鄭曉濤

摘 要：工程機(jī)械種類多、應(yīng)用范圍大、分布數(shù)量多，在國(guó)防、交通、建筑、水利、電力等工程領(lǐng)域，均發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。概述工程機(jī)械高質(zhì)量制造的內(nèi)涵與意義，剖析了新時(shí)期應(yīng)用智能技術(shù)的多重作用，并在此基礎(chǔ)上，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工控制、故障診斷、生產(chǎn)仿真四個(gè)方面，對(duì)智能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了具體討論。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；高質(zhì)量制造；智能技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH181? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）04-0046-03

0 引言

在新一輪工業(yè)化改革浪潮推動(dòng)下，工業(yè)機(jī)械制造類企業(yè)建立了基于產(chǎn)品生產(chǎn)制造的產(chǎn)業(yè)鏈條，深化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料采購(gòu)、生產(chǎn)加工、訂單處理、市場(chǎng)營(yíng)銷、售后服務(wù)諸環(huán)節(jié)的分工程度。在技術(shù)賦能路徑下擴(kuò)大了對(duì)智能技術(shù)的配置比例，希望通過此類方式推動(dòng)工程機(jī)械從傳統(tǒng)制造階段向智能制造階段的轉(zhuǎn)型，逐漸實(shí)現(xiàn)智能工廠建設(shè)目標(biāo)等。

1 工程機(jī)械高質(zhì)量制造概述

1.1 內(nèi)涵

進(jìn)入新時(shí)代后，內(nèi)涵式、集約化、高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，取代了傳統(tǒng)時(shí)期的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，為工程機(jī)械高質(zhì)量制造提供了明確方向。高質(zhì)量制造要求遵循工程機(jī)械中應(yīng)用的科學(xué)原理，在客觀規(guī)律約束下通過技術(shù)創(chuàng)新提升其性能。需要以提質(zhì)增效為目標(biāo)，將生產(chǎn)效率與制造質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來，輔助企業(yè)將經(jīng)濟(jì)效益延伸到社會(huì)效益、生態(tài)效益等方面。高質(zhì)量制造兼具了理論與技術(shù)雙重屬性，在理論層面將產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、企業(yè)結(jié)合起來，通過宏觀引導(dǎo)選擇適配性技術(shù)開展工程機(jī)械高質(zhì)量制造實(shí)踐等。

1.2 意義

工程機(jī)械高質(zhì)量制造具有十分明確的現(xiàn)實(shí)意義，集中表現(xiàn)在宏觀與微觀兩大層面：①宏觀層面，工程機(jī)械制造類企業(yè)可以結(jié)合統(tǒng)一大市場(chǎng)條件下的供應(yīng)鏈競(jìng)爭(zhēng)、擴(kuò)大研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新，一方面在同行業(yè)中積極爭(zhēng)奪行業(yè)質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)，另一方面擴(kuò)大自身在價(jià)值鏈的可營(yíng)利空間。②微觀層面，工程機(jī)械制造類企業(yè)經(jīng)過近年來的改革，增強(qiáng)了電氣自動(dòng)化技術(shù)與集成化技術(shù)資源的整合及應(yīng)用。在新時(shí)期憑借高質(zhì)量制造，將進(jìn)一步擴(kuò)大對(duì)先進(jìn)數(shù)字技術(shù)要素的配置，使自身從傳統(tǒng)制造階段升級(jí)到智能制造階段，完成智能工廠的建設(shè)等。

2 智能技術(shù)在工程機(jī)械高質(zhì)量制造階段的作用

近年來，在工程機(jī)械制造過程中，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素配置為主。進(jìn)入“十四五”建設(shè)階段后，要求在技術(shù)賦能路徑下持續(xù)推進(jìn)“數(shù)字孿生制造”。現(xiàn)階段企業(yè)中配置的智能技術(shù)包括BIM、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)防火墻、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)等。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，在工程機(jī)械高質(zhì)量制造階段，既可以根據(jù)不同的制造環(huán)節(jié)選擇適配的智能技術(shù)，也能夠通過搭建系統(tǒng)性控制平臺(tái)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造全過程的智能管控等。對(duì)于工程機(jī)械高質(zhì)量制造實(shí)踐主體而言，應(yīng)用智能技術(shù)后可以提高制造效率、增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)出綜合效益[1]。

2.1 提高制造效率

工程機(jī)械制造過程中，如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，一般需要按24 h、3班制輪崗位方式進(jìn)行作業(yè)，人力、物力、財(cái)力的投入相對(duì)較大，而且制造效率低下。與之相比，應(yīng)用智能技術(shù)后，可以根據(jù)工程機(jī)械設(shè)備、加工流程等，選擇智能機(jī)械臂代替部分崗位，一方面減少人力資源配置，另一方面能夠大幅度提升制造效率。

2.2 增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量

現(xiàn)代工程機(jī)械精密化程度越來越高，傳統(tǒng)的人機(jī)結(jié)合方案，雖然能夠整合人機(jī)雙重資源，但在實(shí)際的零件、部件及整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，人會(huì)因知識(shí)結(jié)構(gòu)、專業(yè)技能、實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的不同，而對(duì)同一件產(chǎn)品做出不同的評(píng)價(jià)，客觀的產(chǎn)品質(zhì)量容易受到主觀因素影響。應(yīng)用智能技術(shù)后，可以根據(jù)產(chǎn)品及其構(gòu)成要素匹配的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)，借助人工智能等技術(shù)對(duì)產(chǎn)品中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)、細(xì)致的檢驗(yàn)，并通過監(jiān)測(cè)、預(yù)警、識(shí)別、檢出等，降低次品率，增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

2.3 產(chǎn)出綜合效益

工程機(jī)械高質(zhì)量制造階段對(duì)智能技術(shù)的應(yīng)用是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)，一方面可以將原來的信息化管理升級(jí)到數(shù)據(jù)化管理，通過在生產(chǎn)制造中開展數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸、提取、分析、生成報(bào)告、應(yīng)用報(bào)告等，更為精準(zhǔn)地掌握生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過將其與業(yè)務(wù)、財(cái)務(wù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，輔助企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。另一方面工業(yè)機(jī)械制造過程中會(huì)產(chǎn)生一定的污染，如企業(yè)針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物排放對(duì)大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境、職業(yè)環(huán)境的污染，借助數(shù)據(jù)分析與處理，可以對(duì)相關(guān)工藝與流程做出一些優(yōu)化與調(diào)整，從而輔助企業(yè)提高環(huán)境管理效果。

3 智能技術(shù)在工程機(jī)械高質(zhì)量制造階段的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械高質(zhì)量制造過程中，明確了技術(shù)賦能路徑，重點(diǎn)集中在對(duì)智能技術(shù)要素的優(yōu)化配置方面。從近年來對(duì)智能技術(shù)的自主學(xué)習(xí)、同行交流及工作經(jīng)驗(yàn)看，在應(yīng)用實(shí)踐中，智能技術(shù)幾乎貫穿到了設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)、訂單、營(yíng)銷、售后各個(gè)階段。同時(shí)，隨著對(duì)智能技術(shù)的推廣應(yīng)用，部分工程機(jī)械制造企業(yè)還創(chuàng)建了以需求為導(dǎo)向的“訂單+采購(gòu)+制造+售后”新型產(chǎn)業(yè)鏈條，走上了定制化生產(chǎn)之路。這不僅有利于此類企業(yè)在統(tǒng)一大市場(chǎng)下更好的參與同行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，還有利于輔助企業(yè)產(chǎn)出綜合效益等。從設(shè)計(jì)制造一體化實(shí)踐的實(shí)際情況出發(fā)，可分別對(duì)智能技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工控制、故障診斷三大方面的應(yīng)用展開具體分析。

3.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

現(xiàn)代工程機(jī)械制造中，主要按照設(shè)計(jì)制造一體化實(shí)踐模式進(jìn)行實(shí)施，因而此類制造類企業(yè)強(qiáng)調(diào)了機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的引領(lǐng)性作用，并且將重點(diǎn)集中到了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。從設(shè)計(jì)內(nèi)容方面看，構(gòu)件主要構(gòu)成要素包括材料、形狀、公差、熱處理方式、表面狀況、加工工藝、性能等。選擇智能技術(shù)開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇數(shù)值模擬技術(shù)、BIM技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化、深化設(shè)計(jì)目標(biāo)。優(yōu)化模型如圖1所示。

在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)確立優(yōu)化模型、分析受力情況、建模三維模型、進(jìn)行仿真分析、制造應(yīng)用的基本思路，在不同環(huán)節(jié)選擇適配性技術(shù)，完成從設(shè)計(jì)到應(yīng)用仿真等。在確立優(yōu)化模型時(shí)，建議按照工業(yè)設(shè)計(jì)思想，明確以設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、制造一體化為核心的優(yōu)化模型流程，選擇配套的軟件完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)集中在設(shè)計(jì)要素清單制作與設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)置及模型優(yōu)化上。同時(shí)，需要根據(jù)工程機(jī)械之間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)各構(gòu)件及鉸接位置的受力情況做出細(xì)致分析，確保臂、軸、桿等部件功能的有效性。建模三維模型時(shí)，可以按照二維到三維圖形的轉(zhuǎn)化，借助指標(biāo)參數(shù)與幾何形態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，深入到工程機(jī)械的各個(gè)層面，并借助ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行仿真及應(yīng)用。

3.2 在加工控制中的應(yīng)用

現(xiàn)代工程機(jī)械加工過程中，受到分工程度深化，既增加了加工環(huán)節(jié)的專業(yè)性，也要求各加工環(huán)節(jié)之間建立密切關(guān)聯(lián)，保障“大平臺(tái)+小系統(tǒng)”條件下加工的有序開展。

工程機(jī)械加工時(shí)以數(shù)控機(jī)床為主，現(xiàn)階段使用的數(shù)控控車機(jī)主要由操作平臺(tái)與若干系統(tǒng)（如冷卻、數(shù)控、潤(rùn)滑、機(jī)械系統(tǒng)）構(gòu)成[4]。這個(gè)環(huán)節(jié)就可以借助對(duì)智能技術(shù)的應(yīng)用搭建數(shù)控機(jī)床智能設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過對(duì)各系統(tǒng)模塊的功能控制，完成對(duì)數(shù)控機(jī)床各個(gè)結(jié)構(gòu)的組建，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、自動(dòng)切削等。

以某數(shù)控車床為例，其主要由6大部分構(gòu)成：①床身，包括平床身與斜床身。②刀架，分為普通刀架和囚刀頭刀架。③滑臺(tái)，分為滑動(dòng)滑臺(tái)與滾動(dòng)滑臺(tái)，前者又分為驅(qū)動(dòng)方式和導(dǎo)軌方式，驅(qū)動(dòng)時(shí)按照閉環(huán)、半閉環(huán)、開環(huán)步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)均可，導(dǎo)軌則分為普通與鑲金屬滑動(dòng)導(dǎo)軌兩類。④尾座，設(shè)置有自動(dòng)、手動(dòng)控制方式。⑤電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分為帶傳動(dòng)與直接驅(qū)動(dòng)，帶傳動(dòng)過程中要求通過三角帶或多楔帶進(jìn)行傳動(dòng)，配套的電動(dòng)功率可以選擇3 kW或7.5 kW。⑥冷卻系統(tǒng)，冷卻速度分別為12 L/min、50 L/min。

明確該數(shù)控車床結(jié)構(gòu)后，車床管理人員可以根據(jù)智能控制需求搭建平臺(tái)，并設(shè)置各功能模塊，確保加工控制效果。按照數(shù)據(jù)庫(kù)支撐層→后臺(tái)程序?qū)印鷧?shù)輸入層→用戶層作為平臺(tái)架構(gòu)（如圖2所示），在第一層按照可選設(shè)計(jì)方案實(shí)例庫(kù)、零部件屬性實(shí)例庫(kù)、結(jié)果實(shí)例庫(kù)，為整個(gè)加工控制提供數(shù)據(jù)支撐。

在第二層借助數(shù)控車方床方案中的模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)遺傳算法方案生成模塊、實(shí)例推理零部件檢索模塊、參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊，通過后臺(tái)程序控制，確保數(shù)控車床能夠根據(jù)設(shè)置好流程進(jìn)行加工生產(chǎn)。

在第三層主要以數(shù)控車床方案智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面為準(zhǔn)，操作人員只需要結(jié)合客戶需求在系統(tǒng)中輸入相關(guān)加工參數(shù)，即可以保障數(shù)控車床按照預(yù)定的程序完成加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工全過程的智能化控制。

3.3 在故障診斷中的應(yīng)用

工程機(jī)械制造過程中，無論是整體上的設(shè)備，還是局部的零部件生產(chǎn)，既可能出現(xiàn)生產(chǎn)方面的故障，也不排除產(chǎn)品下線后使用中發(fā)生故障的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)制造一體化實(shí)踐模式，在前期生產(chǎn)制造階段做好設(shè)備故障診斷與設(shè)備故障清除，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，并可減少后續(xù)使用中的故障發(fā)生率[5]。

以零部件的生產(chǎn)為例，生產(chǎn)制造過程中可以選擇大數(shù)據(jù)技術(shù)，創(chuàng)建智能型故障診斷系統(tǒng)，一方面增強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過程的故障監(jiān)測(cè)，另一方面對(duì)各類加工件質(zhì)量的檢驗(yàn)。例如，在近年來的實(shí)踐過程中，部分工程機(jī)械制造類企業(yè)應(yīng)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，搭建了“故障范例庫(kù)”。當(dāng)數(shù)控車床進(jìn)入加工過程后，上面安裝的傳感器可以實(shí)時(shí)的將車床信息與對(duì)加工件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)捕獲的信息，同時(shí)將其存儲(chǔ)到信息管理系統(tǒng)。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)后，可以借助其中的專家系統(tǒng)，對(duì)兩類數(shù)據(jù)快速做出對(duì)比分析，并生成分析報(bào)告。

一旦發(fā)現(xiàn)采集到數(shù)據(jù)與故障范例庫(kù)中某個(gè)故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)接近、相似、關(guān)聯(lián)，那么就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的紅、橙、黃、藍(lán)等故障等級(jí)，及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)。如果屬于小問題則由系統(tǒng)下達(dá)指令進(jìn)行重啟或關(guān)停。如果問題比較嚴(yán)重，則需要在系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)后通過人工方式對(duì)其加以處理。除此之外，大數(shù)據(jù)應(yīng)用后此類企業(yè)可以在生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、維保各環(huán)節(jié)，借助精準(zhǔn)化管理為價(jià)值鏈賦能，提高企業(yè)的全要素生產(chǎn)率。

3.4 在虛擬仿真中的應(yīng)用

工程機(jī)械高質(zhì)量制造內(nèi)涵豐富，為了通過智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)其定位中的目標(biāo)，需要按照數(shù)字孿生的方向，增強(qiáng)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以產(chǎn)生較好的效果。具體而言，此類企業(yè)可以按照“物理空間”與“數(shù)字孿生空間”之間的映射關(guān)系，先將CAD平面圖導(dǎo)入三維建模軟件，生成三維模型后可以按照“四大映射”，對(duì)工廠車間實(shí)物進(jìn)行虛擬投射并生成數(shù)字孿生車間。具體映射應(yīng)包括設(shè)備實(shí)體、關(guān)鍵動(dòng)作、變化過程、環(huán)境要素等?？梢园凑丈a(chǎn)前的設(shè)計(jì)仿真、生產(chǎn)中的工藝仿真、生產(chǎn)后的回溯仿真，建立一個(gè)包括了工程機(jī)械高質(zhì)量制造諸環(huán)節(jié)仿真系統(tǒng)，從而在生產(chǎn)之前提前預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的舉措等。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代工程生產(chǎn)建設(shè)過程中，對(duì)于工程機(jī)械的需求量相對(duì)較大，在新時(shí)期高質(zhì)量制造階段，增強(qiáng)智能技術(shù)在工程機(jī)械制造中的應(yīng)用，既可以提高制造效率，也能夠增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，輔助企業(yè)產(chǎn)出綜合效益。結(jié)合上述分析可以看出，智能技術(shù)在工業(yè)機(jī)械制造諸階段，均可以進(jìn)行有效應(yīng)用。因此，建議工業(yè)機(jī)械制造類企業(yè)，盡可能在當(dāng)前階段按照“具體需求，具體分析，針對(duì)性應(yīng)用”的思路，選擇一些適配性較高的智能技術(shù)，將其應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工控制、故障診斷、生產(chǎn)仿真等各方面。

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