智能制造技術在傳統制造業的應用

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摘要：河北作為工業大省，傳統制造業技術水平低于南方發達省份，且高能耗、高污染產業所占比重較大，創新能力一般。在《中國制造2025》政策指導下，中央和河北省政府大力推動制造業數字化轉型升級，推廣智能制造技術在制造業的應用，已取得顯著成果，成功探索出一條智能化、綠色化、服務化的發展之路。

關鍵詞：河北；制造業；升級轉型；智能制造

1河北省制造業現狀

隨著京津冀協同發展戰略的提出，旨在促進整個區域協同發展，給河北的社會和經濟帶來前所未有的機遇和挑戰。作為華北地區經濟和人口大省，擁有豐富的礦產資源、農業資源和扎實的工業基礎，孕育了完整的制造業產業鏈。河北的鋼鐵、汽車、制藥、化工等傳統工業占全國比重較大，存在產業結構不合理、企業創新能力一般、高能耗、高污染、低附加值問題[1-3]，因此在全國激烈的經濟市場競爭中處于劣勢。2015年，國務院出臺《中國制造2025》規劃明確指出“與世界先進水平相比，我國制造業仍然大而不強，在自主創新能力、資源利用效率、產業結構水平、信息化程度、質量效益等方面差距明顯，轉型升級和跨越發展的任務緊迫而艱巨”[4]。河北加快傳統制造業數字化轉型升級任務迫在眉睫。在新一輪工業革命中，以“數字化網絡化智能化技術”與“先進制造技術”為背景支持的智能制造技術具有強大的生產力，對傳統制造業提供巨大的驅動力，引發生產模式、發展理念深刻變革。河北政府搶抓歷史機遇，大力推廣智能制造戰略，探索出一條智能化、綠色化、服務化的發展之路[5-7]。

1.1智能化

智能制造的核心是制造，在制造鏈的各個環節均體現出智能化的特點，主要落實在智能生產、智能產品和智能服務三個子系統上，三個子系統彼此間相互聯系、相互促進：智能生產是智能產品的物化過程；智能產品是智能服務的載體，也是評價智能制造性能優劣的對象；智能服務是智能產品的延伸。

1.2綠色化

綠色化是在充分考慮產品的資源利用率和環境保護基礎之上，使其對生態的負面影響達到最小化，甚至為零。產品綠色化從最初模型設計、材料選擇、加工流程、包裝運輸，到客戶使用、報廢回收等整個生命周期均需注重保護環境、節約資源的理念，兼顧產品成本，實現經濟效益與綠色環保雙贏的結果。

1.3服務化

服務化是指產品功能更加多樣化、個性化，對消費者的需求進行深度挖掘，將產品體驗感受放在重要位置，不斷豐富和更新產品功能，并且開發產品的附加價值。

2智能制造技術的應用

2020年受疫情影響，河北地區經濟發展有所放緩，生產總值較去年增長3.9%，其中第一產業增加值為3880.1億元，較去年增長3.2%；第二產業增加值為13597.2億元，較去年增長4.8%；第三產業增加值為18729.6億元，較去年增長3.3%。第二產業作為三類產業中增長幅度最大的產業，離不開裝備制造、鋼鐵、石化、食品、醫藥、建材、紡織服裝等七大傳統產業和高端高新產業的共同作用。在智能制造的助力下，高端高新產業的發展極為亮眼。2019年高端高新裝備制造較上一年增長8.3%：新一代信息技術產品液晶顯示屏產量較上一年增長22.7%，集成電路較上一年翻倍；新興交通運輸設備相關產品新能源汽車較上一年增長74.5%，城市軌道車輛較上一年增長73.8%；新能源產業相關產品鋰離子電池較上一年增長25.6%，太陽能電池較上一年增長25.9%，風力發電機組較上一年增長30.9%；節能環保產業相關產品環境監測專用儀器儀表較上一年增長14.7%，環境污染防治專用設備較上一年增長71.4%。以上增長數據的背后是智能制造技術在制造業中扮演了重要角色，發揮著至關重要作用，下面分析智能制造技術在傳統制造業的典型研究和應用。

2.1智能制造中智能機床的應用

智能機床作為最新一代加工設備滿足自適應柔性和更高效生產的要求，為智能制造注入更強勁的生產力，目前已落戶雄安新區，其系統結構如圖1所示。搭載智能數控系統，在獲取加工對象以后，自動選擇最優加速度、轉角、平滑度、加工路線等參數進行加工。同時也對整個加工過程進行自身監測，并實時分析周圍環境因素自動補償，以保證產品精度。智能機床的主要優勢有：①優越的減振。機床的加工軸在加速和減速的過程中會產生振動，其嚴重影響加工精度和表面粗糙度等參數，智能機床可實現最大程度抑制振動。②采用熱補償。在加工過程中會產生大量的熱量，使得工件和刀具受溫升而變形，智能機床可實現精確補償。③智能防撞。在人工誤操作時，智能機床可提前檢測內部干涉和撞擊的可能性，并于撞擊前立即停機，保護設備和工件免于碰撞。

2.2智能制造中智能機器人的應用

集仿生技術、傳感技術、控制理論、信號處理等技術于一身的智能機器人已在河北省的機械、汽車、化工等領域廣泛應用，充分融入智能生產的各個環節，例如長城汽車焊接生產線，采用智能機械手完成點焊、涂膠、搬運等一系列工序。智能機器人根據各節點的工作環境和任務，獲取主動感知，執行任務規劃，自適應調整生產進度。降低生產過程中的人力工作強度，避免危險環境對人體的傷害，極大程度提高了生產效率。

2.3智能制造中機器視覺的應用

機器視覺是采用視覺技術的機械系統，已成熟應用在河北省大中型檢測線上，完成產品生產過程監視、產品識別以及產品質量檢測任務。例如小型零件批量尺寸檢測、電氣元器件定位安裝、電路板缺陷檢測[8]。典型的機器視覺系統包含圖像采集、圖像處理、圖像分析與識別、圖像定位與顯示等模塊。利用光學傳感器獲取產品的圖像或者視頻模擬量，傳遞計算機圖像采集卡完成A/D轉換，得到數字信號，可依據像素的顏色、亮度、灰度、梯度等信息進行識別和判斷，并將分析結果用于控制機器設備動作，如圖2所示。機器視覺的主要優勢有：①精度高。采用高清晰光學傳感器搭配合適的光源，檢測精度可達萬分之一英寸，遠超人眼識別極限。②重復性強。機器可以重復性地完成一系列任務，且不會出現誤操作，遠超人體能承受的疲勞極限。③速度快。工業流水線上選用高頻相機，可采集快速運動的物體，且成像質量高，不會出現模糊。④客觀性好。人工檢測難免受到情緒波動影響，導致檢測結果帶有明顯的主觀性。機器視覺能很好地保持客觀檢測，因此檢測結果真實性強。⑤單位檢測成本低。雖然機器視覺設備總體成本較高，然而出色的工作效率可替代幾人甚至十幾人的工作量，且能保持長時間的連續工作，因此單個產品的單位檢測成本極低。

2.4智能制造中虛擬仿真的應用

虛擬仿真開始在河北尖端技術企業推廣，增強生產過程中的數據采集、分析、處理，最后進行仿真運行，實現生產全過程的動態呈現和全面掌控。該應用是以產品的完成生命周期作為數據基礎，不是單純的生產過程演示，而是真正意義上的指導管理系統，既可以仿真單臺工作站產品模擬加工，也可拓展到全廠所有設備的協作模擬。該應用通常離不開企業資源計劃（ERP）的無縫對接，即虛擬仿真需要掌握主生產計劃、采購計劃、物料計劃、能力計劃、利潤規劃、財務報表、人力資源計劃等整個供應鏈系統，實現仿真的準確性。

2.5智能制造中智慧工廠的應用

智慧工廠為河北的能源消耗大、產品利潤率的企業指明了發展方向，其技術架構如圖3所示[4]。以鋼鐵為例，河北的粗鋼產量連續十年位居全國首位。然而面對嚴峻的市場價格形勢，鋼鐵企業開展了一系列的“智慧生產、節能減排”舉措取得明顯成效，開啟了智慧工廠試點建設。在智慧工廠中，傳統的電氣控制、儀表控制、燃氣控制正在被先進的一體化智能系統代替，優化鋼材設計、生產制造工藝和部門結構管理。鋼企的智慧工廠的主要優勢有：①互聯網技術和云計算可以將諸多信息進行綜合整理和融合，實現在線故障診斷和未來發展趨勢預測。②大數據平臺實現信息集成，提供產品質量預估和異常產品追溯的功能，減少資金占用，提高產品良率。③協同內部各部門之間的管理，對原料采購、生產加工、銷售經營進行多目標優化，并提供循環物質流、信息流和能量流的流向，做到實時管理。

2.6智能制造中無損檢測的應用

無損檢測是在不直接接觸和不損傷檢測對象的前提下，利用聲、光、熱、電、磁等介質檢測產品的表面或內部是否存在結構不均勻或者缺陷，同時給出缺陷的數量、大小、位置、尺寸、類型等信息。①超聲波檢測。利用頻率20kHz以上的聲波在材料中傳播，遇到不同阻抗界面發生反射現象，依據反射波所攜帶的信息，判斷缺陷的各種性質，廣泛應用于距離、厚度、液位、流量等參數的檢測，如圖4所示。②射線檢測。利用X射線、γ射線或中子射線通過物體時會發生吸收和散射，材料中有缺陷會影響射線的吸收和散射，通過對膠片感光分析，對比底片上有缺陷部位與無缺陷部位的黑度圖像信息，判斷出缺陷的種類、數量、大小。③磁粉檢測。預先磁化待檢測的工件，利用磁力線穿透鐵磁材料時，在磁性不連續處形成漏磁場，然后在磁化的工件表面上撒上合適的干磁粉或者澆注磁懸液，最后觀察磁粉堆積痕跡，檢驗工件表面的裂紋、疏松、氣孔和夾雜等缺陷。④滲透檢測。利用毛細現象，將溶有熒光染料或著色染料的滲透劑涂抹于試件表面后，滲透劑會滲入到表面的細小缺陷中，清除依附在試件表面上多余的滲透劑，經干燥處理再施加顯像劑，置于特殊的光源下使得缺陷處的滲透液痕跡被顯示，從而探測出缺陷的形貌或者分布狀態。

2.7智能制造中智能CAD的應用

智能CAD是人工智能與傳統CAD技術相融合的新技術。可借助數字仿真模擬、有限元分析來完成數據計算和分析。帶有強大的圖形圖像處理功能，支持二維、三維模型設計。此外還具備便捷的數據管理與信息交互功能和文檔編輯制作等服務，極大提高生產效率，其結構如圖5所示。

3創新應用意義

制造業是立國之本、興國之器、強國之基。在傳統制造業領域應用蓬勃發展的智能制造技術，必將為傳統制造業注入強勁動力。全球各個國家都在陸續提出自己的智能制造發展戰略，力圖在新一輪工業革命中掌握主導權，占領新高地。中國制造業抓住這一千載難逢的歷史機遇，發揮制度優勢，出臺發展政策，鼓勵創新創造，加快工業現代化建設步伐，集中優勢力量打贏智能制造決戰，實現民族偉大復興的中國夢。

參考文獻：

[1]侯凱莉，陳妍，徐清祿.淺析河北省制造業數字化轉型升級的新機遇[J].探討與研究，2021（07）：177-178.

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[3]侯英，侯士江，陳國強.河北省2025工業設計發展布局探索[J].設計，2016（03）：78-79.

[4]樊召玲.河北省制造業轉型升級研究[D].呼和浩特：內蒙古師范大學區域經濟學學科碩士學位論文，2021：1-10.

[5]倪立芹，張國平，高洪巖，陳彩霞.河北裝備制造業的現狀和發展思路[J].北華航天工業學院學報，2009，19（06）：26-27.

[6]李瓊硯，路敦民，程朋樂.智能制造概論[M].北京：機械工業出版社，2021.

[7]周濟，李培根.智能制造導論[M].北京：高等教育工業出版社，2021.

[8]余文勇，石繪.機器視覺自動檢測技術[M].北京：化學工業出版社，2013.

作者：李磊 張業宏 單位：河北科技工程職業技術大學