李軍 趙林華

摘要：智能制造（Smart Manufacturing）融合了人工智能、計算機自動控制技術(shù)以及先進制造技術(shù)，對制造業(yè)價值鏈優(yōu)化創(chuàng)新有重要意義，也是未來工業(yè)制造的主要發(fā)展方向之一。智能制造在發(fā)展過程中不斷進行進行各種融合，目前已經(jīng)進入深度融合階段。此文結(jié)合我們承擔完成的國防工程配套超低溫項目，談?wù)劤蜏丶夹g(shù)產(chǎn)品開發(fā)融合智能制造的情況，與大家探討商榷。

關(guān)鍵詞：智能制造;信息化;超低溫技術(shù)

一、超低溫技術(shù)概念

超低溫技術(shù)就是采用適當?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)裝置，獲得低于120K環(huán)境的一種技術(shù)。目前在工業(yè)生產(chǎn)或科研領(lǐng)域，經(jīng)常需要基于超低溫液化氣體進行制冷，把需要冷卻的材料、工件或儀器浸泡到77K（-196 ℃）液氮溫區(qū)或4.2K（-269 ℃）液氦溫區(qū)冷卻，以獲得正常的工作環(huán)境和滿意的性能指標[1]，（如圖1溫度劃分與技術(shù)對應(yīng)表所示），例如醫(yī)院的大型超導磁共振診斷儀中的超導磁體必須預冷到液氦溫度才能正常工作;某些精密加工件需要浸泡液氮進行溫度沖擊，以保證工件材料晶相組織的穩(wěn)定性和抗超低溫性能;空間探測和國防裝備所用的紅外探測器、夜視儀也需要在超低溫條件下正常工作，只不過它需要的冷量小、瞬時，采用超低溫制冷機冷頭的熱傳導冷卻需要被冷卻的部件，以達到工作響應(yīng)溫度要求。下圖2為超低溫技術(shù)獲諾貝爾獎情況。

二、智能制造的理解

智能制造屬于一種融合了各種技術(shù)的制造技術(shù)，主要如人工智能和自動控制技術(shù)等，目前在工業(yè)自動化領(lǐng)域，這種技術(shù)開始受到廣泛關(guān)注[2]。

智能制造技術(shù)可以是一個五層的金字塔構(gòu)造（如下圖3所示）。如底層是企業(yè)原有的產(chǎn)品、服務(wù)、管理。在此基礎(chǔ)上，企業(yè)融合智能化技術(shù)，產(chǎn)生智能產(chǎn)品與服務(wù)，在產(chǎn)業(yè)升級和改造方面有重要的意義。第三層為智能裝備，智能產(chǎn)線和設(shè)備，這也引發(fā)生產(chǎn)模式的改變。第四層為智能管理、物流與供應(yīng)鏈。而智能決策處于最頂層，和控制決策存在密切關(guān)系。

智能制造涉及到的要素很多，如傳感設(shè)備、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、增材制造等，在運行過程中還必須有大數(shù)據(jù)技術(shù)、增強現(xiàn)實等智能技術(shù)支撐[3]。

三、智能制造技術(shù)在超低溫制冷產(chǎn)品研制中的應(yīng)用與探討

1.產(chǎn)品智能化提升（超低溫接收機和神光Ⅲ圖片）

配套國家“嫦娥奔月”工程的超低溫接收機（見圖4）從原材料采購，零部件加工、處理，整機裝調(diào)、試驗，檢測、現(xiàn)場安裝進行信息化、數(shù)字化管理，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。承擔完成的中國工程物理研究院“神光Ⅲ”（圖5）超低溫冷凍靶項目采用哈爾濱工業(yè)大學六自由度機器人配套，控制系統(tǒng)增加智能調(diào)控軟件、人機交互界面，從而產(chǎn)品獲得用戶好評、軍委表彰[4]。

2. 服務(wù)智能化體現(xiàn)

智能服務(wù)（如圖6所示）主要是通過傳感器采集產(chǎn)品的實時信息，然后進行一定預防性干預，對存在缺陷的零部件進行及時的更換，更好的滿足客戶服務(wù)要求。在運行中對產(chǎn)品和設(shè)備的大數(shù)據(jù)進行采集，據(jù)此進行高效科學的決策。開發(fā)面向客戶的APP，針對產(chǎn)品進行定向性的服務(wù)，以便滿足客戶的特異性要求。

超低溫制冷產(chǎn)品中我們布置有多種傳感監(jiān)測器（大型超低溫制冷機如下圖7所示），以便及時掌控系統(tǒng)內(nèi)溫度、壓力、流量、制冷量、變化情況和設(shè)備運行狀態(tài)，借助網(wǎng)絡(luò)通訊可以遠程指導用戶進行設(shè)備維修保養(yǎng)，通過物聯(lián)網(wǎng)及時了解每臺設(shè)備的工作環(huán)境及狀況，為用戶提供智能化服務(wù)[5]。

3. 加工和工藝裝備的智能化

超低溫制冷設(shè)備（圖8為4.5K超低溫制冷系統(tǒng)）是涉及熱力學、傳絕熱、電磁學、真空技術(shù)、控制技術(shù)于一體的精密機械設(shè)備，通過采購先進的智能化加工和工藝裝備或?qū)υ械难b備進行智能化改造（圖9為智能裝備），可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本[6]。

智能化的焊接機器人（如圖10所示）不需要回避人的活動，取料的時候，所有零件是隨機擺放的，它具有了機器識別功能，可以準確的拿到焊接所需要的零件，根據(jù)要求調(diào)整功率、速度、焊料量進行最佳工作[7]（如圖11增材制造與傳統(tǒng)制造融合所示）。

4.智能生產(chǎn)線

智能生產(chǎn)線上（如圖12智能生產(chǎn)線案例所示），在生產(chǎn)和裝配期間，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，進行一定的傳輸和處理后，通過顯示器對相關(guān)狀態(tài)信息進行顯示。利用不同類型的傳感器和機器視覺實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控目的，將一些殘次品自動剔除。統(tǒng)計分析采集的數(shù)據(jù)，同時確定出相關(guān)質(zhì)量問題產(chǎn)生原因，同時也可滿足類似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)相關(guān)要求，為工藝調(diào)整提供支持。對小批量生產(chǎn)也有較高的支持性;在實際應(yīng)用過程中相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障情況下，可利用備用設(shè)備進行生產(chǎn)，而避免出現(xiàn)中斷問題;人工操作的工位也可方便的進行智能協(xié)助。

目前，由于中、大型超低溫制冷裝備主要為國防、科研等前沿技術(shù)研究提供配套，不涉及批量、大規(guī)模生產(chǎn)，故智能化生產(chǎn)線建設(shè)和運營經(jīng)驗缺乏，有待學習加強[8]。

5.智能車間

智能車間（如圖13所示），能夠?qū)崿F(xiàn)全局的生產(chǎn)管控，知道該生產(chǎn)什么，了解設(shè)備狀態(tài)，能夠進行生產(chǎn)統(tǒng)計、作業(yè)指導、質(zhì)量管控，具有生產(chǎn)防錯系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)物料的準時配送以及產(chǎn)品的及時發(fā)運。

智能車間里除了有基本的技術(shù)之外，還有一些新的技術(shù)。比如海爾現(xiàn)在有一個虛實融合技術(shù)，把數(shù)字化的三維空間和生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)做了一個集成，虛實融合系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)都是設(shè)備當前持續(xù)作業(yè)的工單，如果出現(xiàn)故障看見的是它真正的狀態(tài)。以前我們做虛擬仿真，現(xiàn)在把真實產(chǎn)品上的傳感器采集的數(shù)據(jù)，傳到數(shù)字化的樣機做仿真分析，這個就比原來更真了，因為數(shù)據(jù)都是來自于真實的工況，這里包括一些車間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計以及物流數(shù)據(jù)。

6. 智能工廠

一個工廠有多個車間，一個車間有多條生產(chǎn)線。雖然有這么多企業(yè)遍布全球，但是對外來講一個企業(yè)可以是一個車間、一個工廠;這個智能工廠（如圖14）可以統(tǒng)一接單，統(tǒng)一調(diào)度。這個時候MES不僅僅是車間的系統(tǒng)，還是一個企業(yè)級的制造工廠。在這個工廠里還有一些新的管理，比如說智能刀具管理等，同時還可以利用一些AGV立體倉庫。西門子的全球工廠，有一個24米高的自動化立體倉庫，能夠做到高速和精準定位。還有數(shù)字化的質(zhì)量檢測，比如一個卡尺，卡一下數(shù)據(jù)就錄入進去了，不再需要手工錄入。

還有整體計劃制定，我們倡導企業(yè)需要建立一個生產(chǎn)控制中心，未來我們還應(yīng)該建立生產(chǎn)智慧中心。

7. 智能設(shè)計研發(fā)

智能設(shè)計研發(fā)方面，進行可制造性分析（圖16），我們采用三維仿真設(shè)計，能夠做到“紙上談兵”與實際研發(fā)工作的巧妙對應(yīng)。使用大數(shù)據(jù)、云計算、智能制造分析軟件開展工藝優(yōu)化設(shè)計，倡導工藝數(shù)字化。

8.智能管理

智能制造首先需要企業(yè)的信息化，傳統(tǒng)企業(yè)各個部門各自分管一部分分散的數(shù)據(jù)，智能制造要求把所有的數(shù)據(jù)都放在在一個數(shù)據(jù)庫里。

核心運營系統(tǒng)包括ERP、HCM、CRM、SRM、SCM、MDM、EAM、企業(yè)門戶等。實現(xiàn)智能管理的基礎(chǔ)是核心系統(tǒng)無縫集成。

通過智能管理使決策層更好的掌控全局，科學決策，高效解決企業(yè)運營與發(fā)展中出現(xiàn)的問題，從容應(yīng)對市場。

9.智能制造物流與供應(yīng)鏈建設(shè)

一般中、小企業(yè)建議利用社會優(yōu)良物流與供應(yīng)商進行合作;大型集團企業(yè)才建立智能制造物流與供應(yīng)鏈系統(tǒng)。為了物流的方便以及供應(yīng)鏈的完整，通過EDI進行供應(yīng)鏈協(xié)同，讓制造商的供應(yīng)鏈協(xié)作信息化、自動化（如圖17）。

10.智能決策

業(yè)務(wù)智能、業(yè)務(wù)分析與企業(yè)績效管理要有機結(jié)合，這點非常重要。智能決策，首先依托于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其次便是來自于生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)，現(xiàn)場與質(zhì)量、產(chǎn)品運用相關(guān)的大數(shù)據(jù)（圖18）。依靠這些數(shù)據(jù)才能進行業(yè)務(wù)智能、業(yè)務(wù)分析，業(yè)務(wù)智能、業(yè)務(wù)分析與企業(yè)績效管理要有機結(jié)合才能助推企業(yè)智能決策，科學合理發(fā)展。

四、超低溫制冷產(chǎn)品研制智能化融合建議

超低溫制冷設(shè)備在生產(chǎn)制造過程中，無論是單純的人工作業(yè)還是半人工作業(yè)，均存在人為操作失誤的情況。目前企業(yè)缺乏有效地監(jiān)管措施來保證裝配過程中關(guān)鍵且影響產(chǎn)品性能的零配件的正確性，只能在裝配、工藝性能檢測、電性能檢測完成后進行制冷性能檢測時才能發(fā)現(xiàn)，若有裝錯的情況，必須重新拆散零件再拿回生產(chǎn)線裝配，造成了大量的人力、物力的浪費，而且耽誤時間，影響產(chǎn)品訂單的交期;此外，在超低溫制冷設(shè)備的整個試驗過程中，對產(chǎn)品的性能的判斷往往需要人為的干預，雖然判斷產(chǎn)品合格與否的條件由檢測工程師給出，但生產(chǎn)人員和檢驗人員往往因為疏忽或是無法整個試驗時間段內(nèi)分秒不差緊盯著每一臺產(chǎn)品，對產(chǎn)品試驗途中發(fā)生的問題無法100﹪發(fā)現(xiàn)。為此超低溫制冷產(chǎn)品研制進行智能化融合十分必要，建議如下：

（一）生產(chǎn)條件智能化改進措施

1. 在超低溫制冷設(shè)備中適當增加傳感器數(shù)量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)精準化;在控制器上，對應(yīng)增加溫度、濕度、壓力、功耗等監(jiān)控調(diào)節(jié)功能。

2. 在超低溫制冷設(shè)備的主控制電路上，設(shè)置電流傳感器、電壓傳感器，用于采集制冷設(shè)備主控電路中的運行參數(shù)。

3. 在主控制器上設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

4. 設(shè)置一個Web服務(wù)器。

5. 在產(chǎn)品上安裝一條形碼，每臺產(chǎn)品的條形碼都是唯一的。

6. 在公司所有關(guān)鍵零部件進貨入庫時安裝各自的條形碼。

7. 在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置條碼掃描器及顯示屏。

8. 在生產(chǎn)現(xiàn)場有無線WiFi網(wǎng)絡(luò)。

9. 在倉庫現(xiàn)場設(shè)置條碼掃描器。

10. 在倉庫現(xiàn)場有無線WiFi網(wǎng)絡(luò)。

（二）智能化裝配

1. 當接到超低溫制冷產(chǎn)品訂單時，設(shè)計人員要將客戶對產(chǎn)品提出的要求以及前期樣機試驗情況轉(zhuǎn)換成與此訂單產(chǎn)品對應(yīng)的關(guān)鍵零部件清單、標準工藝參數(shù)、標準電性能參數(shù)以及標準制冷性能參數(shù)等，并將這些內(nèi)容存儲到Web服務(wù)器中。

2. 在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，在機架上貼含有此產(chǎn)品相關(guān)信息的條形碼。

3. 生產(chǎn)裝配人員按正常程序裝配產(chǎn)品，當產(chǎn)品裝配完畢，在進行抽真空工序前，由操作人員用條碼掃描器先掃描機架上的產(chǎn)品條形碼。然后對掃描獲取的信息傳輸?shù)絎eb服務(wù)器，后者則將相關(guān)型號產(chǎn)品的產(chǎn)品型號、關(guān)鍵零部件清單自動調(diào)出并發(fā)送到本條形碼產(chǎn)品的主控制器中。接著對此產(chǎn)品對應(yīng)關(guān)鍵零部件上的條碼進行掃描。關(guān)鍵零部件的條碼掃描結(jié)束后會將掃描到的關(guān)鍵零部件信息發(fā)送到本主控控制器中，主控制器會將實際裝配的關(guān)鍵零配件信息與服務(wù)器調(diào)入的標準清單進行比對。比對結(jié)果會顯示在顯示屏上，同時將相關(guān)信息發(fā)送到服務(wù)器。進行對比分析如果發(fā)現(xiàn)相符合則表明裝配過程正確，可以流入下道工序。如果不一致則會顯示哪些地方有出入，由操作人員進行返工。返工后再一次進行掃描比對，直到完全一致才流入下道工序，智能裝配過程結(jié)束;服務(wù)器會將接收到的裝配結(jié)果及過程（含不合格的過程）存儲并標記。

（三）智能工藝參數(shù)檢測

1. 智能裝配過程結(jié)束后，超低溫制冷設(shè)備產(chǎn)品一般會進行保壓檢漏、抽真空、加注制冷工劑相關(guān)操作。在此類操作前，接著對產(chǎn)品條形碼進行掃描，產(chǎn)品條形碼通過WiFi發(fā)送到Web服務(wù)器，服務(wù)器則將對應(yīng)型號產(chǎn)品的標準工藝參數(shù)自動從服務(wù)器調(diào)出發(fā)送至本主控制器中。

2. 智能裝配過程結(jié)束后，在對制冷設(shè)備產(chǎn)品進行保壓、抽真空、加注制冷劑的操作等工藝過程的操作時，真空度檢測裝置、保壓性能檢測裝置、制冷劑加注機等會檢測到制冷設(shè)備產(chǎn)品的真空度、保壓參數(shù)、制冷劑加注量等參數(shù)，并將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到本主控制器中。主控制器會將其與服務(wù)器調(diào)入的標準工藝參數(shù)進行比對，比對結(jié)果會顯示在生產(chǎn)現(xiàn)場的顯示屏上并上傳至服務(wù)器。如果比對符合要求則可以流入下道工序，相反情況下則對存在偏差的參數(shù)進行顯示，然后根據(jù)設(shè)定的程序進行返工處理，返工后接著對比工藝參數(shù)，一直到滿足要求后進行下一步操作，智能檢測完畢;接收的工藝參數(shù)及過程相關(guān)信息根據(jù)一定格式進行保存。

（四）智能電性能參數(shù)檢測

1. 智能工藝參數(shù)檢測過程結(jié)束后，超低溫制冷設(shè)備產(chǎn)品一般會進行耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻、功率等電性能參數(shù)的檢測，在進行這些電性能參數(shù)檢測的操作前，接著對產(chǎn)品條形碼進行掃描，將采集的信息通過WiFi傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器則將對應(yīng)型號產(chǎn)品的電性能參數(shù)自動從服務(wù)器調(diào)出發(fā)送至本主控制器中。

2. 智能工藝參數(shù)檢測過程結(jié)束后，在對制冷設(shè)備產(chǎn)品進行耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等電性能參數(shù)的檢測操作時，綜合電性能檢測裝置會檢測到制冷設(shè)備產(chǎn)品的耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等參數(shù)，并將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到本主控制器中，主控制器會將其與服務(wù)器調(diào)入的標準電性能參數(shù)進行比對，比對結(jié)果會顯示在生產(chǎn)現(xiàn)場的顯示屏上并上傳至服務(wù)器，如果比對符合要求則可以流入下道工序，相反情況下則對存在偏差的參數(shù)進行顯示，然后根據(jù)設(shè)定的程序進行返工處理，返工后接著對比工藝參數(shù)，一直到滿足要求后進行下一步操作，智能檢測完畢;接收的工藝參數(shù)及過程相關(guān)信息根據(jù)一定格式進行保存。

（五）智能運行監(jiān)控與服務(wù)

借助物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對產(chǎn)品運輸、運行情況進行監(jiān)控，站在用戶角度為用戶著想，及時解決過程中有可能出現(xiàn)的問題，提供優(yōu)良貼心的服務(wù)。

五、結(jié)束語

智能制造技術(shù)是伴隨信息技術(shù)的不斷普及而逐步發(fā)展起來的，智能制造綜合應(yīng)用了機器控制、知識工程相關(guān)的技術(shù)，針對生產(chǎn)過程和工藝進行建模，以便在無人操作情況下也可正常的生產(chǎn)。

近年來，智能制造開始進入迅速發(fā)展階段，很多先進的智能機器人也被引入其中，這些機器人可進行自主決策控制，有一定學習和判斷能力。智能化技術(shù)與產(chǎn)品已深入到我們工作生活的方方面面，使用智能化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已是大勢所趨，讓我們緊跟國家5G、6G前進步伐，借助智能制造技術(shù)實現(xiàn)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和再次騰飛。

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