中国质量协会全国数控设备用户委员会 （北京 100088） 幺开宇 幺炳唐

机械制造设备的智能化、网络化、以及对神经元网络、云计算技术的研究与应用，使机械制造工厂智能化技术得到了跨越式的发展，可以说这是又一次具有划时代意义的工业技术革命。

不具有智能化的数控设备是根据程序指令控制设备的运动轨迹来完成零件加工的，所有的运动和轨迹都是预先把编好的程序输入到数控系统中，不管加工条件和环境变化，严格执行程序命令，是一个被动执行者。智能化数控设备就是融合了智能化技术的设备，是实现智能化制造任务的主要执行者。智能化数控设备能根据当前的加工条件和环境，对制造过程的信息感知与分析、通过感知进行自主判断和决策，实时地优化调整参数，从而保证加工质量和效率。

1.智能化制造数控设备的关键技术

目前，智能化制造数控设备的关键技术，除了机械主体以外，主要是由智能数控系统技术、智能感知技术、智能自适应技术、智能神经元网络技术、智能云计算技术和智能专家系统等主要技术构成。

（1）智能化数控系统 数控设备智能化的发展是以数控系统完善的软硬件功能及高灵敏度、高精度感知检测系统为基础，以适应智能化、信息化、数字化集成技术发展的要求。为追求数控设备加工效率和加工质量，数控系统不但有自动编程、前馈控制、模糊控制、自学习控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等智能化功能，并有故障诊断专家系统，使自诊断和故障监控功能更趋势完善。伺服驱动系统智能化，能自动感知负载变化，自动优化调整参数。如发那科推出的HRV控制，通过共振追随型HRV滤波器，可以避免因频率变动而造成设备的共振。通过融合旋转伺服电动机，高精度、高响应和高分辨率脉冲编码器，实现高速和高精度的伺服控制，保证极其平稳的进刀。

西门子基于Internet的“ePS”（电子产品服务）软件方案，可通过互联网访问Sinumerik840D sl/828D数控系统，通过其CM系统在线连续监控数控系统的轴状态、PLC状态等，并评估机床状况、分析机床相关参数，可实现远程诊断维修服务，防止早期故障引起的停机检修，提高了可靠性和生产效率，降低了维护费用。海德汉公司研制的自适应进给控制AFC功能，根据刀具轴性能和其他工艺参数优化进给率，可在状态窗口显示一个动态条形图，可以看出加工进给率与主轴性能之间的相互关系，从而供用户分析选择最佳运行参数。

国产数控系统正在努力朝智能化方向发展，引入了一些智能化技术。比如华中的“华中8型”和凯恩帝“KND1000TIV型”等数控系统都具有自诊断功能、状态实时显示和故障实时报警等智能化功能，并都在进一步丰富和完善智能化技术。

（2）智能自适应控制技术 自适应控制分为工艺自适应和几何自适应。工艺自适应又分为最佳自适应控制系统（ACO）和约束式自适应（ACC）。自适应控制自20世纪60年代已开始研究，但用于生产实践尚不普遍。目前应用面较广的还是结构简单的ACC系统，已用于铣、车、钻、磨、电加工和加工中心等机床上；而ACO多用于加工因素相对简单的磨削和电火花加工（EDM）上。影响加工的因素很多很复杂，不仅建立数学模型困难，而且要实时采集和实时调整参数也有很大难度，有待深入研究。

（3）智能化神经元网络技术 最智能的莫过于人的大脑，人工神经元网络（ANN）是一种模拟人的神经结构，即类似人的大脑神经突触连接的结构进行信息处理的复杂网络系统。人工神经网络具有自学习功能、联想记忆功能、非线性映射功能和高速寻找优化解的功能等。目前，神经元网络多用于数控设备可靠性预测和优化工艺参数方面，神经元网络在机床数控系统方面的研究与应用尚不多见。随着神经元网络技术的发展，在数控机床方面的应用可能会有很好的前景，或许会把数控系统的智能化水平推向高级阶段。未来几年希望能有一个较快的发展。

（4）智能专家系统 专家系统是一个智能计算机程序系统，其专家知识库中含有某个领域大量的专家知识与经验，就是利用这些专家知识、经验和解决问题的方法来处理该领域的技术问题。它能够应用人工智能技术，根据该专家系统中的知识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，来解决需要专家处理的复杂问题。目前，数控设备领域尚缺乏这种专家系统。

（5）云计算将把智能化制造推向更高级阶段 国外工业技术发达国家的大型工业企业、研究机构和高等院校对云计算的研究和发展都极为重视，认为这是一种具有划时代意义的技术。如美国宇航局和通用汽车公司都在研究和应用云计算技术；我国北京建有云计算基地，华为技术有限公司和TCL集团也都特别关注云计算的发展、研究和应用。

在我国机床行业也启动了云计算的研究工作。2012年7月7日，ACL力丰集团和中科院正式签署了“云计算技术应用于机床制造”的合作协议。2012年8月7日“诺美雕刻机”发布“云计算技术应用于雕刻机”的信息。

2.智能化工厂

智能化机械工厂是以“智能化”为核心，以智能化、数字化、网络化为主要特征的生产、经营实体。智能化工厂将逐步分层次实现。智能工业机器人在智能自动化制造工厂中扮演着重要角色。

（1）智能工业机器人 在智能化数控设备中，除了各种数控设备和相关数控配套设备以外，智能工业机器人在智能制造单元、智能制造系统和智能制造工厂中具有重要作用。

例如日本发那科开发的智能化工业机器人，安装了三维视觉传感器和力传感器，用于数控设备自动上下料和产品组装方面。视觉传感器能识别三维图像、能识别零件的位置和姿态，能抓取散放零件。发那科的智能工业机器人，在安装了用于生产的视觉传感器之外，还使用了力传感器用于产品组装作业。

最近几年，国内外的工业机器人专家都把注意力和精力投入到“视觉伺服”智能工业机器人的研究方面，成为国内外最热门的研究课题。工业机器人的“视觉伺服”研究，包括从视觉信号处理到机器人控制的全过程。包括机器人运动学、控制理论；包括实时图像的识别与处理，以及三维信息的获取、处理和重构技术；包括实时计算技术等领域的融合；包括机器人本体标定和摄像机标定技术等。

“视觉伺服”智能工业机器人，技术难点较多，较复杂，但是目前在数控技术领域已有较成熟的高速度、高灵敏度、高精度伺服控制技术和机器人方面的视觉传感技术作为基础和借鉴，相信是能够攻克“视觉伺服”工业机器人技术的。

（2）智能化自动化工厂 在各种智能化自动化数控设备的基础上，智能化工厂将由工厂局部智能自动化、逐步分层次地发展到全工厂智能自动化和社会化智能制造。

第一层次：单机或单元智能自动化。

单机或单元智能自动化，可以实现长时间无人值守。国内外都有用于生产的实例。比如日本发那科在20世纪80年代第一代智能数控加工中心上，加几个用于人工上下料托盘，可以实现24h连续运转。20世纪90年代的第二代智能加工系统，以4～6台加工中心和装有带加工夹具的立体托盘架，能摆放待加工的大量毛坯件，可实现60h连续运转。20世纪末和21世纪初的第三代智能加工系统，称作“智能机器人化加工单元”，该单元就是用智能化机器人为智能加工数控设备的夹具自动装卸工件。与第二代加工系统相比，由机器人代替了人工上下工件，解放了工人的繁重劳力，减少了夹具，减少了设备投资，缩短了生产准备时间，加工质量更加稳定，降低了生产成本。

第二个层次：生产制造系统智能自动化。

在第三代“智能机器人化单元”的基础上，实现计算机网络控制生产车间全自动化系统。包括毛坯仓储管理，再制品仓储管理，成品零件仓储管理及其搬运、装卸、装配作业和质量检验等。

第三个层次：智能化数字化网络制造系统。

在第二层次生产制造系统智能自动化的基础上，配置网络综合管理系统，来实现全工厂的智能化数字化网络制造。智能化工厂的实现主要是靠信息通信技术（ICT）和智能网络的可靠运行加以保证。具有实时资料搜集与传输功能、高效能计算机与分析预测功能、远程监控与诊断功能及模拟功能等。

智能化工厂最核心的部分是生产过程和全面经营运行的智能自动化，包括设计智能化，生产排序自动化，生产线自动化，测试检验自动化，仓储自动化，电力管理智能自动化等等，进一步发展到自动化无人化工厂（绝大多数设备可以无人值守）。

除生产过程智能自动化外，还包括人力资源优化调度，物资资源（设备，工具，材料等）智能优化调配，并具有强化专案时程能力，时间弹性应用支配能力，完善调整生产周期，优化生产经营方案，达到提高生产效率和降低成本的目标。

目前，这种工业网络智能工厂基本形态在技术先进国家有实力的技术先进企业已率先实现。但是用于工业智能网络不同于一般ICT通信网络，有不少难点需要克服。工业智能化网络必须具有防水、防尘、防磁、防爆以及抗高低温和抗腐蚀的能力。在可靠性、耐用性方面都比一般通信网络要求高得多。

例如：Tata汽车有限公司在印度Gujarat投资4亿1700万美元建造一座先进的具有智能化特征的工厂，每一个生产环节都采用“智能化”制造技术，对于来自经销商的订单，可以及时对客户的偏好加以调整，满足个性化需求。采用“智能化”制造技术，可以追踪每种零件的来源，可以快速确认及解决任何可能产生的质量缺陷和安全问题。

此外，智能网络还可以与智能电网相连，以便在能源最为充沛或最便宜时段大量投入设备运行以降低成本。

智能化制造工厂，应该具有掌握整体市场的需求与变化能力，适时调整生产经营的弹性灵活运行，协调生产线，推出最适合市场需求的产品。

发展智能化制造工厂，绝对势在必行。这取决于三大关键要素：人性化操作接口，高功能高速度计算机运算平台连接及跨网络的云端运算与信息集成分析与统计。

第四个层次：智能化社会化生产。

智能化网络化社会化制造，将由企业内部局域网经因特网向企业外部传输。这就是所谓的Internet/Intranet。网络可使企业与企业之间进行跨地区协同设计、协同制造、信息共享、远程监控、远程诊断和服务等。网络能为制造提供完整的生产数据信息，可以通过网络将加工程序传给远方的设备进行加工，也可远程诊断并发出指令调整。网络使各地分散的数控机床联系在一起，互相协调，统一优化调整，使产品加工不局限于一个工厂内而实现社会化生产。智能化社会化制造能够借助Internet网实现跨行业、跨国际智能化制造，进入Internet/Intranet时代。云计算借助Internet网整合了计算机资源，为智能化制造开了先河。智能化网络化社会化制造将引领社会和全球资源的整合与优化运用，同时将有效地提高人类的生活质量，逐步地减少人类的体力劳动而扩大脑力劳动的比重，进入知识社会，智能社会。

3.结语

专家认为，数控机床智能化技术应朝着以下三个方面发展。首先从单因子的约束型的智能控制向综合因素优化的智能控制发展；其次由管理信息和技术信息离线的智能化向过程在线实时智能控制发展；然后由程序设定型智能控制向自主联想型智能控制发展。随着科学技术的进步，数控设备的智能化正在快速发展，智能化水平将不断提高，会变得越来越“智慧”和拟人化。这有大量的研究工作要做，它与思考机理有关，是一个逐步发展进化的问题。

近代出现的智能化航天器、无人驾驶飞机、无人驾驶汽车、无人职守的制造设备、智能无尾电器及智能手机等等，都是高度智能化自动化设备，标志着已开始进入智能化自动化蓬勃发展的时代。