設備智能制造的技術現狀及發展趨勢分析

朱海洋

（中天新興材料有限公司，南通 226010）

制造業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產品，以滿足人們的生產及生活需要。當前我國制造業發展較快，但是也必須看到制造業面臨的挑戰，需要在自主創新方面下功夫，實現智能制造。國家高度重視在智能制造方面的投入和監督，不斷加強新技術在智能制造中的應用，促使制造業實現轉型升級獲得進一步的發展。本文詳細分析設備智能制造的技術現狀及發展趨勢。

1 設備智能制造

1.1 設備智能制造概述

制造業在很大程度上體現了國家的整體生產技術水平，也是衡量一個國家是否發達的標志。發達國家的制造業整體生產技術水平相對較高，和發展中國家相比具有較為明顯的優勢。一個國家中，制造業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，其中制造業中也采用了很多智能化技術。智能制造系統主要可以分為生產制造執行系統和控制系統兩部分[1]。其中：生產制造執行系統主要是根據控制系統所下發的指令來驅動生產制造執行系統中的執行機構完成相應的制造功能；控制系統中采用的算法，對整個生產制造系統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的運行。智能制造各子系統的關聯圖如圖1 所示。

圖1 中，控制系統中的數據來源主要依靠傳感器設備，并將模擬量數據轉換為數字量信息，以便被控制系統采用。控制系統應能對各類數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，同時數據信息能夠通過控制系統中的存儲模塊存儲。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的基本運行原理等。可以在實際生產中構建相應的數學模塊，更好地指導實際的生產過程。

2 設備智能制造的技術現狀分析

2.1 智能制造設備的應用現狀

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。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。

數字化是推動智能制造的基礎，與創新密切相關。提高效率包括生產線設計和規劃效率、重構效率等，而軟件控制系統應能更快響應機器運行狀態的變化。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信息等。借助軟件仿真系統，在實際應用中具備多種不同的優點。一方面，可以進行虛擬調試，更好地優化模型中的控制參數，以達到降低生產制造成本的目的。在許多機器的開發中，這種驗證過程成本較高。數字模擬可以節省成本，還可以縮短研發周期。另一方面，自動代碼生成。通過調用軟件中的接口程序，可以實現代碼信息的自動生成，以節省編寫程序花費的時間。基于模型的系統工程技術，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展[3]。但是，電子設備中所需要承載的數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，其中擴散區形成與溝槽的表面相接觸且對應襯底的柵電極，結區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。擴散區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

現有的制造設備并沒有完全普及，不僅導致企業的效率低下，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。控制器發出信號，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 設備智能制造的發展趨勢分析

3.1 工業大數據技術在設備智能制造中的應用

利用工業大數據技術可以構建設備智能制造管理系統。基于大數據的智能制造管理系統包括機床終端、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、差量分析模塊和數據庫[5]。其中：注冊解析模塊根據對象標識符對對象元數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境，并根據對象元數據在仿真環境中進行生產仿真，以獲得生產仿真數據；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范值進行比較。這種智能制造管理系統通過連接不同機床終端和機床用戶端，實現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信息進行統一建模分析及控制，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。可供選擇的控制模式主要包括開環和閉環兩種類型。在開環控制系統中，生產過程中的輸出量信息和輸入量信息之間沒有數據傳輸通道，難以將輸出量數據傳遞到輸入端。控制效果和閉環控制系統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。開環控制系統在結構組成上可以分為控制系統和執行機構兩個部分，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，則應該采用閉環控制系統，將輸出端的數據信息反饋到輸入端，相互疊加，從而實時動態調整控制系統的運行狀態，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，以響應生產變化。為了更快地構建機械制造模型，此時軟件將發揮越來越重要的作用，即可以利用軟件控制系統提高機器和生產線效率。此外，人才是推動智能制造發展的戰略保障。智能制造的實現不僅需要研究型人才，還需要數字時代進行實際機械設計和具體操作的技術人員，這需要機電行業和學術界密切 合作。

3.3 工業機器人設備的智能制造

機器人是機械設備智能化發展的重要代表。機器人系統一般包括多個關節，能夠在多個不同自由度下工作，同時能夠接受控制系統的指令完成某一項具體的功能。現有的工業機器人在制造過程中大多需要進行噴漆處理，而現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。該設備通過系統性的工作流程，可以智能一體性地對工業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，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設計，提高制造效率，對于提高設備生產制造企業的經濟效益具有重要作用。未來智能制造可以在數據應用及挖掘、機器學習等方面開展研究，從而更好地實現設備智能制造。