面向机床制造企业的智能化实施研究与应用

王朝峰 林江海 张 玉

（山东省机械设计研究院，济南 250031）

近几年，我国机械工业得到了长足发展，极大地提升了主要工艺设备的自主程度，为机床工业提供了重要支撑。目前，我国一大批核心技术指标已经进入国际领先行列，一些技术和市场份额也在全球领先。随着第四次产业革命的到来，自动化、大数据以及人工智能的发展，对机械制造业产生了巨大冲击[1]。我国是世界上经济体量最大的国家，也是世界上最大的工业国家。目前，我国机械加工行业缺少统一的信息集成体系，不能实现信息交流，不利于扩大生产规模，不具备智能装备，且生产费用高，利润少。由于目前管理体系的信息化程度较低，很难有效实现对企业的信息收集与控制[2-4]。数控加工设备生产企业正面临着新的挑战，需积极实现机床工业的信息化、数字化以及智能化等[5]。

1 机床制造智能化发展方向

机床行业产业链包括数控系统提供商、零配件制造商、机床制造商（一般也提供安装、维修等服务）、代理经销商（一般提供技术服务，也提供安装、维修、保养等服务）以及机床用户，如图1所示[6]。如何合理、高效地调度瓶颈资源，控制项目计划与项目采购计划，控制多个生产企业的协作，是决定企业能否取得胜利的关键。

在信息化和网络化技术不断发展的今天，智能已经从单一的设备向制造系统、生产车间、工厂企业和整个机械工业的各个环节扩展[7]。现代生产的实际情况显示，机械产品生产不但包括产品和零部件的生产过程，还包括产品设计、生产、管理和服务等整个生产过程，需在此基础上全面分析和探索机床产品设计、生产、管理以及服务等各个环节。该价值链模型的目标是利用现代科技对机械设备的整个寿命周期进行有效控制。

图1 机床制造产业价值链

构建以互联网为基础的生产体系，构建国际协作和市场竞争的体系，并为其提供技术支持，对国内的机械制造业来说至关重要。如何在全球范围内增强制造业的竞争力，关键在于如何实现产品的柔性化、智能化和敏捷化，并实现智能化的灵活整合和快速组织。现代机械加工中，机械加工行业的矛盾已经由劳动生产率转变为时间、成本和质量三者之间的相互关系和冲突。现代机械加工技术可以将三者有机结合在一起，以达到改善产品质量、节约成本、提升市场竞争能力的目的。

根据全球技术进步的新动向，全球各大发达区域纷纷将数字化、网络化、智能化作为制造业转型的中心，加快了生产要素、资源要素、技术要素与制造业的整合。我国是一个制造业大国，在构建制造业强国的过程中重点发展智能化制造业[7]。发展智能化制造，既是我国工业结构调整的一个重要突破，也是未来世界机床工业发展的新动力[8]。

2 智能制造实施研究

智能化生产是一个涉及多学科、多要素深度整合的系统工程，涉及科学的理论层面和技术层面的问题，并将其运用到实际工作中，如图2所示。要把科技创新、组织管理创新与制度创新结合在一起，以系统工程的理念为导向，进行科学、合理的工程管理，以达到既定的目的。

图2 智能制造概念图

智能化制造能够有效集成机床产品的研发、生产制造以及物流等各环节。工业互联网和无线通信技术，可实现生产现场管理中的进展采集与监控、品质管理、现场物流驱动，完成车间现场人员、设备、物料现场以及工艺的错误预防等，可实现作业等多项工作的有机结合，以达到生产的智能化，如图3所示。

我国在机械加工方面经验丰富，具有一定的影响。为了适应多品种、多批量的市场环境，机械加工企业需要通过企业一体化来简化生产过程，提高生产效率和企业的竞争能力，深入分析企业现状，制定机械加工行业智能一体化解决方法。方案能够有效地完成对数控设备的控制、对原有设备的快速更新，使其能够适应产品的生产要求，顺利进入到工业4.0的发展阶段，为公司的智能经营提供有力的支持。以企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）为中心，建立精益智慧生产系统，支持从精益现场到精益工厂再到精益生产的每一个环节的精益生产。

本文以机床生产制造企业的智能化生产为例，结合信息化的实施方法，提出了智能工厂的实施方法。具体执行中，研究智能工厂的实施策略、方法、工具以及模板，并对实施中时间、质量、资源的利用进行了最优管理，形成了完整的方法论，如图4所示。

2.1 实施总体规划

智能化生产系统工程是一个长期、艰巨、复杂的系统工程，要做到“统筹规划，分步实施，重点突破”，按照“滚动发展”的方针进行计划。作为“一把手”的智慧生产项目，必须将它列入公司长远发展的第一步，即5～10年的发展远景。实施总体规划如图5所示。

2.2 实施路线图

当前，大多数企业仍处于部分应用程序开发的状态，只有极少数才能做到信息化，即能达到数字生产的程度，也只有极少的公司能做到与人之间的高效互动。只有具备智能特性和功能，才算是进入了智能厂房的雏形。因此，智慧制造并非一朝一夕之功，而是要把握住企业的痛处，从体系结构的某个方面入手，提高质量和效益。高效、绿色和智能是公司始终坚持的目标。智能制造实施路线如图6所示。

图3 智能制造层级结构

图4 机床智能制造业务蓝图

2.2.1 调研与评估

在调查和评价的过程中，建立负责小组，提出对项目机构和工作的要求，分析顾客的需求，对项目进行总体规划和预算，阐明推行智能化工厂的背景、目标和意义。

2.2.2 方案设计

制订智能化厂房项目调研计划，发放调查问卷，出具生产调研报告，编制详细的生产要求表，然后通过对智能制造企业的系统进行环境配置，制定相应的设计方案和样件，通过评审确认后进行基本的试验，并培训相关使用者，为下一阶段的系统投入使用奠定基础。

图5 项目总体规划

图6 实施路线图

2.2.3 系统构建

首先，明确目标的主要职能和要求，给出总体的定义和描述，为企业发展提供操作基础和指导，并进行目标的环境计划和部署。在实际应用中，利用实际的商业资料，充分模仿客户的实际商业情况以检验整个体系。仿真训练是保障网络安全运行的重要一环，而确保网络安全运行的最重要因素是制定一套完整的仿真训练计划。

2.2.4 上线运行

上线前，进行一系列的知识传递，为用户提供充足的在线运营支撑，并根据上线后的各种突发情况和问题进行相应的管理。

2.2.5 项目总结

通过对各项指标的分析，项目组认为公司的智慧车间管理体系已基本实现，满足了公司管理业务信息化和集成化的要求，同意将其投入使用。目前，公司已完成了项目的总体工作，并对项目的实施情况进行了汇总，开始了运营和维护，如图7所示。

3 结语

机床生产企业正面临着新的技术难题。在对我国机械行业的特征和发展趋势进行深入分析和探讨的基础上，结合先进的网络技术，设计了智能制造实施技术与方法。根据执行情况优选实施策略、方法、工具以及模板，制定了面向加工企业的智能化生产实施方法。在完成智能化制造所需的各项必要条件后，可以控制机床的生产费用，使其具有较高的柔性和较高的性价比。研发和执行显示了最高要求，是企业高层次协作和沟通的基础，需要建立新的业务模式，并对其进行费用和风险评估。

图7 智能工厂项目实施效果