面向智能制造領域的自動化技術發(fā)展研究

卜華偉

（江蘇毅昌科技有限公司 江蘇省昆山市 215300）

不斷革新的科學技術持續(xù)推動著社會經濟的快速發(fā)展。與之同時，人們對商品的質量、性能要求也越來越高。在大多數(shù)情況下，設計新穎，工藝復雜，精密程度更高的商品更受消費者喜愛。這也導致商品制造的復雜程度不斷提升，原本由人工主導的生產制造已經無法滿足人們的需求，自動化設備取代人工已成為必然的發(fā)展趨勢。

進入智能制造時代，先進的自動化設備及制造技術在產品的生產制造過程中將會產生了大量的信息。這些信息既包括生產環(huán)節(jié)各個設備部件的狀態(tài)情況，也包括原材料、產品、物流、資金流等信息。這些信息難以通過人工進行完整地采集、分析和利用。當前，快速發(fā)展的智能技術正好能夠有效彌補人工的不足，實現(xiàn)從海量的數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，通過實時數(shù)據(jù)分析和智能化處理，對產品的生產制造過程進行實時控制和優(yōu)化，從而提高商品生產的效率，并提升制造流程的靈活性、敏捷性及智能性。

我國于2015年發(fā)布了《中國制造2025》規(guī)劃。該計劃的實施是我國面對未來日趨復雜國際形勢，實現(xiàn)中國由制造大國轉向制造強國，提升中國制造產品質量、形象和競爭力的重要舉措。可以說，在未來的二十年內，只有獲得智能制造領域的領先地位，中國才能在經貿往來中獲得持續(xù)、穩(wěn)定、高速的發(fā)展。

1 自動化技術的發(fā)展

自動化技術的發(fā)展經歷了四個典型的歷史時期，其中包括：自動化裝置萌芽時期（18世紀以前）、自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代）、局部自動化時期（20世紀40年代至20世紀50年代）、綜合自動化時期（20世紀50年代至今）。

人類從動物轉向智慧生物的過程中，離不開對工具的利用。通過工具，人類擺脫了自然界的束縛，減輕了勞動強度，提升了勞動效率，從而形成了以腦力勞動獲得自身生存優(yōu)勢。在人類活動中，最早的自動化裝置雛形是在農耕文明時期，由風力、水力驅動的石磨、碾、舂、紡車等工具?？搪┳詣佑嫊r裝置的出現(xiàn)對人類的發(fā)展來說具有跨時代意義。1784年，瓦特通過離心式的調速裝置對蒸汽機進行了改進，從而形成了閉環(huán)自動調速系統(tǒng)，成為近代具有時代開創(chuàng)意義的自動調節(jié)裝置，對第一次工業(yè)革命及之后的控制理論發(fā)展具有深遠意義。進入20世紀初期，工業(yè)的發(fā)展進入了全新的發(fā)展時期。在工業(yè)生產中各種各樣的自動控制裝置被廣泛應用。在二戰(zhàn)之后，發(fā)達國家的工業(yè)體系實現(xiàn)了飛速發(fā)展，各種類型的自動化控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為經典控制理論的發(fā)展提供了新的歷史機遇。

2 智能制造的基本概念及相關技術

德國“工業(yè)4.0”概念的提出被人們視作是人類的第四次工業(yè)革命的開端。與之對應的是我國提出的“中國制造2025”規(guī)劃。可以預知的是，未來先進的智能制造技術將會讓更多的人從重復性的生產勞動中解放出來。

智能制造基本概念：智能制造(Intelligent Manufacturing)是一種借助人工智能技術實現(xiàn)生產制造領域去人工化，提升制造效率和產品質量的生產方式，它的出現(xiàn)得益于近20年來人工智能技術的跨越式突破，是一種將機器智能同人類專家智慧緊密結合的一體化智能系統(tǒng)。智能制造在應用過程中，不再是簡單地按照固定指令執(zhí)行命令，而是能夠通過分析、推理、判斷、構思和決策進行智能化生產控制，可以在較大程度上減輕甚至取代人類的腦力勞動。智能制造與傳統(tǒng)的自動化制造技術相比，具有柔性化、智能化和高度集成化等突出特點。智能制造可以分為智能制造技術、智能制造系統(tǒng)兩部分：[1]

2.1 智能制造技術

智能制造技術存在精密化、柔性化、自動化、可視化、集成化、網絡化、信息化、圖形化、智能化等優(yōu)點。智能制造能夠將產品的需求分析、數(shù)據(jù)采集、設計研發(fā)、原料供應、生產制造、質量管理、物品流通、財務管理等環(huán)節(jié)進行有效融合和智能化處理。既加快了生產制造對市場需求的反應速度，同時在產品質量提升、成本把控等方面也有著巨大成效。

2.2 智能制造系統(tǒng)

智能制造系統(tǒng)是由智能機器、人類專家組成的人機一體化系統(tǒng)，可以在智能制造的過程中模擬人類的智力活動，包括分析、推理、判斷、構思及決策等環(huán)節(jié)，從而達到輔助人類進行生產控制和管理的行為。盡管最理想的智能制造系統(tǒng)是完全脫離人的干預，有機器自助進行生產控制和管理，但現(xiàn)實是智能制造在目前階段仍然難以脫離人類專家的參與。

3 智能制造發(fā)展趨勢

當前，智能制造已成為工業(yè)生產應用的大方向。從先進發(fā)達國家已有經驗來看，智能制造產業(yè)在未來十年內將會出現(xiàn)智能制造日趨普及、智能制造實現(xiàn)更廣泛的合作生產、智能制造的基礎性標準化體系更完善等趨勢。

當前，很多知名企業(yè)已經開始嘗試并應用智能制造的技術，不少企業(yè)已并從中嘗到甜頭，然而大量中小型企業(yè)面臨著技術難度高、資金壓力大、市場環(huán)境欠佳等情況，對看起來高大上的智能制造技術及設備望塵莫及，難以通過智能制造技術的應用獲得發(fā)展紅利。但隨著智能制造技術的不斷成熟和智能裝備價格的不斷降低，中小型企業(yè)也有機會在部分領域和制造環(huán)節(jié)中通過量產化部件和設備享受到智能制造帶來的發(fā)展紅利。隨著智能制造的普及，產品制造的上中下游能夠通過生產信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通實現(xiàn)產品從研發(fā)設計、原料供應、生產制造、資金流、商流、物流等環(huán)節(jié)的全面把控。全球化制造資源的協(xié)作共享將不斷弱化生產制造的本地依賴程度。通過網絡，企業(yè)在開展生產制造時能夠靈活、動態(tài)的匹配和調整生產制造合作伙伴，整合各方優(yōu)勢資源及技術，從而能夠在全球化范圍實現(xiàn)分散化的聯(lián)動生產。同時，一些涉及專業(yè)程度較高的工作也能夠通過遠程方式發(fā)派給專業(yè)化程度更高的專業(yè)機構，從而在最大限度上吸納整合全球優(yōu)勢生產制造資源，以此打造具有絕對競爭力的高質量產品。

表1：機器人技術發(fā)展趨勢

表2：云制造關鍵技術及其要求

另外，基礎性標準化體系的建設和完善將成為智能制造產業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基礎。通過標準化的產品設計和流程規(guī)范，可以實現(xiàn)關鍵智能制造部件、系統(tǒng)、裝備的有效統(tǒng)一，將智能制造系統(tǒng)的運行維護控制在較低水平，并以此提升中國智能制造在核心技術方面的影響力。[2]

4 面向智能制造的自動化技術應用

無論是基礎理論還是技術應用，自動化技術都已經相當成熟，其中較常見的有EMCU 嵌入式微控制器、PLC 可編程邏輯控制器、VFD 變頻器、傳感器技術、IPC 工業(yè)控制計算機、觸摸屏技術等。正是在它的基礎上，智能制造技術才能夠真正得以實現(xiàn)。在未來，智能制造還需進一步發(fā)展以下技術。

4.1 智能傳感器技術與物聯(lián)網

傳感器技術和物聯(lián)網技術就如同人的眼睛和耳朵，能夠感知并采集事物的各種狀態(tài)信息，也是之智能制造系統(tǒng)感知物體并對物體進行控制的必要基礎。當前，傳感器種類眾多，但仍然無法完全滿足智能制造領域中所需的所有情形。同時，一些傳感器由于技術難度大，研發(fā)成本高導致智能制造無法全部采用最先進的傳感器部件。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息采集中，有線的鏈接方式比較穩(wěn)定，但對于獨立的、可移動的產品及生產設備的信息采集離不開物聯(lián)網基礎的應用。當前，在物聯(lián)網領域采用較多的是以RFID技術、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、4G/5G 網絡等。

4.2 CPS信息物理系統(tǒng)技術

信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems)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)。CPS 系統(tǒng)能夠通過人機接口以實現(xiàn)與制造平臺的互動操作。CPS 系統(tǒng)主要可以分為兩層：第一層是由傳感器、執(zhí)行器等部件構成的物理層；第二層是由信息、通信設備和軟件等構成的網絡層。信息物理系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是物理設備的聯(lián)網，讓物理設備可以通過連接互聯(lián)網實現(xiàn)計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調等功能。[3]

4.3 工業(yè)機器人技術

工業(yè)機器人是指具有類似人的智力行為的自動化機器，包括感知、規(guī)劃、動作、協(xié)同等能力，具有較高靈活度。機器人與傳統(tǒng)自動化設備最大的區(qū)別是在處理不同任務和在復雜環(huán)境下處理問題的能力。工業(yè)機器人一般應用于協(xié)助人類從事復雜、危險、重復性的工作。機器人技術的應用是解決智能制造中代替人工操作的重要手段，能夠極大提升生產制造的質量和效率，是智能制造技術先進程度的重要體現(xiàn)。多自由度機械臂就是一種常見的工業(yè)機器人。在工業(yè)機器人領域，其發(fā)展趨勢如表1所示。[4]

4.4 云制造

云制造是對傳統(tǒng)商品生產制造方式的一次重大革新，是將生產制造資源和客戶需求進行有效匹配、按需生產的重要技術，能夠為客戶提供實時在線的網絡服務。通過云制造平臺能夠為產品提供全生命周期的服務，能夠通過對信息的掌握和處理，通過控制減少物質生產制造環(huán)節(jié)不必要的浪費，提升生產制造效率。在云制造技術中，涉及到多個智能制造的關鍵技術，具體如表2所示。

5 結語

發(fā)展智能制造技術及其應用已經成為未來的必然趨勢。實現(xiàn)全行業(yè)、全流程的智能制造離不開以自動化技術為基礎的設備、部件及理論與時俱進地發(fā)展與革新。文章通過對自動化技術的發(fā)展淵源和智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀進行解讀，試圖洞悉自動化技術助力智能制造產業(yè)發(fā)展的趨勢，從而助力我國實現(xiàn)從制造大國轉向制造強國的轉變?；谥袊斍霸谥悄苤圃祛I域的發(fā)展情況，中國在智能制造方面既要立足現(xiàn)實，積極參與國際合作，同時也應面向未來，大力建立自主的標準體系并擁有自主專利的智能制造技術。