智能制造助推計(jì)量?jī)x器行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

王瓊彥，葉 炎

（1.沁水縣綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山西 沁水 048200；2.北京康斯特儀表科技股份有限公司，北京 100094）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，在經(jīng)濟(jì)全球化和社會(huì)信息化的背景下，國(guó)際制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的需求更加迫切。黨中央、國(guó)務(wù)院審時(shí)度勢(shì)提出了制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，印發(fā)實(shí)施《中國(guó)制造2025》（國(guó)發(fā)〔2015〕28 號(hào)），以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，明確把智能制造作為主攻方向，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越。隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”等概念深入人心，制造業(yè)向智能化方向發(fā)展也是大勢(shì)所趨，成為制造業(yè)在第四次工業(yè)革命的必然選擇。作為制造業(yè)當(dāng)中的基礎(chǔ)性支柱產(chǎn)業(yè)，計(jì)量?jī)x器行業(yè)無疑將走在智能化的前列。目前，智能化主要表現(xiàn)在三大方面。第一是生產(chǎn)智能化，引入先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，提升儀器生產(chǎn)效率，不斷向智能化過渡，并最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、信息化、智能化；第二管理智能化，利用管理軟件使企業(yè)管理更加高效和科學(xué)；第三是儀器儀表產(chǎn)品本身的智能化，主要表現(xiàn)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)儀器智能化。未來，智能儀器將大大解放用戶的雙手，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、處理，以及數(shù)字圖像的處理。

圖1 數(shù)字化車間總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design of the digital workshop

1 我國(guó)計(jì)量?jī)x器制造企業(yè)智能制造情況

我國(guó)計(jì)量?jī)x器制造企業(yè)主要有：北京康斯特儀表科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱北京康斯特）、廣東香山衡器集團(tuán)股份有限公司、杭州先鋒電子技術(shù)股份有限公司和深圳市鼎陽科技股份有限公司等數(shù)十家企業(yè)，多數(shù)企業(yè)圍繞“制造”向“智造”轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求，先后開展了智能化改造。

以北京康斯特為例，繼2016 年成為工信部國(guó)家智能制造試點(diǎn)示范后，持續(xù)實(shí)施著價(jià)值鏈的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，2018 年又被工信部授予制造業(yè)單項(xiàng)冠軍示范企業(yè)。圍繞智能制造改造，康斯特結(jié)合具體業(yè)務(wù)制定了相關(guān)戰(zhàn)略，并組建了專業(yè)的智能智造團(tuán)隊(duì)。先后完成了數(shù)字化加工中心、數(shù)字化組裝中心和數(shù)字化發(fā)貨中心的建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息可視化。開發(fā)和使用備貨系統(tǒng)、發(fā)貨系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)和MES 軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和企業(yè)管理數(shù)字化。精益的管理縮短了計(jì)量?jī)x器的生產(chǎn)周期，提高了資金周轉(zhuǎn)率，加快了高附加值產(chǎn)品的導(dǎo)入速度，也促進(jìn)了公司產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

2 生產(chǎn)智能化和管理智能化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)

圖2 數(shù)字化加工中心Fig.2 Digital machining center

在計(jì)量?jī)x器制造過程中，產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、出廠檢驗(yàn)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)管理過程環(huán)節(jié)等方面是實(shí)施智能化改造的重點(diǎn)。計(jì)量?jī)x器智能化改造則需要以下核心裝備：工業(yè)軟件及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、高檔數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人、智能化高效率強(qiáng)度及疲勞壽命測(cè)試與分析裝備、智能化標(biāo)定和檢測(cè)裝備，以及智能物流倉(cāng)儲(chǔ)裝備。其中，軟件方面：設(shè)計(jì)和工藝仿真軟件不僅應(yīng)用于研發(fā)環(huán)節(jié)，還可以直接使用在機(jī)械加工環(huán)節(jié)；控制軟件則集成于大多數(shù)智能制造裝備中，起到安全可靠的控制作用；業(yè)務(wù)管理軟件常使用制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源管理軟件（ERP）、供應(yīng)鏈管理軟件（SCM）等；數(shù)據(jù)管理軟件包括了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘分析平臺(tái)等。智能制造裝備和工業(yè)軟件近年來迅猛發(fā)展，并逐漸實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

目前，我國(guó)主要計(jì)量?jī)x器制造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化和管理智能化。以北京康斯特為例，數(shù)字化加工中心采用數(shù)碼大方CAXA 工藝解決方案，其適合于制造業(yè)中所有需要工藝卡片的場(chǎng)合，重點(diǎn)解決企業(yè)工藝編制效率低、信息統(tǒng)計(jì)匯總難的問題，通過CAXA 工藝解決方案將企業(yè)工藝信息規(guī)范化。CAXA 工藝圖表打造了全新的工藝編制軟件平臺(tái)，具有多文檔、多環(huán)境的特點(diǎn)，使用戶在編制工藝文檔或繪制工裝圖紙時(shí)更加流暢、自如，而且依據(jù)中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和使用習(xí)慣，提供專業(yè)化的強(qiáng)大功能，并且提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的工藝模板、工藝資源知識(shí)，將繁重的工藝工作變得簡(jiǎn)單輕松。其與CAD 軟件無縫集成，非常方便智能。加工中心使用MES 軟件管理50 臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備，通過加工代碼管理、設(shè)備通信、信息采集以及統(tǒng)計(jì)分析，為車間排產(chǎn)、調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐，提高設(shè)備綜合利用率，最終實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)無紙化，排產(chǎn)自動(dòng)化，過程可視化。

圖3 ConST9000壓力自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)Fig.3 ConST9000 Pressure automatic calibration system

壓力計(jì)量?jī)x器在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)完全依靠人工進(jìn)行，產(chǎn)品質(zhì)量只能靠人的技術(shù)水平來保證。經(jīng)過智能制造改造后，在壓力智能檢測(cè)環(huán)節(jié)，壓力自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)取代了人工用于智能壓力儀器的老化測(cè)試過程。ConST9000 壓力測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)，可以提供從微壓60 Pa 到高壓280 MPa 的全自動(dòng)壓力源，配合恒溫箱實(shí)現(xiàn)應(yīng)力老化和高低溫老化同時(shí)進(jìn)行。這是智能壓力儀器生產(chǎn)過程中的核心工藝，實(shí)現(xiàn)了智能化疲勞測(cè)試。此外，ConST9000 壓力自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)采用壓力標(biāo)準(zhǔn)器作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，通過系統(tǒng)測(cè)試軟件完成數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，最終可以完成傳感器自動(dòng)篩選，壓力數(shù)據(jù)標(biāo)定，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)等工作。

壓力計(jì)量?jī)x器作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器使用，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性一直是考核質(zhì)量的重點(diǎn)。以往產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性無法在生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試和衡量，只能依據(jù)JJG875 數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程的要求定期送檢，才能進(jìn)行判斷，而此時(shí)產(chǎn)品已交付給用戶使用一段時(shí)間，這樣一旦有問題必然帶來大量的服務(wù)工作量，產(chǎn)品質(zhì)量也無法保障。ConST9001智能化壓力等級(jí)分選測(cè)試系統(tǒng)，通過自動(dòng)采集壓力計(jì)量?jī)x器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析，從而完成了在企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)壓力計(jì)量?jī)x器的等級(jí)分選工藝，最終將穩(wěn)定性和可靠性無法達(dá)到要求的產(chǎn)品篩選出來，進(jìn)行降級(jí)處理。這也是首次實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的自動(dòng)評(píng)價(jià)，大幅提升了產(chǎn)品質(zhì)量，贏得了客戶的口碑。

在出廠計(jì)量環(huán)節(jié)，ConST800 壓力全自動(dòng)檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)取代了活塞壓力計(jì)、數(shù)字壓力計(jì)、精密壓力表等組成的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，計(jì)量人員只需要將壓力計(jì)量?jī)x器安裝在連接臺(tái)上，利用系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，并自動(dòng)出具檢測(cè)記錄和證書，其效率是傳統(tǒng)檢測(cè)方法的5 倍以上。計(jì)量數(shù)據(jù)可直接出具出廠檢測(cè)證書以提供給用戶，是產(chǎn)品出廠質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要文件。所有此環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)將永久保留在生產(chǎn)企業(yè)，為企業(yè)進(jìn)一步分析和提升產(chǎn)品質(zhì)量提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 ConST9001智能化壓力等級(jí)分選測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 ConST9001 Intelligent pressure grade sorting test system

圖5 ConST800壓力全自動(dòng)檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.5 ConST800 Pressure automatic calibration system

多數(shù)壓力計(jì)量?jī)x器帶有電測(cè)功能，其電測(cè)精確度指標(biāo)直接影響到產(chǎn)品的多項(xiàng)關(guān)鍵性能。ConST929 電信號(hào)智能標(biāo)定系統(tǒng)取代了電測(cè)計(jì)量工程師，自動(dòng)依據(jù)規(guī)范執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)工作。該系統(tǒng)采用EMC 綜合優(yōu)化的電測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合最高等級(jí)直流源表裝置，利用電信號(hào)計(jì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了壓力計(jì)量?jī)x器電壓、電流、頻率等多項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)校準(zhǔn)。該系統(tǒng)可以一次性校準(zhǔn)20 臺(tái)智能壓力儀器，極大地提高了工作效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

發(fā)貨中心采用H 型工作臺(tái)，用于放置常用的包裝和配件，提高發(fā)貨中心效率。發(fā)貨過程通過ERP 軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，并匯總顯示：發(fā)貨訂單狀態(tài)顯示圖表、未完成訂單追蹤信息、異常訂單原因。物流發(fā)貨中心使用備貨系統(tǒng)、發(fā)貨系統(tǒng)等生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了物流數(shù)字化，極大地提高了管理效率。

圖6 ConST929電信號(hào)智能標(biāo)定系統(tǒng)Fig.6 ConST929 Electrical signal intelligent calibration system

圖8 集成AI技術(shù)的智能壓力檢測(cè)系統(tǒng)Fig.8 Intelligent pressure detection system integrated with AI technology

3 計(jì)量?jī)x器智能化時(shí)代已經(jīng)到來

國(guó)內(nèi)計(jì)量?jī)x器制造企業(yè)圍繞“制造”向“智造”轉(zhuǎn)型的另一方面則是產(chǎn)品的智能化，主要表現(xiàn)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、新一代信息技術(shù)和人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)儀器智能化。

圖7 發(fā)貨系統(tǒng)軟件Fig.7 Delivery system software

圖9 智能全自動(dòng)壓力校驗(yàn)儀Fig.9 Intelligent automatic pressure calibrator

以壓力計(jì)量?jī)x器為例，智能化時(shí)代已經(jīng)到來。目前，指針式和數(shù)顯式壓力儀表在工業(yè)生產(chǎn)、電力傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但一般缺少數(shù)字接口，檢測(cè)時(shí)必須由人工讀數(shù)，并需要專業(yè)的計(jì)量人員對(duì)儀表進(jìn)行信息錄入、數(shù)據(jù)檢測(cè)，結(jié)果運(yùn)算等工作。為了解決這一問題，新產(chǎn)品采用YOLOv5 深度學(xué)習(xí)模型開發(fā)識(shí)別模塊，通過構(gòu)建和模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行分析學(xué)習(xí)，獲取儀表顯示類別和定位儀表圖像坐標(biāo)，結(jié)合OpenCV 圖像處理，進(jìn)行表盤、數(shù)字、指針、刻度圖像的數(shù)字轉(zhuǎn)化。新型壓力儀表智能檢測(cè)系統(tǒng)基于AI 智能識(shí)別的壓力信號(hào)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率、高準(zhǔn)確度的自動(dòng)圖像信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)化，并可實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)錄入，數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)運(yùn)算結(jié)果，極大地提升相關(guān)工作效率。

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是將產(chǎn)品越做越小，比如早期電腦像房子一樣大，后來逐漸演變成為現(xiàn)在的臺(tái)式電腦、筆記本電腦甚至平板電腦的大小。出于用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的需求，設(shè)計(jì)制造者也開始考慮將儀器做得更小、更便攜，壓力計(jì)量?jī)x器制造也不例外。傳統(tǒng)的電動(dòng)氣泵存在體積大、重量大、功耗大、產(chǎn)生氣體壓力低、帶壓?jiǎn)?dòng)性能差等缺點(diǎn)，不能滿足小流量、高壓力的要求。新產(chǎn)品重新根據(jù)高壓力、小流量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了集成度高、體積小、重量輕、功耗小，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)抽真空和造壓的氣泵。新型現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x器具有機(jī)電一體化功能，任務(wù)自動(dòng)運(yùn)行，誤差自動(dòng)分析，測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成，能帶來高效的現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)檢定與校準(zhǔn)體驗(yàn)。

4 展望未來

進(jìn)入21 世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料和新一代信息技術(shù)正在以極快的速度形成巨大的產(chǎn)能和市場(chǎng)，將使整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)體系提升到一個(gè)新的水平，推動(dòng)一場(chǎng)新的工業(yè)革命。德國(guó)技術(shù)科學(xué)院（ACDTECH）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出了“第四代工業(yè)——Industry 4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃，旨在確保德國(guó)制造業(yè)的未來競(jìng)爭(zhēng)力和引領(lǐng)世界工業(yè)發(fā)展潮流。作為制造業(yè)世界第一的大國(guó)，我國(guó)制造業(yè)在智能制造和綠色制造領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期。計(jì)量?jī)x器行業(yè)也可利用此機(jī)會(huì)，面向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造提升和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，針對(duì)制造過程中的感知、分析、決策、控制和執(zhí)行等環(huán)節(jié)，融合集成先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高端計(jì)量?jī)x器國(guó)產(chǎn)化。最終，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)生產(chǎn)測(cè)試環(huán)節(jié)和計(jì)量環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、智能化、精益化和綠色化。