探究智能制造与先进数控技术

李应晓 刘 庆 杨立琨 吕兆兰 闫孟娇 李炳勤

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090）

制造业是经济发展的重要支柱之一。在众多的经济扶持政策下，我国制造业的发展水平不断提升，并研发出了各种各样的新技术与新设备。尤其是在智能化的发展趋势下，传统制造行业纷纷进行技术改进，目前智能制造已经成为传统制造改革的标志。先进数控技术是智能制造的技术支撑。深入研究智能制造与先进数控技术，有利于将先进数控技术更好地运用于智能制造，从而提升制造行业的整体水平[1]。

1 智能制造的主要内涵

智能制造是在传统制造的基础上，通过引进各种智能化设备与智能技术，改进制造过程中的生产工艺与生产设备，从而实现生产过程智能化的制造方式。与传统制造技术不同，将智能化技术引入到制造中后，传统工艺中危险性高、不易操作的环节皆可通过智能化技术控制相关设备按照程序设置自动完成，从而有效提升产品生产的效率与质量[2-3]。智能制造是基于计算机技术运用的智能技术，具有强大的数据处理与存储能力，能够自动处理与保存生产过程中产生的数据。数据处理完成后，还可根据数据类型自动生成生产报告发送到管理端，以供企业管理人员进行查询与决策。基于大数据与人工智能技术，智能制造控制端经过长期改进与完善，已经具备较高的智能化程度，且拥有自我学习的能力，能够不断提高产品制造的过程控制及智能化水平。智能制造发展路径如图1所示。

图1 智能制造发展路径

2 先进数控技术的种类

2.1 高速、高精联动控制技术

数控机床与传统的普通机床不同，在实际运用时多采用多轴联动的方式同时控制与完成产品的生产。但由于数控机床控制的设备，伺服的减速与加速变化较快，从而导致不同机床的运行状态存有明显的差异[4]。受此因素的影响，数控机床采用多轴联动的生产方式时经常会出现精准度控制较低的情况，从而造成产品的轮廓轨迹偏差较大。但若是将高速高精联动控制技术运用于数控机床，通过预先设置生产程序，并在控制数控机床的过程中对多轴联动进行合理补偿，就能够实现对不同环节的生产运动进行针对性控制，从而提高生产运动的精准性。对于数控机床的控制算法，可采用比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）反馈控制技术，以进一步强化数控机床的抗干扰能力，提高信号传输的稳定性。通过引进高速高精联动控制技术，可有效避免生产轮廓出现较大误差，从而提高产品的制造精度。高速、高精联动控制技术示意图如图2所示。

图2 高速、高精联动控制技术示意图

2.2 机床多源误差补偿技术

因数控机床采用多轴联动的加工方式，在各种内外因素的影响下，数控机床的加工精准度比较低。根据对数控机床运行方式的分析，发现数控机床的误差来源主要分为零件原始制造误差、安装误差与使用磨损误差3种，其中使用磨损误差对产品加工精准性的影响最大[5]。针对数控机床的这种特点，可以采用合理的设计方式有效提高数控机床的操作能力，以便能够更好地运用机床多源误差补偿技术，从而优化数控机床的整体运用水平，提升数控机床的加工精准度。不同于数控机床中其他先进数控技术，运用机床多源误差补偿技术时是通过采用测量、分析与统计的方式深入分析机床的特性与规律，从而在建设误差模型的基础上科学计算误差的数值量，进而消除产品生产的误差。现有的机床多源误差补偿技术已演变出4类技术，即几何误差补偿技术、热误差补偿技术、力误差补偿技术与振动主动抑制技术。每种误差补偿技术的误差控制效果有所不同，需根据实际情况需要确定使用哪种误差补偿技术。

2.3 智能化控制技术

随着智能化技术的不断发展与创新，将智能化技术运用于产品加工中形成智能制造的加工方式，在机床加工中已经十分常见。具体而言，智能化控制技术是以计算机技术基础为依托，通过融合先进的大数据技术，在采集各种机床数据后形成对应的加工模型。构建出模型后，根据机床加工的内部算法对数据进行智能化计算，并实时监控数据，以便于及时适当修改设备参数，确定设备是否存在运行故障。在智能化控制技术的支持下，数控机床的整个加工过程均可在功能扩展后自主学习、控制与维护数控机床。需要注意的是，在运用智能化控制技术的过程中，只有做好大数据的采集工作，通过数据挖掘的方式有效开展设备参数优化与分析，才能实现数控机床的智能化控制。

3 实现智能制造与数控技术结合的技术路线

3.1 在自动化信息系统中的应用

智能数控技术是通过将智能制造与数控技术相结合而形成的一种功能复杂的综合性技术。将智能数控技术运用于自动化信息系统中，可在此技术的支持下有序开展产品的设计、加工与生产工作，从而使产品生产的效率与质量得到大幅提高[6]。对于产品加工与制造而言，要想实现自动化检测与控制，需做好产品生产全过程的信息流控制，特别是产品设计与生产检测信息管控环节。这些环节的信息流比较大，采用传统的人工信息控制方式效率较低，而合理运用智能数控技术可为自动化信息系统提供功能协助。

3.2 在自动化检测中的应用

自动化技术的应用优势较多，在机械制造中的应用越来越广泛，经过不断改进与完善，现有的机械自动化模式已经比较成熟。相对于自动化制造模式，智能数控技术的发展时间较短，在自动化检测中的应用不够深入，应用难度较大，但整体技术效果十分良好。在产品制造的后期环节中，加工生产操作十分复杂，不易控制产品加工生产的精准性。若将智能数控技术运用于自动化检测中，在计算机技术的协助支持下，可以自动对产品进行质量检测，从而及时发现质量不合格的产品，提升产品生产的效率与质量。

3.3 在安全防控中的应用

机械制造的生产环节较多，需要运用大量的劳动力，加上机械制造的生产周期短、工作量集中、制造量密集，极易降低生产人员的工作积极性，甚至引发各种安全事故。积极应用先进的数控技术，通过整合智能制造技术进行新生产模式研发，可改进机械制造的生产环节，降低各个环节中工人的劳动强度。同时，在出现生产数据异常时，可及时将报警信息发送给管理端，从而避免引发较为严重的安全事故，保障人员和设备安全。

3.4 在物流和产品装配中的应用

物流和产品装配的效率直接制约着产品生产的整体水平。在进行物流运输与产品装配时，基于自动化物流操控系统的运用，通过引进智能数控技术并进行功能扩展，同时在计算机终端进行预先指令安排，根据生产需求进行指令输入，即可将生产材料运输到指定位置。由于产品生产与装配已提前设定完成，系统会自动检验、输送、组合零配件，从而降低零配件的装配错误率，保障后续产品生产的精准性与质量，提高产品的生产水平。物流与装配智能化应用体系架构示意图如图3所示。

图3 物流与装配智能化应用体系架构示意图

4 结语

在我国经济体制改革的背景下，人们更倾向于工作环境条件较好的工作，从而导致制造行业的人力资源短缺现象愈发严重。加上当前社会对于制造行业的要求（如生产质量与生产效率）愈发严苛，传统工业制造方式已经无法满足这种需求，智能制造必然会成为制造业发展的趋势。因此，相关技术人员要以智能制造为导向，加大先进数控技术融合分析与研究的力度，才能提高智能制造的整体技术水平，推进我国工业制造的自动化与智能化发展。