智能制造技術(shù)在機械制造工程領(lǐng)域的實踐應用

董宜揮

（河南工業(yè)大學，鄭州 465200）

機械制造業(yè)是我國工業(yè)的重要部分，其技術(shù)發(fā)展水平與國民經(jīng)濟存在密切聯(lián)系。在新一輪技術(shù)革命背景下，機械制造工程領(lǐng)域迎來了重大發(fā)展機遇。智能制造技術(shù)實現(xiàn)了與機械生產(chǎn)技術(shù)的深度融合，大幅提升了機械制造水平。當前，基于信息技術(shù)、智能技術(shù)的智能制造模式有效解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式存在的種種弊端，在提升機械制造效能的同時，為行業(yè)的升級換代提供了有效保證。因此，相關(guān)企業(yè)要積極探索機械制造智能發(fā)展模式的創(chuàng)新路徑，推動我國機械制造工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能化和集成化目標。

1 智能制造技術(shù)在機械制造工程領(lǐng)域中的具體應用

1.1 智能制造技術(shù)在機械加工設計中的應用

在機械制造工程領(lǐng)域中，機械加工設計是生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)。我國機械制造工程的發(fā)展起步較晚，相較于發(fā)達國家，在設計和生產(chǎn)上都存在不足，還有較大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的研發(fā)設計模式的主要問題在于技術(shù)的先進性和精細度不足，在“設計—打樣—修改”的過程中不斷反復，導致設計周期較長，資源投入過多，對后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成了不利影響。

智能制造技術(shù)在機械加工設計中的應用能夠有效改善這一模式，即通過計算機軟件完成研發(fā)設計工作，制作設計圖紙，并進行3D 建模和生產(chǎn)流程的模擬推演，發(fā)現(xiàn)設計圖紙中存在的問題，及時進行調(diào)整和控制[1]。設計流程模擬完畢后進入打樣環(huán)節(jié)，能夠提高樣品的成功率。這種方式相較于傳統(tǒng)設計模式更加快捷、高效，資源投入少，設計周期短，實現(xiàn)了設計流程和制造工藝的標準化和規(guī)范化。

1.2 智能制造技術(shù)在機械加工控制中的應用

將智能制造技術(shù)應用于機械加工控制，能夠?qū)崿F(xiàn)機械制造的自動化、遠程化和可控制化，降低人工參與比重，精簡工作流程，提升生產(chǎn)標準，實現(xiàn)生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩(wěn)步提高。隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機械制造企業(yè)的數(shù)量和規(guī)模都在大幅擴張，促使行業(yè)對生產(chǎn)力和技術(shù)水平提出了更高要求。為了適應行業(yè)發(fā)展需求，提升機械制造工程領(lǐng)域的競爭力，深入應用智能制造技術(shù)成為必經(jīng)之路。智能制造中的自動化技術(shù)和控制系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的人工操作模式，將手動生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械自動生產(chǎn)，甚至實現(xiàn)了遠程控制。技術(shù)人員只需要在控制室即可完成參數(shù)調(diào)整、進給量控制等一系列操作，在降低工作人員強度的同時，保證了工作人員的人身安全[2]。同時，人工操作可能會出現(xiàn)不可控的失誤，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格等，而智能制造技術(shù)的控制系統(tǒng)可有效避免人為失誤，確保生產(chǎn)標準化，提升品控力度。

1.3 智能制造技術(shù)在設備故障處理中的應用

從機械制造工程的生產(chǎn)流程來看，機械設備的生產(chǎn)效率與企業(yè)的經(jīng)濟效益有著直接關(guān)聯(lián)。因此，在設備生產(chǎn)過程中，要確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行，避免設備故障造成流程中斷。傳統(tǒng)的機械制造模式只能起到事后處理的效果，無法有效防范設備故障，實現(xiàn)故障的快速排查和檢修。而在智能制造技術(shù)的輔助下，傳感設備、自動化技術(shù)和智能技術(shù)共同構(gòu)成故障預警和處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)對設備故障的事前預測和快速響應[3]。它通過對設備的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，能夠掌握設備的參數(shù)、性能、運行狀態(tài)等，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)設定的閾值判斷數(shù)據(jù)是否正常。一旦出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)第一時間開啟故障檢測機制，明確故障位置和故障成因，并及時發(fā)送預警信息給技術(shù)人員，通知其快速處理。在日常生產(chǎn)過程中，智能制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設備的科學管理和定期養(yǎng)護，分析設備的各項數(shù)據(jù)，了解設備當前的工作狀態(tài)，分析養(yǎng)護周期數(shù)據(jù)，提示維修人員進行日常養(yǎng)護，大大提高了日常養(yǎng)護效率。

2 智能制造技術(shù)在機械制造工程領(lǐng)域應用中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是設計研發(fā)和裝配制造環(huán)節(jié)的核心技術(shù)。傳統(tǒng)的設計研發(fā)采用圖紙設計方式，容易出現(xiàn)模型計算錯誤、圖紙不合要求等情況，且修改和調(diào)整較為復雜。虛擬仿真技術(shù)的應用優(yōu)勢在于實現(xiàn)了設計研發(fā)環(huán)節(jié)的虛擬化和可視化，借助計算機建模和虛擬場景搭建的方式，模擬整個產(chǎn)品的研發(fā)、制造和運行過程，并通過算法明確產(chǎn)品的各項指標數(shù)據(jù)[4]。在模擬運行過程中，設計者和其他工作人員乃至客戶都能夠清楚看到產(chǎn)品的運行模式，還能夠根據(jù)即時需求對設計方案進行調(diào)整和二次模擬，壓縮研發(fā)流程，確保產(chǎn)品符合設計需求。

在裝配制造環(huán)節(jié)，虛擬仿真技術(shù)可以搭建智能化生產(chǎn)線，并模擬產(chǎn)品的裝配過程。工作人員借助穿戴式設備在虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境中完成整個裝配流程，并調(diào)節(jié)和校準各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，明確裝配流程的具體步驟和各項數(shù)據(jù)。如果其中出現(xiàn)誤差和問題，可以實時進行調(diào)整。模擬完成后即可投入正式生產(chǎn)，最大限度降低裝配失誤概率。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的深入應用使得各行各業(yè)的信息化、智能化進程加快，其中機械制造工程領(lǐng)域的研發(fā)工作、生產(chǎn)工作和管理工作都逐步融入了大數(shù)據(jù)技術(shù)。在研發(fā)階段，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用主要在于市場調(diào)研和產(chǎn)品需求分析，通過采集產(chǎn)品研發(fā)所需的各項指標，包括市場供需指數(shù)、行業(yè)數(shù)據(jù)、同類產(chǎn)品數(shù)據(jù)等搭建需求模型，充分貫徹以市場為導向的研發(fā)原則，將用戶需求融入產(chǎn)品研發(fā)、設計和生產(chǎn)的各個階段，生產(chǎn)具有針對性的產(chǎn)品[5]。

在生產(chǎn)工作中，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)設備的實時監(jiān)控、對產(chǎn)品質(zhì)量的標準化控制以及生產(chǎn)計劃優(yōu)化等。以生產(chǎn)計劃優(yōu)化為例，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠采集并分析歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、庫存去化周期，并結(jié)合現(xiàn)階段的市場供需情況預測未來的生產(chǎn)需求，編制生產(chǎn)計劃，提升生產(chǎn)行為的準確性。

在管理工作中，大數(shù)據(jù)計劃能夠?qū)崿F(xiàn)信息實時共享、客戶價值管理，還能夠輔助進行供應鏈的精益化升級，提升企業(yè)內(nèi)部控制水平和市場服務水平。在精益化管理工作中，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠分析機械制造環(huán)節(jié)的生產(chǎn)消耗，科學調(diào)整資源投入結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的智能制造。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機械制造工程領(lǐng)域的諸多層面都有應用，主要通過無線感知設備、智能通信技術(shù)和信息技術(shù)實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的人、物、環(huán)境的網(wǎng)聯(lián)化，如圖1 所示。從當前的實踐情況來看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)制造、倉儲管理和物流管理層面融合較為深入[6]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)在機械制造工程領(lǐng)域的應用架構(gòu)

在生產(chǎn)制造上，物聯(lián)網(wǎng)能夠借助射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、攝像頭、無線通信技術(shù)，將生產(chǎn)車間內(nèi)的機器設備與生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)連接，實時監(jiān)控生產(chǎn)流程，實現(xiàn)生產(chǎn)線的運行管理和數(shù)據(jù)監(jiān)測，并對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)分析和評估，勾勒生產(chǎn)趨勢圖，降低生產(chǎn)過程中的資源消耗和能源消耗，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

在倉儲管理上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠通過對倉庫、管理對象等元素建立統(tǒng)一識別系統(tǒng)，實現(xiàn)對機械制造設備、原料和產(chǎn)品的智能管理。以原料管理為例，企業(yè)管理人員將RFID 芯片安裝在倉庫和原料上，通過傳感信號連接管理系統(tǒng)并建立原料數(shù)據(jù)庫，使得原料的出入庫實現(xiàn)自動登記和自動管理，并在系統(tǒng)內(nèi)留下對應記錄。當原料供應不能滿足生產(chǎn)需求時，系統(tǒng)將自動發(fā)送相關(guān)提示，觸發(fā)采購行為，從而確保生產(chǎn)活動的持續(xù)性[7]。

在物流管理上，在對設備、原料、產(chǎn)品進行運輸時，不僅需要實時監(jiān)控和追蹤物流狀況，而且部分物料對運輸條件有特殊要求。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)φ麄€物流過程進行智慧化管理，保證運輸過程中的存儲條件，準確把握運輸定位，為物料接收提前做好準備，縮短物流和生產(chǎn)之間的銜接時間，實現(xiàn)兩大環(huán)節(jié)的一體化和高效化。物流管理中主要應用了全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)、RFID 技術(shù)和自動化控制技術(shù)。

3 智能制造技術(shù)在機械制造工程領(lǐng)域中應用的發(fā)展趨勢

隨著智能制造技術(shù)的日趨成熟，我國的機械制造工程領(lǐng)域逐步邁向現(xiàn)代化、信息化和智能化。計算機技術(shù)的深度融合，有效提升了數(shù)據(jù)的處理效能和系統(tǒng)的智慧水平，使得智能制造技術(shù)逐步呈現(xiàn)出人機交互、模塊化生產(chǎn)等新的發(fā)展趨勢。

人機交互是指真人和系統(tǒng)、機器之間的交互。智能技術(shù)的應用使得人機交換接口逐步普及，全自動化的操作模式迅速推廣，加上近年來可視化設備的應用，進一步推動了人機交互的便捷性和智能化。

模塊是指一個產(chǎn)品子功能的標準結(jié)構(gòu)單元。一個產(chǎn)品往往由多個模塊構(gòu)成，通過組裝形成一個功能整體。模塊化的優(yōu)勢在于標準化和多樣化。客戶可根據(jù)自身需求對產(chǎn)品模塊進行重組和優(yōu)化，形成新的產(chǎn)品。模塊化生產(chǎn)的前提是制造技術(shù)的不斷成熟，使得生產(chǎn)所需的各類設備的體積不斷壓縮，同時功能逐步健全[8]。未來機械制造工程領(lǐng)域的生產(chǎn)將逐步細分，機械設備柔性快速提升，會更加符合模塊化生產(chǎn)需求。

4 結(jié)語

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的機械制造模式弊端顯露，難以滿足不斷變化的市場需求。機械制造工程必須朝著現(xiàn)代化、數(shù)字化與智能化方向發(fā)展，推動計算機技術(shù)與生產(chǎn)技術(shù)的有效融合，促使智能制造模式成為機械制造工程的主流模式。