從簡單機(jī)器人系統(tǒng)到基于總線通信的柔性系統(tǒng)升級淺析

崔岳 郭敏 徐英培

摘要：本文以雙機(jī)器人為執(zhí)行終端、以PLC為控制系統(tǒng)、以獨(dú)立回轉(zhuǎn)盤為傳送機(jī)構(gòu)、加上HMI人機(jī)界面、視覺識別系統(tǒng)等，將多設(shè)備以總線型通信手段聯(lián)為一體，并以此作為FMS的典型形態(tài)，完成復(fù)雜工藝的規(guī)劃與實(shí)施。

關(guān)鍵詞：FMS;工業(yè)機(jī)器人;總線通信

研究背景與調(diào)研

我國目前距離制造業(yè)強(qiáng)國，仍有相當(dāng)程度的差距。相當(dāng)多的產(chǎn)業(yè)仍處于勞動密集型，在一些結(jié)構(gòu)單一的自動線上，完成流水作業(yè)、分揀、檢測工作的主要勞動力，仍然是大批量的產(chǎn)業(yè)工人。筆者于2016年5月到山東濰坊調(diào)研，深入了當(dāng)?shù)仉妱榆噺S，當(dāng)時該企業(yè)的電車生產(chǎn)線，仍然依靠人工操作叉車擺放底盤，兩人配合手工把車門鋼板擺放在沖壓機(jī)內(nèi)，孤零零的機(jī)器人在所謂“生產(chǎn)線”上的作用，就是進(jìn)行幾道焊接工藝，而工藝本身的定位校準(zhǔn)，也是由人工完成的，據(jù)粗略估算，其電車當(dāng)時的自動化率，不超過15%。這和我們想象的，現(xiàn)代智能制造車間中，寥寥無幾的監(jiān)測工人，井井有條的多工藝多工序的生產(chǎn)線大相徑庭。時隔兩年多，在2018年6月筆者再次造訪的時候，當(dāng)初和該企業(yè)技術(shù)部門溝通提出的三點(diǎn)建議（最大化提升自動化率、利用通信總線實(shí)現(xiàn)多設(shè)備協(xié)調(diào)工作、以PLC和傳感器作為機(jī)器人感知系統(tǒng)以降低人工介入）均已全部實(shí)現(xiàn)，自動化率超過60%，并且正在繼續(xù)深化工藝技術(shù)。

自動化率的提高，基于總線通信的系統(tǒng)改造，是我們制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的一個縮影，要想盡快邁入制造業(yè)強(qiáng)國的行列，就要把握時代，深入研究智能制造相關(guān)技術(shù)，利用機(jī)器人系統(tǒng)相對人工的天然優(yōu)勢，以科技密集型為轉(zhuǎn)換目標(biāo)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系為最終實(shí)現(xiàn)形態(tài)。

簡單系統(tǒng)與簡單工藝

機(jī)器人簡單系統(tǒng)又稱機(jī)器人最小系統(tǒng)，以焊接系統(tǒng)（或鑄造件）為例，制造業(yè)企業(yè)或者工廠，還有相當(dāng)部分屬于這種工作模型：人工按照擺放臺要求將焊件（鑄造坯料）擺放好，機(jī)器人負(fù)責(zé)按照定點(diǎn)軌跡焊接。在全過程中，機(jī)器人系統(tǒng)沒有“眼睛”，無法知道是否有工件，無法知道加工工藝是否偏斜或有誤，系統(tǒng)的啟動和停止都需要人工來控制。這種簡單系統(tǒng)，主要工序的核心工藝由機(jī)器人來完成，可以保障質(zhì)量穩(wěn)定，成品率較高，但幾乎所有輔助環(huán)節(jié)都由人工來判斷處理，所以整體自動化率并不高，對于人工的需求仍然很大，生產(chǎn)效率提升有限。這種機(jī)器人簡單系統(tǒng)，對于整個產(chǎn)業(yè)來說，處于“初級階段”，而且，無數(shù)據(jù)產(chǎn)出，無法對生產(chǎn)系統(tǒng)整體做有效的判斷。

總線型通信網(wǎng)絡(luò)與各子系統(tǒng)融合

較高自動化率的制造業(yè)系統(tǒng)，是結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)的系統(tǒng)，并具備核心控制部件來完成邏輯判斷、布爾運(yùn)算以及對環(huán)境感知系統(tǒng)輸入信號的決策（一般來講核心控制部件由可編程控制器來完成功能）。這一整套系統(tǒng)當(dāng)中，核心控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)復(fù)雜工藝的存儲分析和控制輸出，由子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)具體工藝步驟。

以PLC為控制核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具體結(jié)構(gòu)模型的實(shí)現(xiàn)

一套實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，就是一個完整的通信交互型系統(tǒng)，多個子系統(tǒng)在PLC控制下實(shí)現(xiàn)具體工藝步驟，其中包含了視覺識別作為環(huán)境感知的典型設(shè)備，包含了人機(jī)界面（HMI）作為終端控制器，相比于簡單機(jī)器人系統(tǒng)，這套系統(tǒng)科技密集度要高很多。

通信交互型系統(tǒng)的優(yōu)勢

相比于沒有眼睛、沒有大腦的簡單機(jī)器人系統(tǒng)，通信交互型系統(tǒng)具備包括傳感器、視覺識別在內(nèi)的各類環(huán)境感知系統(tǒng)作為“眼睛”;具備擁有決策能力的核心大腦，一般由可編程控制器（PLC）系統(tǒng)來擔(dān)任。環(huán)境感知系統(tǒng)通過通信線路，將信息傳遞給PLC，機(jī)器人的整體控制以及機(jī)器人系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的交互也由PLC來完成，而工藝級別的操作則由機(jī)器人系統(tǒng)本身或其他子系統(tǒng)完成。具備獨(dú)立的控制系統(tǒng)、能夠?qū)崿F(xiàn)高復(fù)雜度的，可移植的控制、編程、裝配和調(diào)試，最終完成生產(chǎn)任務(wù)，這正是柔性制造系統(tǒng)（FMS）的典型模型。柔性制造系統(tǒng)正是簡單機(jī)器人系統(tǒng)的“高級形式”，具備完善的，智能化的，高效的生產(chǎn)能力，是制造業(yè)企業(yè)基于工位級別的生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)升級的“終極形態(tài)”。

柔性制造系統(tǒng)的拓展與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代高可靠性、高效率、高帶寬、低延遲的工業(yè)級別通信系統(tǒng)，是柔性制造系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通信，進(jìn)而完成系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)保障。簡單工藝，配合勞動密集型生產(chǎn)，勢必將會被高復(fù)雜度、高智能化，高自動化率的科技密集型生產(chǎn)所替代，通過技術(shù)堆疊、有效地針對指定生產(chǎn)系統(tǒng)完成系統(tǒng)集成化工作，以無人的工位級別的柔性制造系統(tǒng)作為基礎(chǔ)生產(chǎn)單元，進(jìn)一步拓展，將整體實(shí)現(xiàn)各個工序的柔性制造單元進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)，共享數(shù)據(jù)，統(tǒng)一控制，這就上升到了智能工廠的技術(shù)模型。業(yè)內(nèi)，這是領(lǐng)軍企業(yè)努力實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方向。以聯(lián)想合肥智能制造基地為例，其主板的生產(chǎn)過程，被科學(xué)地拆解成有效工序，進(jìn)而被一整套柔性制造單元分別實(shí)現(xiàn)。面對智能制造技術(shù)拒之門外、固步自封的企業(yè)，勢必將會面臨生產(chǎn)力提高的瓶頸;而積極響應(yīng)智能制造，以科技密集型生產(chǎn)替代人工，積極完成產(chǎn)業(yè)升級的那些企業(yè)，將會以極高的生產(chǎn)效率，相對更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，更低的產(chǎn)品成本，在行業(yè)競爭中占得先機(jī)。

結(jié)語

在2019年5月8日召開的中國機(jī)器人峰會（浙江余姚）上，筆者有幸到場并看到，我國行業(yè)內(nèi)繼續(xù)在推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，而我國作為制造業(yè)大國，在穩(wěn)步邁向制造業(yè)強(qiáng)國的過程中，面臨的首要問題就是產(chǎn)業(yè)升級問題，簡單機(jī)器人系統(tǒng)升級到柔性制造系統(tǒng)，將柔性制造系統(tǒng)作為工位單元，繼續(xù)建設(shè)更大規(guī)模的智能制造網(wǎng)絡(luò)體系，這就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)——智能制造的生態(tài)系統(tǒng)，再配合現(xiàn)代高可靠性、高效率、高帶寬、低延遲的工業(yè)級別的通信系統(tǒng)、融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、從生產(chǎn)端到用戶端的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、云端控制技術(shù)（云計算）、基于柔性制造系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)生成、處理及優(yōu)化分析（邊緣計算）……以諸多的先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)理念加持，我國的產(chǎn)業(yè)智能制造的發(fā)展，必將越走越快，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這一目標(biāo)。