智能制造技術在工業自動化中的應用研究

夏端武，薛小鳳

（宿遷開放大學，江蘇 宿遷 223800）

1 引言

二十一世紀是信息時代，在社會的不斷發展下出現了信息技術、自動化技術、智能技術等。這些技術形式的出現和發展深刻影響了人們的生活，促進了社會發展。智能化制造技術是高新技術在工業生產領域的重要體現，通過該技術的應用有效提高了工業制造生產效率，降低了工業生產勞動強度，提高了工業產品的質量。智能化制造技術的出現和發展為我國工業制造業發展指明了新的發展方向。在經濟全球化的深入發展下，工業智能制造技術得到了越來越多人的關注，對實現我國工業產業轉型升級起到了重要的推動作用。隨著智能制造技術的深入發展，其必然實現低能耗、多功能、自動化發展。結合智能制造技術內涵和構造，具體分析其在工業制造領域的重要作用。

2 傳統工業制造模式的發展缺陷

（1）生產質量低下。我國工業發展主要包括重工業和輕工業。其中，重工業主要是指采掘業、原材料加工業；輕工業主要是指化工行業。不管是哪種工業形式，傳統工業的發展過度依賴人工操作，無法保證工業制造產品的質量。（2）生產時間長。傳統工業制造的發展缺乏先進工藝流程，是由制造人員依據個人的經驗手動完成制造生產的，產品的生產周期較長。（3）生產效益少。傳統工業生產產品的質量不符合相應的標準，生產出來的產品無法到市場進行銷售，很容易導致企業出現貨物囤積的現象。另外，不符合相應質量標準的產品，還會因為質量補償問題為企業的經營發展帶來阻礙性影響。（4）生產設備缺乏。結合我國工業發展歷程可以發現，我國早期生產出來的工業產品大多依賴手工操作，而出現這種現象的本質原因是我國國內生產技術落后。在手工生產影響下，工業自動化發展水平不理想。

3 智能制造概述

3.1 內涵

智能制造技術是一種制造技術，主要是運用知識處理理論、技術問題等開展的技術。包括實際工作經驗、工業理論知識，如工業數字模型知識等。技術則重要在于運用現代計算機進行集成、管理等，以此實現制造目的。智能制造技術運用同代替原有人工生產制造中的各項不明確原因，減少不必要的工業制造勞動力，提高工業自動化發展效率。智能制造是提升企業核心競爭力，應對科技變革的新支撐。智能制造的核心在于整體制造能力的提升。企業在發展的過程中需要實現精益化制造發展，將數字化發展項目列為國家智能制造專項，在企業各個部門發展過程中應用數字化制造新技術，從而提高企業的生產效率和市場適應力。在互聯網技術的深入發展下，智能制造得到了更多的技術力量支持，為了深化智能制造的發展，企業需要進一步借助新引進高級人才的力量，改進系統和流程，將精益工作進一步延伸至制造技術、研發和供應鏈關鍵環節，以達到2020年實現智能制造的目標。

3.2 特點

第一，獨立性。智能制造的發展不依賴傳統的人工制造，在面臨各種復雜的環境和問題的時候往往能夠獨立完成各種加工任務，且完成工作任務的效率要比手工操作的效率高，其彌補了傳統人工操作無法完成的人物。第二，應用智能制造系統對產品的生產加工開展定量、定性分析，同時把綜合分析數據停止交給計算機，借用此先進的科技系統來整合各種信息，為產品的制造決策提供有力支持來提升產品制造決策的自動水平。第三，智能制造有著透明、繼承、開放性等等特點。智能制造系統所工放性特點，可對知識為信息修改和更新提供重要的支持，為用戶對系統的應用操作提供便利支持。智能制造系統的繼承生可提升研發人員對智能制造系統軟件一發率。智能系統集成性能夠提高對一些復雜問題的解決處理效率。

4 智能制造系統建模與仿真

4.1 體系結構

智能制造系統結構構造，如圖1所示。現階段，智能制造系統結構分為以下幾種類型：第一，以提高制造系統智能化發展為目標，綜合應用機器人、智能體、全能體為手段的智能制造系統。第二，應用互聯網對企業進行建模，建設融合加工、測量、機器人操作為一體的智能制造系統。第三，具有生物特點，應用生物學知識來解決實際問題的生物型制造系統。

圖1 智能制造系統結構構造Fig.1 Structure of Intelligent Manufacturing System

4.2 智能制造系統建模方法和仿真

4.2.1 智能制造系統的建模方法

結合不同的工業化發展需求，從不同角度對智能制造系統進行描述，形成具有特色的智能制造系統建模方法。這種具有特色的建模在結構分化的基礎上應用圖形符號來描述各種功能，活動類型包括定義、輸出、輸入、約束和控制、機制，功能之間的關系，如圖2所示。

圖2 功能之間的關系Fig.2 Relationships Between Functions

4.2.2 分布網絡化IMS系統模型

在智能制造系統多種結構類型中應用最多的是基于Multiagent分布式網絡IMS模型。Multiagent會賦予各個制造單元的自主權，使其功能和發展更加完善、獨立。另外，通過Multiagent和Agent之間的溝通合作能夠賦予系統自身更多的組織能力。基于Multiagent分布式網絡IMS模型是智能制造理論和技術研究方面取得成果的重要體現，網絡系統的基本思路是結合智能制造系統的特征，結合分布式集成基本思想，應用分布式人工智能Multiagent系統思想，實現柔性智能化集成。分布式網絡化IMS的基本模型具體，如圖3所示。

圖3 分布式網絡化 IMS的基本模型Fig.3 Basic Model of Distributed Networked IMS

4.2.3 基于Petri網的加工中心系統建模與仿真

Petri網建模，這在多領域中均得到一定運用，并隨著社會進步不斷發展。現階段Petri網制造系統由多種硬件設備組成，包括機器人、數控機床、一般機床、智能小車等。在確定好設備之后按照相應的工藝操作流程由專門的人員來對產品加工進行管控。基于Petri網的智能制造系統建模和仿真操作是一種操作性強的實踐。

①Petri網的基本定義和運行操作

一個Petri網記為PN，它是一個五元組：PN=（P，T；I，O，M），滿足：P∪T≠φ，2）P∩T≠φ，式中：P—庫所的集合；T—變遷的集合；I：T→P—輸入函數，為變遷到庫所多重集的映射；O：T→P—輸出函數，為庫所到變遷多重集的映射；M：P→N（非負整數集）是PN的標識。

②Petri網加工中心系統的建模

第一，生產過程。XX車間共有加工中心機床三臺，分別是J1、J2、J3。在對某種產品進行加工的時候會安排兩名操作工人，人別是R1和R2．R1操作控制中心機床J1、J2，另一名工作人員則是控制J3。結合相關工藝流程，工件需要兩個階段的加工操作會完成相應的工序。加工車間的平面布局安排具體，如圖4所示。第二，系統建模。加工中心系統的Petri網模型具體，如圖5所示。

圖4 加工車間的平面布局Fig.4 Plane Layout of the Processing Workshop

圖5 加工中心系統的 Petri網模型Fig.5 Petrinet Model of Machining Center System

③Petri網加工中心系統的仿真

離散事件系統的仿真策略及仿真語言類型如表一所示。Petri網加工中心系統仿真軟件是ARENA7.0版，具有界面友好、可視化程度高等方面的特點，能夠應用計算機高級語言進行編程。對這類時間系統進行仿真操作的時候，需要應用軟件的CREATE模塊隨機產生一個工件，相應的工作人員和加工機床結合進行工作，經過加工之后得到半成品。工作的第二個階段是對半成品進行加工。在加工的工件可達到中心服從的指數分布，工件在機床加工中，服從分布是平均的，此系統的運作沒有將零件的管理、運輸、檢測和加工進行靈活處理。離散事件系統的仿真結果具體如表二所示。在應用Petri網技術，對加工中心系統開展建模操作后，運用ARENA7.0語言開展仿真式的處理。通過對結果分析可看出，對某種產品加工、系統配置合理、科學，最大限度發揮加工系統工藝的能力，但是在具體操作中沒有考慮技術運用的復雜性，例如搬運小車運輸、機械手臂的裝卸工作等等。

表1 離散事件系統的仿真策略及仿真語言類型Tab.1 Simulation Strategy and Simulation Language Type of Discrete Event System

表2 離散事件系統的仿真結果Tab.2 Simulation Results of Discrete Event Systems

4.2.4 智能制造系統中CAD/CAPP/CAM集成

智能制造的實現需要應用CAD技術開發新產品，并在CAPP軟件和CAM集成平臺上進行產品設計。CAD/CAPP/CAM集成系統流程，如圖6所示。隨著計算機技術的發展，工業生產設計在應用CAD進行圖形設計的同時還能夠應用CAPP軟件進行加工工藝設計。工序尺寸及公差的確定是一個復雜的環節，利用LU計算方法及CAPP的理論能夠簡化程序操作，為智能制造系統自動化發展提供支持。CAPP中工藝尺寸鏈的算法公式如（1）所示，工序加工余量的確定按照式（2）～式（4）計算。各加工余量的公差Tzi又要以加工余量為封閉環建立尺寸鏈確定。

圖6 CAD/CAPP/CAM集成系統流程Fig.6 CAD/CAPP/CAM Integration System Process

5 智能制造技術在工業領域的應用

在改革開放的深入發展下，國家對工業經濟發展提出了更高的要求。在國家政策的的倡導下各個地區開展了工業技術創新活動。經過多年的發展，我國工業制造生產已經能夠綜合掌握一體化、自動化、智能化的基礎，在先進技術的支撐下更好的促進了工業經濟的發展。智能制造技術在工業領域的應用主要體現在要以下幾方面：第一，人機操作。智能制造技術能夠實現人及操作。制造企業在生產高精確度、高質量、高要求產品的識貨，可以應用智能化操控技術來提高工業生產自動化水平。比如在工業制造對金屬產品要求嚴格下，單一的安排人工制造是無法達到產品精確化生產的。為此，企業可以應用計算機系統和數控設備來建立相應的聯系，應用計算機系統完成變成操作，通過機械自動化生產來提高產品的精確度。另外，應用智能操作還能解決實際生產操作中無法解決的問題。典型的應用有智能機器人。智能機器人在我國現階段的最新應用是機械加工，比如對于上海某企業曾經發生的粉塵爆炸事件，可以應用機器人來替代人工打磨操作，進而提升打磨操作的工作效率和工作精確度，提高人工打磨操作效率。第二，自動設計。智能機器有著極為良好判斷力、推理等，制造工業需要運用適用機器接收、處理對應的數字信號、程序代碼開展產品設計。具體實操，產品研發人員只用把產品參數信息輸入到相應的智能機器中就能完成產品的智能化設計。比如現階段一些企業運用CAD、UG等有著自動設計軟件，以及智能控制系統連接的情況下就能進一步提升產品設計模型的精確度。第三，虛擬化生產。在以計算機技術為基本依托的情況下出現了虛擬技術。虛擬技術以計算機技術為基本操控核心，通過數據預測、智能推理等方式，可對工業產品生產操作流程進行模擬，從而改進現有的產品制造生產工藝。常見的虛擬化生產技術有基于無線射頻識別智能工廠技術。這種技術是一種可讀可寫的技術形式，具有識別、定位、感知、聯網操作等職能。該技術給人們廣泛應用在社會生產的各個方面，比如車間、物流等。該技術應用到制造企業能夠進一步提升產品的形象，提高產品在全過程的生產服務和質量水平。第四，工業機器人。《政府工作報告》提出需要深入開展中國制造，并且將智能制造作主要發展方向，加快發展自主品牌工業機器人。首先，需要明確自主品牌工業機器人產業發展思路、重點、目標，并結合實際采取相應的對策。并且將原有工業機器核心技術改變，凝聚力量發展工業的核心技術，加大對關鍵器件研發。借用產學的平臺，加上市場的創新資源讓關鍵技術可以列好開發。將最新技術和機械人的開發深度結合，以中國制造2025為基礎，結合行業的優勢引領行業生產制造發展。

6 智能制造技術應用推廣過程中關鍵問題的解決

雖然智能制造技術的應用范圍擴大，對很多領域的發展都起到了不同程度的作用。但是現階段，智能制造技術在工業自動化領域的應用還存在一些局限，在之后的應用中需要相關人員能夠做出更深入的分析和研究。智能制造技術應用推廣過程中，關鍵問題表現如下：（1）智能制造系統感知問題。主要是由傳感器集成技術實現。但是現階段大多數的數控機床控制中心操作是由單一傳感器，對加工的工程開展監測，傳感器測定數據的方式單一，未能準確反映產品生產的全過程。所以未來，其關鍵是怎樣更好的發揮出傳感器繼承技術在各種復雜條件下數據信息的準確。（2）決策問題。系統的決策受傳感器集成模塊和決策模型結構以及算法的影響。未來制造系統傳感器數據的模板信息的準確性怎樣得到保證是智能制造系統決策亟待解決的問題。（3）智能的制造系統的控制問題。智能制造系統控制受到傳感器的控制及技術影響，要實現對于決策模型、執行元件實時控制。因而，在未來，智能制造系統怎樣提升自身的反應速度和模塊實時性控制是有關人員需要著重思考的問題。第四，智能制造系統自我維護、學習問題。通知制造系統對于知識的獲得、運用能力等，是智能制造系統、其他系統可以區別的。在未來要進一步提升智能制造系統的知識獲取和分析能力。

7 結束語

綜上所述，智能制造技術在社會科學技術發展和市場需求的基礎上發展形成，受社會主義市場經濟需求的變化，智能制造技術生產規模逐漸朝著批量化、柔性的方向發展。另外，在信息技術的帶動下，我國制造業發展也開始朝著集成化的方向發展，制造業的資源配置朝著知識密集的方向發展。在種種變化下，制造技術的實現已經不再是簡單的制造工藝和產品設計，而是從簡單的產品概念體系轉變為產品集成活動系統，制造系統的應用和操作變得更加有序、自動。智能制造技術的這種深化發展為工業工業自動化發展提供了重要的支持，是智能制造技術未來重要發展方向，為相關技術的研究人員提供了重要參考信息的支持。

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