智能制造的自動化技術(shù)應用及發(fā)展

李澤海

摘 要：智能制造是當今制造業(yè)發(fā)展的主要方向，我國緊隨美、德、日等制造強國的步伐，也步入了智能制造的大發(fā)展時代。本文從智能制造的發(fā)展背景和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，闡述智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)，探討物聯(lián)網(wǎng)、CPS、機器人等自動化技術(shù)在智能制造中的應用及發(fā)展，總結(jié)并提出智能制造的發(fā)展趨勢和技術(shù)挑戰(zhàn)，為科研團隊和科研愛好者提供一定參考價值。

關(guān)鍵詞：智能制造；自動化技術(shù)；發(fā)展趨勢；技術(shù)挑戰(zhàn)

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0038-02

在科技高速發(fā)展的今天，制造業(yè)仍然是“國之重器”，在國家工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)中具有舉足輕重的地位，可以說制造業(yè)在今天仍然是我國發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)。為了打造具有國際競爭力的制造業(yè)，我國政府于2015年提出“中國制造2025”計劃，智能制造成為解決我國制造業(yè)由大變強的重要途徑。引用美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）對智能制造的定義：智能制造是一個高度集成、協(xié)同制造的系統(tǒng)，可以在不同工況下實時應對不同的問題，同時其智能化程度的不斷提高可以滿足不同生產(chǎn)商和客戶的各式各樣的需求[1]。本文通過介紹智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀，分析智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，探究智能制造的發(fā)展趨勢及技術(shù)挑戰(zhàn)，詳細闡述了智能制造中的自動化技術(shù)應用及其發(fā)展。

1 智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀

制造業(yè)是實現(xiàn)人們生活必需品從無到有的一個重要產(chǎn)業(yè)，與人們的衣食住行息息相關(guān)，因此在經(jīng)歷了三次工業(yè)革命的今天，在從歐洲引入的工業(yè)4.0概念快速發(fā)展的智能時代，制造業(yè)仍然是國家重視和大力發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，進入信息化時代以后，制造業(yè)擺脫了以往傳統(tǒng)的機械加工模式，開始與尖端信息通信技術(shù)融合，在過去的機械化轉(zhuǎn)化為數(shù)字化后，進而向智能化蛻變，智能制造應運而生。智能制造將傳統(tǒng)制造業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等融合在一起，實現(xiàn)信息自我感知，控制系統(tǒng)深度學習，智能優(yōu)化自決策，高精度制造自執(zhí)行等先進制造過程，并打造具有智能感知、精密制造、智能決策、自我控制等特征的先進制造系統(tǒng)，形成工業(yè)4.0時代的新型制造模式[2]。

智能制造可以有效提高生產(chǎn)效率，大大降低了資源損耗，節(jié)約了人力成本，對發(fā)展新型制造業(yè)有重要意義。目前，制造業(yè)的智能化發(fā)展仍由美國、日本、歐洲引領(lǐng)潮流，我國在智能制造方面還存在很大不足，本文總結(jié)為以下三點：

（1）智能化程度不足，缺乏創(chuàng)新。國內(nèi)大多制造業(yè)仍存在作業(yè)階段機械化，產(chǎn)品設(shè)計與實際加工脫節(jié)等問題。大多數(shù)生產(chǎn)線制造精度較低，智能化程度不高，許多企業(yè)還停留在粗放型階段，有大量人工參與，而少有效數(shù)據(jù)支持，因而使智能化效能下降。

（2）發(fā)展規(guī)模不大，基礎(chǔ)較薄弱。我國的智能制造相對來說起步較晚，國內(nèi)的優(yōu)勢企業(yè)雖然可以在國內(nèi)市場上占有一席之地，但走出國門后在國際上并沒有太大競爭力。大體來說國內(nèi)的智能制造裝備企業(yè)的產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)比較小，智能化基礎(chǔ)相對薄弱。

（3）核心技術(shù)被國外掌握。我國的智能制造業(yè)領(lǐng)域目前創(chuàng)新力仍不足，大量的核心技術(shù)和行業(yè)專利都掌握在國外龍頭企業(yè)手中，其中以美、日、德、英、法等國家較為先進。今年爆發(fā)的美中貿(mào)易戰(zhàn)，也充分暴露了我國在智能化、信息化等先進科技領(lǐng)域的核心技術(shù)發(fā)展落后的問題。

德國于2013年提出“工業(yè)4.0”概念，指出以智能制造引領(lǐng)的第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來；日本成立了“日本科技工業(yè)聯(lián)盟”，旨在發(fā)展工業(yè)智能機器人和建立無人化工廠；美國推動建設(shè)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”這一智能制造技術(shù)平臺，利用高級計算、分析、感應技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造其智能制造架構(gòu)；我國則提出了“智能制造2025”計劃，制定了以創(chuàng)新為主，將工業(yè)化和信息化相融合的，大力推動智能制造發(fā)展的戰(zhàn)略方向[3]。

2 智能制造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IOT）是當下信息化時代發(fā)展的重要產(chǎn)物，也是智能制造發(fā)展的重要方向。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們可以建立國內(nèi)乃至國際的智能制造平臺，滿足不同客戶、不同制造商的各種要求，從“量”的追求發(fā)展到“質(zhì)”的超越。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展需要建立在智能傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過傳感器感知環(huán)境信息、產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)進程等。智能傳感器進一步將傳感器與處理器集成化，結(jié)合智能算法，實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的智能化管控及檢測，實現(xiàn)制造、裝備、加工進程的智能化監(jiān)控。

2.2 CPS技術(shù)

信息物理系統(tǒng)（cyber physical systems，簡稱CPS）是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是實現(xiàn)智能制造的重要環(huán)節(jié)。信心物理系統(tǒng)可通過人機接口實現(xiàn)控制員與制造平臺的信息傳遞，也可通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠程實時操控。CPS系統(tǒng)框架主要分為兩層，一是由傳感器、執(zhí)行器等硬件設(shè)備組成的物理層；二是由信息、通信設(shè)備和軟件等組成的網(wǎng)絡(luò)層。信息物理系統(tǒng)是對物聯(lián)網(wǎng)的補充和加強，后者使數(shù)據(jù)聯(lián)通而前者則在此基礎(chǔ)上使物理層產(chǎn)品之間達到協(xié)同，從而實現(xiàn)信息在物理空間與信息空間的流動。

2.3 機器人技術(shù)

機器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域扮演著重要角色，可大大提高制造業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是工業(yè)4.0新時代的代表性產(chǎn)物。本文以三種機器人技術(shù)為例，闡述其對智能制造的重要作用。多自由度機械臂，可以進行諸如組裝加工焊接等工作，是工業(yè)機器人常見的工作形態(tài)；物流機器人，主要負責匯集和傳送部件，可以完成物體識別、抓取分揀及運輸工作[4]；碼垛機器人，可借助同步調(diào)控技術(shù)使其在將貨物從生產(chǎn)線運送至倉庫而不受同類型機器作業(yè)影響。在智能制造中，智能機器人作業(yè)可簡化生產(chǎn)和運輸流程，降低人力成本，協(xié)助構(gòu)建無人化工廠并高效運行。

2.4 云制造與數(shù)據(jù)挖掘

云制造是將傳統(tǒng)制造業(yè)與先進網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，打造網(wǎng)絡(luò)云平臺，將制造資源與客戶需求通過云平臺互聯(lián)，為用戶提供按需制造服務的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[5]。它通過信息化制造、云計算和物聯(lián)網(wǎng)為產(chǎn)品提供全生命周期服務，有效提高生產(chǎn)效率和制造資源利用率，達到產(chǎn)品的人性化設(shè)計，優(yōu)化產(chǎn)品效能。數(shù)據(jù)挖掘可從海量數(shù)據(jù)中捕獲有效有價值信息，可優(yōu)化和調(diào)節(jié)云制造的分析調(diào)控功能，使云制造以最佳狀態(tài)運行。

3 智能制造的發(fā)展趨勢及技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 無人化

無人化是智能制造提高生產(chǎn)效率、降低人力成本的一大體現(xiàn)，以無人化車間和無人化工廠為實際發(fā)展方向。無人化的關(guān)鍵在于自主控制，無人化的實質(zhì)即由計算機代替人操控機器，而機器繁瑣復雜的操作過程需要有強大的計算機技術(shù)支持和海量數(shù)據(jù)支持，這些也是當前所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.2 高精度

智能制造時代，對產(chǎn)品質(zhì)量要求更為嚴格，因此高精度也是智能制造的一個重要需求。高質(zhì)量的生產(chǎn)依賴于高精度的加工，對加工精度的提升是一個重要挑戰(zhàn)。該方向需從硬件和軟件兩方面著手，既要提高制造機械的材質(zhì)，還要提高傳感器和控制器的控制靈敏度和精度。

3.3 智能化

智能化是智能制造的主要趨勢，其表現(xiàn)在人工智能的發(fā)展和完善。人工智能的發(fā)展可以深度學習為典型代表，即采用智能算法對大量數(shù)據(jù)的分析。該方向的技術(shù)挑戰(zhàn)在于進行大量數(shù)據(jù)挖掘和通過實驗獲得大量有效數(shù)據(jù)，從而完善訓練樣本庫，達到優(yōu)化提升人工智能的目的。

4 結(jié)論與展望

制造業(yè)的發(fā)展需要智能化技術(shù)的注入，智能制造的發(fā)展離不開自動化技術(shù)的投入。本文以智能制造為研究主體，闡述了一系列自動化關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展，并進行了學術(shù)性的總結(jié)，提出幾個創(chuàng)新性觀點。雖然我國在智能制造方面起步稍晚于發(fā)達國家，還面臨著諸多挑戰(zhàn)，但毫無疑問，我國智能制造的發(fā)展前景是明朗的。由制造大國蛻變?yōu)橹圃鞆妵?，這是必將面臨的一個轉(zhuǎn)型。

參考文獻

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[2]謝勇，劉治紅，吳宏超.中國制造向中國智造轉(zhuǎn)型的發(fā)展模式初探[J].兵工自動化，2017，36（2）：1-7.

[3]閆建波.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017，（20）：3883.

[4]房殿軍，李偉.面向智能制造的物流系統(tǒng)建設(shè)——支持智能制造的智能物流系統(tǒng)建設(shè)[J].物流技術(shù)與應用，2017，（3）：86-92.

[5]魏中賀，李少波.基于云制造的數(shù)據(jù)挖掘研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2015，32（1）：75-80.