人工智能在機械加工及其自動化過程中的應用探究

王麗敏

(遼寧職業學院，遼寧 鐵嶺 112001)

0 引言

21世紀以來，計算機、物聯網信息技術的不斷發展，人工智能作為新興產業逐漸進入人類生產生活的各個層面，為機械制造和自動化創新發展提供了新的發展方向與基本的技術支撐。人工智能是新一代信息技術的產物，通過賦予機器設備以人的思維和思考方式，使設備能按照人的基本思路和想法去完成工作任務。近年來，隨著中國制造2025計劃的不斷實現，人工智能在人類的生產生活中隨處可見。同時，機械加工是國民經濟發展和人民日常生活的保障，將人工智能技術與機械加工融合發展，是現代學者重點研究的對象。

1 人工智能的基本概述

1.1 人工智能的定義

人工智能(Artificial Intelligence，AI)，是一門綜合性和實用性較強的計算機技術[1]，人類通過對產品設計、開發、訓練，使得產品能模仿人類的基本思考和決策能力，并將機械、電氣和控制等學科領域進行融合，使產品具有一定的執行能力，代替人類進行在生產過程中高強度、高難度、高精度的復雜作業。

1.2 人工智能的學科范疇與基本內涵

人工智能是一個多學科領域互相融合、協同發展的技術領域，各門類學科作為人工智能的基本科學支持，通過將制造、裝配等具體問題和人工智能的基本成果進行結合，不斷拓寬其在自然語言、智能搜索、知識獲取和復雜系統等方面的研究范疇，最終實現在生產生活中常見到的智能服務，如智能控制、專家系統、黑燈工廠等(圖1)，具體闡述如下。

圖1 人工智能的基本內涵

哲學、認知科學、數學、神經生理學、計算機科學等學科領域內的發展是實現人工智能的基礎。如通過哲學，確定生產系統中以人為中心的設計規劃理念，通過數學中微分、離散等知識抽象出具體問題中的相互關系，通過神經心理學確定人工智能的基本學習規則和方法，最后計算機科學作為載體，運用計算機技術在虛擬端實現智能裝備的訓練和調試。

自然語言處理、智能搜索、機器學習等研究領域是在基礎學科的支撐下，結合現實問題所研究出來的，其是實現在基礎學科和智能應用服務之間的連接關系，根據智能服務要滿足的具體功能，其借助計算機語言，智能算法等對具體問題進行數學描述，對數據記性提取和整理。

人工智能在制造業的應用領域主要涉及到產品的生產和質量控制過程，如通過數據爬蟲服務爬取數據庫中專家系統構建、模式識別狀態下在制品質量把控、數字孿生工廠中的黑燈工廠構建等。

2 人工智能在機械制造及其自動化過程中的應用

機械加工及自動化技術的融合發展，對我國工業的發展起到重要的技術保證，本節重點介紹我國機械加工及其自動化的發展現狀和人工智能在機械加工過程中的融合發展途徑。

2.1 機械加工及其自動化現狀

機械加工及自動化技術已經成為裝備制造業中的支柱性技術，隨著我國經濟體量的不斷擴大，大型機械設備逐步取代了人工作業的方式，機械加工與自動化技術的不斷發展，滿足了大批量生產需求的同時，將人工成本和時間成本控制在最小。雖然近年來我國的機械制造業得到了快速發展，但其在管理、設計、制造工藝、自動化技術方面還存在較大的改善空間。

2.1.1 管理模式有待革新

我國現代工業發展較晚，在管理模式和管理思想上與發達國家仍存有差距，同時管理工具的不完善也使得我國機械自動化技術程度不高，在機械加工過程設計和管理上缺乏數據和技術支持。

2.1.2 數據處理能力薄弱

與發達國家相比，我國在機械加工過程信息數據處理方面的能力仍不足，缺少有力的技術手段對機械加工過程中的自動化工具進行設計和制造，這也是我國現階段機械自動化程度低、發展受限的原因。

2.1.3 標準文件系統不成熟

傳統作坊式生產模式對于建設標準化工藝文件產生不利影響，機械自動化技術需要操作人員對機械設備下達明確的加工指令，設備才能按照操作者的要求進行作業，我國傳統的作坊式生產模式導致部分員工未養成及時記錄工藝數據的習慣。

我國的自動化技術在國際自動化水平中仍處于落后地位，尤其是現階段人們均在追求個性化定制產品，這對于我國的自動化技術產生了極大的挑戰，機械加工在柔性制造、多軸聯動機床的設計和實現等方面仍有較大的進步空間。

2.2 人工智能在機械加工及自動化技術融合發展途徑

2.2.1 在機械加工工藝設計階段

隨著技術的不斷革新發展，機械加工工業設計的方法也發生翻天覆地的變化，相對于傳統的操作者按照經驗技術對機械加工的工藝過程進行設計，人工智能支持機械加工設計前的虛擬驗證，由設計者將數據整理后，借助CAD、Pro.E、ANASYS等三維視圖工具對機械加工的基本工藝流程和加工過程中的能量損耗進行評估，選擇最優工序。

2.2.2 加工過程中的質量把控

過程質量是標志機械加工自動化水平的重要指標，將人工智能運用到機械自動化加工過程中，能極大避免因外部干預導致的產品質量不合格等問題，從根本上保證了機械自動化加工的精度，提升了機械加工的水準。此外，將人工智能如模式識別、自動對刀、信息反饋等技術與機械自動化加工技術相結合，還能讓設備具有智能調整、智能分析的功能，使得產品滿足更多人的需求。

2.2.3 設備與產品的信息數據收集

物聯網技術是人工智能的基礎支撐性技術，其對設備端和產品端的數據采集和傳輸具有重要作用。工程師通過在設備關鍵部件設置傳感裝置，在加工現場布置物聯網絡，通過設定固定的數據采集頻率，實現機械加工過程中的設備運行數據、產品健康狀態數據的采集、傳輸和儲存。人工智能的聰明程度取決于訓練數據和訓練次數的多少，通過在機械加工過程中的數據進行收集，并將該數據作為人工智能的訓練數據，能極大提高機械加工的智能程度。

3 人工智能助力機械加工及其自動化的支撐技術

3.1 計算機輔助設計技術

計算機輔助設計技術是工程學領域中常用的基本工具[2]，其主要解決在產品工藝設計過程中的計算、信息存儲和圖形繪制等工作。機械加工的基本依據就是產品圖紙，人工智能與機械自動化加工融合發展的過程，計算機輔助設計能實現智能終端與設計者之間的信息交流，同樣需要以圖紙作為基本指令要求。

3.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術又稱為“靈境技術”，其將計算機圖形學與人機接口技術、傳感器技術等結合，實現逼真的人工模擬環境。虛擬現實技術是人工智能的重要組成部分[3]，如在機械自動化加工前，通過虛擬現實技術，全面完整地展示加工的整個過程，對于完善作業內容、提升加工質量具有重要意義。

3.3 有限元仿真分析技術

有限元分析技術是利用數據近似的方法對真實物理系統進行模擬，是虛擬仿真技術的一種，但其可以通過有限網格劃分對設備的強度、剛度等屬性進行數據化表示。如在機械加工過程中，通過對加工過程中刀具的受力情況進行分析，按剛度將刀具劃分為不同的等級，在進行不同產品的機加過程中智能選擇合適的刀具，減少不必要的浪費和避免加工過程中的安全隱患。

4 結語

人工智能與機械加工及自動化技術發展，是未來機械加工行業的必然發展趨勢，本文探討了人工智能的基本概念和內涵，分析了我國現階段機械自動化加工技術的短板，指出了人工智能與機械加工及自動化的融合發展途徑，最后對人工智能實現過程中基本的支撐技術作出簡要說明。

(05)