機(jī)械制造中的智能化技術(shù)研究

王文鑫

(江蘇省泰興中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校,江蘇 泰興 225400)

0 引言

機(jī)械制造領(lǐng)域是工業(yè)生產(chǎn)的支柱之一,然而,隨著科技的不斷進(jìn)步和全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷升級(jí),制造企業(yè)需要不斷探索新的方法來(lái)提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高質(zhì)量,并適應(yīng)市場(chǎng)的不斷變化需求。在此背景下,智能化技術(shù)成為了機(jī)械制造業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一[1-3]。

智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用從根本上改變了機(jī)械制造業(yè)的運(yùn)作方式。其中,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3D打印技術(shù)等各種智能化技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及使機(jī)械設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連接和數(shù)據(jù)共享,還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù),使得制造企業(yè)可以更加高效地管理全球分布的生產(chǎn)設(shè)施,有助于減少生產(chǎn)中斷和故障,降低了維護(hù)成本[4-5]。其次,3D打印技術(shù)通過(guò)將數(shù)字設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為物理零件,消除了傳統(tǒng)制造方法中的限制,無(wú)需傳統(tǒng)的切削或鑄造工藝[6-8]。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3D打印技術(shù)為例,深入探討智能化技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用原理,明確智能化技術(shù)如何在機(jī)械制造中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、精確性和靈活性,研究結(jié)果旨在為進(jìn)一步推動(dòng)智能化技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步提供理論參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用案例分析

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)是指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接和互通的方式,將各種物理設(shè)備、傳感器和物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和共享,以及遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè),是一個(gè)將實(shí)體世界與數(shù)字世界相融合的技術(shù)[9]。

1.1 發(fā)展背景

1.1.1 自動(dòng)化制造的興起

隨著自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,制造企業(yè)依賴(lài)于大量自動(dòng)化機(jī)器和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn),如果機(jī)器和設(shè)備發(fā)生故障,可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷,從而產(chǎn)生損失。因此,對(duì)于機(jī)械制造業(yè)來(lái)說(shuō),準(zhǔn)確和及時(shí)的故障診斷變得至關(guān)重要。

1.1.2 傳感器技術(shù)的進(jìn)步

現(xiàn)代傳感器體型小、便宜、精確,能夠監(jiān)測(cè)溫度、壓力、振動(dòng)、電流和電壓等多種參數(shù),傳感器可以輕松地嵌入到機(jī)械設(shè)備中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能和狀態(tài)。

1.1.3 預(yù)測(cè)性維護(hù)的需求

制造企業(yè)越來(lái)越重視預(yù)測(cè)性維護(hù),以減少停機(jī)時(shí)間和維修成本。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能,幫助企業(yè)預(yù)測(cè)設(shè)備故障,并提前采取維護(hù)措施,從而降低生產(chǎn)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 機(jī)械制造故障診斷流程

機(jī)械制造故障診斷是確保機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵過(guò)程,主要工作流程如圖1所示,根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行工況,基于傳感器技術(shù)對(duì)其關(guān)鍵部件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行信號(hào)提取,信號(hào)經(jīng)過(guò)特征提取后進(jìn)行故障預(yù)測(cè)于分析,判別機(jī)械制造過(guò)程中出現(xiàn)的故障類(lèi)型,然后及時(shí)干預(yù)。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下機(jī)械制造流程示意圖

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下機(jī)械制造故障報(bào)警原理

機(jī)械制造過(guò)程中各個(gè)零部件的漸變性是無(wú)法預(yù)知的,當(dāng)其中一個(gè)零部件發(fā)生損壞時(shí),對(duì)整個(gè)機(jī)械制造過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生影響。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)械制造故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)零部件的數(shù)據(jù)信號(hào)[10],以便發(fā)生潛在故障前及時(shí)檢測(cè)到異常情況,可以對(duì)機(jī)械制造過(guò)程中的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警處理,超過(guò)某個(gè)設(shè)定值后就會(huì)發(fā)出報(bào)警(圖2)。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下機(jī)械制造故障報(bào)警原理

2 3D打印技術(shù)分類(lèi)及工藝原理

3D打印技術(shù),也稱(chēng)為增材制造(Additive Manufacturing,AM),是一種先進(jìn)的制造過(guò)程,以逐層堆積材料的方式來(lái)創(chuàng)建物體的三維實(shí)體模型[11]。與傳統(tǒng)的減材制造(Subtractive Manufacturing)方法相比,3D打印通過(guò)不斷添加材料來(lái)構(gòu)建物體,因此具有一定的設(shè)計(jì)自由度和靈活性。

3D打印技術(shù)具有定制化和個(gè)性化生產(chǎn)、原型制造、材料多樣性等應(yīng)用優(yōu)勢(shì),按照工作原理可以分為熔融沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modelling,FDM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering,SLS)和多射流熔融成型技術(shù)(Multi Jet Fusion,MJF)。

2.1 熔融沉積成型(FDM)

FDM是一種廣泛使用的3D打印技術(shù),其工作原理是將塑料絲或顆粒通過(guò)一個(gè)熱噴嘴加熱至熔融狀態(tài),然后將熔融材料逐層堆積在工作平臺(tái)上,形成所需的物體。在成型過(guò)程中,3D模型的數(shù)字設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制噴嘴的移動(dòng)路徑來(lái)實(shí)現(xiàn),每一層材料都被固化成實(shí)體后,噴嘴會(huì)上升一層,繼續(xù)堆積下一層材料,最終構(gòu)建出3D打印物體,工藝原理如圖3所示。

圖3 FDM工藝原理示意圖

2.2 選擇性激光燒結(jié)(SLS)

SLS是一種利用激光束燒結(jié)粉末材料的3D打印技術(shù)。工作原理是將薄層粉末材料均勻分布在工作臺(tái)上,然后使用激光束掃描并燒結(jié)粉末,將其融合成所需的形狀(圖4)。與FDM不同的是SLS不需要支撐結(jié)構(gòu),因?yàn)槲幢粺Y(jié)的粉末充當(dāng)支撐材料,增加了制造的自由度,因此,SLS技術(shù)適用于制造金屬、塑料和陶瓷等材料的零部件,具有高強(qiáng)度和制造復(fù)雜幾何形狀的特點(diǎn)。

圖4 SLM工藝原理示意圖

2.3 多射流熔融成型(MJF)

多射流熔融成型技術(shù)是一種將多個(gè)材料射出頭通過(guò)熱加工來(lái)創(chuàng)建物體的3D打印技術(shù),MJF技術(shù)允許將不同材料結(jié)合在一起,以實(shí)現(xiàn)多材料的3D打印,制造具有多種硬度或顏色的零部件。MJF技術(shù)在工作過(guò)程中將熱塑性聚合物粉末均勻分布在工作臺(tái)上,然后使用多個(gè)噴頭精確噴射熱敏感的墨水和材料,墨水和材料在激光照射下快速固化,逐層堆積形成3D打印物體。

3 機(jī)械制造智能化發(fā)展趨勢(shì)

3.1 大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)性維護(hù)

大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)性維護(hù)是機(jī)械制造智能化發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一[12]。通過(guò)在機(jī)械制造過(guò)程中收集大量數(shù)據(jù),如生產(chǎn)過(guò)程中的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備性能指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)等,然后通過(guò)高級(jí)分析工具和算法來(lái)解析,以識(shí)別生產(chǎn)中的趨勢(shì)、模式和異常情況,此外,企業(yè)可以了解哪些因素影響了生產(chǎn)效率,從而做出調(diào)整,在設(shè)備故障之前進(jìn)行干預(yù)性維護(hù),減少了廢品率,提高了產(chǎn)量。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域的前沿工具,AR和VR技術(shù)可以應(yīng)用于機(jī)械制造過(guò)程中的人員培訓(xùn)、機(jī)械維護(hù)和機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面。

1)人員培訓(xùn)。通過(guò)VR,工作人員可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的模擬操作,新員工可以在沒(méi)有實(shí)際設(shè)備的情況下學(xué)習(xí)如何正確操作復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備,直到他們熟練掌握。同時(shí),VR技術(shù)可以模擬危險(xiǎn)工作場(chǎng)所,以進(jìn)行安全培訓(xùn)。員工可以在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)安全程序,識(shí)別危險(xiǎn),并學(xué)習(xí)如何應(yīng)對(duì)緊急情況。

2)機(jī)械設(shè)備維護(hù)。首先AR頭戴設(shè)備可以在實(shí)地維護(hù)中提供實(shí)時(shí)故障診斷,工作人員可以通過(guò)頭戴設(shè)備查看設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)、維護(hù)手冊(cè)和可視化指導(dǎo),以確定問(wèn)題并采取適當(dāng)措施。AR技術(shù)允許遠(yuǎn)程專(zhuān)家通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)時(shí)查看設(shè)備并提供指導(dǎo),可以解決設(shè)備問(wèn)題、減少停機(jī)時(shí)間和降低維護(hù)成本。

3)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。工程師可以使用VR來(lái)創(chuàng)建和操縱三維模型,直觀(guān)的交互方式可以加速設(shè)計(jì)過(guò)程,允許工程師更好地理解設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),更快地制作原型和樣品,以進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證,可以加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

3.3 自適應(yīng)制造系統(tǒng)

自適應(yīng)制造系統(tǒng)代表著機(jī)械制造業(yè)的未來(lái),不僅可以為企業(yè)帶來(lái)了更高的競(jìng)爭(zhēng)力,還使其能夠更加靈活地適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求。自適應(yīng)制造系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,不斷收集有關(guān)生產(chǎn)線(xiàn)性能、材料供應(yīng)、庫(kù)存水平和市場(chǎng)趨勢(shì)的信息,相關(guān)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng),為決策提供了基礎(chǔ)。其次,基于收集到的數(shù)據(jù),中央控制系統(tǒng)使用高級(jí)算法和人工智能來(lái)分析市場(chǎng)需求和生產(chǎn)能力之間的差距,有助于確定機(jī)械制造生產(chǎn)線(xiàn)上可能的瓶頸和短缺。最后,自適應(yīng)制造系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和資源分配,以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的變化。這可能包括重新安排生產(chǎn)順序、更改工藝參數(shù)、調(diào)整庫(kù)存水平或變更供應(yīng)鏈合同。這種靈活性和自動(dòng)化使企業(yè)能夠更快速地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化,保持競(jìng)爭(zhēng)力,并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)增長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)械制造領(lǐng)域,智能化技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了明顯進(jìn)展,已經(jīng)較在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了較高的效率、較低的成本和較高的質(zhì)量水平。本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和3D打印技術(shù)為案例進(jìn)行分析,對(duì)技術(shù)概念及應(yīng)用原理、優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述,并提出機(jī)械制造智能化發(fā)展趨勢(shì),未來(lái)制造業(yè)將更加數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化,以支持決策制定和優(yōu)化。