智能装备综述

赵子义，王砚良，王连明，周 曌，寇 许

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山 063030）

0 引言

“新工业革命”正在以“山雨欲来风满楼”的架势席卷全球，世界发展模式将会发生再一次的巨大改变，新的智能技术将会全面引入企业发展，将会使得我国企业的发展模式发生巨大变化，其中产业形态会发展为更加分散的工业模式。

1 改变原有制造业模式的必要性

（1）现有的制造系统无法满足未来市场的需要。

（2）快速市场响应（如电子相关产品）。生命周期较短，仅2年，调整生产系统适应新产品需要将近半年；

（3）全球化制造模式。跨价值网的企业间集成，不在价值之内，参与不了全球化组织。

2 人工智能

2.1 智能科学

从微观、宏观层面研究大脑，解释人类智能的产生机理，即脑科学。基于揭示的原理，用模拟的方法加以实现就是人工智能。人工智能技术的进步是提高智能制造和智能机器人水平的制高点。

2.2 我国人工智能发展现状

我国2013 年装备制造业产值20 万亿元，约占全国GDP 的1/3，全球装备制造业占比1/3。但是2014 年我国高端制造业占比10%。例如，现代化武器、重大装备、各类智能产品控制系统心脏的芯片：80%以上依赖进口，飞机发动机、机载电子设备和配套件大量进口，高铁所需部分核心零部件80%以上需要进口；工程机械所需的高压泵、阀、马达及控制系统几乎全部进口；机器人重要的伺服电机、减速器等也需要进口。

3 先进装备基本介绍

3.1 基本概念

数字控制（Numerical Control，NC）就是在计算机编程技术的基础上，通过对生产过程的算法进行描述，然后按照程序进行产品生产制造，以符号为主要内容，以编程语言为依据，最终实现对生产过程的全面控制。

数控技术（Numerical Control Technology）是指采用的控制方法较为单一，一般仅运用数字工具实现对某一生产过程的控制，实现某一生产环节的自动化。

数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指以数字控制为工具进行的生产过程的智能化控制，能够使得机床按照一定的程序进行生产工作。数控机床是采用数字系统进行控制的一种重要类型，在我国的生产控制系统中占有重要地位。

数控系统（Numerical Control System）运用数字进行控制时所需选用的工具。

计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC）是用数字符号进行控制的一种模式，以计算机系统核心

3.2 机器人的几种类别

在国际上，大家普遍认同的一种机器人定义为，对人类完成工作具有辅助作用的一种工具，既包括能够全过程自主工作的机器也包括在受到较少指导后能够进行半自主工作的机器人。其中包括为进行工业操作而设计的机器人，具有较高的自由度，具有多种功能。为保护那些在特殊不利条件下工作的人设计了能代替其工作的抗辐射机器人。

除了在工业领域有相应的工业化机器人，在人们的生活领域，也有相关机器人的研究，生活服务性机器人能够对人类进行日常护理，监理以及保护人类。

3.3 机器人应该被大力推广的原因

（1）能够保证重复工作的工作效率，提高工人的操作效率。

（2）使得生产劳动环节能够与生产技术相适应，从而使得科技发展速度更快。

（3）使得生产过程更具规范性，产品质量更有保证。

（4）能够减轻较重劳动力的劳动负担。

（5）对于在较为危险的环境中工作的人的来说，能够减少周围环境对其身体的危害。

（6）使得生产厂家能够紧跟科技潮流，提升竞争力。

4 先进装备产业发展现状

我国装备产业急需机械化改革的原因较多，第一，我国是较大的设备加工大国，我国许多工厂都与装备工作联系密切，是进行智能化改革的重要领域，我国能给智能化技术带来较大的发展市场，能够提高我国很多工厂的装备效率。另一方面，我国这十几年间将会面临严重的人口老龄化挑战，我国能够从事劳动力工作的人较少，因此就需要先进的机器人来填补我国部分工厂的劳动力空白。最后，机器人在设计投产以后所投入的资本较少，而能够完成的工作量较大，因此能够降低生产成本，缓解我国的劳动力危机。

4.1 国内数控技术的发展情况

我国数控技术的发展虽然目前已经取得了一定成效，在国际上也处于较为先进的国家，但是我国的数控技术还存在很多问题。

首先我国的数控技术研究起步较晚，在国际上20 世纪50年代就开始了数控技术的研究，而我国由于当时经济发展水平较为落后，在其他国家研制十年之后才开始相关研究，因此我国发展历史较短。

最初我国进行数控技术研究最为先进的单位是清华大学相关的研究院，并在我国开始引入数控技术10 年内就建造出了一台较小的数控设备，成为我国首个数控设备。

我国研制出数控设备后普及速度加快，仅10 左右时间就使得我国80%以上的工厂引入了数控设备。但是我国的机器生产水平与其他国家还有较大差距，因此我国引入了发达国家先进的数控设备，掀起了我国数控改革的高潮。

此后短短5 年时间，我国数控设备研究工作不断发展，已经有几十种不同的数控设备相继问世，分别服务于不同的生产行业。

5 年后，我国的数控技术发展达到了鼎盛时期，我国已经能够自主研发较为高端的数控设备，我国开始大量研究并生产数控设备，已经摆脱了我国对发达国家的技术依赖，实现自力更生。随着我国技术突破，我国数控工厂应运而生。在我国首都，东北地区，南方地区都建造了大量的数控设备生产工厂。

由于东北是我国的重要工业基地，因此我国的数控设备发展最快的为东北地区，尤其是沈阳与大连，这两个地区所生产的数控设备已经为全国的工厂进行服务。仅两个城市的产值已经占到我国的1/5。

我国机器人保有量和密度（万名员工拥有机器人数量）相对较低。国际机器人联合会数据显示，2013 年全球机器人保有量约140 万台，我国约13.4 万台，不到全球的10%，机器人密度，国际平均水平58 台，韩国347 台，日本是339 台，德国是251台，美国135 台，而我国仅为23 台。

4.2 近年来我国机器人应用高速发展

中国机器人产业联盟2013 年上半年对我国6 家主要机器人企业统计显示，机器人产量和总产量同比增速分别达到68%和67%。

据IFR 统计：2005 年到2013 年，我国工业机器人销售以年均25%以上的速度高速增长，已成为全球增长最快的市场之一；这一增速自2008 年之后进一步加快，2008 年到2013 年，销售量年均增长36%，综合机器人产业联盟6 月发布的数据，2013 年当年我国机器人销量近37 000 台。占全球销量的1/5，成为全球最大的机器人市场（IFR2011 年曾预测，大约2014 年我国的机器人市场将会处于世界前列）。

4.3 中国智能机器人产业发展面临的主要挑战

（1）不同行业机器人集成应用技术将是瓶颈之一。

（2）具有国际竞争力的龙头企业不多。

（3）高技能机器人应用技术人才匮乏。

（4）“一哄而上”的苗头有所显现。

（5）基础技术研发亟待加强，支撑机器人产业可持续发展。

5 新一代数控及机器人技术发展趋势

5.1 向智能化、柔性化、网络化方向发展

智能控制加工质量和效率，智能提高驱动性能，智能编程和操作，智能监控、智能诊断等。首先柔性发展方向是指数控技术的发展将会以机器、和生产线向自动化的车间整体方向发展。另一方面，机器将会不断降低造价水平，不断增强其实用功能，呈现出性价比较高的发展模式，有利于机器化设备的普及。网络化发展是数控技术发展的重要方向，是数控技术取得重大突破的重要基础。

5.2 开放性发展态势

开放式发展趋势是数控技术发展的必然趋势，开放式数控系统摆脱了原有的数据束缚，能够在原有的数据基础上进行数据的重新打乱组合，在重新设计，能够加强数据管理，从而使得系统的种类更加丰富。并且可以针对不同厂家、用户和行业需求，将其特殊应用和技术经验集成到数控系统中，形成定制型数控系统。未来的数控系统能够被用户重新配置、修改、扩充和改装。

6 机器人未来应用领域及广阔空间

机器人原来的设计理念较为简单，只是为了帮助人们做一些简单却重复的工作，只是将劳动枯燥的劳动者解放出来，同时使得人们的工作效率更高，工作成本更低，从而使得人们的生活朝着便捷的方向不断发展。后来随着人们观念的解放以及机器人行业的深入研究，人们对机器人的要求越来越高，已经不是简单地将机器人作为重复工作的执行者，而是逐渐使得机器人能够代替某一类劳动人员，机器人的造型也不断多样化，不只是模仿人的四肢工作，具有了更多的形状，更加丰富的功能。

另一方面，机器人除了代替人类做很多工作以外，还起到了保护人类的作用，例如有的工作人员要承担较多的辐射，对人体造成伤害，还有的人工作环境会对其内脏造成不同程度的损坏，机器人深入到对人类的保护领域。

此外，机器人与智能化技术的结合，使得机器人的应用范围更广，已经深入到各种高科技行业，代替人类在水下或者高空进行作业，触及到了人类难以到达的领域。最后，现代人们生活繁忙，机器人还深入到了人们的生活领域，能够给人们的日常生活减轻负担。

因此机器人还会具有更广阔的发展方向，深入到更多的领域帮助更多的人，机器人的质量将不断减小，结构不断精简，造价也会更低，但是其功能将不断丰富，更好地服务于人们的日常生活。