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智能制造系统是为了实现特定的价值创造目标,由相关的人、信息系统以及物理系统有机组成的综合智能系统,即人- 信息- 物理系统(HCPS),其中,物理系统是主体,信息系统是主导,人是主宰。同时,HCPS 揭示了智能制造的技术机理,也构成了智能制造的技术体系。实施智能制造的实质就是构建与应用各种不同用途、不同层次的HCPS。伴随着信息技术的发展,智能制造已历经了数字化制造和数字化网络化制造,并正在向数字化网络化智能化制造——新一代智能制造演进。新一代智能制造的本质特征是新一代人工智能技术(赋能技术)和先进制造技术(本体技术)的深度融合,新一代智能制造是第四次工业革命的核心技术。本文从HCPS 视角分析了智能制造系统的进化历程与趋势,重点探讨了面向新一代智能制造的HCPS 的内涵、特征、技术体系、实现架构以及面临的挑战。


Article 2019-07-22

走向智能机床

随着现代信息技术特别是新一代人工智能技术的发展,智能机床技术迎来了新的发展机遇。本文在中国工程院定义的智能制造三个范式的基础上,系统地阐述了智能机床的概念、内涵、特征和体系架构。揭示了机床从手动机床演化到智能机床的三个阶段(数控机床、互联网+ 机床以及智能机床),详细分析了智能机床的自主感知与连接、自主学习与建模、自主优化与决策和自主控制与执行这四项智能化控制的实现原理,提出了智能机床通过数据学习形成并积累知识的本质特征,独创发明了指令域分析方法、物理和大数据混合建模技术、i 代码和双码联控等关键使能技术。基于以上研究,研制了智能数控系统和智能机床工业样机。通过基于Cyber NC 和双码联控的加工质量优化、基于大数据建模的工艺参数优化和基于深度学习的机床进给系统建模及误差补偿这三个智能化技术应用案例的实践,验证了新一代人工智能技术与制造技术的深度融合,是机床实现从“互联网+ 机床”向“智能+ 机床”演化的便捷有效途径。


面对以智能制造为核心技术的新一轮工业革命,西方工业发达国家制造业企业按照“串联式”技术路径推动升级——从数字化制造到数字化网络化制造,再到新一代智能制造范式。中国作为后发国家,在以智能制造为主攻方向推动制造业从中低端向中高端迈进的背景下,其升级路径更加复杂。中国企业在技术基础上“多化并存”,广大企业特别是中小企业缺乏对智能制造的正确认识,导致部分智能制造项目无法达到预期效果。本研究旨在探索我国企业的智能制造技术升级路线,通过多个案例研究,对中国5个制造业企业智能制造实施案例比较分析,数据来源包括半结构化访谈和档案数据,提出了基于三个基本范式的智能制造技术升级路线分析模型,总结出推进智能制造的技术升级路线——“并行推进、融合发展”。本文所阐释的技术升级路线有利于指导制造企业、决策者和投资者选择适合自己的智能制造推进路径,具有重要的现实意义。


本文开发了集辅助激光成像系统、紫外/可见波段视觉成像系统(波长小于780 nm)、光谱测量仪、光电传感器的多传感器系统,用以观察和分析激光焊接过程中的焊接状态信息。本文采用小波包分解方法对通过光电传感器获得的可见光波段传感信号和激光反射传感信号进行分解并提取相关特征。光谱仪采集到的信号的主要波长为400~900 nm,将其分为25个子带并采用统计方法来提取光谱信号特征。利用紫外/可见波段视觉成像系统采集的图像获取金属蒸气和飞溅的特征,而辅助照明视觉传感器系统主要是用来采集匙孔特征。本文基于上述焊接过程的实时量化特征建立了焊接状态监测的深度信念网络(DBN),并采用遗传算法对所提出的DBN模型参数进行优化。与传统的反向传播神经网络(BPNN)模型相比,本文建立的DBN模型在焊接状态监测方面具有更高的精度和鲁棒性。最后,本文通过三个附加焊接试验验证了该方法在激光焊接状态监控中的有效性和泛化能力。


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