軸承的智能制造和智能軸承
2020-03-06 何加群
（中國軸承工業(yè)協(xié)會）
智能化包括包括制造過程的智能化和產(chǎn)品的智能化二個范疇。對我們軸承行業(yè)來說，即包括軸承的智能制造和智能軸承二個范疇。
智能化是當(dāng)前政界和產(chǎn)業(yè)界的熱門話題。筆者就這一話題談一些個人看法，以期引起業(yè)內(nèi)外人士的討論。
一、軸承的智能制造
1.在軸承制造智能化問題上不能妄言，也不能妄為
不能妄言——不要用了幾臺工業(yè)機器人就說實現(xiàn)了智能化，不要用了幾臺功能強大一點的數(shù)控機床就說實現(xiàn)了智能化。智能制造有確切的定義，嚴(yán)格的界定：
智能制造是一個不斷向深度與廣度發(fā)展的過程，是基于新一代數(shù)字與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，貫穿于用戶、設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、檢測、管理、服務(wù)，及上下游企業(yè)等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知，智慧化自決策（多參數(shù)人工智能）、精確控制自執(zhí)行等功能的可控并可遠(yuǎn)程控制的具有反饋功能的*制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。
不能妄為——智能制造不能一蹴而就，需要經(jīng)歷傳統(tǒng)制造→數(shù)字化制造→網(wǎng)絡(luò)化制造→智能化制造的發(fā)展。智能制造要“三不”：不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞智能化；不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞智能化；不要沒有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)就搞智能化。
部長在一次會議上的報告中指出：“《中國制造2025》包括了對智能制造三個階段的表述，首先是數(shù)字化，然后是網(wǎng)絡(luò)化，最終達(dá)到智能化。應(yīng)該說，世界范圍內(nèi)現(xiàn)有的企業(yè)和產(chǎn)品達(dá)到智能化水平的還很少。智能化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，首先要把產(chǎn)品、整個生產(chǎn)過程、管理等都要引入數(shù)字化，也就是信息化的手段，這是智能制造的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，再把不同的裝備和裝備、裝備和產(chǎn)品、裝備和人之間建立通信的路徑，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化都已經(jīng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，才能談到智能制造。”
2.智能制造發(fā)展的路徑數(shù)字化—網(wǎng)絡(luò)化—智能化
·數(shù)字化
工業(yè)數(shù)字化的基本原理是把物理系統(tǒng)投射到數(shù)字世界進行優(yōu)化，之后再用于物理系統(tǒng)，即把物理系統(tǒng)（工業(yè)與產(chǎn)品）利用虛擬仿真技術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型，在數(shù)字世界進行優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化流程，直至找到解決方案，然后運用到物理系統(tǒng)中去。
軸承制造的數(shù)字化要從以下三方面入手。
研發(fā)設(shè)計數(shù)字化——
通過模擬仿真，建立產(chǎn)品數(shù)字化模型，實現(xiàn)CAD（計算機輔助設(shè)計）/CAE（計算機輔助工程分析）/CAPP（計算機輔助工藝設(shè)計）/PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等單項信息技術(shù)的應(yīng)用和集成。
工廠裝備數(shù)字化——
工廠裝備應(yīng)用深度融入數(shù)字化技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)、控制器（PLC）、伺服電機、電子標(biāo)簽（RFLD）等功能部件。
實現(xiàn)編程、操作、維護和管理的數(shù)字化。切削工藝及切削參數(shù)的自動優(yōu)化。
整機操作自動裝卡、自動對刀、自動切削。
具有主軸監(jiān)控和溫度補償、運動部件的位置補償和熱補償、加工件在機精度檢測和補償、刀具（磨具）磨損和破損在機監(jiān)控和自動修正補償?shù)裙δ堋?/div>
生產(chǎn)過程數(shù)字化——
應(yīng)用具有人力資源管控、設(shè)備運行管控、生產(chǎn)工藝管控、進度計劃管控、生產(chǎn)工單管控、物料供應(yīng)管控、產(chǎn)品質(zhì)量管控、工磨具管控和生產(chǎn)可視化等模塊的MES系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。
運用這一系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集機床信息、掌握設(shè)備狀態(tài)、進行設(shè)備效率分析、成本分析、質(zhì)量分析、工單計劃、生產(chǎn)趨勢分析，適時控制、調(diào)整、預(yù)警，并可通過手機終端，訪問車間管理信息。
·網(wǎng)絡(luò)化
建立企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）、產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)（PLM）、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）等，并實際運行，由單項信息技術(shù)的運用，發(fā)展到綜合集成。進而發(fā)展到PDM—MES—PLM—ERP的高效協(xié)同與綜合集成。
培育企業(yè)互聯(lián)互通的生態(tài)體系。建立企業(yè)數(shù)據(jù)庫，運用云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，以數(shù)據(jù)流為核心，人、機器、產(chǎn)品互聯(lián)互通，人人互聯(lián)、人機互聯(lián)、機物互聯(lián)、機機互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部信息流、物流和資金流的集成，企業(yè)內(nèi)部所有環(huán)節(jié)無縫對接。
企業(yè)組織結(jié)構(gòu)由金字塔式轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄交仃囀?。業(yè)務(wù)流程由串聯(lián)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒙?lián)，去中間化，去中介化，暢通價值鏈，企業(yè)各個環(huán)節(jié)與用戶和供應(yīng)商實現(xiàn)信息實時同步、互聯(lián)互通，以利于快速響應(yīng)用戶訂單，整合用戶碎片化需求。
通過以上整合，實現(xiàn)信息系統(tǒng)縱向、橫向和端對端的集成，形成覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期的網(wǎng)絡(luò)化。
·智能化
在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能化。
——基于實體物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界融合的信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System），人（機器人）、智能化設(shè)備、產(chǎn)品之間通過有線無線、寬帶、移動、泛在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）聯(lián)系、鏈接在一起。
——貫穿于用戶、設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、檢測、管理、服務(wù)，及上下游企業(yè)的制造活動的各個環(huán)節(jié)、產(chǎn)品全生命周期、全制造流程。
——具有信息深度自感知、智慧化自決策、精確控制自執(zhí)行等功能。
——具有在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的實時調(diào)整能力，實現(xiàn)高度靈活、柔性化生產(chǎn)和服務(wù)，大規(guī)模個性化定制。
3.軸承智能制造技術(shù)路線圖
（1）智能制造是《中國制造2025》的主攻方向
《中國制造2025》的核心內(nèi)容為三個“一”——
一個目標(biāo)：從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)制造業(yè)強國目標(biāo)。
一條主線：以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合（兩化融合）為主線。
一個主攻方向：以推進智能制造為主攻方向。
?。?）國家對智能制造的政策支持
為了推動智能制造的發(fā)展，國家和通過組織實施智能制造項目，對智能制造的發(fā)展給予政策支持。
對于我們軸承行業(yè)的企業(yè)，宜實施“智能制造專項”中的“重點領(lǐng)域智能制造新模式應(yīng)用項目”，并爭取政策支持。
?。?）實施智能制造的幾個要點
目標(biāo)產(chǎn)品
智能制造應(yīng)以《中國制造2025》提出的重點領(lǐng)域的配套軸承，特別是其中的軸承為目標(biāo)產(chǎn)品。產(chǎn)品應(yīng)具有知識產(chǎn)權(quán)歸屬明確的核心技術(shù)，產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)和功能有重大突破，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)和水平。
重點領(lǐng)域是：
新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)；
高檔數(shù)控機床和機器人；
航空航天裝備；
海洋工程裝備及高技術(shù)船舶；
*軌道交通裝備；
節(jié)能與新能源汽車；
電力裝備；
農(nóng)機裝備；
新材料；
生物醫(yī)藥和高性能醫(yī)療器械。
聯(lián)合體
要組建聯(lián)合體實施智能制造新模式應(yīng)用。核心智能制造裝備用戶、系統(tǒng)集成商、軟件開發(fā)商、核心智能制造裝備供應(yīng)商等單位按照市場化原則組建成系統(tǒng)的產(chǎn)學(xué)研用一體化聯(lián)合體，承擔(dān)智能制造新模式推廣應(yīng)用任務(wù)。
核心智能裝備
提高高智能制造所需“短板裝備”創(chuàng)新應(yīng)用水平，每個新模式應(yīng)用項目中至少采用以下五大類中的8種以上核心智能制造裝備的創(chuàng)新應(yīng)用、核心智能制造裝備包括高檔數(shù)控機床與工業(yè)機器人、增材制造裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲裝備（國家在智能制造項目申報指南中列出了上述五大類68種核心智能制造裝備）。
二、智能軸承
1.智能軸承的定義
由經(jīng)過改進的軸承本體及相關(guān)輔件、鑲嵌在軸承體內(nèi)或相關(guān)輔件內(nèi)微型傳感器、處理傳輸電路（專用芯片）、采集卡、信號處理與分析軟件和軸承服役狀態(tài)調(diào)控裝置組成，可實現(xiàn)服役狀態(tài)的自感知、自診斷、自適應(yīng)的軸承系統(tǒng)。
智能軸承按其功能分為二大類，一大類為初始型智能軸承，具有服役狀態(tài)自感知、自診斷功能；另一大類為全功能型軸承，不僅具有服役狀態(tài)自感知、自診斷功能，而且具有自調(diào)控、自適應(yīng)功能。
自感知——通過傳感器檢測軸承服役狀態(tài)：旋轉(zhuǎn)速度、加速度、角度位置，累計旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)，溫度，振動、噪聲，載荷，工作游隙，潤滑狀況，磨損程度等。
自診斷——對即將發(fā)生的故障診斷、預(yù)警，對已經(jīng)發(fā)生的故障診斷、報警，對軸承剩余壽命預(yù)測。
自適應(yīng)——根據(jù)軸承實時服役狀態(tài)，通過調(diào)控裝置，對軸承工作游隙、預(yù)緊力、潤滑等服役狀態(tài)進行調(diào)控、矯正，以適應(yīng)主機的運行要求。
2.智能軸承的關(guān)鍵技術(shù)
?。?）傳感器技術(shù)
傳感器集成方式由外掛式發(fā)展為嵌入式。結(jié)構(gòu)微型化，功能集成化，無線傳輸及低功耗。
?。?）嵌入式測試技術(shù)
運用嵌入式系統(tǒng)將所需的功能嵌入到產(chǎn)品、裝置或大型系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集控制、分析處理功能遷移至傳感器端，提高數(shù)據(jù)精度，降低數(shù)據(jù)傳輸量。
（3）信號傳輸技術(shù)
將測試獲取的數(shù)據(jù)或信息通過現(xiàn)場總線、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、專用網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)，安全、可靠、穩(wěn)定、高速率、低功耗地傳輸?shù)椒?wù)器、用戶端或云端。
（4）自組網(wǎng)技術(shù)
基于軸承單元的智能化、無線化，實現(xiàn)信息互通，使得大范圍內(nèi)多個智能軸承的監(jiān)測成為可能。
?。?）供能技術(shù)
熱點效應(yīng)、振動發(fā)電等能量捕獲技術(shù)，光電耦合、電磁耦合、電磁諧波等無線供能技術(shù)，自發(fā)電技術(shù)等。
?。?）信號處理技術(shù)
研究針對不同工況、不同類型軸承的非線性信號處理方法、特征提取及選擇方法，使采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理變成有用信息。
（7）狀態(tài)智能評估技術(shù)
研究運行狀態(tài)的評估指標(biāo)、評估方法，建立評估模型，并能基于實時數(shù)據(jù)對評估模型進行實時修正。做到能對軸承故障，包括早期微弱故障進行遠(yuǎn)程、實時、智能的診斷、報警。并可對即將發(fā)生的故障進行預(yù)警。對剩余壽命進行預(yù)測。
?。?）狀態(tài)調(diào)控技術(shù)
通過與軸承集成的調(diào)控裝置，對軸承潤滑、預(yù)緊力、工作游隙等服役狀態(tài)進行實時調(diào)控，矯正服役狀態(tài)，適應(yīng)主機運行的需要。同時，對功能性故障進行自我維修，視情維修。
3.國內(nèi)外智能軸承研發(fā)情況
國內(nèi)——
·萬向錢潮、新火炬、人本、重慶長江等企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的第三代轎車輪轂軸承單元集成了ABS傳感器。
·重慶大學(xué)：軸承振動加速度、溫度、轉(zhuǎn)速檢測。
·國防科技大學(xué)：振動加速度傳感器。
·西安交大：軸承內(nèi)圈溫度、無線供電及無線傳輸傳感器。
國外——
·NTN：伺服電機的速度控制和轉(zhuǎn)動方向、軸承旋轉(zhuǎn)角度檢測。
·舍弗勒：鐵路貨車軸承溫度、運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、噪聲檢測。深溝球軸承轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向檢測。
·NSK：鐵路貨車軸承、電動機軸承、發(fā)電機軸承轉(zhuǎn)速檢測。
·SKF：汽車軸承、牽引電機軸承和深溝球軸承轉(zhuǎn)速、加速度、旋轉(zhuǎn)方向、角度位置檢測。
·鐵姆肯：汽車輪轂軸承轉(zhuǎn)速檢測。
4.智能軸承開發(fā)技術(shù)路線圖
【參考文獻】
朱永生.智能軸承技術(shù)及其發(fā)展趨勢.第五屆中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)（洛陽）軸承產(chǎn)業(yè)高峰論壇（2016）
（來源：中國軸承工業(yè)協(xié)會）
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