智能制造与机床认知

任务导入

请同学们讨论什么是智能制造？请列举下面数字化智能工厂（如图1.1.1所示）的特征。

图1.1.1　数字化智能工厂

知识平台

1.智能制造及智能机床的发展历史及背景

在2015年的中国国际机床展览会（CIMT2015）上，沈阳机床集团在展会现场展出了一台基于工业互联网的i5M1 智能机床，如图1.1.2所示。参加会议的观众可以将自己的星座、生肖、英文签名通过手机App 下单，信息同步到网络云端，同时根据用户的所在区域沈阳、临沂、青岛等十多个机床4S 店进行用户定制工艺品烟灰缸的加工。在展会结束之后，用户回到所在地区，即可根据所填信息到本区域4S 店领取。这是国内第一次体现智能机床概念的展示，充分体现了智能机床和智能制造的特点：分级式管理、分布式生产、分享式经济。

图1.1.2　i5M1 智能机床

智能制造是在现代传感技术、网络技术、自动化技术和人工智能的基础上，通过感知、人机交互、建模和仿真形成决策；再通过执行和反馈，实现机床设计过程、制造过程、企业管理服务的智能化。

智能制造是将先进制造业与通信技术、计算机技术结合，是以ICT 系统和CPS 为框架的先进制造技术。

将重复、烦琐的人工劳动转化为以工业机器人为核心的智能制造是未来的发展趋势。智能制造是中国制造业转型升级的必然性，中国也提出了“中国制造2025”战略。《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针。无论是美国的CPS、还是德国的“工业4.0”、还是中国的“中国制造2025”都需要针对消费需求的个性化，要求传统制造业突破现有的生产方式与制造模式，根据消费需求海量数据与信息，进行大数据处理与传递；而在进行这些非标准化产品生产过程中产生的生产信息与数据也是大量的，需要及时收集、处理和传递。这两方面大数据信息流最终通过互联网在智能制造设备交汇，由智能制造设备进行分析、判断、决策、调整、控制开展智能制造过程，确保生产出高品质个性化产品。这就决定了互联网、信息技术与制造业融合后，最终形成新一代互联的智能制造工厂（系统）以替代今天的生产体系。因此，应寻找智能制造设备与信息技术融合性的突破点，大数据建立与分析应用的突破点，做到互联网应用技术的升级，培养信息技术与制造技术结合的复合型人才。

针对国家智能制造人才的培养目标，相应的技能大赛也应运而生。2017年12月，我国人力资源社会保障部在广东惠州举行了“中国技能大赛——全国智能制造应用技术技能大赛”，赛场布局如图1.1.3所示。技能大赛的布局为一台车床、一台铣床、一台带“地面导轨”的七轴机器人、料架，以及带MES 的电脑。比赛主要流程为：首先，机器人在料架进行RFID（射频识别）；然后，机器人夹取毛坯到一序车床加工，并进行在机测量，测量后机器人将毛坯取回到料架；最后，机器人夹取一序加工的零件在二序加工中心加工。全程使用总控PLC 控制，实现无人化的智能加工、图像监控、零件序中尺寸检测，以及零件出入料库的信息识别。

图1.1.3　中国技能大赛的赛场布局

比赛分切削加工智能生产单元生产与管控赛项、切削加工智能生产单元安装与调试赛项，如表1.1.1所示。

表1.1.1　中国技能大赛设置的任务

续表

2.智能工厂的模式及特点

中国智能工厂的发展和特点：智能工厂在发展初期智能工厂经历了两个阶段，第一个阶段是单一化，从解决生产单一的问题和与直接生产人力相关的问题入手，针对人工劳动强度较大，人力配置及生产成本较高的生产环节，开发功能单一的自动化设备，以节省直接生产人力；第二个阶段是实体设备连接化，进行工厂生产制程连接化的整体规划，为降低车间物流人力，规划并开发了自动化物流线、自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）等自动物流技术，将车间里一个个孤立的生产设备、工站等，有机连接起来，以减少中间环节，缩短产品物流周期，使加工、装配、检测、物流、取放物料等生产过程融为一体。工厂生产连接化的规划及自动物流技术的广泛应用，不仅有效减少了物流等间接生产人力的需求，同时也缩短了生产周期，使物料可以准确、连续、及时地在各工站之间进行自动传递对接。工业机器人的生产应用，使智能工厂的发展十分迅速。机器人配合自动化设备，在生产各环节中大量渗透应用，替代人工操作设备，进行直接生产，使人力的需求大幅度减少，是智能工厂在这一时期发展的特点。机器人在车间内有序地运行，使车间成为机器人的天下，生产过程蔚为壮观。智能工厂通过这两个阶段的发展，生产全过程渗透，全面增强了规模化生产的技术经济实力。自动化设备和工业机器人的大量生产投入，大幅度降低了直接和间接生产人力的需求，在解决企业的“用工荒”“人性化”等与生产人力相关的问题上，发挥了重要作用。

智能工厂在进入第二个阶段，形成实体化连接后，仍然需要较多的生产技术管理人员，手工采集生产数据，制订生产计划，协调生产进度，优化生产工艺，以及改善管理方式。技术管理人员的生产参与度，手工报表的准确性、及时性，决策的可靠性等方面，成为影响生产管理和企业发展的重要因素。生产的理念、方法按照既定的工艺流程、生产节拍（T/T）、CNC 加工等技术参数，对CNC 生产过程进行整体规划。通过对各生产环节进行工作研究和时间动作分解，分析并优化生产过程，制定整体生产运行方案，提出满足时间动作的技术要求。

智能工厂也称为智慧工厂，它的建立是以提升资源利用率和生产效率为价值目标，创造出不断挖掘新型工业化潜力的精益化生产环境，以生产制造、自动化等刚性技术为基础，以企业文化、精益生产等软性指标为核心，在“工业4.0”的推动下，通过建立“自动化+ 互联网+ 精益生产”的工厂生态循环系统，将全部生产要素（工艺、设备、资源、信息、产品和人等）融入互联网络，以无线或有线方式，点对点交换信息，进行实时数据采集、运转监控、分析改善，使生产运行持续、稳定的提高。i5智能工厂的建立公式即“自动化+互联网+精益生产=智能工厂”，如图1.1.4所示。

(www.xing528.com)

图1.1.4　智能工厂案例

（a）i5智能机床的运作模式；（b）i5智能工厂模式在2016 辽宁省数控大赛的展示；（c）桁架机器人自动化工厂；（d）i5数字化工厂；（e）i5智能工厂体系。

3.智能机床的特点

i5数控机床是沈阳机床经过5a 研发并于2015年量产的新一代数控机床。沈阳机床开发的i5数控机床正是基于当代互联网环境下的、以行业应用为基础的新一代数控机床，即工业化（industrialization）、信息化（informatization）、网络化（internet）、智能化（intelligentialize）、集成管理化（intergration），这5 个代表未来数控机床发展方向的英文单词的首字母都是i。i5数控机床也是集成了以上特点，体现了未来数控机床智能化的发展方向。在机床的命名上也是以i5作为机床名称的开头，比如i5T3。所以i5数控机床也被称作i5智能机床。

智能机床相比于传统数控机床，具有以下特点：

（1）实现制造过程透明，成了一台智能终端，方便加工零件，产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据；

（2）实现设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联，为实现智能制造提供精准的数据依据，成为新制造业态的基础。

智能机床具体的特点如下：

（1）操作智能化，操作更加方便，类似智能手机；

（2）编程智能化，编程时更多地加入了人机对话以及方便的图形模拟画面；

（3）维护智能化，维护可以依据互联网进行；

（4）管理智能化，与车间MES 结合，利用智能手机、平板都可以实现在线监控，让生产管理更透明、智能。

除此以外，作为智能工厂的一个智能终端，i5智能机床还可以通过智能化的检测设备快速方便地进行工件加工序中、序后精度检测、反馈；可以通过移动网络进行网上报修、计算机辅助制造（CAE）、数模转化加工程序、工艺信息共享等功能，i5智能机床的特点如图1.1.5所示。

图1.1.5　i5智能机床的特点

西门子智能机床源于“工业4.0”背景下德国工程人才培养理念。覆盖产品设计—生产规划—生产工程—生产执行—服务的全价值链，形成完整的德国先进制造业链背景。西门子智能机床参照工业技术标准及系统环境，依托机电一体设计制造过程，不仅可应用于整个设备研发阶段，还可以用于工科技术技能型人才的教学培训培养过程。它彻底提升了机械装备制造业企业附加值，是贯穿设计—调试—制造全产业链的重要技术。数控数字化双胞胎分为“虚拟调试”及“虚拟机床”两类，分别服务于产品研发、设计、调试、维护，加工编程与制造工艺两个方向。在数控设备设计、调试及加工与制造过程中借助西门子智能机床可以实现产品研发、设计、生产直到服务的全过程，从而缩短设计及研发周期，提高调试成功率，提高生产力、可用性和过程可靠性，优化加工精度、加工过程乃至维护和服务效率，并降低成本。这些优势在新产品研发、小批次、定制化产品的生产中更为明显。图1.1.6 是西门子智能机床虚拟调试场景。

图1.1.6　西门子智能机床虚拟调试场景

练习与提高

1.请对智能机床进行定义。

2.请对智能工厂的模式进行总结。

3.请对i5智能机床的特点进行说明。

4.请对西门子智能机床的应用进行说明。

5.请描述智能制造的发展趋势。