劉宇祺
(南京工程學(xué)院 工業(yè)中心,江蘇 南京211100)
人工智能是21世紀(jì)的新產(chǎn)物,科技的進步是人類肉眼可見的。人工智能的到來也意味著社會邁入一個全新階段,在此背景下,各行各業(yè)的生產(chǎn)模式有所轉(zhuǎn)變。對于機械設(shè)計制造領(lǐng)域來說,由于人工智能技術(shù)的出現(xiàn),使其生產(chǎn)模式、方法有所優(yōu)化,規(guī)模漸漸擴大,在最終的設(shè)計制造效率與質(zhì)量上也得到前所未有的提高。因此,人工智能技術(shù)的應(yīng)用,對于機械設(shè)計制造領(lǐng)域而言有著較強的推動性意義。研究人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用,可給相關(guān)行業(yè)提供實踐價值。
人工智能技術(shù)屬于全新的科學(xué)技術(shù),其主要是指專業(yè)技術(shù)人員采取對應(yīng)的理論、方法對產(chǎn)品進行研發(fā)。研發(fā)的主要內(nèi)容則包含了人工智能模擬、延伸、拓展等,可以把人工智能列入計算機領(lǐng)域[1]。人工智能技術(shù)的設(shè)計理念在于了解智能問題,通過圖像語言識別、專家系統(tǒng)等手段測試人工智能反應(yīng),來模擬人的大腦與行為軌跡,以此來幫助人類解決問題。在人工智能技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的過程中,其涉及范圍也在不斷擴大。
早在上世紀(jì)30年代,一些發(fā)達(dá)國家就開始在機械制造領(lǐng)域融入智能化技術(shù)。和國外相比,我國機械設(shè)計制造領(lǐng)域的人工智能技術(shù)發(fā)展要晚一些。在極少部分地區(qū)還依舊使用傳統(tǒng)設(shè)計制造方法,主要在一些中小型企業(yè)中有所體現(xiàn)。這些企業(yè)在設(shè)計制造機械產(chǎn)品時,更多的是依靠人工的力量,對行業(yè)發(fā)展形成嚴(yán)重制約。在進入新時期后,我國經(jīng)濟與科技得到雙重發(fā)展,在此前提下,機械設(shè)計制造領(lǐng)域也開始大量引入人工智能技術(shù)。自從引入人工智能技術(shù)后,國內(nèi)的機械制造水平得到前所未有的提升。我國作為制造業(yè)大國,要想實現(xiàn)行業(yè)整體轉(zhuǎn)型升級,就必須積極引入人工智能技術(shù),挖掘人工智能資源,推動行業(yè)進步,讓中國制造業(yè)長期穩(wěn)居世界第一。
傳統(tǒng)機械設(shè)計制造方法更多地是依靠人工勞動力,相比之下,無論是在機械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量還是效率上都比較低。在結(jié)合人工智能技術(shù)輔助生產(chǎn)后,不僅明顯削減了人工成本,還大大提高了生產(chǎn)效率[2]。人工智能技術(shù)的目的和用途就在于此。在機械設(shè)計制造領(lǐng)域中的人工勞動力成本比例較大,有時甚至超過了材料成本,這在無形中增加了企業(yè)經(jīng)濟壓力。人工智能技術(shù)的出現(xiàn),使企業(yè)可以把大部分人工勞動力成本投入到智能產(chǎn)品購置中來,在緩解經(jīng)濟壓力的同時,也可以為企業(yè)帶來更多利潤。在當(dāng)代機械設(shè)計制造過程中已經(jīng)不需要太多人工勞動力,技術(shù)人員只需提前編寫程序,將其輸入到人工智能系統(tǒng)中,再放入需加工的材料或零件,智能化設(shè)備就可自動化運行,也不需要人工二十四小時進行監(jiān)督。當(dāng)中途發(fā)生故障時,系統(tǒng)會及時報警通知管理人員,甚至系統(tǒng)還可以定位故障點,通過分析故障及時給出解決方案,避免故障擴大。在人工智能技術(shù)下設(shè)計制造出來的機械產(chǎn)品,精度比人工制造更高。
在機械設(shè)計制造的過程中涉及非常多的加工環(huán)節(jié),而這些加工環(huán)節(jié)需要投入較多的人工勞動力。但是,因為人工操作誤差發(fā)生率較高,無法做到十全十美,因此就需借助人工智能技術(shù)的幫助。在加工環(huán)節(jié)采用人工智能設(shè)備后,給機械設(shè)計制造業(yè)指明了一條發(fā)展道路。因為人工智能設(shè)備有著數(shù)字化、自動化以及智能化等特點,可以在復(fù)刻人類思想與行為的基礎(chǔ)上超越人類原本思維,并利用人工智能設(shè)備制造出完美的機械產(chǎn)品。而且,在引入人工智能技術(shù)以后,機械設(shè)計制造流程得到簡化,更加一目了然,在操作上也更順暢。再加上人工智能設(shè)備的各種優(yōu)勢,機械制造企業(yè)對其引入率和使用率越來越高,在我國大型機械制造企業(yè)中應(yīng)用廣泛。
在借助人工智能技術(shù)設(shè)計和制造機械產(chǎn)品時,企業(yè)必須重視準(zhǔn)備工作的完成性。在機械設(shè)計制造之前,企業(yè)需分析機械產(chǎn)品實際用途,對設(shè)計制造所需的零件尺寸、相對關(guān)系、規(guī)格等有所確定。而在實際的設(shè)計制造過程當(dāng)中,企業(yè)則要根據(jù)生產(chǎn)流程妥善進行管控,技術(shù)人員切勿擅自操作。在我國一些企業(yè)設(shè)計制造機械產(chǎn)品時,個別技術(shù)人員認(rèn)為自己經(jīng)驗豐富,不需要按照步驟流程進行操作,因此造成了不可挽回的失誤。人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用時間較短,還處于摸索探究階段,在此情況下,企業(yè)要想發(fā)揮人工智能技術(shù)的輔助作用,就必須嚴(yán)格按照生產(chǎn)流程落實。并且,企業(yè)還需根據(jù)生產(chǎn)實際情況對零部件大小、規(guī)格等加以調(diào)整,規(guī)避風(fēng)險、失誤,對機械產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行合理管控,以此來制造出優(yōu)質(zhì)的機械產(chǎn)品[3]。
在企業(yè)設(shè)計機械制造方案時,需確保方案的實用性、完善性與合理性,企業(yè)應(yīng)當(dāng)把各種影響因素考慮進去。比如,針對機械設(shè)計制造所使用到的所有零件都需進行架構(gòu),把零件放到數(shù)控機床或夾具之中,在固定后,結(jié)合后期的實際生產(chǎn)情況予以調(diào)整,杜絕因零件位置發(fā)生偏移而引發(fā)的質(zhì)量問題。這樣做的主要目的是為了提高零件位置的精確性。在機械設(shè)計制造時,會涉及加工刀具,企業(yè)在選擇刀具時可盡量選擇幅度角比較小的刀具,這樣可以有效削弱加工粗糙度,提高零件加工精度。在零件加工的過程中會伴隨風(fēng)險意外發(fā)生,所以為了規(guī)避風(fēng)險,企業(yè)需根據(jù)零件的切削條件、材料等因素合理選擇加工技術(shù)。與此同時,企業(yè)需關(guān)注人工智能技術(shù)在零件加工與生產(chǎn)中的重要性,企業(yè)可將與零件有關(guān)的信息數(shù)據(jù)輸入到智能系統(tǒng)中,人工智能系統(tǒng)會對接收到的數(shù)據(jù)信息進行分析、處理,并生成模型,滿足機械設(shè)計制造需求。
只有得到硬件與軟件的支持,才能提高人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域的作用,所以企業(yè)必須開發(fā)高質(zhì)量的硬件與軟件,這也在一定程度上決定了機械制造智能化的發(fā)展趨勢。例如,在機械設(shè)計制造過程中,需結(jié)合計算機、電子信息等技術(shù),將軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合,使其相互作用、相互協(xié)作,以此來提高機械設(shè)計制造水平[4]。而要想達(dá)到這一目的,應(yīng)把各種軟件技術(shù)進行結(jié)合,發(fā)揮出共同作用,對現(xiàn)有的機械設(shè)計制造技術(shù)予以完善。與電子信息技術(shù)相比較,計算機技術(shù)不管是在數(shù)據(jù)處理,還是運行管理上都更加復(fù)雜,企業(yè)要想實現(xiàn)自動化運轉(zhuǎn),就必須加強計算機數(shù)據(jù)管理工作。對生產(chǎn)過程所獲取到的數(shù)據(jù)信息及時分析、反饋,這也對企業(yè)提出了較高要求,企業(yè)必須擁有較強的自動化控制技術(shù)才能滿足該標(biāo)準(zhǔn)。
與傳統(tǒng)模式相比,機械產(chǎn)品設(shè)計在融入人工智能技術(shù)后,效率得到了大大提高,在機械產(chǎn)品設(shè)計中使用人工智能技術(shù),可以提高設(shè)計的完善性。在傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計中,由于是以人工作為核心力量,所設(shè)計出來的生產(chǎn)方案可能存在不合理現(xiàn)象。而人工智能技術(shù)則可以利用專家系統(tǒng)構(gòu)建模型,在模型中對設(shè)計方案進行模擬,從而選擇一種最適合的生產(chǎn)方案。在對數(shù)控機床模塊進行設(shè)計時,可通過人工智能技術(shù)搜索與模塊有關(guān)的方案,在構(gòu)建完數(shù)控機床總布局之后實施產(chǎn)品加工。由于人工智能技術(shù)擁有專家系統(tǒng),和CAD程序相比,專家系統(tǒng)的靈活性和針對性更強,可以對每一個步驟進行解釋,如果發(fā)現(xiàn)不合理現(xiàn)象,可快速修改程序。并且,在對機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中,CAD系統(tǒng)只能夠?qū)逃谐绦蜻M行設(shè)計,若中途想修改程序十分困難,而各專家系統(tǒng)之間都有交互性,修改簡便。比如,在對飛機、輪船等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時,只需要給出一個前提數(shù)據(jù)就可完成全部結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)[5]。除此之外,在對齒輪等機械零件進行設(shè)計時,通過人工智能技術(shù)只需給出齒輪輪廓范疇或傳動信息就可設(shè)計出一個完整的齒輪。人工智能技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯,在傳統(tǒng)齒輪設(shè)計中,由于沒有考慮到噪音問題,導(dǎo)致最終設(shè)計出來的齒輪在運行時會產(chǎn)生噪聲污染。而借助人工智能生產(chǎn)出來的齒輪,對噪聲有著明確要求,通過專家系統(tǒng)可對齒輪廓形進行糾正,系統(tǒng)還會自動生成齒輪零件詳圖,方便技術(shù)人員參考。
當(dāng)前較為成熟的工藝設(shè)計主要是成阻技術(shù)和工藝編制分析,在后續(xù)的發(fā)展中已經(jīng)逐漸發(fā)展為智能工藝設(shè)計。通常情況下,可將機械零件分成回轉(zhuǎn)軸類零件和箱體零件,因為各零件的孔、角、面不同,所以加工工藝設(shè)計選擇也存在一定差異,所選擇的切削量、時間、成本、刀具、數(shù)控機床類型等各不相同。針對機械零件的工藝設(shè)計,既可以是單臺數(shù)控機床,也可以是加工中心。通過人工智能技術(shù)可把加工零件輸入計算機生產(chǎn)系統(tǒng)中,還可以完成刀具傳輸、數(shù)控機床調(diào)整等設(shè)計工作。國內(nèi)在零件工藝設(shè)計時可借鑒國外現(xiàn)有的工藝設(shè)計理念。比如,法國所開發(fā)的CARI系統(tǒng)可以對幾十種不同形狀的零件進行加工,并且其是由LISP語言構(gòu)成的。日本所研發(fā)的TOM系統(tǒng)比較適用于孔加工過程中。英國所研發(fā)的EXCAP系統(tǒng)比較適用于回轉(zhuǎn)零件加工中。當(dāng)前我國針對該方面的研究還停留在工藝編制分析上,與此同時,也有一些大型機械企業(yè)設(shè)計出了較為復(fù)雜的程序。
人工智能技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域中的應(yīng)用還可以體現(xiàn)在自動化控制技術(shù)上。在對數(shù)控機床進行操作的過程中,可以對現(xiàn)有的測量信息進行分析和計算,觀察使用參數(shù)是否符合約束要求。比如,在鏜孔當(dāng)中,其切削條件是不能產(chǎn)生太大振動,即便產(chǎn)生振動,也要觀察其振動幅度是否在可允許范圍以內(nèi),需要經(jīng)過多次實驗來測得。在機械設(shè)計制造中,主要是由數(shù)控機床運行來實現(xiàn)的,然而,在自動化控制系統(tǒng)中存在工業(yè)機器人配合中心,該中心的存在給機械設(shè)計制造提供了良好契機。也正是因為該中心支持,可對數(shù)控機床進行嚴(yán)格控制。但自動化控制技術(shù)的應(yīng)用需得到計算機系統(tǒng)幫助,這也意味著企業(yè)需安裝計算機系統(tǒng)才能引入自動化控制技術(shù)。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比,自動化控制系統(tǒng)優(yōu)勢更為顯著。當(dāng)企業(yè)在對小批量機械產(chǎn)品進行設(shè)計制造時,自動化控制系統(tǒng)可高效完成工作,在節(jié)約時間成本的同時,還可降低能耗,有著較高性價比。目前,自動化控制技術(shù)在機械設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,在多個加工環(huán)節(jié)上都有涉及,機械制造企業(yè)也開始大面積接受自動化控制技術(shù),在發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)之上,與生產(chǎn)實際結(jié)合,推動我國機械制造行業(yè)發(fā)展。
在機械產(chǎn)品制造與加工過程中,其是運用人工智能技術(shù)最頻繁的環(huán)節(jié)。人工智能技術(shù)有著速度快、精準(zhǔn)度高等優(yōu)勢,而且可以使用精密儀器實施切割,在機械產(chǎn)品制造加工中的作用不可埋沒。在實際的產(chǎn)品制造加工中,可將切割技術(shù)和快速成型技術(shù)相融合,以此來實現(xiàn)對產(chǎn)品自動化切削、成型工作。比如,可以利用人工智能技術(shù)對產(chǎn)品表面進行熱加工處理,使得產(chǎn)品表面逐漸硬化。在機械設(shè)計制造領(lǐng)域中,大部分機械產(chǎn)品都是為了延長使用壽命才進行設(shè)計制造的。而在使用熱處理技術(shù)時,由于耐高溫性較強,可對大部分機械產(chǎn)品實施熱加工,提高其使用壽命[6]。
對于機械制造企業(yè)來說,在機械產(chǎn)品工藝設(shè)計完成之后,企業(yè)必須結(jié)合數(shù)控機床的實際情況落實改善工作。如果數(shù)控機床不滿足人工智能技術(shù)應(yīng)用要求,那么企業(yè)就需及時更換數(shù)控機床。我國一些中小型企業(yè)并未關(guān)注該問題,導(dǎo)致人工智能技術(shù)作用無法得到充分發(fā)揮。但數(shù)控機床的數(shù)量需結(jié)合各種因素、數(shù)據(jù)、條件來決定。比如,被加工機械產(chǎn)品的加工精度要求、數(shù)量要求、制造工藝、車間布局等。
作為新時代產(chǎn)物,人工智能技術(shù)在我國機械設(shè)計制造領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用,該技術(shù)的引入對于機械設(shè)計制造領(lǐng)域而言有著積極作用。人工智能技術(shù)不但可以推動機械設(shè)計制造行業(yè)轉(zhuǎn)型,還有著削減人工成本、提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化設(shè)計制造流程等優(yōu)勢。目前,人工智能技術(shù)應(yīng)用在機械產(chǎn)品設(shè)計、零件工藝設(shè)計、數(shù)控機床設(shè)計控制、機械產(chǎn)品制造加工以及企業(yè)投資決策等方面。要想充分發(fā)揮人工智能技術(shù)作用,企業(yè)必須做好準(zhǔn)備工作,完善機械設(shè)計制造方案,擁有高質(zhì)量硬件與軟件。