人工智能（AI）可以說是當今科技領(lǐng)域最熱門的話題，計算機擊敗了國際象棋特級大師和世界級圍棋選手，ChatGPT還能撰寫從大學學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，人工智能和機器學習就能評估機器狀況，調(diào)整程序以提高產(chǎn)量或質(zhì)量，甚至更多。那么，現(xiàn)實情況如何呢？
設(shè)計魔法
讓我們從生成設(shè)計開始。計算機算法可以自動設(shè)計零件，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，“零件可能在振動下工作，你甚至還可以定義一個假想的體積。然后，我們的算法會推薦在負載情況下功能最佳的設(shè)計。
Volchek說，該工具的另一個優(yōu)勢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載的潛在區(qū)域”。
Volchek將其描述為一個迭代的、尋求目標的過程，但這個過程仍然以物理學為基礎(chǔ)。他解釋說，與此相反，機器學習現(xiàn)在正嶄露頭角，因為計算機可以做出超越物理學的設(shè)計決策。
例如，Volchek說，可以訓練計算機考慮特定制造領(lǐng)域的要求。他補充說：“增材制造的批量生成應(yīng)該不同于鑄造或機加工。這種更廣泛的‘智能’帶來了更多令人興奮的可能性?！?/p>
人工智能可以自動識別和分類獨特的牙科植入物，然后創(chuàng)建3D打印程序，包括支撐結(jié)構(gòu)，同時在構(gòu)建托盤上嵌套數(shù)十個零件（左），以最大限度地提高產(chǎn)量。Oqton的生成設(shè)計軟件通過先進的增材制造技術(shù)設(shè)計和有限元分析模擬，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，是因為他們已經(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)中學習?？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?！?/p>
大多數(shù)制造過程并非如此。Volchek估計，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)學科中“打破界限”，開發(fā)人員需要大量帶注釋的3D模型。他認為，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器監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享服務(wù)的數(shù)控機床制造商相比，Ledvon說：“我們?nèi)匀徽J為，對我們的最終用戶來說，在自己的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)維護數(shù)據(jù)更好?！?/p>
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)，因為數(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，它在逐項工作的基礎(chǔ)上使用人工智能。在2022年的IMTS展會上，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控制裝置的機床。IPC在整個切削過程中了解每個軸的速度、進給和扭矩，然后跟蹤并顯示任何偏差，以便進行分析和調(diào)整。
首先，操作員激活選項并切削模型零件。假設(shè)他對結(jié)果滿意（當然，可以在坐標測量機上進行全面檢查以確定），然后他為每個機床運動建立公差。例如，X、Y和Z運動的速度和進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)零件上的每個機床運動，并以圖形方式顯示公差。
IPC跟蹤所有后續(xù)零件上的每一次機器運動，并以三維圖形顯示生成的零件，為每個表面著色，以突出顯示任何變化。如果每個表面都顯示為綠色，則可以確定又有一個良好的零件，而無需使用探針或攝像頭進行測量（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)成機器運動的所有海德漢設(shè)備的智能，來確定出錯的原因以及最終工件的問題所在?！?/p>
整個過程以圖表形式實時顯示并記錄下來，因此用戶可以看到每個機器動作在公差帶內(nèi)的保持情況。如果公差帶過緊或過松，操作員可以進行調(diào)整。Ledvon說，如果顏色編碼顯示需要進行質(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%的檢查時間。
還可以設(shè)置機床運動的閾值。例如，刀具磨損通常只能通過激光或其他測量設(shè)備來檢測。但有了 IPC，“如果主軸負載歸零，而程序預(yù)期刀具會深入切削，機床就會知道你的加工過程100%超出公差范圍，并自動停機，”Ledvon說，“操作員就會知道發(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)零件的整個切削過程中每個軸所經(jīng)歷的速度、進給和扭矩，然后跟蹤并顯示任何偏差，以便進行分析和調(diào)整。
圖片來源：海德漢
通過預(yù)測問題提高OEE
在整個制造業(yè)中，機器學習無可爭議地為一個領(lǐng)域帶來了革命性的變化，那就是預(yù)測性維護。這一領(lǐng)域的改進通常會直接提高生產(chǎn)率。
發(fā)那科美國公司采用了一種有趣的方法，僅利用機床電機的兩個數(shù)據(jù)點來識別與電機本身無關(guān)的機械故障。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電機的速度和扭矩指令。
機床數(shù)據(jù)收集和連接項目經(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，它會為每個軸建立一個我們稱之為'異常分數(shù)'的值。每天，它都會收集更多的數(shù)據(jù)，并提供另一組數(shù)字分數(shù)，然后將它們與第一組分數(shù)即模型進行比較并繪制成圖?！?/p>
通過圖表，可以很容易地看到任何表明機床正在發(fā)生變化的趨勢。但Al伺服監(jiān)控器不僅僅記錄電機數(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)測可能出現(xiàn)的機械故障。它無法準確預(yù)測問題所在，但可以指出可能由導軌或滾珠絲杠磨損、切屑堆積、潤滑不良等引起的特定軸的問題，從而有針對性地提醒操作員及時進行調(diào)查，防止故障發(fā)生。
AI伺服監(jiān)控器只需幾天時間即可建立基線，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“正常”需要更長的時間。同樣，如果機床狀況良好，也會有所幫助。該系統(tǒng)僅限于配備發(fā)那科控制器、驅(qū)動器和電機的機床。但據(jù)Taylor稱，只需支付合理的一次性費用即可使用該系統(tǒng)，而大多數(shù)人工智能解決方案都需要高昂的包月費用。
不是人工智能，而是智能投資
制造商必須根據(jù)機床和軟件供應(yīng)商所提供的信息，謹慎選擇人工智能技術(shù)。
圖片來源：海德漢
AI伺服監(jiān)控器利用電機數(shù)據(jù)和人工智能來預(yù)測機械故障。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)控電機本身以及其他運動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，通過溫度和對地絕緣電阻監(jiān)測電機健康狀況，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)那科控制器的標準配置?！?/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)。雖然不能對數(shù)據(jù)進行分析，但它可以顯示整個工廠的機器狀態(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）在某個班次收到了幾次警報，它就能讓我們下去看看有什么機會進行額外的培訓?！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補充說，該系統(tǒng)幫助Stober公司提高了利用率和生產(chǎn)率，他認為MT-LINKi是“游戲規(guī)則的改變者”。
同樣，海德漢的狀態(tài)監(jiān)控軟件可脫機運行，并使用 UPC UA、MT Connect或海德漢自己的DNC協(xié)議在整個車間聯(lián)網(wǎng)。除了電機、直線光柵尺和編碼器中固有的反饋機制外，“機床制造商還可以設(shè)置多達7個不同的傳感器，”Ledvon說，“例如，你可以設(shè)置1個冷卻液或扭矩傳感器?！?/p>
不過，Taylor也提醒說：“當你開始收集大量數(shù)據(jù)時，就很難對其進行檢查和分析了。有些客戶可能不知道到底要找什么。所以他們會說，'我什么都想要'。這只會把水攪渾。你真的需要專注于你正在尋找的東西。”
作者：Ed Sinkora
