数控机床智能化改造研究与实践

孙中柏

摘 要：数控机床作为21世纪社会经济发展的重要产物，对现代企业的生产与发展具有重要的促进作用。在当前倡导“工业4.0”与“中国制造2025”战略的背景下，对传统数控机床进行智能化改造已成为势在必行的重要工作之一。

关键词：数控机床;智能化改造;智能制造

中图分类号：TG659文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.02.003

制造业在一个国家的国民经济发展中起到主体性作用，也是一个国家的立国之本、兴国之器和强国之基。人类自十八世纪中叶进入工业文明以来，世界上所有的强国兴衰史和我们中华民族的奋斗进程中一再表明，只有拥有强大的制造业，才能使国家和民族变得强盛。在制造业的整个发展过程中制造装备却又是重要的因素之一。数控机床的诞生及发展使我们的生产变得更加迅速和更加高效，但在使用过程中往往需要人工协助，智能化程度还不够高。在科技迅速发展的今天，我们可以利用现代的技术和方法，借助于各学科的最新成果，借助于计算机集成技术、传统的制造技术与人工智能等新技术，发展一种全新的制造技术与系统，就诞生了智能制造技术与系统。

1 智能制造系统概述

智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统。它在制造过程中能以一种高度柔性与高度集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。同时，收集、存贮、完善、共享、集成和发展人类专家的智能。

所谓智能制造，就是针对一类产品的生命周期，在缺乏感知条件下的一种信息化制造技术。智能制造技术是在现代网络技术、自动化技术、传感技术、人工智能技术等尖端技术的基础上，通过智能化的感知、人与机器的交互、决策与执行技术，从而实现从设计到制造以及整个制造装备的智能化，是现代信息技术、智能技术、传感技术与机械装备制造技术的一种深度融合与集成。智能制造也是現代信息化和现代工业化走向深度融合的发展趋势。

2 智能制造系统的构成

智能制造系统主要由MES系统、工业机器人系统、数控车床、数控加工中心、立体仓库、中央电气控制系统，及其他辅助系统等部件组成。

2.1 MES系统

MES（Manufacturing Execution System）即制造企业生产过程执行系统，是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排产管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。

当前比较常用的MES系统，如国外的西门子（siemens）、默佩德卫（mpdv）、罗克韦尔（rockwell）等，国内的模德宝、华数、汇博等。国外的MES系统比较成熟，功能强、稳定性好，但价格比较贵;国内的MES系统发展起步较晚，功能及稳定性方面要略差一些，我们可以根据改造的需求及经费情况来选择相应的MES系统。不管选用那种品牌的MES系统，在智能制造系统中的MES软件系统应具备如下功能：

（1）加工任务创建、管理;

（2）立体仓库管理;

（3）机床启停、初始化;

（4）加工程序管理和上传;

（5）在线检测实时显示和刀具补偿修正;

（6）智能看板功能：实时监控设备、立体仓库信息以及机床刀具监控等;

（7）订单下达、生产数据管理、报表管理等。

2.2 工业机器人系统

工业机器人系统是智能制造系统中重要组成部分之一。智能制造系统中配置的工业机器人最好选用六自由度工业机器人，这种工业机器人动作灵活性较高，能工作的空间范围也比较大，并且它能够比较灵活的绕过一些障碍物，其整体结构也很紧凑，占用的面积也不大。目前已广泛应用在机床上下料、取件、弧焊、喷漆等行业。智能制造系统中的工业机器人系统还应配置气动手爪、反射型光电开关、磁性开关、RFID装置等。

目前比较常用的工业机器人系统，如国外的发那科（FANUC）、库卡（KUKA）、ABB等，国内的华数、广数、汇博等。我们可以根据改造的需求及经费的情况选择相应的工业机器人系统。

工业机器人系统在智能制造系统中主要完成的功能有：

（1）携带RFID读卡器对各仓位信息进行读写;

（2）对工件进行搬运。

2.3 数控车床

数控车床自诞生以来就是一种使用非常广泛的数控机床。它主要用于回转零件（轴类零件或盘类零件）的内外圆柱面、内外圆锥面、内外回转曲面、槽、轴向内孔（钻孔、扩孔、铰孔及镗孔）及圆柱或圆锥螺纹等特征的切削加工。

在智能制造改造过程中，我们应对普通的数控车床进行智能化改造，必要时还应对其数控系统进行升级，让其在具有原有功能的基础上增加包括：网络接口、自动化接口、摄像头、自动化夹具、自动门的控制、I/O模块、网络传输等功能。

2.4 数控加工中心

数控加工中心是从数控铣床的基础上发展而来的。它与数控铣床最大的区别就在于加工中心带有自动刀库，能够完成自动换刀操作。在做加工准备工作时，我们可以将零件加工中需要的各种刀具提前安装在刀库里，这样就可以在一次装夹中，利用刀库自动换刀装置来改变主轴上的刀具，从而实现多种零件特征的切削加工。

在智能制造改造过程中，我们应对普通的数控加工中心进行智能化改造，必要时还应对其数控系统进行升级，让其在具有原有功能的基础上增加包括：网络接口、自动化接口、摄像头、自动化夹具、自动门的控制、I/O模块、网络传输、在线测量等功能。

2.5 立体仓库

立体仓库即自动化立体仓库，也叫自动化立体仓储。主要在智能制造生产过程中承载着毛坯料存放、半成品中转、成品的存储等功能。智能制造系统中的立体仓库应配置RFID芯片、传感器、状态指示灯、安全防护外罩等。

2.6 中央电气控制系统

中央电气控制系统主要包括Modbus TCP/IP 通信模块和DI/DQ模块。MODBUS/TCP协议是一种自动化标准的协议，它也是一种在现代工业控制领域中广泛应用的通讯协议。通过该协议，可将控制器相互之间或通过网络与其他硬件设备之间建立通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。

在智能制造系统中，主要通过PLC编程平台完成与MES系统连接、与HMI连接、与RFID读卡器模块通讯、以及与机器人连接等功能的实现。

2.7 其他辅助系统

一套完整的智能制造系统除了以上主要组成部件外，还应包括PC主机、PLC与HMI编程软件系统、各类显示设备、工业机器人导轨、网络交换设备、仿真及编程平台、防护设备等。

3 结语

智能制造系统的诞生提升了企业的生产效率，也缓解了当代社会劳动力成本迅速上涨给企业带来的压力，进一步提升了“中国制造”在国际社会中的综合竞争力。传统制造业向智能制造的转型升级，对智能方面的装备、传感器、新型材料、工业类软件系统以及与其对应的服务都有巨大的需求，可以形成一个新的产业增长点。我们国家目前整体的科技水平与美日欧等发达国家仍然有较大的差距，尤其在一些高端的科技领域，如芯片技术、高端传感器、软件系统、关键零部件等缺乏自主权，需要依赖进口，在某种程度上拖累了我们国家智能制造技术的发展。我们应加快核心技术的自主研发、加快普通设备智能化改造升级、加大智能制造领域人才的培养力度，我国在智能制造的道路上任重而道远。

参考文献：

[1] 张曙.工业4.0和智能制造[J]. 机械设计与制造工程， 2014（8）.

[2] 马誉贤.提升智能制造应用水平探索行业转型升级之路[J].造船技术，2018（4）.