設備智能制造的技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

朱海洋

（中天新興材料有限公司，南通 226010）

制造業(yè)在社會中占有重要地位，主要根據市場的實際需求，生產制造相應的工業(yè)產品，以滿足人們的生產及生活需要。當前我國制造業(yè)發(fā)展較快，但是也必須看到制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，需要在自主創(chuàng)新方面下功夫，實現(xiàn)智能制造。國家高度重視在智能制造方面的投入和監(jiān)督，不斷加強新技術在智能制造中的應用，促使制造業(yè)實現(xiàn)轉型升級獲得進一步的發(fā)展。本文詳細分析設備智能制造的技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

1 設備智能制造

1.1 設備智能制造概述

制造業(yè)在很大程度上體現(xiàn)了國家的整體生產技術水平，也是衡量一個國家是否發(fā)達的標志。發(fā)達國家的制造業(yè)整體生產技術水平相對較高，和發(fā)展中國家相比具有較為明顯的優(yōu)勢。一個國家中，制造業(yè)所產生的市場經濟份額占有較大比重。隨著智能化技術在社會中的應用，它已經逐步滲透到了社會的方方面面，其中制造業(yè)中也采用了很多智能化技術。智能制造系統(tǒng)主要可以分為生產制造執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分[1]。其中：生產制造執(zhí)行系統(tǒng)主要是根據控制系統(tǒng)所下發(fā)的指令來驅動生產制造執(zhí)行系統(tǒng)中的執(zhí)行機構完成相應的制造功能；控制系統(tǒng)中采用的算法，對整個生產制造系統(tǒng)的效率而言具有關鍵作用，應采用先進的分析及控制算法，更好地保障生產制造系統(tǒng)的運行。智能制造各子系統(tǒng)的關聯(lián)圖如圖1 所示。

圖1 中，控制系統(tǒng)中的數(shù)據來源主要依靠傳感器設備，并將模擬量數(shù)據轉換為數(shù)字量信息，以便被控制系統(tǒng)采用?？刂葡到y(tǒng)應能對各類數(shù)據信息進行高效分析和處理，并將處理結果同顯示界面展示出來，同時數(shù)據信息能夠通過控制系統(tǒng)中的存儲模塊存儲。在智能制造及生產中，對智能設備生產過程采用最優(yōu)化控制算法，可以提高智能制造的生產水平。

1.2 設備智能制造的應用優(yōu)勢

通過在設備制造過程中應用智能制造技術，可以提高設備生產制造的智能化技術水平，從而提高設備生產制造的效率，進一步推動設備生產制造領域整體技術的創(chuàng)新。在設備智能制造過程中需要了解掌握的信息內容較多，包括設備的基本外形尺寸、運行原理和整體的架構信息等，同時需要掌握控制系統(tǒng)的基本運行原理等?？梢栽趯嶋H生產中構建相應的數(shù)學模塊，更好地指導實際的生產過程。

2 設備智能制造的技術現(xiàn)狀分析

2.1 智能制造設備的應用現(xiàn)狀

智能制造設備不但結構簡單，而且操作方便。目前，智能制造設備的技術水平已經相對較高，但依然存在較大的提升空間。電氣自動化智能制造設備包括制造設備本體和制造設備系統(tǒng)。制造設備本體包括支撐腿、底板和頂罩。底板安裝在支撐腿的頂部，兩支撐腿之間設有連接板，底板的頂部設有導軌。頂罩安裝在導軌的頂部，內設限位板和轉動軸。轉動軸安裝在兩限位板之間，底板上設有顯示屏和擴音器。擴音器安裝在顯示屏的兩側，兩導軌之間設有固定板，固定板的兩側設有滑動塊。該智能制造設備結構合理，使用方便，自動化程度較高，線圈纏繞速度較快。

數(shù)字化是推動智能制造的基礎，與創(chuàng)新密切相關。提高效率包括生產線設計和規(guī)劃效率、重構效率等，而軟件控制系統(tǒng)應能更快響應機器運行狀態(tài)的變化。此外，在小批量生產中應對智能機械制造的相關技術進行驗證，研究如何通過改進機械設備的維護方法降低能耗和產品的制造成本，同時借助新技術減少生產停機時間[2]。開發(fā)過程中，需要有相應的模型作為指導。如果沒有模塊，則不容易找到生產過程中遇到的問題。在數(shù)字建模和仿真平臺的幫助下，可以模擬機械和控制的過程，在軟件所搭建的一個虛擬環(huán)境條件下完成對生產過程中的變量修改，還能夠通過調試過程找到一個最佳的控制模型和控制模型中可以設置的參數(shù)信息等。借助軟件仿真系統(tǒng)，在實際應用中具備多種不同的優(yōu)點。一方面，可以進行虛擬調試，更好地優(yōu)化模型中的控制參數(shù)，以達到降低生產制造成本的目的。在許多機器的開發(fā)中，這種驗證過程成本較高。數(shù)字模擬可以節(jié)省成本，還可以縮短研發(fā)周期。另一方面，自動代碼生成。通過調用軟件中的接口程序，可以實現(xiàn)代碼信息的自動生成，以節(jié)省編寫程序花費的時間?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程技術，可以更方便地制造滿足用戶要求的機電產品。

2.2 電子設備的智能制造方法分析

目前，電子設備功耗越來越低，性能越來越高，功能越來越多樣化。通過豐富的功能可以滿足不同人群對電子設備產品使用的需要，同時逐漸朝著小型化方向發(fā)展[3]。但是，電子設備中所需要承載的數(shù)據信息量也在不斷變大，對電子設備中的存儲功能模塊提出了更高要求，可以采用智能制造技術生產半導體存儲器。半導體存儲器包括溝槽、柵電介質層、柵電極以及存儲元件。溝槽形成在襯底中；柵電介質層形成在溝槽的表面上；柵電極形成在柵電介質層上，間隙填充溝槽的一部分，并且包括摻雜劑，其中擴散區(qū)形成與溝槽的表面相接觸且對應襯底的柵電極，結區(qū)形成在襯底內溝槽的兩側的柵電極；存儲元件耦接至溝槽一側的結區(qū)。擴散區(qū)可以包括與包含在柵電極中的摻雜劑具有相同材料的摻雜劑[4]。此外，擴散區(qū)可以包括擴散的摻雜劑。擴散的摻雜劑通過包含在柵電極中的摻雜劑的擴散進入襯底。

2.3 智能制造用的組裝設備分析

現(xiàn)有的制造設備并沒有完全普及，不僅導致企業(yè)的效率低下，而且浪費了大量勞動力，造成公司效益降低，同時現(xiàn)有的工作臺不便于清理邊角廢料，因此提出智能制造用組裝設備。在智能制造用組裝設備中，箱體內設置有一控制器，框架上設置有控制面板，滑軌之間設置了傳感器設備和控制器，用來對傳感器采集到的數(shù)據進行處理和分析控制。在氣缸下壓過程中，壓力傳感器檢測到滑軌與滑塊之間的壓力值達到最大閾值時，將信號反饋給控制器?？刂破靼l(fā)出信號，關閉氣缸閥門，氣缸暫停下降，同時壓緊塊固定需要組裝的產品。

3 設備智能制造的發(fā)展趨勢分析

3.1 工業(yè)大數(shù)據技術在設備智能制造中的應用

利用工業(yè)大數(shù)據技術可以構建設備智能制造管理系統(tǒng)?；诖髷?shù)據的智能制造管理系統(tǒng)包括機床終端、機床用戶端和智能制造共享云平臺。智能制造共享云平臺包括注冊解析模塊、在線仿真模塊、差量分析模塊和數(shù)據庫[5]。其中：注冊解析模塊根據對象標識符對對象元數(shù)據進行對象標識解析；在線仿真模塊根據機床終端的設備屬性信息配置仿真環(huán)境，并根據對象元數(shù)據在仿真環(huán)境中進行生產仿真，以獲得生產仿真數(shù)據；差量分析模塊生成生產仿真矢量和生產圭表矢量，并計算生產仿真合格度，然后將生產仿真合格度與生產規(guī)范值進行比較。這種智能制造管理系統(tǒng)通過連接不同機床終端和機床用戶端，實現(xiàn)了制造工廠之間的生產信息和生產線共享，提高了生產資源利用率。

3.2 機電一體化技術在設備智能制造中的應用

3.2.1 機電一體化技術概述

機電一體化所涵蓋的內容較多，包括多個不同學科。如何將機電一體化技術和智能化設備生產制造技術相互結合，從而促進設備生產制造領域的技術進步，將是一個重要的研究課題。在機電一體化技術中，需要采用信息技術和計算機控制技術，更好地對設備生產過程中的各項參數(shù)信息進行統(tǒng)一建模分析及控制，從整體上提高設備生產制造的智能化技術水平。

機電一體化技術涉及的內容較為廣泛，如機械零件繪圖、電氣和電子技術、機械設計基礎、模具設計和制造、CNC 加工技術和編程、3D 建模設計和處理應用、機電產品3D 測量和快速原型制作、金屬加工技術、計算機輔助設計與制造、數(shù)控機床編程與操作等。同時，機電一體化技術已廣泛應用于三維造型設計、計算機輔助設計和機械制造工藝，并且對數(shù)控設備的操作、維護和管理以及加工車間的技術管理也需要機電一體化相關技術。真正的機電一體化系統(tǒng)工程需要在控制功能上快速響應客戶需求，利用機械、電氣、軟件或者控制系統(tǒng)等跨學科內容，提高機械制造的整體性能。

3.2.2 機電一體化技術的應用

機電一體化技術在智能制造中的應用較為廣泛。在機電產品的智能制造中，需要先選擇好相應的控制模式?？晒┻x擇的控制模式主要包括開環(huán)和閉環(huán)兩種類型。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，生產過程中的輸出量信息和輸入量信息之間沒有數(shù)據傳輸通道，難以將輸出量數(shù)據傳遞到輸入端?？刂菩Ч烷]環(huán)控制系統(tǒng)相比存在一定的缺陷，但整體控制模型結構較為簡單，容易實現(xiàn)。開環(huán)控制系統(tǒng)在結構組成上可以分為控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構兩個部分，一般應用于控制效果要求不太高的設備制造場景。

如果生產精細化設備，則應該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，將輸出端的數(shù)據信息反饋到輸入端，相互疊加，從而實時動態(tài)調整控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，使之更加符合實際的應用需求。機電一體化技術具有模塊化開發(fā)，以響應生產變化。為了更快地構建機械制造模型，此時軟件將發(fā)揮越來越重要的作用，即可以利用軟件控制系統(tǒng)提高機器和生產線效率。此外，人才是推動智能制造發(fā)展的戰(zhàn)略保障。智能制造的實現(xiàn)不僅需要研究型人才，還需要數(shù)字時代進行實際機械設計和具體操作的技術人員，這需要機電行業(yè)和學術界密切 合作。

3.3 工業(yè)機器人設備的智能制造

機器人是機械設備智能化發(fā)展的重要代表。機器人系統(tǒng)一般包括多個關節(jié)，能夠在多個不同自由度下工作，同時能夠接受控制系統(tǒng)的指令完成某一項具體的功能。現(xiàn)有的工業(yè)機器人在制造過程中大多需要進行噴漆處理，而現(xiàn)有的噴漆處理過程大多是人工手動進行，不僅噴漆效率低，而且噴漆效果較差，浪費了大量人力和物力。

基于工業(yè)機器人的智能制造設備包括機箱、噴漆頭和工作臺。機箱的內下壁固定安裝有第二隔離筒，第二隔離筒的外壁上套接有第一隔離筒。第一隔離筒的頂部位置上設置了工作臺，下端設置了電動推桿，其中推桿可以和驅動電機相連，通過驅動電機帶動轉軸旋轉。機箱的頂端四邊安裝有3 個擋板和1 個窗門，其中3 個擋板的頂端固定連接有頂板。該設備通過系統(tǒng)性的工作流程，可以智能一體性地對工業(yè)機器人進行噴漆處理，避免了人工噴漆時的麻煩，提高了噴漆的工作效率和工作效果。隨著機器人技術的發(fā)展，今后在設備生產制造領域將會更多地采用機器人控制系統(tǒng)，以更好地促進設備的智能化生產。

4 結語

通過在智能制造中采用新技術可以簡化機械系統(tǒng)設計，提高制造效率，對于提高設備生產制造企業(yè)的經濟效益具有重要作用。未來智能制造可以在數(shù)據應用及挖掘、機器學習等方面開展研究，從而更好地實現(xiàn)設備智能制造。