數控機床智能化改造研究與實踐

孫中柏

摘?要：數控機床作為21世紀社會經濟發展的重要產物，對現代企業的生產與發展具有重要的促進作用。在當前倡導“工業4.0”與“中國制造2025”戰略的背景下，對傳統數控機床進行智能化改造已成為勢在必行的重要工作之一。

關鍵詞：數控機床;智能化改造;智能制造

中圖分類號：TG659文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.02.003

制造業在一個國家的國民經濟發展中起到主體性作用，也是一個國家的立國之本、興國之器和強國之基。人類自十八世紀中葉進入工業文明以來，世界上所有的強國興衰史和我們中華民族的奮斗進程中一再表明，只有擁有強大的制造業，才能使國家和民族變得強盛。在制造業的整個發展過程中制造裝備卻又是重要的因素之一。數控機床的誕生及發展使我們的生產變得更加迅速和更加高效，但在使用過程中往往需要人工協助，智能化程度還不夠高。在科技迅速發展的今天，我們可以利用現代的技術和方法，借助于各學科的最新成果，借助于計算機集成技術、傳統的制造技術與人工智能等新技術，發展一種全新的制造技術與系統，就誕生了智能制造技術與系統。

1?智能制造系統概述

智能制造系統是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統。它在制造過程中能以一種高度柔性與高度集成的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、推理、判斷、構思和決策等，從而取代或者延伸制造環境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存貯、完善、共享、集成和發展人類專家的智能。

所謂智能制造，就是針對一類產品的生命周期，在缺乏感知條件下的一種信息化制造技術。智能制造技術是在現代網絡技術、自動化技術、傳感技術、人工智能技術等尖端技術的基礎上，通過智能化的感知、人與機器的交互、決策與執行技術，從而實現從設計到制造以及整個制造裝備的智能化，是現代信息技術、智能技術、傳感技術與機械裝備制造技術的一種深度融合與集成。智能制造也是現代信息化和現代工業化走向深度融合的發展趨勢。

2?智能制造系統的構成

智能制造系統主要由MES系統、工業機器人系統、數控車床、數控加工中心、立體倉庫、中央電氣控制系統，及其他輔助系統等部件組成。

2.1?MES系統

MES（Manufacturing Execution System）即制造企業生產過程執行系統，是一套面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統。MES可以為企業提供包括制造數據管理、計劃排產管理、生產調度管理、庫存管理、質量管理、人力資源管理、工作中心/設備管理、工具工裝管理、采購管理、成本管理、項目看板管理、生產過程控制、底層數據集成分析、上層數據集成分解等管理模塊，為企業打造一個扎實、可靠、全面、可行的制造協同管理平臺。

當前比較常用的MES系統，如國外的西門子（siemens）、默佩德衛（mpdv）、羅克韋爾（rockwell）等，國內的模德寶、華數、匯博等。國外的MES系統比較成熟，功能強、穩定性好，但價格比較貴;國內的MES系統發展起步較晚，功能及穩定性方面要略差一些，我們可以根據改造的需求及經費情況來選擇相應的MES系統。不管選用那種品牌的MES系統，在智能制造系統中的MES軟件系統應具備如下功能：

（1）加工任務創建、管理;

（2）立體倉庫管理;

（3）機床啟停、初始化;

（4）加工程序管理和上傳;

（5）在線檢測實時顯示和刀具補償修正;

（6）智能看板功能：實時監控設備、立體倉庫信息以及機床刀具監控等;

（7）訂單下達、生產數據管理、報表管理等。

2.2?工業機器人系統

工業機器人系統是智能制造系統中重要組成部分之一。智能制造系統中配置的工業機器人最好選用六自由度工業機器人，這種工業機器人動作靈活性較高，能工作的空間范圍也比較大，并且它能夠比較靈活的繞過一些障礙物，其整體結構也很緊湊，占用的面積也不大。目前已廣泛應用在機床上下料、取件、弧焊、噴漆等行業。智能制造系統中的工業機器人系統還應配置氣動手爪、反射型光電開關、磁性開關、RFID裝置等。

目前比較常用的工業機器人系統，如國外的發那科（FANUC）、庫卡（KUKA）、ABB等，國內的華數、廣數、匯博等。我們可以根據改造的需求及經費的情況選擇相應的工業機器人系統。

工業機器人系統在智能制造系統中主要完成的功能有：

（1）攜帶RFID讀卡器對各倉位信息進行讀寫;

（2）對工件進行搬運。

2.3?數控車床

數控車床自誕生以來就是一種使用非常廣泛的數控機床。它主要用于回轉零件（軸類零件或盤類零件）的內外圓柱面、內外圓錐面、內外回轉曲面、槽、軸向內孔（鉆孔、擴孔、鉸孔及鏜孔）及圓柱或圓錐螺紋等特征的切削加工。

在智能制造改造過程中，我們應對普通的數控車床進行智能化改造，必要時還應對其數控系統進行升級，讓其在具有原有功能的基礎上增加包括：網絡接口、自動化接口、攝像頭、自動化夾具、自動門的控制、I/O模塊、網絡傳輸等功能。

2.4?數控加工中心

數控加工中心是從數控銑床的基礎上發展而來的。它與數控銑床最大的區別就在于加工中心帶有自動刀庫，能夠完成自動換刀操作。在做加工準備工作時，我們可以將零件加工中需要的各種刀具提前安裝在刀庫里，這樣就可以在一次裝夾中，利用刀庫自動換刀裝置來改變主軸上的刀具，從而實現多種零件特征的切削加工。

在智能制造改造過程中，我們應對普通的數控加工中心進行智能化改造，必要時還應對其數控系統進行升級，讓其在具有原有功能的基礎上增加包括：網絡接口、自動化接口、攝像頭、自動化夾具、自動門的控制、I/O模塊、網絡傳輸、在線測量等功能。

2.5?立體倉庫

立體倉庫即自動化立體倉庫，也叫自動化立體倉儲。主要在智能制造生產過程中承載著毛坯料存放、半成品中轉、成品的存儲等功能。智能制造系統中的立體倉庫應配置RFID芯片、傳感器、狀態指示燈、安全防護外罩等。

2.6?中央電氣控制系統

中央電氣控制系統主要包括Modbus TCP/IP 通信模塊和DI/DQ模塊。MODBUS/TCP協議是一種自動化標準的協議，它也是一種在現代工業控制領域中廣泛應用的通訊協議。通過該協議，可將控制器相互之間或通過網絡與其他硬件設備之間建立通信。Modbus協議使用的是主從通訊技術，即由主設備主動查詢和操作從設備。

在智能制造系統中，主要通過PLC編程平臺完成與MES系統連接、與HMI連接、與RFID讀卡器模塊通訊、以及與機器人連接等功能的實現。

2.7?其他輔助系統

一套完整的智能制造系統除了以上主要組成部件外，還應包括PC主機、PLC與HMI編程軟件系統、各類顯示設備、工業機器人導軌、網絡交換設備、仿真及編程平臺、防護設備等。

3?結語

智能制造系統的誕生提升了企業的生產效率，也緩解了當代社會勞動力成本迅速上漲給企業帶來的壓力，進一步提升了“中國制造”在國際社會中的綜合競爭力。傳統制造業向智能制造的轉型升級，對智能方面的裝備、傳感器、新型材料、工業類軟件系統以及與其對應的服務都有巨大的需求，可以形成一個新的產業增長點。我們國家目前整體的科技水平與美日歐等發達國家仍然有較大的差距，尤其在一些高端的科技領域，如芯片技術、高端傳感器、軟件系統、關鍵零部件等缺乏自主權，需要依賴進口，在某種程度上拖累了我們國家智能制造技術的發展。我們應加快核心技術的自主研發、加快普通設備智能化改造升級、加大智能制造領域人才的培養力度，我國在智能制造的道路上任重而道遠。

參考文獻：

[1] 張曙.工業4.0和智能制造[J]. 機械設計與制造工程， 2014（8）.

[2] 馬譽賢.提升智能制造應用水平探索行業轉型升級之路[J].造船技術，2018（4）.