本文作者通過對智能制造與機床行業(yè)現(xiàn)狀的梳理，研究了我國智能制造背景下機床行業(yè)發(fā)展的影響因素，特別是解決優(yōu)化機床產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升產(chǎn)業(yè)鏈價值、增強產(chǎn)業(yè)市場競爭力的關(guān)鍵問題。

　　一、我國智能制造與相關(guān)機床產(chǎn)業(yè)的研究現(xiàn)狀

　　隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，世界制造業(yè)正在經(jīng)歷著一場變革浪潮。客戶對產(chǎn)品呈現(xiàn)出多品種小批量的需求;同時，零件的精度要求越來越高，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和制造系統(tǒng)越來越復(fù)雜;生產(chǎn)計劃制訂越發(fā)繁瑣、現(xiàn)場任務(wù)多變、交貨期要求嚴格等特征，使得傳統(tǒng)的制造已經(jīng)不能滿足現(xiàn)行制造業(yè)的要求。如何減少生產(chǎn)資源消耗和環(huán)境污染，如何解決對生產(chǎn)計劃與過程的動態(tài)監(jiān)測和調(diào)整，如何使制造系統(tǒng)更具有柔性與綠色制造能力，這些難題都是每個制造企業(yè)需及時解決的。目前現(xiàn)狀有力地推動智能制造的萌生和發(fā)展。智能制造來源于人工智能的研究，是先進制造、信息、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)高度集成和深度融合的新一輪制造業(yè)革命性技術(shù)。智能制造系統(tǒng)可對機器正常生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測并自主分析，預(yù)測與感知可能的故障，做出科學(xué)決策。同時，該系統(tǒng)可自主分配生產(chǎn)與銷售環(huán)節(jié)，合理管理產(chǎn)品進度，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保和安全生產(chǎn)，顯著提高能源利用效率和企業(yè)競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。中國對智能制造的探索最早源于1989年在華中科技大學(xué)召開的機械制造大會，會后國內(nèi)許多高校拉開了對智能制造的研究。楊叔子院士等指出智能制造系統(tǒng)是運用智能化和集成化的方式，增強制造系統(tǒng)原有的組織能力，具有強大的自診斷、自修復(fù)和自組織能力，主動協(xié)調(diào)與協(xié)同能力以及非邏輯處理能力。它將是數(shù)字化、集成化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化有機融合與高度發(fā)展的產(chǎn)物，可以快速地對市場現(xiàn)有的需求給予回應(yīng)。熊有倫院士指出智能制造將專家的知識和經(jīng)驗融入感知、決策、執(zhí)行等制造活動中，賦予產(chǎn)品制造的在線學(xué)習(xí)和知識進化的能力，涉及到產(chǎn)品全生命周期中的設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造活動。如何挖掘、保存、傳遞、利用制造過程中存在的經(jīng)驗和知識是當(dāng)前需要解決的突出問題。盧秉恒和李滌塵從增材制造的角度，指出智能制造實際上是一種升級的先進制造技術(shù)，本身具有感知、分析、控制、推理和決策等多種功能，它是智能技術(shù)、制造技術(shù)和信息技術(shù)的現(xiàn)代化綜合應(yīng)用。雖然各院士對智能制造的描述不完全一致，但核心觀點是一致的，智能制造是將智能、制造、互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)集成在企業(yè)生產(chǎn)中有機融合。基于產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計，在整個制造的過程中，進行智能地感知、執(zhí)行、反饋及決策，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)及管理的全過程智能化，最大限度地提高企業(yè)利潤。

　　我國雖然較早開始重視智能制造，但是對于智能制造下機床產(chǎn)業(yè)的研究還處于起步階段，相對研究較少。實際上，國內(nèi)尚未形成成熟的機床領(lǐng)域的智能制造應(yīng)用，僅有沈陽機床廠、四川普什寧江機床廠等少數(shù)機床廠在研發(fā)應(yīng)用，總體上未形成規(guī)模機床智能制造工廠示范企業(yè)。任宇比較了中國與主要發(fā)達國家的智能制造，指出目前中國缺乏與數(shù)控機床相關(guān)的智能制造關(guān)鍵技術(shù)，具體產(chǎn)業(yè)政策缺乏對機床配套設(shè)施的扶持，某些政府采購制度也阻礙了國產(chǎn)機床的應(yīng)用推廣力度，導(dǎo)致我國科研水平或者市場份額等均遠遠不及西方國家;認為應(yīng)當(dāng)重視行業(yè)準(zhǔn)入、加大研發(fā)投入、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)合以及促進國家交流等制度意見。張曙、楊興銳等以沈陽機床廠最新的i5智能機床為例，分析了智能制造的改革途徑，認為政策體系是智能機床發(fā)展的基本前提和有效保障，內(nèi)外部合作是智能機床發(fā)展的未來趨勢，運營模式才是創(chuàng)新的催化劑，智能系統(tǒng)平臺的建立是關(guān)鍵，企業(yè)應(yīng)采用互聯(lián)網(wǎng)思維提高機床產(chǎn)品整體的創(chuàng)新速度，從而實現(xiàn)自我不斷完善的戰(zhàn)略目標(biāo)。夏則才研究了智能制造與機床產(chǎn)業(yè)的連接途徑，為了實現(xiàn)機床企業(yè)智能制造，認為要把自動化、先進制造、人工智能和信息技術(shù)有效地結(jié)合起來，建立覆蓋整個制造過程的數(shù)據(jù)采集，進而實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)與決策的閉環(huán)體系。通過我國智能制造下的機床產(chǎn)業(yè)研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究目前都是制度性的建議，缺乏系統(tǒng)化分析。本文作者基于國外智能制造研究的經(jīng)驗和成果，系統(tǒng)地研究了智能制造背景下影響機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

　　二、我國機床產(chǎn)業(yè)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)分析

　　高端數(shù)控機床作為現(xiàn)代制造業(yè)的核心設(shè)備，是民族工業(yè)的支柱。隨著我國科技和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)控機床由于不具有自適應(yīng)、自診斷與自決策的功能，無法滿足現(xiàn)代智能制造的發(fā)展需求。然而，智能機床卻具有自我感知和預(yù)估自身狀態(tài)的能力，借助歷史加工數(shù)據(jù)，可以估算設(shè)備整體和關(guān)鍵部件的使用壽命，感知加工狀態(tài)和環(huán)境的變化，診斷出可能故障并給出修正指令;對加工零件的表面質(zhì)量進行實時智能評估，并通過各種智能模塊實現(xiàn)多工序加工，提高加工效能，并降低能源的消耗。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)完成了數(shù)控機床生產(chǎn)與使用的智能化，將人、智能機床和大數(shù)據(jù)相互連接在一起，實現(xiàn)了制造的軟件定義、信息網(wǎng)絡(luò)通信和大數(shù)據(jù)共享。我國機床產(chǎn)業(yè)智能制造可以在如下的關(guān)鍵技術(shù)上特色發(fā)展:

　　2.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)分析是核心驅(qū)動力

　　工業(yè)大數(shù)據(jù)是指從客戶需求到銷售、訂單、計劃、設(shè)計、工藝、制造、研發(fā)、采購、供應(yīng)、庫存、交貨、售后、報廢和回收再制造整個產(chǎn)品生命周期中，圍繞著工業(yè)領(lǐng)域典型的智能制造，生成的各種數(shù)據(jù)、相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用程序的總稱。通過工業(yè)大數(shù)據(jù)可以對數(shù)控機床智能制造各階段的情況進行真實描述，從而更好地了解、分析和優(yōu)化制造過程。因此，工業(yè)大數(shù)據(jù)是智能機床的智慧來源。

　　智能機床工業(yè)大數(shù)據(jù)的架構(gòu)在邏輯上主要分四層，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲和管理層、數(shù)據(jù)分析層及數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如圖1所示。通過整個流程，可以將機床大數(shù)據(jù)可視化分析處理后的多來源、多層次、多維度的數(shù)據(jù)以直觀簡潔的方式展示給用戶，使用戶更容易理解，從而可以更好地做出整體決策。數(shù)據(jù)可視化包括很多方式，如報表、二維地圖、三維地圖等。而且，可以利用機床數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)進行智能制造的延伸與改進，主要指利用移動應(yīng)用開發(fā)工具，進行大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)，便于實現(xiàn)預(yù)測與決策。以帶鋸機床生產(chǎn)公司———高圣為例，給出大數(shù)據(jù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用實例。延長帶鋸壽命是該機床使用過程中的核心。首先，利用傳感器采集加工過程中的數(shù)據(jù)，對帶鋸機壽命的下降進行分析，并預(yù)測機床壽命的算法模型。在加工過程中，實時分析生成的數(shù)據(jù)，識別當(dāng)前工件和工況信息。其次，通過健康特征提取和歸一化處理將當(dāng)前的健康特征反映到智能機床特征地圖上，實現(xiàn)帶鋸磨損狀態(tài)的量化。分析處理后的信息被存儲到數(shù)據(jù)庫中，借助大數(shù)據(jù)的智能分析能力，建立不同健康狀態(tài)下的最佳工藝參數(shù)模型，延長帶鋸的使用壽命。進一步，通過可視化技術(shù)，將機床健康信息展示給用戶，而當(dāng)需要更換帶鋸時對用戶進行智能提醒，并自動補充帶鋸訂單，保證了生產(chǎn)質(zhì)量與效率。

圖1 智能機床工業(yè)大數(shù)據(jù)的架構(gòu)

　　2.2 機床學(xué)習(xí)能力是必要途徑

　　機床學(xué)習(xí)屬于機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，涉及到統(tǒng)計學(xué)、概率論、系統(tǒng)辨識、計算機科學(xué)、最優(yōu)化理論、復(fù)雜算法理論和腦科學(xué)等諸多學(xué)科，主要指利用計算機模擬人類的學(xué)習(xí)行為，使機床自主獲取新的知識或掌握某種技能，并在實踐訓(xùn)練中重組已有的知識結(jié)構(gòu)，不斷改善其工作性能。其本質(zhì)是基于已知數(shù)據(jù)構(gòu)建一個評價函數(shù)，其算法成立的基本原理在于數(shù)值和概念可以相互映射。基本實現(xiàn)方式為:將具象的制造過程映射為數(shù)據(jù)，同最終的加工零件數(shù)據(jù)一起組成原始樣本集，計算機根據(jù)某種規(guī)則對初始樣本進行特征提取，形成特征樣本集，經(jīng)預(yù)處理后，將特征樣本拆分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，再調(diào)用合適的機床學(xué)習(xí)算法，擬合并測試評價函數(shù)，即可用之對未來的觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)測或評價。該流程如圖2所示。

　　機床學(xué)習(xí)作為一種數(shù)據(jù)分析與特征挖掘的工具，將專家的知識與經(jīng)驗以及大量的實驗數(shù)據(jù)編制成系統(tǒng)知識庫，通過建立優(yōu)化模型，在給定的需求邊界條件下，求取最佳的參數(shù)組合。通過采集故障機床的工作信號，整理為帶標(biāo)記的初始樣本集，構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，挖掘該故障的信號特征，避免了繁雜的理論分析過程，為智能故障診斷提供決策依據(jù)。例如，機床學(xué)習(xí)可以監(jiān)測加工過程中刀具的磨損狀態(tài)。利用機床學(xué)習(xí)處理切削工藝實驗的數(shù)據(jù)，建立切削力和切削變形的計算公式，避免復(fù)雜物化過程的量化描述，可以達到極高的預(yù)測精度，為工藝參數(shù)和補償算法的制定提供基礎(chǔ)。

圖2 機床學(xué)習(xí)的基本流程

　　2.3 機床互通互聯(lián)是堅實基礎(chǔ)

　　機床的互聯(lián)互通是指機床、設(shè)備和控制系統(tǒng)之間以及企業(yè)之間通過有線和無線等通信方式的互連和信息交換。無論多么先進的數(shù)控機床，獨立工作的潛力都有限，只有將帶有裝備感應(yīng)器的機床和智能軟件與其他裝備、人聯(lián)系起來，從中提取數(shù)據(jù)并進行詳細分析，深入挖掘生產(chǎn)或服務(wù)體系在性能改進、質(zhì)量提升方面的潛力，才能實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化與提效。

　　智能制造中的信息模型是對物理對象的抽象和組織，需要反映實際物理對象和數(shù)據(jù)關(guān)系。信息互通要求所有機床裝備使用同樣的數(shù)據(jù)格式和參數(shù)類型對制造系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化的描述，建立語義和結(jié)構(gòu)一致的信息模型是解決該問題的重要手段。

　　互聯(lián)互通作為智能制造的重要手段，在智能制造的各方面均有重要的作用，最常見用于數(shù)控機床和上下料機器人組成的柔性生產(chǎn)線中。數(shù)控機床與機器人之間，或者與上層管控系統(tǒng)之間，通過互聯(lián)互通相互獲取數(shù)據(jù)、狀態(tài)和指令，解析相關(guān)信息，相互配合完成生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)節(jié)拍的配合，共同完成工作。其次，在智能制造的數(shù)字雙胞胎中互聯(lián)互通也同樣起著重要作用。數(shù)字雙胞胎是采用數(shù)字化的方式，建立多維、多時空、多尺度的動態(tài)虛擬物理模型來刻畫和仿真實體在環(huán)境中的行為、屬性、規(guī)則等。數(shù)字雙胞胎可以有效用于具有預(yù)測性設(shè)備的監(jiān)控、預(yù)防、診斷等常規(guī)維護和調(diào)度。互聯(lián)互通中的信息模型技術(shù)通過對數(shù)字雙胞胎各種屬性信息建模的方式實現(xiàn)信息標(biāo)準(zhǔn)化，為信息在物理世界層和虛擬世界層的順利流通提供保障。(作者：王紅，李彬)