人工智能在机械加工及其自动化过程中的应用探究

2021-09-25王丽敏

农机使用与维修 2021年9期

王丽敏

(辽宁职业学院，辽宁铁岭 112001)

0 引言

21世纪以来，计算机、物联网信息技术的不断发展，人工智能作为新兴产业逐渐进入人类生产生活的各个层面，为机械制造和自动化创新发展提供了新的发展方向与基本的技术支撑。人工智能是新一代信息技术的产物，通过赋予机器设备以人的思维和思考方式，使设备能按照人的基本思路和想法去完成工作任务。近年来，随着中国制造2025计划的不断实现，人工智能在人类的生产生活中随处可见。同时，机械加工是国民经济发展和人民日常生活的保障，将人工智能技术与机械加工融合发展，是现代学者重点研究的对象。

1 人工智能的基本概述

1.1 人工智能的定义

人工智能(Artificial Intelligence，AI)，是一门综合性和实用性较强的计算机技术[1]，人类通过对产品设计、开发、训练，使得产品能模仿人类的基本思考和决策能力，并将机械、电气和控制等学科领域进行融合，使产品具有一定的执行能力，代替人类进行在生产过程中高强度、高难度、高精度的复杂作业。

1.2 人工智能的学科范畴与基本内涵

人工智能是一个多学科领域互相融合、协同发展的技术领域，各门类学科作为人工智能的基本科学支持，通过将制造、装配等具体问题和人工智能的基本成果进行结合，不断拓宽其在自然语言、智能搜索、知识获取和复杂系统等方面的研究范畴，最终实现在生产生活中常见到的智能服务，如智能控制、专家系统、黑灯工厂等(图1)，具体阐述如下。

图1 人工智能的基本内涵

哲学、认知科学、数学、神经生理学、计算机科学等学科领域内的发展是实现人工智能的基础。如通过哲学，确定生产系统中以人为中心的设计规划理念，通过数学中微分、离散等知识抽象出具体问题中的相互关系，通过神经心理学确定人工智能的基本学习规则和方法，最后计算机科学作为载体，运用计算机技术在虚拟端实现智能装备的训练和调试。

自然语言处理、智能搜索、机器学习等研究领域是在基础学科的支撑下，结合现实问题所研究出来的，其是实现在基础学科和智能应用服务之间的连接关系，根据智能服务要满足的具体功能，其借助计算机语言，智能算法等对具体问题进行数学描述，对数据记性提取和整理。

人工智能在制造业的应用领域主要涉及到产品的生产和质量控制过程，如通过数据爬虫服务爬取数据库中专家系统构建、模式识别状态下在制品质量把控、数字孪生工厂中的黑灯工厂构建等。

2 人工智能在机械制造及其自动化过程中的应用

机械加工及自动化技术的融合发展，对我国工业的发展起到重要的技术保证，本节重点介绍我国机械加工及其自动化的发展现状和人工智能在机械加工过程中的融合发展途径。

2.1 机械加工及其自动化现状

机械加工及自动化技术已经成为装备制造业中的支柱性技术，随着我国经济体量的不断扩大，大型机械设备逐步取代了人工作业的方式，机械加工与自动化技术的不断发展，满足了大批量生产需求的同时，将人工成本和时间成本控制在最小。虽然近年来我国的机械制造业得到了快速发展，但其在管理、设计、制造工艺、自动化技术方面还存在较大的改善空间。

2.1.1 管理模式有待革新

我国现代工业发展较晚，在管理模式和管理思想上与发达国家仍存有差距，同时管理工具的不完善也使得我国机械自动化技术程度不高，在机械加工过程设计和管理上缺乏数据和技术支持。

2.1.2 数据处理能力薄弱

与发达国家相比，我国在机械加工过程信息数据处理方面的能力仍不足，缺少有力的技术手段对机械加工过程中的自动化工具进行设计和制造，这也是我国现阶段机械自动化程度低、发展受限的原因。

2.1.3 标准文件系统不成熟

传统作坊式生产模式对于建设标准化工艺文件产生不利影响，机械自动化技术需要操作人员对机械设备下达明确的加工指令，设备才能按照操作者的要求进行作业，我国传统的作坊式生产模式导致部分员工未养成及时记录工艺数据的习惯。

我国的自动化技术在国际自动化水平中仍处于落后地位，尤其是现阶段人们均在追求个性化定制产品，这对于我国的自动化技术产生了极大的挑战，机械加工在柔性制造、多轴联动机床的设计和实现等方面仍有较大的进步空间。

2.2 人工智能在机械加工及自动化技术融合发展途径

2.2.1 在机械加工工艺设计阶段

随着技术的不断革新发展，机械加工工业设计的方法也发生翻天覆地的变化，相对于传统的操作者按照经验技术对机械加工的工艺过程进行设计，人工智能支持机械加工设计前的虚拟验证，由设计者将数据整理后，借助CAD、Pro.E、ANASYS等三维视图工具对机械加工的基本工艺流程和加工过程中的能量损耗进行评估，选择最优工序。

2.2.2 加工过程中的质量把控

过程质量是标志机械加工自动化水平的重要指标，将人工智能运用到机械自动化加工过程中，能极大避免因外部干预导致的产品质量不合格等问题，从根本上保证了机械自动化加工的精度，提升了机械加工的水准。此外，将人工智能如模式识别、自动对刀、信息反馈等技术与机械自动化加工技术相结合，还能让设备具有智能调整、智能分析的功能，使得产品满足更多人的需求。

2.2.3 设备与产品的信息数据收集

物联网技术是人工智能的基础支撑性技术，其对设备端和产品端的数据采集和传输具有重要作用。工程师通过在设备关键部件设置传感装置，在加工现场布置物联网络，通过设定固定的数据采集频率，实现机械加工过程中的设备运行数据、产品健康状态数据的采集、传输和储存。人工智能的聪明程度取决于训练数据和训练次数的多少，通过在机械加工过程中的数据进行收集，并将该数据作为人工智能的训练数据，能极大提高机械加工的智能程度。

3 人工智能助力机械加工及其自动化的支撑技术

3.1 计算机辅助设计技术

计算机辅助设计技术是工程学领域中常用的基本工具[2]，其主要解决在产品工艺设计过程中的计算、信息存储和图形绘制等工作。机械加工的基本依据就是产品图纸，人工智能与机械自动化加工融合发展的过程，计算机辅助设计能实现智能终端与设计者之间的信息交流，同样需要以图纸作为基本指令要求。

3.2 虚拟现实技术

虚拟现实技术又称为“灵境技术”，其将计算机图形学与人机接口技术、传感器技术等结合，实现逼真的人工模拟环境。虚拟现实技术是人工智能的重要组成部分[3]，如在机械自动化加工前，通过虚拟现实技术，全面完整地展示加工的整个过程，对于完善作业内容、提升加工质量具有重要意义。

3.3 有限元仿真分析技术

有限元分析技术是利用数据近似的方法对真实物理系统进行模拟，是虚拟仿真技术的一种，但其可以通过有限网格划分对设备的强度、刚度等属性进行数据化表示。如在机械加工过程中，通过对加工过程中刀具的受力情况进行分析，按刚度将刀具划分为不同的等级，在进行不同产品的机加过程中智能选择合适的刀具，减少不必要的浪费和避免加工过程中的安全隐患。