智能化制造技术范文

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一、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。

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Keywords: machinery manufacturing; intelligent; technology

中图分类号：TD406 文献标识码：文章编号:

前言：

机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科,是以提高质量、效益、竞争力为目标,包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。随着社会的发展,人们对产品的要求也发生了很大变化,要求品种要多样、更新要快捷、质量要高档、使用要方便、价格要合理、外形要美观、自动化程度要高、售后服务要好、要满足人们越来越高的要求, 就必须采用先进的机械制造技术。

1机械制造技术的发展在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。当前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体。机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

2智能化技术发展趋势

2.1性能发展方向

2.1.1 高速高精度高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

2.1.2 柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大。可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群拉系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

2.1.3 工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

2.1.4 实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展。由此产生了实时智能控制这一新的领域。

2.2功能发展方向

2.2.1 用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术，也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用。人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

2.2.2 科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语育表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

2.2.3 插补和补偿方式多样化。多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

2.2.4 内装高性能PLC。数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形圈或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能，编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实侧，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

2.2.5 多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域。应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

2.3体系结构的发展

2.3.1 集成化。采用高度集成化CPU，RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度，应用LED平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点。可实现超大尺寸显示。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，掘高系统的可靠性。

2.3.2 模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化，根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服，PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

2.3.3 网络化。机床联网可进行远程控制和无人化操作，通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行。不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

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在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。当前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体。机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

二、智能化技术发展趋势

1.性能发展方向

（1）高速高精度高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

（2）柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大。可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群拉系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

（3）工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

（4）实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展。由此产生了实时智能控制这一新的领域。

2.功能发展方向

（1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术，也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用。人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

（2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语育表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

（3）插补和补偿方式多样化。多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

（4）内装高性能PLC。数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形圈或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能，编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实侧，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

（5）多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域。应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

3.体系结构的发展

（1）集成化。采用高度集成化CPU，RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度，应用LED平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点。可实现超大尺寸显示。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，掘高系统的可靠性。

（2）模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化，根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服，PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

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二、智能化技术发展趋势

1.性能发展方向

(1)高速高精度高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大。可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群拉系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

(3)工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

(4)实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。

2.功能发展方向

(1)用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术，也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用。人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

(2)科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD／CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

(3)插补和补偿方式多样化。多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D 2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

(4)内装高性能PLC。数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形圈或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能，编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实侧，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

3.体系结构的发展

(1)集成化。采用高度集成化CPU，RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度，应用LED平板显示技术。可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点。可实现超大尺寸显示。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，掘高系统的可靠性。

(2)模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化，根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服，PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。