【綜述】 機床行業“智能制造”的發展與展望
【綜述】
機床行業“智能制造”的發展與展望
邵欽作 中國機床工具工業協會
機床工具行業是關系國民經濟和國防安全的戰略性基礎行業。機床是裝備制造業智能制造的工作母機，沒有機床的智能化，就無法實現裝備制造業的智能制造。加快發展智能機床，是實施《中國制造2025》打造制造強國的關鍵和基礎。
智能機床是具有自感知、自決策、自診斷、自調節、自適應和即時網絡通訊功能的高技術機床，它是先進制造技術、信息技術和智能技術的集成與深度融合的產物。智能機床是數控機床發展的高級形態。目前，技術先進國家在機床監控、測量、補償、診斷、加工優化等智能化技術的突破，為智能機床的發展提供了技術基礎。隨著科技不斷創新，智能機床作為移動互聯網智能終端，將成為智能生產系統的關鍵加工設備。
我國處于數控機床的發展階段，在高速、高精、多軸聯動控制、多通道復合加工、網絡通訊等數控技術與國際先進水平比較存在一定差距。目前，我國數控機床的智能化技術尚處于起步階段，我國現階段生產的絕大部分數控機床還不具備智能化功能。近年來，經過行業科研攻關，某些智能化技術開始試驗和應用，并取得積極成果。
1.國產高檔數控系統在智能化功能的研發上取得可喜進展
華中數控、廣州數控、大連光洋、沈陽高精和航天數控等5家數控系統企業在04專項的支持下，自主研發高檔數控系統關鍵技術。經過多年努力，5家企業均攻克了數控系統軟硬件平臺、高速高精、多軸聯動、總線技術、納米插補等一批高檔數控系統關鍵技術，研制出全數字總線式高檔數控系統產品，實現從模擬接口、脈沖接口到全數字總線控制、高速高精的技術跨越。智能化技術主要涉及：空間誤差補償、熱補償、振動補償、多軸控制、RTCP編程、多通道同步控制、虛軸插補、電子齒輪箱、平滑處理、鏡像功能、加加速度控制、刀具智能管理、設備智能維護、遠程監控與診斷、加工參數優化、智能生產管理技術等。我國數控系統企業聯合研制的自主知識產權的NCUC-Bus現場總線技術，已獲批了5項國家標準，并獲得省部級發明一等獎。以華中數控為例，公司組織了400多人的研發團隊，經過6年多的艱苦奮戰，終于攻克了高速高精控制技術、多軸多通道技術、五軸聯動技術等一批關鍵技術，在平臺化、網絡化、智能化等技術方面形成了自身的特色和亮點。
沈陽機床集團通過與上海同濟大學合作組建自己的研究院，從底層技術源代碼算法做起，歷時5年，投入近12億多元巨資，研制成功i5數控系統，建立了iSESOL云平臺，形成了基于iSESOL云平臺的智能機床互聯網應用框架。i5數控系統實現了操作、編程、維護和管理的數字智能制造控制，管理智能化工具可以提供車間級的生產管理信息，能夠實時收集機床信息，掌握設備狀態，進行設備效率分析、成本分析、工單計劃、生產趨勢分析等管理，具有通過手機終端訪問車間管理功能。沈陽機床集團通過充分利用的市場優勢和i5數控系統的技術創新，支撐了商業模式的創新，帶動了i5數控系統產業化。
2.數控機床主機的智能化進程加快
一批數控機床主機制造企業通過科技攻關，在主機上集成應用智能化技術，提高了數控機床的使用性能。主要智能化功能有：主軸監控和溫度補償、運動部件的位置補償和熱補償、加工件在機精度檢測和補償、刀具磨損和破損在機監控、防碰撞功能；同時開發智能化應用軟件，應用于自動編程、仿真、加工參數優化、自適應控制等取得進展。
如沈機集團昆明機床股份公司開發的TGK46100高精度坐標鏜床采用溫度傳感器、溫度模塊等，通過數控系統實時監控主軸系統的發熱變形和熱補償，其五軸聯動機型具有反向間隙補償、螺距補償和體積補償功能。
秦川機床工具集團最新開發的數控蝸桿砂輪磨齒機采用高精度同步控制技術和電子齒輪箱等，整機操作可實現自動裝卡、自動對刀、自動磨削及修正砂輪自動控制，機床配置了壓力、振動、位置、溫度傳感器實時監控機床狀態，提供的智能磨削軟件提高了機床磨削性能，方便用戶使用。
機床行業最新開發的高精度單向走絲線切割機床，配置了六軸數控系統及無電解智能電源、自動穿絲及恒張力機構、溫度補償裝置、電火花線切割加工工藝數據庫等。
機床行業最新開發的五軸數控工具磨床，配置專用數控系統和工具磨削專用軟件，具有復雜型面加工數學建模和自動編程、工件和砂輪在線檢測、磨削尺寸補償、砂輪修正補償、磨削工藝及工藝參數優化等智能化功能，提升了整機智能化水平。
3.具有一定智能功能的國產高檔數控機床示范應用效果明顯
如由武漢華中數控股份有限公司、東莞勁勝精密組件股份有限公司等企業共同建設的東莞勁勝移動終端智能制造示范車間，實現了全國產、自主化的智能制造，被選為全國智能制造試點示范交流會的唯一示范現場。整個項目歷時一年建設，目前已建成擁有10條自動化鉆攻生產線的智能車間，智能車間包括180臺配置華中數控HNC-818AM系統的國產高速高精鉆攻中心、81臺國產華數機器人、30臺RGV、10臺AGV小車、1套全自動配料檢測系統。同時搭載全國產化的工業軟件系統，包括華中數控新一代云數控系統平臺、CAPP、APS高級排程系統、MES生產管理系統、三維虛擬仿真系統等。該車間應用華中數控系統和國產機床，具備智能管理、智能調試、智能補償、智能加工、健康保障、網絡銷售平臺、租賃服務、云端工廠等功能。同時，武漢華中數控股份有限公司在武漢建立了“數控加工大數據中心”，可通過無線網絡對用戶車間生產線相關數據實現遠程監控、加工優化、健康診斷等智能化功能，提升了為用戶服務的水平。
大連光洋科技工程有限公司與北京動力機械研究所（航天科工集團3院31所）合作，致力于采用04專項在數控系統、伺服驅動及電機等方面以及立式五軸加工中心等方面取得成果的應用推廣，結合航天復雜、核心零部件的工藝制造需求開展了深入合作。2013年8月，在大連光洋科技工程有限公司向北京動力機械研究所交付了2臺不同規格的高速高精度五軸立式加工中心。至今，這兩臺承載04專項多項成果的五軸機床已經完成了多個批次、多個品種的航發關鍵零部件的加工，支持了北京動力機械研究所的軍工生產任務。在成功應用示范作用下，北京動力機械研究所推廣10多臺大連光洋科技工程有限公司立式五軸加工中心。大連光洋科技工程有限公司先后與哈爾濱東安發動機、貴州黎陽航空發動機、湖南株洲南方動力等軍工企業簽訂合同，進一步擴大專項成果在航空航天中的應用示范。
4.國內首個智能制造裝備項目通過驗收
由云南CY集團有限公司承擔的工信部首個“智能制造裝備項目”——《高檔數控車床制造數字化車間的研制與示范應用》于2016年8月通過驗收。該項目建設期3年，總投資3.5億元，由生產線內加工和生產線外加工兩部分組成，生產線內加工主要承擔零件的精加工，生產線外加工主要承擔零件的部分半精加工及上線前工藝驗證。項目由91臺套設備組成，實現混流柔性制造、自動上下料、產品自動識別和跟蹤、在線自動檢測、產品流向智能控制、智能故障診斷、加工參數優化、生產過程實時監控和管理信息化。該項目關鍵設備數控化率100%，生產效率由月產100臺提高到300臺，生產線人員減少57.5%，能耗降低38.4%，零件關鍵工序交驗合格率由64%提高到96%，零件制造精度和穩定性顯著提高，項目實施取得明顯經濟效益。該項目是近年來機床行業應用智能生產線制造機床的首例，具有示范意義。
5.“數控機床互聯通訊協議標準與試驗驗證”項目啟動
隨著“中國制造2025”發展戰略的推進，數控系統、數控機床及相關數字化裝備將得到大力發展。數控機床的智能化升級，智能制造標準在整個戰略中起著至關重要的基礎性作用，而這一切都依賴于數控機床裝備的互聯互通。實現數控機床的互聯互通，相關的協議標準是決定性要素。智能制造，標準先行，要實現機床的智能化，首先要解決好數控機床之間的互聯互通及保障信息安全前提下的信息協同共享的標準問題。在中國機床工具工業協會的組織下，列入工信部智能標準制訂計劃的“數控機床互聯通訊協議標準與試驗驗證”項目已經按計劃開展有效工作。
1．編制“十三五規劃”指導性文件——《中國機床工具2020》，其中“智能制造”被列為“十三五”數控機床技術發展的重要方向，并提出數控機床智能化發展任務和重點研發內容。
2.貫徹國家《智能制造發展規劃2016-2020》。機床協會組織行業重點企業積極承擔國家智能制造新模式示范項目，積極參與國家智能制造標準制定工作。機床協會及時派出專家，參與工信部組織的“智能制造”項目論證工作，反映機床行業智能制造的緊迫需求。目前機床行業有：沈陽機床集團公司、濟南二機床集團公司、秦川機床工具集團公司、大連機床集團公司、華中數控股份有限公司、大連光洋科技工程有限公司、四川普什寧江機床有限公司、寧波海天精工有限公司等20多家企業承擔國家智能制造新模式示范項目和國家智能制造標準制訂項目。其中濟南二機床集團公司與德國博世集團聯合承擔中德智能制造示范項目——智能生產排產系統，借鑒德國先進的工業自動化技術，對提升國內機床行業乃至離散型制造行業的智能制造水平具有示范帶動作用。
3.積極推廣國產高檔數控機床應用工作。通過與軍工制造企業建立長效合作機制，舉辦國際機床展覽會展示成果，運用軍工生產進口機床國產化審查，建立國產高檔數控機床推廣目錄，加強機床廠與用戶交流等手段，推動高檔數控機床預研和制造，積極推廣國產高檔數控機床應用，推動軍工領域制造裝備國產化，促進軍工裝備自主、安全、可控，為我國國防建設現代化作出貢獻。
4.由中國機床工具工業協會牽頭組織成立“數控機床互聯通訊協議標準聯盟”，該聯盟由武漢華中數控股份有限公司、沈機（上海）智能系統研發設計有限公司、廣州數控設備有限公司、沈陽高精數控智能技術股份有限公司、大連科德數控股份有限公司、天津市泰森數控科技有限公司、大連機床集團有限公司、四川普什寧江機床有限公司、北京北一機床股份有限公司、武漢華工激光工程有限責任公司、華中科技大學、北京航空航天大學、北京蘭光創新科技有限公司等企事業單位組成，首屆聯盟理事長由機床協會擔任，副理事長由華中數控股份有限公司擔任，聯盟下設工作組，開始啟動“數控機床互聯通訊協議標準與試驗驗證”項目工作，取得可喜進展。
“智能制造”是國家戰略——“中國制造2025”確定的重點工程之一，“數控機床和智能機器人”是“中國制造2025”確定的發展戰略重點領域。“智能制造”是基于新一代信息通訊技術與現代制造技術融合的新型制造模式，是新一輪產業變革的核心驅動力，是“中國制造2025”確定的搶占未來制高點的主攻方向。在國家“863”、“04專項”、“智能制造”等科技專項支持下，機床行業要有計劃地開展“智能機床技術及智能制造系統研究”，推動“智能制造”模式的應用。
1.數控系統智能化技術研究
——開放式智能化數控系統的研制，具體包括支持溫度、振動、RFID等傳感器介入的物聯網平臺，基于高級語言的智能化數控系統解釋器等。
——基于開放式智能化數控系統智能加工技術的創新研究，包括熱誤差補償、進給率自適應、故障診斷等技術的研究。
——開發有關應用軟件如優化編程及仿真技術，研制開放式應用軟件平臺，支持第三方管理軟件，如能效，能量管理的嵌入、優化加工程序，提高機床加工效能。
——智能傳感器和智能功能部件的研發。
2.數控機床智能化及智能機床開發
數控機床適應高效高精加工、生產系統信息集成和智能控制需求，開發在線智能檢測技術、機床智能診斷和智能維護技術、基于智能制造技術的加工優化技術、根據加工數據調整自身的應用模式和工作模式的自適應技術等，以及基于工業互聯網和大數據的遠程通訊功能和服務能力，開發智能金屬切削機床和智能化成形裝備。
3.“智能制造”模式的研究和應用
開展制造網絡化、數字化車間與智能制造系統的智能制造模式研究和應用。采用CAD-CAPP-CAM等數字化技術和網絡通訊技術，實現產品和制造信息能夠貫穿制造、管理、質量全過程，實現產品全生命周期管理（PLM）；建立制造執行系統（MES），實現計劃、排產、生產、檢驗全過程閉環管理；建立數據采集系統，能充分采集制造進度、質量檢驗、設備狀態的生產現場信息；建立工業互聯網，不同裝備之間實現互聯互通和有效集成；企業資源計劃管理系統（ERP）安全運行，其中供應鏈管理模塊能夠實現采購、外協、物流的管理與優化。利用云計算、大數據等新一代信息技術，實現經營、管理和決策的智能優化等。
綜上所述，“智能制造”作為中國制造業發展戰略的重點方向，在國家產業政策支持、新技術革命推動和市場需求牽引等綜合作用下，機床行業的“智能制造”將步入加速成長期。“智能制造”的發展將對傳統制造體系帶來猛烈沖擊，推動產業格局發生深刻變革，如推動制造業由批量化生產向個性化定制生產趨勢發展；由集中生產向網絡化異地協同生產趨勢發展；由傳統制造企業向跨業融合企業趨勢轉變。價值鏈重點環節發生轉移，掌握核心技術的企業將發揮主導作用。在我國經濟新常態下，機床工具行業面臨市場需求升級的緊迫需求，經過新技術革命的洗禮，機床行業企業的經營模式將逐步轉變，從單純提供“硬件”向同時提供“硬件和軟件”轉變，從提供“單機”向提供“系統解決方案”轉變，從“以質取勝”向“以智取勝”轉變，“軟硬兼施，以智取勝”將成為企業競爭的制勝之道。
“數控機床—數控機床智能化—智能機床—智能制造車間—智能制造工廠—智能制造大系統”的技術發展進程，為機床行業展示了美好的發展前景。毋庸置疑，“智能機床”將成為智能制造體系中的核心裝備，加快發展“智能機床”，是實施《中國制造2025》打造制造強國的首要任務。
（邵欽作 中國機床工具工業協會）
