“工業(yè)4.0”背景下的自動化制造技術(shù)

張操棋

摘 要：“工業(yè)4.0”是由德國聯(lián)盟教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手推動的戰(zhàn)略性項(xiàng)目，被看作是提振德國制造業(yè)的有力催化劑，也被認(rèn)為將是全球制造業(yè)未來發(fā)展的方向。繼蒸汽機(jī)的發(fā)明、大規(guī)模生產(chǎn)和自動化之后，這一趨勢被稱為“第四次工業(yè)革命”——“工業(yè)4.0”（Industry 4.O）?！肮I(yè)4.O”提倡物與服務(wù)串連，旨在物對物（M2M）的運(yùn)作架構(gòu)下，打通產(chǎn)、銷任督二脈，講究生產(chǎn)自動化、生產(chǎn)IT 化，生產(chǎn)模式將由批次量產(chǎn)轉(zhuǎn)向接單后生產(chǎn)，落實(shí)智慧生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)、都市生產(chǎn)的未來趨勢。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；柔性制造技術(shù)；柔性制造系統(tǒng)；智能制造；智能工廠

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.034

1 工業(yè)4.0介紹

工業(yè)4.0作為第四次工業(yè)革命，為了擺脫第三次工業(yè)革命所帶來的大量能源消耗以及環(huán)境污染等問題，選擇了綠色革命的道路。與此同時(shí)，還將利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使生產(chǎn)中原料的供應(yīng)、產(chǎn)品的制造、銷售以及服務(wù)數(shù)據(jù)化，智能化。

“工業(yè)4.0”可以大概分為“智能工廠”，“智能生產(chǎn)”，“智能物流”三大方面。首先，對于智能物流而言，需要著重的對互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及物流網(wǎng)的充分利用以及資源整合，模糊行業(yè)之間的界限，將行業(yè)與行業(yè)之間聯(lián)系起來，成為一體。其次，對于智能生產(chǎn)，傳統(tǒng)剛性自動化生產(chǎn)線面對單一大批量生產(chǎn)時(shí)，具有較高的設(shè)備利用率、生產(chǎn)率，較低的單件生產(chǎn)成本，但在應(yīng)對多種零件的小規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)線的改動成本高，容易增加企業(yè)的經(jīng)營成本。為了應(yīng)對消費(fèi)者愈來愈個(gè)性化的消費(fèi)，企業(yè)應(yīng)更加重視柔性制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。柔性制造系統(tǒng)（FMS）是將機(jī)械與電子技術(shù)的結(jié)合，能適應(yīng)多個(gè)品種的產(chǎn)品加工，其提高了設(shè)備的利用率，也在提高了產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)縮短制造周期。其具有高生產(chǎn)率、高柔性、高質(zhì)量的三大特點(diǎn)。

2 柔性制造系統(tǒng)

根據(jù)“中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)”有關(guān)“武器裝備柔性制造系統(tǒng)術(shù)語”的定義，柔性制造系統(tǒng)是數(shù)控加工設(shè)備、物料儲運(yùn)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動化制造系統(tǒng)，并包括多個(gè)柔性制造單元（FMC），能夠根據(jù)制造任務(wù)或者環(huán)境變化迅速的做出調(diào)整。，適用于多品種、中小批量的生產(chǎn)。

柔性制造系統(tǒng)的主要目的一是為了解決機(jī)械制造生產(chǎn)技術(shù)靈活性的問題二是為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量。三是為了縮短周期。為了適應(yīng)市場需求，柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)大致分為以下四點(diǎn)：

（1）積極開發(fā)經(jīng)濟(jì)型的FMS。企業(yè)追求的是效益，在遇到需要企業(yè)的升級換代時(shí)，較高的成本容易使得企業(yè)在面對升級設(shè)備上出現(xiàn)猶豫不決的情況，這容易導(dǎo)致企業(yè)在市場競爭中處于劣勢。

（2）發(fā)展更高效的FMC。FMC作為FMS的構(gòu)成單元，更高效的FMC才能成就更高生產(chǎn)率的FMS。

（3）大規(guī)?；?，功能復(fù)雜化。由于普通的生產(chǎn)線在面對一些較為復(fù)雜的零件的加工裝配時(shí)，物流傳輸占據(jù)了大部分的事假，此時(shí)大規(guī)模，多功能的FMS的優(yōu)勢就可以淋漓盡致的展現(xiàn)出來了，其可以依靠自身的系統(tǒng)完成整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)、制造、檢測、裝配的流程，可以極大降低產(chǎn)品在物流運(yùn)輸時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間成本，提高生產(chǎn)效率。

（4）提高產(chǎn)品可靠性。可靠性一直是企業(yè)最對設(shè)備關(guān)心的方面之一，尤其是在設(shè)備較復(fù)雜的情況下，維修成本相對會比較昂貴，時(shí)間成本也會比較高。這會對企業(yè)的生產(chǎn)效益產(chǎn)生極大的影響。

3 智能制造技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用

智能工廠代表的是自動化制造業(yè)的未來，是將智能制造技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用貫穿制造業(yè)全過程。智能工廠所追求的一是制造過程管控可視化，在產(chǎn)品制造過程包括物料的運(yùn)輸、儲存、提取的整個(gè)過程可以實(shí)時(shí)的展現(xiàn)在操作者的眼前，在遇到某些，諸如程序出現(xiàn)異常等情況發(fā)生時(shí)，可以由操作者進(jìn)行干預(yù)，調(diào)整偏差。

二是系統(tǒng)監(jiān)管全方位，這不僅僅只是在工廠內(nèi)部安裝一套監(jiān)控系統(tǒng)，而是需要基于整個(gè)工廠內(nèi)部的傳感裝置使系統(tǒng)具有感知能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在產(chǎn)品制造過程中能夠自主的識別、分析、判斷、決策、執(zhí)行。并且在數(shù)據(jù)庫中儲存產(chǎn)品從制造完成，入庫到出庫整個(gè)階段的數(shù)據(jù)信息。

三是綠色制造方面，綠色制造不僅包括使用綠色環(huán)保原材料，注意生產(chǎn)過程中污染物的處理、利用，還包括了整個(gè)產(chǎn)品周期中產(chǎn)品從出售到廢棄過程中的回收再利用，利用互聯(lián)網(wǎng)等手段，實(shí)現(xiàn)與上下游廠商和消費(fèi)者之間的配合，打造真正綠色的環(huán)保產(chǎn)品。

在智能工廠的建設(shè)方面，需靠考慮到無線傳感器的使用，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化以及工業(yè)通信的無線化。以洋山港碼頭為例，由于碼頭貨物吞吐量的日益增長，為了滿足經(jīng)營效益并迎合未來的發(fā)展趨勢，洋山港引入了大量的先進(jìn)自動化系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程控制室中，操作人員利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對貨物的起吊、運(yùn)送、安放作業(yè)，在大量在預(yù)埋芯片的磁釘?shù)闹敢?，上百臺的自動導(dǎo)向小車（AGV）就可以完成自動導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)對集裝箱進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

整個(gè)碼頭的運(yùn)行效率在得到了大幅提高的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)全年24小時(shí)無休的目標(biāo)。洋山港的案例可以實(shí)際得為智能工廠的物流系統(tǒng)所借鑒。在工廠內(nèi)部，由于場地的限制等因素，將AGV作為廠區(qū)之間轉(zhuǎn)運(yùn)的載具似乎也是一個(gè)很好的選擇。利用網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)可以讓操作手遠(yuǎn)離一些對人體健康有損的工作區(qū)域，例如噴漆，電焊車間等。使用無線傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送不僅可以減少傳統(tǒng)的通信線路，減少線路的復(fù)雜度與保養(yǎng)成本，還能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的記錄，儲存并實(shí)現(xiàn)在較遠(yuǎn)距離上的傳輸功能。還能更方便的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。

4 結(jié)語

總體而言，在未來以“工業(yè)4.0”為背景的條件下，自動化制造技術(shù)必然存在著與現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合的趨勢。例如，利用目前熱門的大數(shù)據(jù)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析；利用模糊控制原理與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級；利用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)對產(chǎn)品運(yùn)輸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。智能工廠不但能使高齡工人延長自己的工作生涯，還能讓有經(jīng)驗(yàn)的工作者將自己的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲存到系統(tǒng)之中，使得系統(tǒng)原來越智能化。

除了對產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)之外，系統(tǒng)的自主性也是“工業(yè)4.0”帶給我們的機(jī)遇。相對機(jī)遇而言，企業(yè)將要面臨的挑戰(zhàn)也是十分嚴(yán)峻，不論是設(shè)備運(yùn)行的安全問題還是員工的生命財(cái)產(chǎn)安全問題，都一直是各制造企業(yè)的疑難問題。面對互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)安全也將成為企業(yè)必將面對的挑戰(zhàn)。

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