智能制造技术在传统制造业的应用

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摘要：河北作为工业大省，传统制造业技术水平低于南方发达省份，且高能耗、高污染产业所占比重较大，创新能力一般。在《中国制造2025》政策指导下，中央和河北省政府大力推动制造业数字化转型升级，推广智能制造技术在制造业的应用，已取得显著成果，成功探索出一条智能化、绿色化、服务化的发展之路。

关键词：河北；制造业；升级转型；智能制造

1河北省制造业现状

随着京津冀协同发展战略的提出，旨在促进整个区域协同发展，给河北的社会和经济带来前所未有的机遇和挑战。作为华北地区经济和人口大省，拥有丰富的矿产资源、农业资源和扎实的工业基础，孕育了完整的制造业产业链。河北的钢铁、汽车、制药、化工等传统工业占全国比重较大，存在产业结构不合理、企业创新能力一般、高能耗、高污染、低附加值问题[1-3]，因此在全国激烈的经济市场竞争中处于劣势。2015年，国务院出台《中国制造2025》规划明确指出“与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨”[4]。河北加快传统制造业数字化转型升级任务迫在眉睫。在新一轮工业革命中，以“数字化网络化智能化技术”与“先进制造技术”为背景支持的智能制造技术具有强大的生产力，对传统制造业提供巨大的驱动力，引发生产模式、发展理念深刻变革。河北政府抢抓历史机遇，大力推广智能制造战略，探索出一条智能化、绿色化、服务化的发展之路[5-7]。

1.1智能化

智能制造的核心是制造，在制造链的各个环节均体现出智能化的特点，主要落实在智能生产、智能产品和智能服务三个子系统上，三个子系统彼此间相互联系、相互促进：智能生产是智能产品的物化过程；智能产品是智能服务的载体，也是评价智能制造性能优劣的对象；智能服务是智能产品的延伸。

1.2绿色化

绿色化是在充分考虑产品的资源利用率和环境保护基础之上，使其对生态的负面影响达到最小化，甚至为零。产品绿色化从最初模型设计、材料选择、加工流程、包装运输，到客户使用、报废回收等整个生命周期均需注重保护环境、节约资源的理念，兼顾产品成本，实现经济效益与绿色环保双赢的结果。

1.3服务化

服务化是指产品功能更加多样化、个性化，对消费者的需求进行深度挖掘，将产品体验感受放在重要位置，不断丰富和更新产品功能，并且开发产品的附加价值。

2智能制造技术的应用

2020年受疫情影响，河北地区经济发展有所放缓，生产总值较去年增长3.9%，其中第一产业增加值为3880.1亿元，较去年增长3.2%；第二产业增加值为13597.2亿元，较去年增长4.8%；第三产业增加值为18729.6亿元，较去年增长3.3%。第二产业作为三类产业中增长幅度最大的产业，离不开装备制造、钢铁、石化、食品、医药、建材、纺织服装等七大传统产业和高端高新产业的共同作用。在智能制造的助力下，高端高新产业的发展极为亮眼。2019年高端高新装备制造较上一年增长8.3%：新一代信息技术产品液晶显示屏产量较上一年增长22.7%，集成电路较上一年翻倍；新兴交通运输设备相关产品新能源汽车较上一年增长74.5%，城市轨道车辆较上一年增长73.8%；新能源产业相关产品锂离子电池较上一年增长25.6%，太阳能电池较上一年增长25.9%，风力发电机组较上一年增长30.9%；节能环保产业相关产品环境监测专用仪器仪表较上一年增长14.7%，环境污染防治专用设备较上一年增长71.4%。以上增长数据的背后是智能制造技术在制造业中扮演了重要角色，发挥着至关重要作用，下面分析智能制造技术在传统制造业的典型研究和应用。

2.1智能制造中智能机床的应用

智能机床作为最新一代加工设备满足自适应柔性和更高效生产的要求，为智能制造注入更强劲的生产力，目前已落户雄安新区，其系统结构如图1所示。搭载智能数控系统，在获取加工对象以后，自动选择最优加速度、转角、平滑度、加工路线等参数进行加工。同时也对整个加工过程进行自身监测，并实时分析周围环境因素自动补偿，以保证产品精度。智能机床的主要优势有：①优越的减振。机床的加工轴在加速和减速的过程中会产生振动，其严重影响加工精度和表面粗糙度等参数，智能机床可实现最大程度抑制振动。②采用热补偿。在加工过程中会产生大量的热量，使得工件和刀具受温升而变形，智能机床可实现精确补偿。③智能防撞。在人工误操作时，智能机床可提前检测内部干涉和撞击的可能性，并于撞击前立即停机，保护设备和工件免于碰撞。

2.2智能制造中智能机器人的应用

集仿生技术、传感技术、控制理论、信号处理等技术于一身的智能机器人已在河北省的机械、汽车、化工等领域广泛应用，充分融入智能生产的各个环节，例如长城汽车焊接生产线，采用智能机械手完成点焊、涂胶、搬运等一系列工序。智能机器人根据各节点的工作环境和任务，获取主动感知，执行任务规划，自适应调整生产进度。降低生产过程中的人力工作强度，避免危险环境对人体的伤害，极大程度提高了生产效率。

2.3智能制造中机器视觉的应用

机器视觉是采用视觉技术的机械系统，已成熟应用在河北省大中型检测线上，完成产品生产过程监视、产品识别以及产品质量检测任务。例如小型零件批量尺寸检测、电气元器件定位安装、电路板缺陷检测[8]。典型的机器视觉系统包含图像采集、图像处理、图像分析与识别、图像定位与显示等模块。利用光学传感器获取产品的图像或者视频模拟量，传递计算机图像采集卡完成A/D转换，得到数字信号，可依据像素的颜色、亮度、灰度、梯度等信息进行识别和判断，并将分析结果用于控制机器设备动作，如图2所示。机器视觉的主要优势有：①精度高。采用高清晰光学传感器搭配合适的光源，检测精度可达万分之一英寸，远超人眼识别极限。②重复性强。机器可以重复性地完成一系列任务，且不会出现误操作，远超人体能承受的疲劳极限。③速度快。工业流水线上选用高频相机，可采集快速运动的物体，且成像质量高，不会出现模糊。④客观性好。人工检测难免受到情绪波动影响，导致检测结果带有明显的主观性。机器视觉能很好地保持客观检测，因此检测结果真实性强。⑤单位检测成本低。虽然机器视觉设备总体成本较高，然而出色的工作效率可替代几人甚至十几人的工作量，且能保持长时间的连续工作，因此单个产品的单位检测成本极低。

2.4智能制造中虚拟仿真的应用

虚拟仿真开始在河北尖端技术企业推广，增强生产过程中的数据采集、分析、处理，最后进行仿真运行，实现生产全过程的动态呈现和全面掌控。该应用是以产品的完成生命周期作为数据基础，不是单纯的生产过程演示，而是真正意义上的指导管理系统，既可以仿真单台工作站产品模拟加工，也可拓展到全厂所有设备的协作模拟。该应用通常离不开企业资源计划（ERP）的无缝对接，即虚拟仿真需要掌握主生产计划、采购计划、物料计划、能力计划、利润规划、财务报表、人力资源计划等整个供应链系统，实现仿真的准确性。

2.5智能制造中智慧工厂的应用

智慧工厂为河北的能源消耗大、产品利润率的企业指明了发展方向，其技术架构如图3所示[4]。以钢铁为例，河北的粗钢产量连续十年位居全国首位。然而面对严峻的市场价格形势，钢铁企业开展了一系列的“智慧生产、节能减排”举措取得明显成效，开启了智慧工厂试点建设。在智慧工厂中，传统的电气控制、仪表控制、燃气控制正在被先进的一体化智能系统代替，优化钢材设计、生产制造工艺和部门结构管理。钢企的智慧工厂的主要优势有：①互联网技术和云计算可以将诸多信息进行综合整理和融合，实现在线故障诊断和未来发展趋势预测。②大数据平台实现信息集成，提供产品质量预估和异常产品追溯的功能，减少资金占用，提高产品良率。③协同内部各部门之间的管理，对原料采购、生产加工、销售经营进行多目标优化，并提供循环物质流、信息流和能量流的流向，做到实时管理。

2.6智能制造中无损检测的应用

无损检测是在不直接接触和不损伤检测对象的前提下，利用声、光、热、电、磁等介质检测产品的表面或内部是否存在结构不均匀或者缺陷，同时给出缺陷的数量、大小、位置、尺寸、类型等信息。①超声波检测。利用频率20kHz以上的声波在材料中传播，遇到不同阻抗界面发生反射现象，依据反射波所携带的信息，判断缺陷的各种性质，广泛应用于距离、厚度、液位、流量等参数的检测，如图4所示。②射线检测。利用X射线、γ射线或中子射线通过物体时会发生吸收和散射，材料中有缺陷会影响射线的吸收和散射，通过对胶片感光分析，对比底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图像信息，判断出缺陷的种类、数量、大小。③磁粉检测。预先磁化待检测的工件，利用磁力线穿透铁磁材料时，在磁性不连续处形成漏磁场，然后在磁化的工件表面上撒上合适的干磁粉或者浇注磁悬液，最后观察磁粉堆积痕迹，检验工件表面的裂纹、疏松、气孔和夹杂等缺陷。④渗透检测。利用毛细现象，将溶有荧光染料或着色染料的渗透剂涂抹于试件表面后，渗透剂会渗入到表面的细小缺陷中，清除依附在试件表面上多余的渗透剂，经干燥处理再施加显像剂，置于特殊的光源下使得缺陷处的渗透液痕迹被显示，从而探测出缺陷的形貌或者分布状态。

2.7智能制造中智能CAD的应用

智能CAD是人工智能与传统CAD技术相融合的新技术。可借助数字仿真模拟、有限元分析来完成数据计算和分析。带有强大的图形图像处理功能，支持二维、三维模型设计。此外还具备便捷的数据管理与信息交互功能和文档编辑制作等服务，极大提高生产效率，其结构如图5所示。

3创新应用意义

制造业是立国之本、兴国之器、强国之基。在传统制造业领域应用蓬勃发展的智能制造技术，必将为传统制造业注入强劲动力。全球各个国家都在陆续提出自己的智能制造发展战略，力图在新一轮工业革命中掌握主导权，占领新高地。中国制造业抓住这一千载难逢的历史机遇，发挥制度优势，出台发展政策，鼓励创新创造，加快工业现代化建设步伐，集中优势力量打赢智能制造决战，实现民族伟大复兴的中国梦。

参考文献：

[1]侯凯莉，陈妍，徐清禄.浅析河北省制造业数字化转型升级的新机遇[J].探讨与研究，2021（07）：177-178.

[2]杨晓春.河北省制造业企业智能化程度调查及对策分析[J].河北农机，2019，10：109-110.

[3]侯英，侯士江，陈国强.河北省2025工业设计发展布局探索[J].设计，2016（03）：78-79.

[4]樊召玲.河北省制造业转型升级研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学区域经济学学科硕士学位论文，2021：1-10.

[5]倪立芹，张国平，高洪岩，陈彩霞.河北装备制造业的现状和发展思路[J].北华航天工业学院学报，2009，19（06）：26-27.

[6]李琼砚，路敦民，程朋乐.智能制造概论[M].北京：机械工业出版社，2021.

[7]周济，李培根.智能制造导论[M].北京：高等教育工业出版社，2021.

[8]余文勇，石绘.机器视觉自动检测技术[M].北京：化学工业出版社，2013.

作者：李磊 张业宏 单位：河北科技工程职业技术大学