人工智能（AI）可以說是當(dāng)今科技領(lǐng)域最熱門的話題，計(jì)算機(jī)擊敗了國際象棋特級(jí)大師和世界級(jí)圍棋選手，ChatGPT還能撰寫從大學(xué)學(xué)期論文到情詩的所有內(nèi)容。
但在制造業(yè)呢？從理論上講，只要有足夠的數(shù)據(jù)和正確的算法，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)就能評(píng)估機(jī)器狀況，調(diào)整程序以提高產(chǎn)量或質(zhì)量，甚至更多。那么，現(xiàn)實(shí)情況如何呢？
設(shè)計(jì)魔法
讓我們從生成設(shè)計(jì)開始。計(jì)算機(jī)算法可以自動(dòng)設(shè)計(jì)零件，以滿足各種約束和要求。
“您的工程意圖定義了零件需要承受的特定負(fù)載情況。它可能是力、壓力、溫度，”3D Systems旗下軟件公司Oqton首席技術(shù)官Kirill Volchek解釋說，“零件可能在振動(dòng)下工作，你甚至還可以定義一個(gè)假想的體積。然后，我們的算法會(huì)推薦在負(fù)載情況下功能最佳的設(shè)計(jì)。
Volchek說，該工具的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠快速探索可選方法，例如“最大限度地減少所需的材料量，或研究零件上可以增加或減少負(fù)載的潛在區(qū)域”。
Volchek將其描述為一個(gè)迭代的、尋求目標(biāo)的過程，但這個(gè)過程仍然以物理學(xué)為基礎(chǔ)。他解釋說，與此相反，機(jī)器學(xué)習(xí)現(xiàn)在正嶄露頭角，因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以做出超越物理學(xué)的設(shè)計(jì)決策。
例如，Volchek說，可以訓(xùn)練計(jì)算機(jī)考慮特定制造領(lǐng)域的要求。他補(bǔ)充說：“增材制造的批量生成應(yīng)該不同于鑄造或機(jī)加工。這種更廣泛的‘智能’帶來了更多令人興奮的可能性?！?/p>
人工智能可以自動(dòng)識(shí)別和分類獨(dú)特的牙科植入物，然后創(chuàng)建3D打印程序，包括支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)在構(gòu)建托盤上嵌套數(shù)十個(gè)零件（左），以最大限度地提高產(chǎn)量。Oqton的生成設(shè)計(jì)軟件通過先進(jìn)的增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)和有限元分析模擬，創(chuàng)建了這款碳捕獲冷卻器（右）
圖片來源：Oqton
減材加工中的工藝優(yōu)化
Volchek表示，Oqton之所以能夠開創(chuàng)全新的人工智能工具，是因?yàn)樗麄円呀?jīng)“成為MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）領(lǐng)域的一部分”，可以通過匿名方式從大量幾何數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)?？紤]到3D打印的數(shù)字化特性，這些數(shù)據(jù)就顯得彌足珍貴。
Volchek說：“增材制造不僅僅是制造零件的外部形狀。它制造的是內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。如果你說的是金屬零件，它還能制造出材料的冶金特性。”
大多數(shù)制造過程并非如此。Volchek估計(jì)，目前生產(chǎn)的零件中約有90%沒有相應(yīng)的3D圖紙。此外，大多數(shù)二維圖紙仍然是光柵格式，本質(zhì)上是無法縮放的數(shù)字藍(lán)圖，而且沒有可搜索的工藝信息。Volchek說，為了讓人工智能在減材加工和其他傳統(tǒng)學(xué)科中“打破界限”，開發(fā)人員需要大量帶注釋的3D模型。他認(rèn)為，大多數(shù)制造商都沒有這些模型，而且一般也不愿意分享他們所擁有的信息。
海德漢美國公司營銷副總裁Gisbert Ledvon也有同感。與其他使用基于云的機(jī)器監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享服務(wù)的數(shù)控機(jī)床制造商相比，Ledvon說：“我們?nèi)匀徽J(rèn)為，對(duì)我們的最終用戶來說，在自己的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)維護(hù)數(shù)據(jù)更好。”
海德漢的架構(gòu)有利于工廠內(nèi)部和工廠之間的安全通信。但公司并不想托管數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)很容易被盜或丟失。
利用公司自己的數(shù)據(jù)仍有很多事情可以做。但是，如果沒有更大范圍的數(shù)據(jù)共享，全面的人工智能控制生產(chǎn)可能并不可行。
不過，海德漢公司提供了一種令人感興趣的流程優(yōu)化工具，它在逐項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上使用人工智能。在2022年的IMTS展會(huì)上，海德漢推出了名為“集成過程監(jiān)控（IPC）”的選件，適用于配備TNC7控制裝置的機(jī)床。IPC在整個(gè)切削過程中了解每個(gè)軸的速度、進(jìn)給和扭矩，然后跟蹤并顯示任何偏差，以便進(jìn)行分析和調(diào)整。
首先，操作員激活選項(xiàng)并切削模型零件。假設(shè)他對(duì)結(jié)果滿意（當(dāng)然，可以在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行全面檢查以確定），然后他為每個(gè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)建立公差。例如，X、Y和Z運(yùn)動(dòng)的速度和進(jìn)給可能保持在理想值的±5%范圍內(nèi)，而主軸扭矩的變化不能超過20%。
IPC跟蹤所有后續(xù)零件上的每個(gè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，并以圖形方式顯示公差。
IPC跟蹤所有后續(xù)零件上的每一次機(jī)器運(yùn)動(dòng)，并以三維圖形顯示生成的零件，為每個(gè)表面著色，以突出顯示任何變化。如果每個(gè)表面都顯示為綠色，則可以確定又有一個(gè)良好的零件，而無需使用探針或攝像頭進(jìn)行測(cè)量（假設(shè)公差設(shè)置合理）。任何顯示為黃色的表面都表示發(fā)生了變化，應(yīng)進(jìn)行調(diào)查。紅色表示有重大偏差，說明零件很可能不合格。
Ledvon總結(jié)說：“我們利用構(gòu)成機(jī)器運(yùn)動(dòng)的所有海德漢設(shè)備的智能，來確定出錯(cuò)的原因以及最終工件的問題所在?！?/p>
整個(gè)過程以圖表形式實(shí)時(shí)顯示并記錄下來，因此用戶可以看到每個(gè)機(jī)器動(dòng)作在公差帶內(nèi)的保持情況。如果公差帶過緊或過松，操作員可以進(jìn)行調(diào)整。Ledvon說，如果顏色編碼顯示需要進(jìn)行質(zhì)量檢查，操作員可以將注意力集中在紅色和黃色區(qū)域。這樣可以減少80%的檢查時(shí)間。
還可以設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)的閾值。例如，刀具磨損通常只能通過激光或其他測(cè)量設(shè)備來檢測(cè)。但有了 IPC，“如果主軸負(fù)載歸零，而程序預(yù)期刀具會(huì)深入切削，機(jī)床就會(huì)知道你的加工過程100%超出公差范圍，并自動(dòng)停機(jī)，”Ledvon說，“操作員就會(huì)知道發(fā)生了什么，然后換上另一把刀具繼續(xù)加工?！?/p>
海德漢的集成過程監(jiān)控可了解在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)零件的整個(gè)切削過程中每個(gè)軸所經(jīng)歷的速度、進(jìn)給和扭矩，然后跟蹤并顯示任何偏差，以便進(jìn)行分析和調(diào)整。
圖片來源：海德漢
通過預(yù)測(cè)問題提高OEE
在整個(gè)制造業(yè)中，機(jī)器學(xué)習(xí)無可爭(zhēng)議地為一個(gè)領(lǐng)域帶來了革命性的變化，那就是預(yù)測(cè)性維護(hù)。這一領(lǐng)域的改進(jìn)通常會(huì)直接提高生產(chǎn)率。
發(fā)那科美國公司采用了一種有趣的方法，僅利用機(jī)床電機(jī)的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來識(shí)別與電機(jī)本身無關(guān)的機(jī)械故障。該系統(tǒng)被稱為AI伺服監(jiān)控器，它以一毫秒的速度跟蹤每個(gè)電機(jī)的速度和扭矩指令。
機(jī)床數(shù)據(jù)收集和連接項(xiàng)目經(jīng)理Robert Taylor解釋說：“在獲得足夠多的數(shù)據(jù)以確定哪些是正常的之后，它會(huì)為每個(gè)軸建立一個(gè)我們稱之為'異常分?jǐn)?shù)'的值。每天，它都會(huì)收集更多的數(shù)據(jù)，并提供另一組數(shù)字分?jǐn)?shù)，然后將它們與第一組分?jǐn)?shù)即模型進(jìn)行比較并繪制成圖?！?/p>
通過圖表，可以很容易地看到任何表明機(jī)床正在發(fā)生變化的趨勢(shì)。但Al伺服監(jiān)控器不僅僅記錄電機(jī)數(shù)據(jù)并繪制圖表。Taylor說，在于應(yīng)用快速傅立葉變換算法分析數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的機(jī)械故障。它無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)問題所在，但可以指出可能由導(dǎo)軌或滾珠絲杠磨損、切屑堆積、潤(rùn)滑不良等引起的特定軸的問題，從而有針對(duì)性地提醒操作員及時(shí)進(jìn)行調(diào)查，防止故障發(fā)生。
AI伺服監(jiān)控器只需幾天時(shí)間即可建立基線，在生產(chǎn)環(huán)境中效果最佳。在不斷更換零件和加工參數(shù)的加工車間中，定義“正?！毙枰L(zhǎng)的時(shí)間。同樣，如果機(jī)床狀況良好，也會(huì)有所幫助。該系統(tǒng)僅限于配備發(fā)那科控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的機(jī)床。但據(jù)Taylor稱，只需支付合理的一次性費(fèi)用即可使用該系統(tǒng)，而大多數(shù)人工智能解決方案都需要高昂的包月費(fèi)用。
不是人工智能，而是智能投資
制造商必須根據(jù)機(jī)床和軟件供應(yīng)商所提供的信息，謹(jǐn)慎選擇人工智能技術(shù)。
圖片來源：海德漢
AI伺服監(jiān)控器利用電機(jī)數(shù)據(jù)和人工智能來預(yù)測(cè)機(jī)械故障。發(fā)那科、海德漢以及其他控制制造商也提供一流的工具來監(jiān)控電機(jī)本身以及其他運(yùn)動(dòng)控制元件的健康狀況，即使這些工具沒有使用人工智能。發(fā)那科通過其MT-LINKi數(shù)據(jù)采集軟件，通過溫度和對(duì)地絕緣電阻監(jiān)測(cè)電機(jī)健康狀況，Taylor說。
他解釋說：“這是一款駐留在內(nèi)部服務(wù)器上的PC軟件，通過網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備連接，并從設(shè)備上收集數(shù)據(jù)。與它的必要連接是所有發(fā)那科控制器的標(biāo)準(zhǔn)配置?！?/p>
該軟件還可以采集和顯示非發(fā)那科設(shè)備的數(shù)據(jù)。雖然不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但它可以顯示整個(gè)工廠的機(jī)器狀態(tài)，使管理變得更加容易。
“MT-LINKi能為我們做的是，如果它顯示（操作員）在某個(gè)班次收到了幾次警報(bào)，它就能讓我們下去看看有什么機(jī)會(huì)進(jìn)行額外的培訓(xùn)?！蔽挥诳纤菝匪咕S爾的Stober Drives公司制造工程師 Landon Garrison說。
工業(yè)工程師Nathan Landreth補(bǔ)充說，該系統(tǒng)幫助Stober公司提高了利用率和生產(chǎn)率，他認(rèn)為MT-LINKi是“游戲規(guī)則的改變者”。
同樣，海德漢的狀態(tài)監(jiān)控軟件可脫機(jī)運(yùn)行，并使用 UPC UA、MT Connect或海德漢自己的DNC協(xié)議在整個(gè)車間聯(lián)網(wǎng)。除了電機(jī)、直線光柵尺和編碼器中固有的反饋機(jī)制外，“機(jī)床制造商還可以設(shè)置多達(dá)7個(gè)不同的傳感器，”Ledvon說，“例如，你可以設(shè)置1個(gè)冷卻液或扭矩傳感器。”
不過，Taylor也提醒說：“當(dāng)你開始收集大量數(shù)據(jù)時(shí)，就很難對(duì)其進(jìn)行檢查和分析了。有些客戶可能不知道到底要找什么。所以他們會(huì)說，'我什么都想要'。這只會(huì)把水?dāng)嚋?。你真的需要專注于你正在尋找的東西?！?/p>
作者：Ed Sinkora
