智能生產(chǎn)和生產(chǎn)線的研發(fā)和應(yīng)用

王海賓

摘要：大力建設(shè)智能生產(chǎn)線，有助于提升產(chǎn)品制造的信息化、智能化水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。由此本文研究了以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線構(gòu)建方法，總結(jié)與歸納建設(shè)智能生產(chǎn)線的目的與意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容與方法等，深入探討人機(jī)工程學(xué)的研究方法，分析數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人、機(jī)械手臂的應(yīng)用，智能機(jī)器人、智能設(shè)備在生產(chǎn)與檢測中的精度分析以及智能設(shè)備效率提升的技術(shù)要點(diǎn)，以期促進(jìn)生產(chǎn)制造向智能的自動(dòng)信息化方向發(fā)展，為以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：智能生產(chǎn)；智能機(jī)器人；智能設(shè)備

智能生產(chǎn)是指使用智能裝備等高新科技組成的人機(jī)一體化系統(tǒng)。智能生產(chǎn)按照工藝設(shè)計(jì)的要求，完成包括智能化生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、有限能力排產(chǎn)、智能調(diào)度、自動(dòng)配送、狀態(tài)跟蹤、質(zhì)量追溯和管理等在內(nèi)的整個(gè)生產(chǎn)制造過程；并精準(zhǔn)判斷和處理生產(chǎn)過程、設(shè)備運(yùn)行以及產(chǎn)品質(zhì)量的狀態(tài)，有效集成研發(fā)設(shè)計(jì)、制造運(yùn)營及管理智能裝備等，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造及管控一體化的最終目的。

智能生產(chǎn)線是運(yùn)用智能感知、智能控制和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等智能信息化技術(shù)手段，通過有機(jī)結(jié)合智能設(shè)備、智能機(jī)器人、自動(dòng)化立體料倉等組成的現(xiàn)代化生產(chǎn)線，以此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)。以智能為核心、以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線的推廣應(yīng)用，可以有效提高制造業(yè)生產(chǎn)線的工作效率和產(chǎn)品制造質(zhì)量，因此，企業(yè)必須加快以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線的建設(shè)進(jìn)程，加強(qiáng)在生產(chǎn)制造過程中的應(yīng)用，推動(dòng)智能制造業(yè)向更加高效率、高質(zhì)量的方向發(fā)展。

一、研究目的與意義

目前，隨著國內(nèi)制造業(yè)領(lǐng)域的智能化革新，利用智能生產(chǎn)線取代人工生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)減少制造成本，已成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。建設(shè)智能生產(chǎn)線，有助于提升智能設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)算能力與控制力，降低能耗，提升能源的利用率，同時(shí)可以檢測設(shè)備系統(tǒng)故障，延長智能設(shè)備的使用期限，提高生產(chǎn)效率，有助于精確控制各種復(fù)雜的精密儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)督智能設(shè)備的運(yùn)行情況，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定有序，有助于推動(dòng)生產(chǎn)制造向自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展，推動(dòng)智能制造業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

（一）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，國內(nèi)智能生產(chǎn)線發(fā)展速度日新月異，在智能制造、自動(dòng)化、數(shù)字化等方面都有了較大提升。國內(nèi)學(xué)者王慶、陳寧等根據(jù)航天典型殼段產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程特點(diǎn)，探討了典型殼段加工智能生產(chǎn)線的建設(shè)思路以及部分關(guān)鍵技術(shù)，由此提出創(chuàng)新思路的總體框架與建設(shè)方案，以期提升航天產(chǎn)品的制造效率和質(zhì)量。學(xué)者周春研究了智能生產(chǎn)線的監(jiān)控管理系統(tǒng)，將工業(yè)機(jī)器人投入到智能生產(chǎn)線的組成中，設(shè)計(jì)出新型智能制造生產(chǎn)線的總體構(gòu)建方案，以期提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。國內(nèi)制造企業(yè)必須緊隨制造生產(chǎn)的發(fā)展浪潮，大力推動(dòng)制造業(yè)智能化改革，通過積極建設(shè)智能生產(chǎn)線，提升產(chǎn)業(yè)智能化水平。

（二）國外研究現(xiàn)狀

在科技迅速發(fā)展的時(shí)代背景下，全球制造業(yè)向智能化生產(chǎn)制造的方向發(fā)展進(jìn)步已是必然趨勢，各國制造業(yè)都以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化和智能自動(dòng)化作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略目標(biāo)。當(dāng)前，國外制造業(yè)領(lǐng)域智能化技術(shù)的使用較為普遍，生產(chǎn)制造的復(fù)雜智能化程度較高，智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與投產(chǎn)已趨于成熟，可以有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)化和智能化，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和精度，滿足高效、智能的產(chǎn)品供應(yīng)。

（三）研究主要內(nèi)容和方法

本文主要研究以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線的構(gòu)建方法，分析建設(shè)智能生產(chǎn)線的目的與意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容與方法等，深入探討人機(jī)工程學(xué)的研究方法，分析數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人、機(jī)械手臂的應(yīng)用，智能機(jī)器人、智能設(shè)備在生產(chǎn)與檢測中的精度分析以及智能設(shè)備效率提升的技術(shù)要點(diǎn)，從而提高產(chǎn)品制造的智能化水平。

探究以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線構(gòu)建，主要采用文獻(xiàn)調(diào)查法、概念分析法、比較研究法等方法進(jìn)行研究，有助于掌握詳實(shí)、豐富的資料，為研究智能生產(chǎn)線的建設(shè)提供有效幫助。

二、人機(jī)（機(jī)器人及智能生產(chǎn)設(shè)備）工程學(xué)研究方法

人機(jī)工程學(xué)的研究方法包括分析數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人、機(jī)械手臂的應(yīng)用，分析智能機(jī)器人、智能設(shè)備在生產(chǎn)與檢測中的精度，提煉智能設(shè)備效率提升的技術(shù)要點(diǎn)，探究串聯(lián)智能機(jī)器人和智能設(shè)備的方法，研究以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線建設(shè)方法，進(jìn)而提高產(chǎn)品制造的智能化水平，提高生產(chǎn)效率。

（一）數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人、機(jī)械手臂的應(yīng)用

1.數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人的應(yīng)用

數(shù)控設(shè)備是指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，即采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制技術(shù)的設(shè)備。數(shù)控設(shè)備最初在機(jī)械行業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用，一般稱為數(shù)控機(jī)床。隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)備的控制。

現(xiàn)階段數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：第一，金屬切削加工方面應(yīng)用在車、銑、鉸、鉆、刨、磨等各種切削工藝的機(jī)床上，包括普通型數(shù)控機(jī)床、加工中心、數(shù)控專用加工機(jī)床等。第二，金屬成型方面應(yīng)用在擠、沖、壓、拉等成型工藝的機(jī)床，包括數(shù)控沖剪機(jī)、數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控旋壓機(jī)等。第三，特種加工方面常用的有數(shù)控電火花切割機(jī)、數(shù)控電火花成型機(jī)、數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控激光加工機(jī)等。第四，測量繪圖方面應(yīng)用有三坐標(biāo)測量機(jī)、數(shù)控專用測量機(jī)、數(shù)控對刀儀、數(shù)控繪圖儀等。

智能機(jī)器人可以處理大量的信息，完成各種環(huán)境苛刻或復(fù)雜精細(xì)的任務(wù)，因此在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。第一，將智能機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備，能有效提高生產(chǎn)制造的效率，減少人力、物力的消耗，提高產(chǎn)品制造的質(zhì)量，及時(shí)處理有效信息，高效完成復(fù)雜繁瑣的工作。第二，智能機(jī)器人與數(shù)控設(shè)備共同應(yīng)用于機(jī)器零部件加工工業(yè)中，進(jìn)行各種零部件的精細(xì)加工，實(shí)現(xiàn)零件加工精度細(xì)化到微米，滿足精密加工的質(zhì)量需求。第三，智能機(jī)器人與數(shù)控設(shè)備還可以應(yīng)用于特殊零件的制造，實(shí)現(xiàn)特殊零件的精細(xì)化制造，完成復(fù)雜特殊零件生產(chǎn)工藝的復(fù)制，確保特殊零件的制造質(zhì)量和精細(xì)程度，同時(shí)降低特殊零件的制造難度，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2.數(shù)控設(shè)備與機(jī)械手臂的應(yīng)用

機(jī)械手臂是機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造領(lǐng)域應(yīng)用普遍。機(jī)械手臂有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，懸式、直立式、橫立式、龍門式，又根據(jù)軸關(guān)節(jié)的多少命名幾軸機(jī)械手臂，同時(shí)軸關(guān)節(jié)越多自由度越高，作業(yè)范圍角度越大。機(jī)械手臂控制系統(tǒng)是機(jī)械手臂的重要組成部分，是確保機(jī)械手臂完成動(dòng)作要求的主要手段，可以控制機(jī)械手臂的工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、動(dòng)作時(shí)間和速度等。機(jī)械手臂主要應(yīng)用于機(jī)械加工及自動(dòng)上下料、自動(dòng)打磨拋光、包裝物流及搬運(yùn)、汽車零部件的組裝、無人化工廠等領(lǐng)域，機(jī)械手臂的廣泛應(yīng)用有助于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（二）智能機(jī)器人或設(shè)備在生產(chǎn)、加工、檢測中的精度是效率提升的技術(shù)要點(diǎn)

1.智能機(jī)器人、智能設(shè)備在生產(chǎn)與檢測中的精度分析

通過智能機(jī)器人的信息傳感技術(shù)，搭建高效的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，輔助產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工與檢測，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和制造精度，精準(zhǔn)控制生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，及時(shí)加工處理生產(chǎn)信息，精準(zhǔn)預(yù)測故障，高效處理生產(chǎn)故障，進(jìn)而促進(jìn)智能生產(chǎn)線的形成，全面提高智能生產(chǎn)線的智能化水平。

采用智能化設(shè)備，按照生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程，預(yù)先設(shè)置工藝環(huán)節(jié)和參數(shù)，及時(shí)檢測產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的故障并發(fā)出預(yù)警信號，有效避免經(jīng)濟(jì)損失，提升產(chǎn)品的智能化水平?？梢?，將智能機(jī)器人和智能設(shè)備應(yīng)用于生產(chǎn)、加工與檢測中，有助于提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和精度，提升產(chǎn)品制造的質(zhì)量和水平。

2.智能設(shè)備效率提升的技術(shù)要點(diǎn)

在智能生產(chǎn)過程中，需要提升智能設(shè)備的生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)質(zhì)量。智能設(shè)備效率提升的技術(shù)要點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

提升設(shè)備的使用性。第一，減少設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)等待時(shí)間。制定詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃，減少生產(chǎn)與加工時(shí)停機(jī)等待的時(shí)間。第二，減少設(shè)備故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)。加強(qiáng)對智能設(shè)備的清潔、保養(yǎng)、管理與維護(hù)，制定嚴(yán)格的設(shè)備檢查標(biāo)準(zhǔn)，減少故障的發(fā)生。

減少使用時(shí)間。第一，減少夾具準(zhǔn)備時(shí)間。安裝通用性強(qiáng)的底座，設(shè)置統(tǒng)一的加工零點(diǎn)，確保夾具可以自由切換。第二，減少刀具準(zhǔn)備時(shí)間。優(yōu)化刀具的選用，按照刀具的用途和種類細(xì)分刀具。第三，減少程序準(zhǔn)備時(shí)間。全面檢查機(jī)器零件，按照流程將程序傳輸至智能設(shè)備。第四，減少計(jì)量等待時(shí)間。預(yù)先制定數(shù)字化檢測流程，有助于自動(dòng)檢測加工零件，快速輸出檢測結(jié)果。第五，減少三檢的等待時(shí)間。制定電子三檢單，對機(jī)器零件的各種尺寸進(jìn)行校驗(yàn)、自檢和專職檢測，保障零件尺寸應(yīng)檢盡檢。

減少切削加工時(shí)間。第一，合理選取切削參數(shù)，提高切削參數(shù)與刀具的匹配度。第二，利用多種加工方式切換刀具，進(jìn)而減少空走刀現(xiàn)象。第三，減少加工程序中的間斷點(diǎn)。

（三）串聯(lián)人機(jī)（機(jī)器人與智能設(shè)備），以組件為智能生產(chǎn)線

智能生產(chǎn)線包括機(jī)器人、智能設(shè)備、產(chǎn)品檢測設(shè)備、數(shù)據(jù)信息采集管控設(shè)備等制造設(shè)備，也包括智能控制技術(shù)平臺、高效加工技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID（射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽）數(shù)字信息技術(shù)等的綜合運(yùn)用。智能生產(chǎn)線展示了數(shù)字化設(shè)備互聯(lián)互通、人機(jī)協(xié)同、加工柔性化、加工過程可追溯以及MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）等智能決策管理系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，能直觀、具體的反映生產(chǎn)過程中各個(gè)流程的執(zhí)行情況，進(jìn)一步提高產(chǎn)品制造的智能化水平。

1.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信

目前，大部分智能生產(chǎn)線主要通過智能設(shè)備、智能機(jī)器人、三坐標(biāo)測量儀等設(shè)備與SCADA系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行組網(wǎng)，以此構(gòu)建智能生產(chǎn)線的通信網(wǎng)絡(luò)。

SCADA系統(tǒng)的工作原理是利用TCP/IP通信協(xié)議，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將智能設(shè)備、機(jī)器人、三坐標(biāo)測量儀等整合連接，并在SCADA系統(tǒng)上開發(fā)集成各設(shè)備系統(tǒng)的通信模塊，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備信息數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測以及控制指令的分配。SCADA系統(tǒng)將生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行信息上傳至數(shù)據(jù)庫，由MES等工業(yè)軟件通過數(shù)據(jù)庫與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的相互傳遞，MES再將加工任務(wù)指令通過SCADA系統(tǒng)派發(fā)到生產(chǎn)線的具體設(shè)備。通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，串聯(lián)機(jī)器人與智能設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化管理與生產(chǎn)加工。

2.MES系統(tǒng)

以MES為代表的信息化是智能生產(chǎn)線建設(shè)的主要部分。智能生產(chǎn)線通過MES將生產(chǎn)線上的智能設(shè)備、智能機(jī)器人、傳感器、傳輸線等有機(jī)結(jié)合到一起，有效串聯(lián)機(jī)器人與智能設(shè)備。同時(shí)，通過引入可編程邏輯控制器（PLC），控制設(shè)備完成由MES下達(dá)的產(chǎn)線運(yùn)行指令，并將設(shè)備的工作狀態(tài)及運(yùn)行結(jié)果及時(shí)反饋到MES中，系統(tǒng)再通過獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)制造生產(chǎn)的信息化、自動(dòng)化和智能化。MES在整個(gè)生產(chǎn)線中發(fā)揮著決策指揮的作用，負(fù)責(zé)制訂生產(chǎn)計(jì)劃、制造過程管理、生產(chǎn)調(diào)度、排產(chǎn)及物料管理等。

三、結(jié)語

綜上所述，大力建設(shè)智能生產(chǎn)線有助于提升產(chǎn)品制造的信息化、智能化水平，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。數(shù)控設(shè)備與機(jī)器人、機(jī)械手臂可以廣泛應(yīng)用于智能生產(chǎn)線的建設(shè)中，有效提高生產(chǎn)效率和制造精度，提升產(chǎn)品質(zhì)量和制造水平，智能設(shè)備效率提升的技術(shù)要點(diǎn)包括提升設(shè)備的使用性、減少使用時(shí)間和減少切削加工時(shí)間。

建設(shè)智能生產(chǎn)線可以利用網(wǎng)絡(luò)通信和MES系統(tǒng)，串聯(lián)智能機(jī)器人與智能設(shè)備，構(gòu)建以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化管理與生產(chǎn)加工，提高產(chǎn)品制造的智能化水平，提高生產(chǎn)效率，加強(qiáng)生產(chǎn)制造業(yè)自動(dòng)化、信息化、智能化改革程度成果，為以智能機(jī)器人和智能設(shè)備為主體的智能生產(chǎn)線的建設(shè)提供借鑒，持續(xù)推動(dòng)智能制造業(yè)向著更高質(zhì)、高效的方向邁進(jìn)。

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