，缺少有力的技術(shù)手段對機(jī)械加工過程中的自動(dòng)化工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，這也是我國現(xiàn)階段機(jī)械自動(dòng)化程度低、發(fā)展受限的原因。

2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)不成熟

傳統(tǒng)作坊式生產(chǎn)模式對于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化工藝文件產(chǎn)生不利影響，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)需要操作人員對機(jī)械設(shè)備下達(dá)明確的加工指令，設(shè)備才能按照操作者的要求進(jìn)行作業(yè)，我國傳統(tǒng)的作坊式生產(chǎn)模式導(dǎo)致部分員工未養(yǎng)成及時(shí)記錄工藝數(shù)據(jù)的習(xí)慣。

我國的自動(dòng)化技術(shù)在國際自動(dòng)化水平中仍處于落后地位，尤其是現(xiàn)階段人們均在追求個(gè)性化定制產(chǎn)品，這對于我國的自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生了極大的挑戰(zhàn)，機(jī)械加工在柔性制造、多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等方面仍有較大的進(jìn)步空間。

2.2 人工智能在機(jī)械加工及自動(dòng)化技術(shù)融合發(fā)展途徑

2.2.1 在機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)階段

隨著技術(shù)的不斷革新發(fā)展，機(jī)械加工工業(yè)設(shè)計(jì)的方法也發(fā)生翻天覆地的變化，相對于傳統(tǒng)的操作者按照經(jīng)驗(yàn)技術(shù)對機(jī)械加工的工藝過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，人工智能支持機(jī)械加工設(shè)計(jì)前的虛擬驗(yàn)證，由設(shè)計(jì)者將數(shù)據(jù)整理后，借助CAD、Pro.E、ANASYS等三維視圖工具對機(jī)械加工的基本工藝流程和加工過程中的能量損耗進(jìn)行評估，選擇最優(yōu)工序。

2.2.2 加工過程中的質(zhì)量把控

過程質(zhì)量是標(biāo)志機(jī)械加工自動(dòng)化水平的重要指標(biāo)，將人工智能運(yùn)用到機(jī)械自動(dòng)化加工過程中，能極大避免因外部干預(yù)導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量不合格等問題，從根本上保證了機(jī)械自動(dòng)化加工的精度，提升了機(jī)械加工的水準(zhǔn)。此外，將人工智能如模式識別、自動(dòng)對刀、信息反饋等技術(shù)與機(jī)械自動(dòng)化加工技術(shù)相結(jié)合，還能讓設(shè)備具有智能調(diào)整、智能分析的功能，使得產(chǎn)品滿足更多人的需求。

2.2.3 設(shè)備與產(chǎn)品的信息數(shù)據(jù)收集

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是人工智能的基礎(chǔ)支撐性技術(shù)，其對設(shè)備端和產(chǎn)品端的數(shù)據(jù)采集和傳輸具有重要作用。工程師通過在設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)置傳感裝置，在加工現(xiàn)場布置物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)定固定的數(shù)據(jù)采集頻率，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程中的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)品健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和儲(chǔ)存。人工智能的聰明程度取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練次數(shù)的多少，通過在機(jī)械加工過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并將該數(shù)據(jù)作為人工智能的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，能極大提高機(jī)械加工的智能程度。

3 人工智能助力機(jī)械加工及其自動(dòng)化的支撐技術(shù)

3.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是工程學(xué)領(lǐng)域中常用的基本工具[2]，其主要解決在產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算、信息存儲(chǔ)和圖形繪制等工作。機(jī)械加工的基本依據(jù)就是產(chǎn)品圖紙，人工智能與機(jī)械自動(dòng)化加工融合發(fā)展的過程，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)智能終端與設(shè)計(jì)者之間的信息交流，同樣需要以圖紙作為基本指令要求。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱為“靈境技術(shù)”，其將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)逼真的人工模擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是人工智能的重要組成部分[3]，如在機(jī)械自動(dòng)化加工前，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，全面完整地展示加工的整個(gè)過程，對于完善作業(yè)內(nèi)容、提升加工質(zhì)量具有重要意義。

3.3 有限元仿真分析技術(shù)

有限元分析技術(shù)是利用數(shù)據(jù)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，是虛擬仿真技術(shù)的一種，但其可以通過有限網(wǎng)格劃分對設(shè)備的強(qiáng)度、剛度等屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)化表示。如在機(jī)械加工過程中，通過對加工過程中刀具的受力情況進(jìn)行分析，按剛度將刀具劃分為不同的等級，在進(jìn)行不同產(chǎn)品的機(jī)加過程中智能選擇合適的刀具，減少不必要的浪費(fèi)和避免加工過程中的安全隱患。

4 結(jié)語

人工智能與機(jī)械加工及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，是未來機(jī)械加工行業(yè)的必然發(fā)展趨勢，本文探討了人工智能的基本概念和內(nèi)涵，分析了我國現(xiàn)階段機(jī)械自動(dòng)化加工技術(shù)的短板，指出了人工智能與機(jī)械加工及自動(dòng)化的融合發(fā)展途徑，最后對人工智能實(shí)現(xiàn)過程中基本的支撐技術(shù)作出簡要說明。

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