智能制造體系架構(gòu)探究

摘 要：在我國(guó)建設(shè)“工業(yè)4.0”的大背景下，新一次的工業(yè)革命正如火如荼的展開(kāi)。智能制造作為新一代制造模式的典型代表，自20世紀(jì)80年代第一次提出，就收到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)企業(yè)的廣泛重視。但是現(xiàn)階段工業(yè)界并沒(méi)有建立起非常成功的智能制造體系，主要原因是對(duì)于智能制造內(nèi)部原理的研究并不透徹，同時(shí)對(duì)于智能制造的發(fā)展趨勢(shì)把握不準(zhǔn)。本文立足于智能制造體系的本質(zhì)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外智能制造體系架構(gòu)的研究，提出了未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)該體系發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵字：智能制造體系；整體架構(gòu)；功能特征；柔性化

1 前言

智能制造是最新的制造模式之一，具有廣闊的發(fā)展前景，智能制造從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)智能化的信息處理系統(tǒng)，對(duì)外操控機(jī)器人的動(dòng)作，完成產(chǎn)品的制造和加工。該系統(tǒng)屬于一種開(kāi)放性的體系，原料、信息和能量都是開(kāi)放的。智能制造是新世紀(jì)制造業(yè)振興的發(fā)展方向，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)跨越的必經(jīng)之路。

2 智能制造系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 智能制造系統(tǒng)內(nèi)涵分析

智能制造體系是上世紀(jì)八十年代有先進(jìn)的工業(yè)化國(guó)家率先提出的，主要包含只能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)兩部分。總體來(lái)看，智能制造體系指的是應(yīng)用集成工程的思想，通過(guò)制造軟件專家系統(tǒng)、機(jī)器人視覺(jué)和控制等先進(jìn)技術(shù)，最終達(dá)到智能裝配生產(chǎn)線上的機(jī)器人能夠在人工不進(jìn)行干預(yù)的情況下完場(chǎng)生產(chǎn)任務(wù)。智能制造的目的是人的腦力活動(dòng)轉(zhuǎn)化為制造機(jī)器人的智能化思維。智能化制造體系的物理基礎(chǔ)是智能化機(jī)器人，所必需的設(shè)備包括智能加工機(jī)床、工具和設(shè)備的智能化輸送平臺(tái)以及裝配設(shè)備等。

2.2 智能制造體系國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能制造在上世紀(jì)八十年代提出之后，在國(guó)際范圍內(nèi)形成了三個(gè)主要的研究中心，分別是美國(guó)、歐洲和日本。最初的內(nèi)涵指的是智能機(jī)床，智能機(jī)床能夠完場(chǎng)熟練機(jī)械師操作普通機(jī)床完成的所有功能，具有一定的智能性。后來(lái)的智能制造概念得到發(fā)展和延伸，進(jìn)而形成了一種開(kāi)放性的操作系統(tǒng)，日本于1990年完成了世界范圍內(nèi)第一個(gè)智能制造工廠，融合了人工智能技術(shù)的機(jī)器人同時(shí)具備視覺(jué)的觸覺(jué)功能。相對(duì)而言，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，九十年代后才申請(qǐng)成立了第一個(gè)智能制造國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。在理論研究領(lǐng)域主要集中于智能制造基礎(chǔ)理論分析、智能化單元制造與控制、智能機(jī)器人的研發(fā)等。

智能制造的應(yīng)用正在世界范圍內(nèi)興起，它是制造技術(shù)發(fā)展，特別是制造信息技術(shù)發(fā)展的必然，是自動(dòng)化和集成技術(shù)向縱深發(fā)展的結(jié)果。然而，雖然智能制造得到了學(xué)術(shù)界的廣泛重視和深入研究，然而卻難以得到工業(yè)界的廣泛應(yīng)用和推廣，同時(shí)近幾年關(guān)于智能制造系統(tǒng)新理論方面的研究遇到了瓶頸，其問(wèn)題在于智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)尚未研究透徹，同時(shí)對(duì)于智能制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)沒(méi)有比較好的掌控。

3 智能制造體系架構(gòu)研究

3.1 智能制造體系整體架構(gòu)分析

智能制造的總體架構(gòu)自下而上包括業(yè)務(wù)層、運(yùn)作層、功能系統(tǒng)、功能單元、支撐技術(shù)五個(gè)層次。智能生產(chǎn)線各個(gè)層次間相輔相成，聯(lián)系密切，其中系統(tǒng)以需求訂單為輸入，以信息系統(tǒng)為核心，集成自動(dòng)化上下料等多個(gè)子功能系統(tǒng)，以基本功能單元及支撐技術(shù)為依托，推動(dòng)智能制造生產(chǎn)線的正常運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)大批量產(chǎn)品定制及個(gè)性化客戶服務(wù)的目標(biāo)，從而最大化地滿足客戶和市場(chǎng)需求。其中各個(gè)層次的內(nèi)容及構(gòu)成如下：（1）系統(tǒng)業(yè)務(wù)層：即系統(tǒng)目標(biāo)，是為客戶提供大批量定制產(chǎn)品及個(gè)性化的客戶服務(wù)。（2）系統(tǒng)運(yùn)作層：主要包含精益化、數(shù)字化和敏捷化等最新技術(shù)。（3）功能系統(tǒng)層：設(shè)備預(yù)警，優(yōu)化加工參數(shù)，監(jiān)控生產(chǎn)的全過(guò)程，精度檢測(cè)的在線實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)信息技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行集成。（4）功能單元層：此部分承擔(dān)設(shè)備和加工裝備的信息傳輸，使用傳感網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。（5）支撐技術(shù)層：系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)主要有傳感技術(shù)和模塊化技術(shù)，設(shè)備故障診斷和維修系統(tǒng)，安全維護(hù)和設(shè)備及信號(hào)的有效識(shí)別。

3.2 智能制造體系亟待解決的問(wèn)題

智能制造想要完全提出人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)完全意義上的機(jī)器自主控制與分析，就需要建立一個(gè)智能化、數(shù)字化、信息化程度較高的企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配制造直至倉(cāng)儲(chǔ)物流的全過(guò)程控制，其中還包括問(wèn)題產(chǎn)品和故障設(shè)備的自動(dòng)處理和維修。但是現(xiàn)階段我國(guó)制造裝配企業(yè)在各個(gè)制造要素的互聯(lián)互通方面存在不小問(wèn)題，主要體現(xiàn)在智能制造體系各功能單元之間橫向、縱向集成通訊、端口到端口的信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)格式、通訊協(xié)議和語(yǔ)言識(shí)別等基礎(chǔ)性的內(nèi)容還沒(méi)有完全解決。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等最新技術(shù)的融合，各功能單元之間的通訊是必須要解決的問(wèn)題。人機(jī)交互、設(shè)備與設(shè)備之間、生產(chǎn)制造和倉(cāng)儲(chǔ)物流之間的信息交互都是困擾智能制造體系構(gòu)建和發(fā)展的一大難題。

4 智能制造體系發(fā)展趨勢(shì)分析

4.1 智能制造體系柔性化發(fā)展方向分析

智能制造體系的柔性化方向石油柔性智能裝配引發(fā)的，基本的基本思路為：柔性裝配的研究層次從上到下分為柔性工裝、柔性工藝規(guī)劃和柔性車間調(diào)度。主要涉及的研究思路包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工裝驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成、裝配順序規(guī)劃和分配方法研究以及智能調(diào)度技術(shù)。柔性化發(fā)展是基于只能裝配生產(chǎn)線上可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題及產(chǎn)品，所提出的新型發(fā)展方向。這其中可變參數(shù)和柔性調(diào)度是最重要的研究領(lǐng)域。

4.2 智能制造體系精益化發(fā)展方向分析

精益化的研究發(fā)祥包括四個(gè)方面的內(nèi)容：（1智能制造環(huán)境下的自適應(yīng)快速換模技術(shù)；（2）設(shè)備自診斷、自適應(yīng)和自修復(fù)技術(shù)所組成的全員設(shè)備維護(hù)技術(shù)；（3）生產(chǎn)流程自動(dòng)化的3P技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)⑸a(chǎn)過(guò)程中的資源浪費(fèi)在設(shè)計(jì)和工藝研究等源頭環(huán)節(jié)中進(jìn)行降低；（4）均衡混流生產(chǎn)技術(shù)，該技術(shù)是基于對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的合理規(guī)劃以及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整和調(diào)配等智能制造手段進(jìn)行的。

4.3 智能制造體系敏捷化的發(fā)展方向

敏捷化主要有以下連兩個(gè)研究方向：首先，對(duì)于客戶訂單變化的快速響應(yīng)是只能制造的一大特點(diǎn)，通過(guò)前期客戶需求的調(diào)查，在大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法對(duì)客戶的訂單可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并擬合相應(yīng)的相應(yīng)曲線，得到響應(yīng)基本函數(shù)，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)關(guān)鍵因素，最終大幅度減少客戶需求響應(yīng)的時(shí)間。其次是對(duì)于功能單元的設(shè)計(jì)和配制。在使用智能制造生產(chǎn)線的時(shí)候，需要對(duì)參與生產(chǎn)的各要素（包括軟件設(shè)計(jì)、硬件要求和工藝流程設(shè)計(jì)等）歸類的功能模塊劃分。在功能劃分之后組建各自成體系的模塊單元，并配置相應(yīng)的算法，以達(dá)到提升智能制造體系柔性化和可重構(gòu)性的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)時(shí)代經(jīng)歷了三次大的變革，現(xiàn)在的工業(yè)4.0時(shí)代最主要的特征是智能化和遠(yuǎn)程控制，重點(diǎn)在于利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息處理技術(shù)和智能機(jī)器人技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工的更高層次的自動(dòng)化。本文通過(guò)對(duì)智能制造體系的深入分析，認(rèn)為我國(guó)雖在在該領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，但是在智能化的本質(zhì)和原理方面的研究仍然不足，未來(lái)建議在智能制造柔性化、精益化和敏捷化方面開(kāi)展研究。

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作者簡(jiǎn)介

李俊杰（1995-），男，重慶市綦江縣，本科，學(xué)生；研究方向：機(jī)械電子工程。