智能裝備綜述

趙子義，王硯良，王連明，周 曌，寇 許

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 063030）

0 引言

“新工業革命”正在以“山雨欲來風滿樓”的架勢席卷全球，世界發展模式將會發生再一次的巨大改變，新的智能技術將會全面引入企業發展，將會使得我國企業的發展模式發生巨大變化，其中產業形態會發展為更加分散的工業模式。

1 改變原有制造業模式的必要性

（1）現有的制造系統無法滿足未來市場的需要。

（2）快速市場響應（如電子相關產品）。生命周期較短，僅2年，調整生產系統適應新產品需要將近半年；

（3）全球化制造模式。跨價值網的企業間集成，不在價值之內，參與不了全球化組織。

2 人工智能

2.1 智能科學

從微觀、宏觀層面研究大腦，解釋人類智能的產生機理，即腦科學。基于揭示的原理，用模擬的方法加以實現就是人工智能。人工智能技術的進步是提高智能制造和智能機器人水平的制高點。

2.2 我國人工智能發展現狀

我國2013 年裝備制造業產值20 萬億元，約占全國GDP 的1/3，全球裝備制造業占比1/3。但是2014 年我國高端制造業占比10%。例如，現代化武器、重大裝備、各類智能產品控制系統心臟的芯片：80%以上依賴進口，飛機發動機、機載電子設備和配套件大量進口，高鐵所需部分核心零部件80%以上需要進口；工程機械所需的高壓泵、閥、馬達及控制系統幾乎全部進口；機器人重要的伺服電機、減速器等也需要進口。

3 先進裝備基本介紹

3.1 基本概念

數字控制（Numerical Control，NC）就是在計算機編程技術的基礎上，通過對生產過程的算法進行描述，然后按照程序進行產品生產制造，以符號為主要內容，以編程語言為依據，最終實現對生產過程的全面控制。

數控技術（Numerical Control Technology）是指采用的控制方法較為單一，一般僅運用數字工具實現對某一生產過程的控制，實現某一生產環節的自動化。

數控機床（Numerical Control Machine Tools）是指以數字控制為工具進行的生產過程的智能化控制，能夠使得機床按照一定的程序進行生產工作。數控機床是采用數字系統進行控制的一種重要類型，在我國的生產控制系統中占有重要地位。

數控系統（Numerical Control System）運用數字進行控制時所需選用的工具。

計算機數控系統（Computer Numerical Control，CNC）是用數字符號進行控制的一種模式，以計算機系統核心

3.2 機器人的幾種類別

在國際上，大家普遍認同的一種機器人定義為，對人類完成工作具有輔助作用的一種工具，既包括能夠全過程自主工作的機器也包括在受到較少指導后能夠進行半自主工作的機器人。其中包括為進行工業操作而設計的機器人，具有較高的自由度，具有多種功能。為保護那些在特殊不利條件下工作的人設計了能代替其工作的抗輻射機器人。

除了在工業領域有相應的工業化機器人，在人們的生活領域，也有相關機器人的研究，生活服務性機器人能夠對人類進行日常護理，監理以及保護人類。

3.3 機器人應該被大力推廣的原因

（1）能夠保證重復工作的工作效率，提高工人的操作效率。

（2）使得生產勞動環節能夠與生產技術相適應，從而使得科技發展速度更快。

（3）使得生產過程更具規范性，產品質量更有保證。

（4）能夠減輕較重勞動力的勞動負擔。

（5）對于在較為危險的環境中工作的人的來說，能夠減少周圍環境對其身體的危害。

（6）使得生產廠家能夠緊跟科技潮流，提升競爭力。

4 先進裝備產業發展現狀

我國裝備產業急需機械化改革的原因較多，第一，我國是較大的設備加工大國，我國許多工廠都與裝備工作聯系密切，是進行智能化改革的重要領域，我國能給智能化技術帶來較大的發展市場，能夠提高我國很多工廠的裝備效率。另一方面，我國這十幾年間將會面臨嚴重的人口老齡化挑戰，我國能夠從事勞動力工作的人較少，因此就需要先進的機器人來填補我國部分工廠的勞動力空白。最后，機器人在設計投產以后所投入的資本較少，而能夠完成的工作量較大，因此能夠降低生產成本，緩解我國的勞動力危機。

4.1 國內數控技術的發展情況

我國數控技術的發展雖然目前已經取得了一定成效，在國際上也處于較為先進的國家，但是我國的數控技術還存在很多問題。

首先我國的數控技術研究起步較晚，在國際上20 世紀50年代就開始了數控技術的研究，而我國由于當時經濟發展水平較為落后，在其他國家研制十年之后才開始相關研究，因此我國發展歷史較短。

最初我國進行數控技術研究最為先進的單位是清華大學相關的研究院，并在我國開始引入數控技術10 年內就建造出了一臺較小的數控設備，成為我國首個數控設備。

我國研制出數控設備后普及速度加快，僅10 左右時間就使得我國80%以上的工廠引入了數控設備。但是我國的機器生產水平與其他國家還有較大差距，因此我國引入了發達國家先進的數控設備，掀起了我國數控改革的高潮。

此后短短5 年時間，我國數控設備研究工作不斷發展，已經有幾十種不同的數控設備相繼問世，分別服務于不同的生產行業。

5 年后，我國的數控技術發展達到了鼎盛時期，我國已經能夠自主研發較為高端的數控設備，我國開始大量研究并生產數控設備，已經擺脫了我國對發達國家的技術依賴，實現自力更生。隨著我國技術突破，我國數控工廠應運而生。在我國首都，東北地區，南方地區都建造了大量的數控設備生產工廠。

由于東北是我國的重要工業基地，因此我國的數控設備發展最快的為東北地區，尤其是沈陽與大連，這兩個地區所生產的數控設備已經為全國的工廠進行服務。僅兩個城市的產值已經占到我國的1/5。

我國機器人保有量和密度（萬名員工擁有機器人數量）相對較低。國際機器人聯合會數據顯示，2013 年全球機器人保有量約140 萬臺，我國約13.4 萬臺，不到全球的10%，機器人密度，國際平均水平58 臺，韓國347 臺，日本是339 臺，德國是251臺，美國135 臺，而我國僅為23 臺。

4.2 近年來我國機器人應用高速發展

中國機器人產業聯盟2013 年上半年對我國6 家主要機器人企業統計顯示，機器人產量和總產量同比增速分別達到68%和67%。

據IFR 統計：2005 年到2013 年，我國工業機器人銷售以年均25%以上的速度高速增長，已成為全球增長最快的市場之一；這一增速自2008 年之后進一步加快，2008 年到2013 年，銷售量年均增長36%，綜合機器人產業聯盟6 月發布的數據，2013 年當年我國機器人銷量近37 000 臺。占全球銷量的1/5，成為全球最大的機器人市場（IFR2011 年曾預測，大約2014 年我國的機器人市場將會處于世界前列）。

4.3 中國智能機器人產業發展面臨的主要挑戰

（1）不同行業機器人集成應用技術將是瓶頸之一。

（2）具有國際競爭力的龍頭企業不多。

（3）高技能機器人應用技術人才匱乏。

（4）“一哄而上”的苗頭有所顯現。

（5）基礎技術研發亟待加強，支撐機器人產業可持續發展。

5 新一代數控及機器人技術發展趨勢

5.1 向智能化、柔性化、網絡化方向發展

智能控制加工質量和效率，智能提高驅動性能，智能編程和操作，智能監控、智能診斷等。首先柔性發展方向是指數控技術的發展將會以機器、和生產線向自動化的車間整體方向發展。另一方面，機器將會不斷降低造價水平，不斷增強其實用功能，呈現出性價比較高的發展模式，有利于機器化設備的普及。網絡化發展是數控技術發展的重要方向，是數控技術取得重大突破的重要基礎。

5.2 開放性發展態勢

開放式發展趨勢是數控技術發展的必然趨勢，開放式數控系統擺脫了原有的數據束縛，能夠在原有的數據基礎上進行數據的重新打亂組合，在重新設計，能夠加強數據管理，從而使得系統的種類更加豐富。并且可以針對不同廠家、用戶和行業需求，將其特殊應用和技術經驗集成到數控系統中，形成定制型數控系統。未來的數控系統能夠被用戶重新配置、修改、擴充和改裝。

6 機器人未來應用領域及廣闊空間

機器人原來的設計理念較為簡單，只是為了幫助人們做一些簡單卻重復的工作，只是將勞動枯燥的勞動者解放出來，同時使得人們的工作效率更高，工作成本更低，從而使得人們的生活朝著便捷的方向不斷發展。后來隨著人們觀念的解放以及機器人行業的深入研究，人們對機器人的要求越來越高，已經不是簡單地將機器人作為重復工作的執行者，而是逐漸使得機器人能夠代替某一類勞動人員，機器人的造型也不斷多樣化，不只是模仿人的四肢工作，具有了更多的形狀，更加豐富的功能。

另一方面，機器人除了代替人類做很多工作以外，還起到了保護人類的作用，例如有的工作人員要承擔較多的輻射，對人體造成傷害，還有的人工作環境會對其內臟造成不同程度的損壞，機器人深入到對人類的保護領域。

此外，機器人與智能化技術的結合，使得機器人的應用范圍更廣，已經深入到各種高科技行業，代替人類在水下或者高空進行作業，觸及到了人類難以到達的領域。最后，現代人們生活繁忙，機器人還深入到了人們的生活領域，能夠給人們的日常生活減輕負擔。

因此機器人還會具有更廣闊的發展方向，深入到更多的領域幫助更多的人，機器人的質量將不斷減小，結構不斷精簡，造價也會更低，但是其功能將不斷豐富，更好地服務于人們的日常生活。