面向機床制造企業的智能化實施研究與應用

王朝峰 林江海 張 玉

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

近幾年，我國機械工業得到了長足發展，極大地提升了主要工藝設備的自主程度，為機床工業提供了重要支撐。目前，我國一大批核心技術指標已經進入國際領先行列，一些技術和市場份額也在全球領先。隨著第四次產業革命的到來，自動化、大數據以及人工智能的發展，對機械制造業產生了巨大沖擊[1]。我國是世界上經濟體量最大的國家，也是世界上最大的工業國家。目前，我國機械加工行業缺少統一的信息集成體系，不能實現信息交流，不利于擴大生產規模，不具備智能裝備，且生產費用高，利潤少。由于目前管理體系的信息化程度較低，很難有效實現對企業的信息收集與控制[2-4]。數控加工設備生產企業正面臨著新的挑戰，需積極實現機床工業的信息化、數字化以及智能化等[5]。

1 機床制造智能化發展方向

機床行業產業鏈包括數控系統提供商、零配件制造商、機床制造商（一般也提供安裝、維修等服務）、代理經銷商（一般提供技術服務，也提供安裝、維修、保養等服務）以及機床用戶，如圖1所示[6]。如何合理、高效地調度瓶頸資源，控制項目計劃與項目采購計劃，控制多個生產企業的協作，是決定企業能否取得勝利的關鍵。

在信息化和網絡化技術不斷發展的今天，智能已經從單一的設備向制造系統、生產車間、工廠企業和整個機械工業的各個環節擴展[7]。現代生產的實際情況顯示，機械產品生產不但包括產品和零部件的生產過程，還包括產品設計、生產、管理和服務等整個生產過程，需在此基礎上全面分析和探索機床產品設計、生產、管理以及服務等各個環節。該價值鏈模型的目標是利用現代科技對機械設備的整個壽命周期進行有效控制。

圖1 機床制造產業價值鏈

構建以互聯網為基礎的生產體系，構建國際協作和市場競爭的體系，并為其提供技術支持，對國內的機械制造業來說至關重要。如何在全球范圍內增強制造業的競爭力，關鍵在于如何實現產品的柔性化、智能化和敏捷化，并實現智能化的靈活整合和快速組織。現代機械加工中，機械加工行業的矛盾已經由勞動生產率轉變為時間、成本和質量三者之間的相互關系和沖突。現代機械加工技術可以將三者有機結合在一起，以達到改善產品質量、節約成本、提升市場競爭能力的目的。

根據全球技術進步的新動向，全球各大發達區域紛紛將數字化、網絡化、智能化作為制造業轉型的中心，加快了生產要素、資源要素、技術要素與制造業的整合。我國是一個制造業大國，在構建制造業強國的過程中重點發展智能化制造業[7]。發展智能化制造，既是我國工業結構調整的一個重要突破，也是未來世界機床工業發展的新動力[8]。

2 智能制造實施研究

智能化生產是一個涉及多學科、多要素深度整合的系統工程，涉及科學的理論層面和技術層面的問題，并將其運用到實際工作中，如圖2所示。要把科技創新、組織管理創新與制度創新結合在一起，以系統工程的理念為導向，進行科學、合理的工程管理，以達到既定的目的。

圖2 智能制造概念圖

智能化制造能夠有效集成機床產品的研發、生產制造以及物流等各環節。工業互聯網和無線通信技術，可實現生產現場管理中的進展采集與監控、品質管理、現場物流驅動，完成車間現場人員、設備、物料現場以及工藝的錯誤預防等，可實現作業等多項工作的有機結合，以達到生產的智能化，如圖3所示。

我國在機械加工方面經驗豐富，具有一定的影響。為了適應多品種、多批量的市場環境，機械加工企業需要通過企業一體化來簡化生產過程，提高生產效率和企業的競爭能力，深入分析企業現狀，制定機械加工行業智能一體化解決方法。方案能夠有效地完成對數控設備的控制、對原有設備的快速更新，使其能夠適應產品的生產要求，順利進入到工業4.0的發展階段，為公司的智能經營提供有力的支持。以企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）為中心，建立精益智慧生產系統，支持從精益現場到精益工廠再到精益生產的每一個環節的精益生產。

本文以機床生產制造企業的智能化生產為例，結合信息化的實施方法，提出了智能工廠的實施方法。具體執行中，研究智能工廠的實施策略、方法、工具以及模板，并對實施中時間、質量、資源的利用進行了最優管理，形成了完整的方法論，如圖4所示。

2.1 實施總體規劃

智能化生產系統工程是一個長期、艱巨、復雜的系統工程，要做到“統籌規劃，分步實施，重點突破”，按照“滾動發展”的方針進行計劃。作為“一把手”的智慧生產項目，必須將它列入公司長遠發展的第一步，即5～10年的發展遠景。實施總體規劃如圖5所示。

2.2 實施路線圖

當前，大多數企業仍處于部分應用程序開發的狀態，只有極少數才能做到信息化，即能達到數字生產的程度，也只有極少的公司能做到與人之間的高效互動。只有具備智能特性和功能，才算是進入了智能廠房的雛形。因此，智慧制造并非一朝一夕之功，而是要把握住企業的痛處，從體系結構的某個方面入手，提高質量和效益。高效、綠色和智能是公司始終堅持的目標。智能制造實施路線如圖6所示。

圖3 智能制造層級結構

圖4 機床智能制造業務藍圖

2.2.1 調研與評估

在調查和評價的過程中，建立負責小組，提出對項目機構和工作的要求，分析顧客的需求，對項目進行總體規劃和預算，闡明推行智能化工廠的背景、目標和意義。

2.2.2 方案設計

制訂智能化廠房項目調研計劃，發放調查問卷，出具生產調研報告，編制詳細的生產要求表，然后通過對智能制造企業的系統進行環境配置，制定相應的設計方案和樣件，通過評審確認后進行基本的試驗，并培訓相關使用者，為下一階段的系統投入使用奠定基礎。

圖5 項目總體規劃

圖6 實施路線圖

2.2.3 系統構建

首先，明確目標的主要職能和要求，給出總體的定義和描述，為企業發展提供操作基礎和指導，并進行目標的環境計劃和部署。在實際應用中，利用實際的商業資料，充分模仿客戶的實際商業情況以檢驗整個體系。仿真訓練是保障網絡安全運行的重要一環，而確保網絡安全運行的最重要因素是制定一套完整的仿真訓練計劃。

2.2.4 上線運行

上線前，進行一系列的知識傳遞，為用戶提供充足的在線運營支撐，并根據上線后的各種突發情況和問題進行相應的管理。

2.2.5 項目總結

通過對各項指標的分析，項目組認為公司的智慧車間管理體系已基本實現，滿足了公司管理業務信息化和集成化的要求，同意將其投入使用。目前，公司已完成了項目的總體工作，并對項目的實施情況進行了匯總，開始了運營和維護，如圖7所示。

3 結語

機床生產企業正面臨著新的技術難題。在對我國機械行業的特征和發展趨勢進行深入分析和探討的基礎上，結合先進的網絡技術，設計了智能制造實施技術與方法。根據執行情況優選實施策略、方法、工具以及模板，制定了面向加工企業的智能化生產實施方法。在完成智能化制造所需的各項必要條件后，可以控制機床的生產費用，使其具有較高的柔性和較高的性價比。研發和執行顯示了最高要求，是企業高層次協作和溝通的基礎，需要建立新的業務模式，并對其進行費用和風險評估。

圖7 智能工廠項目實施效果