機(jī)器人與自動化技術(shù)在工藝智能化升級中的優(yōu)化策略研究

鄭永杰，劉旭東，周 桐，滕紹東，季 奇

（1.中國機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044；2.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，機(jī)器人、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)制造環(huán)節(jié)的精確控制與調(diào)節(jié)，部分重復(fù)性高、危險系數(shù)高人員被替代，在一定程度上提高產(chǎn)品質(zhì)量與一致性，助力企業(yè)實現(xiàn)降本增效[1]。需要進(jìn)一步指出的是，在信息時代背景下，市場對于產(chǎn)品個性化和定制化的要求越來越高，而傳統(tǒng)產(chǎn)線缺乏靈活性，很難適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需求，工藝智能化升級仍面臨挑戰(zhàn)。同時，制造業(yè)面臨著勞動力成本上行壓力。通過引入更先進(jìn)、更智能的機(jī)器人和自動化系統(tǒng)，提高生產(chǎn)線的高度智能化與自適應(yīng)性，生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和一致性，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量，能夠充分增強(qiáng)企業(yè)在市場上的競爭力。有鑒于此，進(jìn)一步優(yōu)化工藝智能化技術(shù)，提高其應(yīng)用水平和智能化程度，已經(jīng)成為制造企業(yè)迫切需要考慮的問題。

本文旨在對機(jī)器人與自動化技術(shù)在工藝智能化升級中的優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究。通過對現(xiàn)有工藝智能化水平與應(yīng)用現(xiàn)狀的深入探究，探討如何進(jìn)一步優(yōu)化工藝智能化技術(shù)，提高其適用性和智能化水平。

1 機(jī)器人與自動化技術(shù)在工藝智能化升級中的應(yīng)用

1.1 機(jī)器人與自動化技術(shù)在工藝智能化升級中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中，通過程序控制完成各類任務(wù)的自動化設(shè)備。起初，工業(yè)機(jī)器人主要用于完成簡單重復(fù)性工作，如焊接、搬運(yùn)、噴涂等。隨著科技進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人逐漸融合視覺感知、力觸覺反饋、氣體檢測等功能，能夠更加靈活地適應(yīng)復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境[2]（如圖1所示）。目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括汽車制造、電子電器、食品包裝、醫(yī)藥等。在汽車制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人扮演著重要角色，實現(xiàn)車身焊接、涂裝、裝配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動化生產(chǎn)，大大提高汽車制造的效率和質(zhì)量。在電子電器產(chǎn)業(yè)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于電子組裝、手機(jī)生產(chǎn)等工序，保證高精度和高穩(wěn)定性的生產(chǎn)過程。

圖1 應(yīng)用領(lǐng)域圖

1.2 自動化技術(shù)在工藝智能化中的角色與地位

自動化技術(shù)是工藝智能化的基礎(chǔ)和核心。通過傳感器、控制系統(tǒng)以及新一代信息技術(shù)等技術(shù)手段，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制與監(jiān)測[3-6]。自動化技術(shù)在工藝智能化中扮演著至關(guān)重要的角色，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是精確控制與調(diào)節(jié)。自動化系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)，如溫度、壓力、速度等，并根據(jù)預(yù)設(shè)條件進(jìn)行精確的控制與調(diào)節(jié)，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和一致性；二是數(shù)據(jù)采集與分析。自動化系統(tǒng)通過傳感器等設(shè)備，實時采集大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理，幫助企業(yè)更好地解決生產(chǎn)過程中的問題與瓶頸，從而優(yōu)化生產(chǎn)和管理流程；三是協(xié)作與協(xié)調(diào)。在智能制造中，不同的機(jī)器人和自動化設(shè)備需要實現(xiàn)協(xié)同工作，完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)。自動化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這些設(shè)備之間的信息共享和通信，從而實現(xiàn)更高效、更智能的生產(chǎn)流程；四是可編程與靈活性。自動化系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可編程性，可以根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行靈活調(diào)整，這使得工藝智能化升級后的生產(chǎn)線能夠適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需求，提高生產(chǎn)的靈活性和適應(yīng)性。

2 機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合與協(xié)同創(chuàng)新

2.1 機(jī)器人與自動化技術(shù)融合的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合成為智能制造的重要方向。機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合可以帶來許多優(yōu)勢，但也面臨諸多挑戰(zhàn)[7-12]。

2.1.1 優(yōu)勢

1）提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)通常受制于工人的主觀能動性，而機(jī)器人在生產(chǎn)過程中不會出現(xiàn)情感化操作，能夠持續(xù)高速運(yùn)行。同時，機(jī)器人具有高精度的運(yùn)動控制能力，可以實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)，從而縮短生產(chǎn)周期。機(jī)器人的高速度、高精度和無疲勞特性與自動化技術(shù)的精準(zhǔn)控制相融合，使得生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定和高效，生產(chǎn)效率顯著提高。

2）優(yōu)化資源利用。融合后的機(jī)器人與自動化系統(tǒng)能夠更好地優(yōu)化資源的利用，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線往往存在著許多冗余無效操作和資源浪費，而機(jī)器人可以通過高度智能化的控制和自動化的調(diào)度，精確地控制資源的使用，提高資源利用率，機(jī)器人使用可以使企業(yè)在一定程度上減少燃料動力的消耗。

3）實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。通過機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合，生產(chǎn)線可以根據(jù)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，快速地進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)整，實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)。這種柔性生產(chǎn)模式可以更好地滿足市場對個性化和定制化產(chǎn)品的需求，提高企業(yè)的市場競爭力。同時，在面對市場需求的快速變化時，柔性生產(chǎn)也能夠更加靈活地適應(yīng)，使企業(yè)更具有應(yīng)變能力。

4）提高產(chǎn)品質(zhì)量。融合后的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的控制和監(jiān)測，從而優(yōu)化產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量，降低次品率。機(jī)器人的高精度和穩(wěn)定性使得其在生產(chǎn)過程中可以精確控制各個環(huán)節(jié)，避免人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。同時，自動化技術(shù)可以實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)，如溫度、壓力、速度等，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和一致性[13-14]。

2.1.2 挑戰(zhàn)

1）技術(shù)融合存在一定難度。機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合是一項復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。機(jī)器人技術(shù)涉及到機(jī)械、電氣、計算機(jī)等多個領(lǐng)域，而自動化技術(shù)包含傳感器、控制器、軟件等多方面的知識（如圖2所示），不同技術(shù)之間存在兼容性問題，需要進(jìn)行全面的系統(tǒng)集成與測試，以確保融合后的系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行。

圖2 主要功能清單系統(tǒng)占比

2）系統(tǒng)復(fù)雜性較強(qiáng)。融合后的機(jī)器人與自動化系統(tǒng)涉及到多個智能設(shè)備的協(xié)同工作，這使得系統(tǒng)復(fù)雜性大大增加。不僅需要確保各個設(shè)備之間的無縫銜接與通信，還需要建立相互之間的協(xié)調(diào)機(jī)制。例如，工業(yè)機(jī)器人可能需要與自動化輸送線、自動化倉儲系統(tǒng)等進(jìn)行協(xié)同工作，完成產(chǎn)品的裝配與搬運(yùn)。因此，系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)需要兼顧各個環(huán)節(jié)的協(xié)同工作，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。同時，系統(tǒng)復(fù)雜性也增加故障排查與維護(hù)的難度，需要有專業(yè)的技術(shù)人才進(jìn)行及時處理[13]。

3）初始投資高。機(jī)器人和自動化技術(shù)的引入需要較高的初始投資，這是融合發(fā)展中的一個不可忽視的問題。特別是對于中小型企業(yè)來說，面臨著資金短缺的挑戰(zhàn)。機(jī)器人本身的成本較高，再加上系統(tǒng)集成與軟硬件的投入，使得初始投資較大。然而，企業(yè)需要認(rèn)識到這是一種長期投資，通過融合發(fā)展可以顯著提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源利用、降低生產(chǎn)成本，從而獲得長期的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 機(jī)器人與自動化技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新典型領(lǐng)域

機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合與協(xié)同創(chuàng)新在實際應(yīng)用中較為成功的應(yīng)用案例主要有：

1）汽車制造行業(yè)

汽車制造是機(jī)器人與自動化技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一。許多汽車制造企業(yè)采用機(jī)器人與自動化系統(tǒng)完成焊接、涂裝、裝配等工序。這些系統(tǒng)通過視覺感知、傳感器監(jiān)控和智能控制，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動化與智能化，大幅提升汽車制造的效率和質(zhì)量。工藝管理主要包括以下幾個方面：用戶登錄、產(chǎn)品信息維護(hù)、工藝模板編制、工藝路線維護(hù)、工序BOM維護(hù)、作業(yè)指導(dǎo)維護(hù)、工序參數(shù)維護(hù)、產(chǎn)線工藝關(guān)聯(lián)。以上這些功能共同構(gòu)成工藝管理系統(tǒng)的主要功能，它們可以幫助用戶有效地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量（如圖3所示）。

圖3 產(chǎn)品BOM處理流程案例

2）智能倉儲系統(tǒng)

物流領(lǐng)域采用機(jī)器人與自動化技術(shù)實現(xiàn)智能倉儲管理也取得很好的效果。機(jī)器人可以自動搬運(yùn)貨物，根據(jù)倉庫內(nèi)貨物的種類和數(shù)量進(jìn)行智能排布。通過智能化的管理，大大提高倉庫的貨物存儲密度和倉儲效率。

3 機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合與協(xié)同創(chuàng)新實證案例分析

3.1 案例公司選取

為進(jìn)一步探究機(jī)器人與自動化技術(shù)在工藝智能化升級中的應(yīng)用情境，本文選擇汽車制造企業(yè)開展案例分析，深入了解機(jī)器人與自動化技術(shù)在工藝智能化升級中的實際應(yīng)用以及對生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和資源利用影響[14]。

3.2 實施工藝智能化升級的過程與效果分析

3.2.1 案例選擇與背景介紹

本研究選擇知名汽車制造企業(yè)作為案例研究對象，該企業(yè)在工藝智能化升級方面投入大量資源，并引入先進(jìn)的機(jī)器人和自動化技術(shù)（如表1、表2所示）。本文將深入研究該企業(yè)在工藝智能化升級過程中所采取的策略與措施，以及實施后取得的效果。

表1 工藝智能化升級后研究案例工廠系統(tǒng)架構(gòu)

表2 研究案例工廠設(shè)備簡介

3.2.2 工藝智能化升級的實施過程

1）技術(shù)規(guī)劃與選型

該企業(yè)在工藝智能化升級之前，進(jìn)行全面的技術(shù)規(guī)劃和選型工作。根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求和目標(biāo)，確定需要引入的機(jī)器人和自動化設(shè)備的類型和數(shù)量。同時，對相關(guān)的軟硬件技術(shù)進(jìn)行評估和選擇，確保所采用的技術(shù)與設(shè)備能夠相互配合和協(xié)同工作（如圖4、表3和表4所示）。

表3 涂裝生產(chǎn)線采集信息

表4 焊接生產(chǎn)線采集信息

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

2）設(shè)備安裝與調(diào)試

確定技術(shù)方案，進(jìn)行設(shè)備安裝和調(diào)試工作中，需考慮設(shè)備的布局和位置，以確保機(jī)器人能夠在生產(chǎn)線上順利運(yùn)行，并與其他設(shè)備進(jìn)行良好的協(xié)同工作。調(diào)試階段主要包括設(shè)備的聯(lián)動測試和控制系統(tǒng)的優(yōu)化，確保整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，如圖5～圖8所示。

圖5 設(shè)備配置安裝模塊流程圖

圖6 信號配置模塊流程圖

圖7 線程配置模塊流程圖

圖8 上傳配置模塊流程圖

3）人員培訓(xùn)與轉(zhuǎn)型

工藝智能化升級需要企業(yè)內(nèi)部的技術(shù)人員和操作人員具備相應(yīng)的知識和技能，進(jìn)行人員培訓(xùn)和轉(zhuǎn)型計劃，以便更好地維護(hù)和管理設(shè)備。操作人員也接受相應(yīng)的培訓(xùn)，以熟練掌握與機(jī)器人合作的操作技巧。

3.2.3 工藝智能化升級的效果分析

1）提高生產(chǎn)效率

經(jīng)過工藝智能化升級，企業(yè)生產(chǎn)效率顯著提升。機(jī)器人在生產(chǎn)過程中的高速度和高精度使得生產(chǎn)周期大幅縮短，生產(chǎn)效率得到明顯提高。機(jī)器人實現(xiàn)24/7不間斷工作，增加生產(chǎn)線的運(yùn)行時間和產(chǎn)出。

2）優(yōu)化資源利用

工藝智能化升級使得資源利用更加優(yōu)化。機(jī)器人的精確控制和無疲勞特性，資源使用更加精細(xì)化，避免不必要的浪費。通過自動化系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，減少人力資源的浪費，降低生產(chǎn)成本。

3）提高產(chǎn)品質(zhì)量

機(jī)器人在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)高度的精確控制，使得產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量得到提升。機(jī)器人的高穩(wěn)定性和無誤差特性，有效地減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，產(chǎn)品的次品率明顯降低。

4）實現(xiàn)柔性生產(chǎn)

工藝智能化升級后，企業(yè)生產(chǎn)線更加靈活適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)器人能夠根據(jù)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，快速進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)整，實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)，更好地滿足市場需求。

5）人力減少與崗位變化

在工藝智能化升級中引入機(jī)器人和自動化技術(shù)，企業(yè)員工能夠轉(zhuǎn)向更高級任務(wù)，如設(shè)備維護(hù)、技術(shù)支持和生產(chǎn)規(guī)劃等，整體提升企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

4 工藝智能化升級中的優(yōu)化策略

4.1 數(shù)據(jù)采集與傳感技術(shù)的優(yōu)化

在工藝智能化升級中，數(shù)據(jù)采集和傳感技術(shù)是關(guān)鍵一環(huán)。通過有效地采集和處理數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測與控制，從而優(yōu)化生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。第一，傳感器在工業(yè)智能化中起著至關(guān)重要的作用，可以實時獲取生產(chǎn)過程中的各項參數(shù)和指標(biāo)。優(yōu)化傳感器技術(shù)包括提高傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，使其能夠更準(zhǔn)確地感知生產(chǎn)環(huán)境的變化。此外，還可以開發(fā)多功能傳感器，實現(xiàn)多參數(shù)的同時檢測，減少設(shè)備數(shù)量和成本。第二，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括設(shè)計高效的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的實時傳輸和可靠性。同時，利用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，為生產(chǎn)過程優(yōu)化決策提供數(shù)據(jù)支持。第三，對采集到的大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效的處理和分析，提取有用的信息和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的潛在問題和優(yōu)化空間，為制定優(yōu)化策略提供依據(jù)。

4.2 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的優(yōu)化

在工藝智能化升級中，人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的優(yōu)化是實現(xiàn)人機(jī)合作的關(guān)鍵。優(yōu)化人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)可以提高工人的工作效率，減輕工人的勞動負(fù)擔(dān)，并確保機(jī)器人與人類在生產(chǎn)過程中的安全性和穩(wěn)定性。設(shè)計直觀友好的人機(jī)交互界面，使工人能夠輕松地與機(jī)器人進(jìn)行交互和操作。交互界面應(yīng)該簡單易懂，提供清晰的指導(dǎo)和操作步驟，減少人為操作錯誤的可能性。優(yōu)化工人與機(jī)器人之間的協(xié)同工作流程，確保二者在生產(chǎn)過程中的默契配合?？梢酝ㄟ^工作分配、任務(wù)協(xié)調(diào)和信息傳遞的優(yōu)化，實現(xiàn)工人與機(jī)器人的高效協(xié)同工作。優(yōu)化安全措施包括建立安全防護(hù)措施，防止機(jī)器人產(chǎn)生意外運(yùn)動和潛在危險，以及制定相關(guān)的應(yīng)急處理方案。

4.3 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在工藝智能化中的應(yīng)用

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在工藝智能化升級中扮演著重要角色，它們可以提高系統(tǒng)的智能化水平和自主決策能力，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)過程和資源利用效率。利用人工智能技術(shù)，可以構(gòu)建智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動化和智能化控制。智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和操作參數(shù)，使其適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求[14]。同時通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以對生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)測，實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。預(yù)測性維護(hù)可以在設(shè)備出現(xiàn)故障之前預(yù)測和預(yù)防，減少生產(chǎn)線的停機(jī)時間，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。還可以利用人工智能技術(shù)，可以對生產(chǎn)過程進(jìn)行智能優(yōu)化調(diào)度。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，分析生產(chǎn)過程中的各項數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)計劃和調(diào)度方案，實現(xiàn)資源的最優(yōu)分配和生產(chǎn)效率的最大化。并且人工智能技術(shù)可以用于質(zhì)量控制和產(chǎn)品缺陷檢測。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以識別產(chǎn)品生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的缺陷和質(zhì)量問題，并實時調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。最后通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，機(jī)器人可以進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化。在不斷的生產(chǎn)實踐中，機(jī)器人可以根據(jù)反饋數(shù)據(jù)和結(jié)果，自主調(diào)整和改進(jìn)其工作方式，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

5 結(jié)語

工藝智能化升級中，機(jī)器人與自動化技術(shù)的融合為企業(yè)提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源利用、提高產(chǎn)品質(zhì)量和實現(xiàn)柔性生產(chǎn)帶來重要支持[15]。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)采集與傳感技術(shù)、人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)和應(yīng)用人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，智能制造得到推動。挑戰(zhàn)包括技術(shù)融合難度、系統(tǒng)復(fù)雜性、初始投資高和人才需求，需要跨學(xué)科合作、財政支持和人才培養(yǎng)來應(yīng)對。汽車制造業(yè)作為案例表明機(jī)器人應(yīng)用帶來顯著優(yōu)化效果。工藝智能化升級將推動工業(yè)領(lǐng)域革新，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。