智能制造技術(shù)與系統(tǒng)可行性分析構(gòu)架

李小賓

（陜西法士特汽車傳動集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西西安 710075）

0 引言

智能制造系統(tǒng)是由智能化的機(jī)器和人類專家構(gòu)成的智能化系統(tǒng)，其具備了人類的多種思維，能夠通過系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)判斷進(jìn)行獨(dú)自生產(chǎn)，大大提升了工業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。智能制造系統(tǒng)能夠在生產(chǎn)過程中學(xué)習(xí)人的思維模式和技術(shù)方法，并通過計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，形成特定的工作思維，更好地為工業(yè)制造領(lǐng)域服務(wù)。

1 智能制造系統(tǒng)模式

在智能制造發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的制造模式，對工業(yè)文明的發(fā)展發(fā)揮了不可忽視的作用。

1.1 精良制造

日本豐田汽車公司是精良制造的代表，其結(jié)合國內(nèi)發(fā)展特點(diǎn)設(shè)計出這種先進(jìn)的智能制造模式。1980—2000 年是豐田企業(yè)發(fā)展的鼎盛時期，豐田汽車在國際市場上的影響力非常強(qiáng)，使得歐美國家也意識到精良制造的意義。

1985 年美國開始對汽車生產(chǎn)模式進(jìn)行研究，并對精良制造模式進(jìn)行分析并形成了系統(tǒng)化的理論。精良制造的核心為“消除浪費(fèi)，精簡組織”，其不僅在表現(xiàn)特征上提出了圍繞著“人”進(jìn)行生產(chǎn)，而且也從生產(chǎn)過程中提出“精簡”理念，經(jīng)過許多企業(yè)改善形成了完整的智能制造體系。這種模式能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)時間的嚴(yán)格控制，在有限的生產(chǎn)時間內(nèi)生產(chǎn)效率得到大幅提升。

1.2 敏捷制造

隨著工業(yè)體系的不斷完善，許多生產(chǎn)企業(yè)都意識到了生產(chǎn)制造方法改進(jìn)的重要性。福特公司提出按照用戶需求生產(chǎn)制造的理念，并保障在獲取用戶需求的是3 個工作日內(nèi)完成生產(chǎn)，在有效縮短生產(chǎn)周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)質(zhì)量的控制。在這種生產(chǎn)理念支撐下剛性的、傳統(tǒng)的以及大批量流水線作業(yè)方式逐漸被一些大型的制造業(yè)企業(yè)淘汰。通用汽車公司隨后研究出一種敏捷制造模式，其對于現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不可忽視的影響。許多應(yīng)用敏捷制造模式的企業(yè)都認(rèn)為在持續(xù)變化的市場中，這種模式不僅可以節(jié)省更多生產(chǎn)資源，而且也能減少因為盲目生產(chǎn)帶來的各類浪費(fèi)。

1.3 集成制造

在智能制造技術(shù)發(fā)展過程中，集成化制造模式成為了工業(yè)制造的主要形式。目前世界上所有的大型制造企業(yè)都采用集成制造模式。這種模式也是建立在智能制造技術(shù)不斷成熟的基礎(chǔ)上，其最大的特點(diǎn)是通過體系化的流水線完成一個商品的整個制造環(huán)節(jié)，大大提升了商品生產(chǎn)效率。汽車制造企業(yè)幾分鐘就能組裝一臺汽車，這是傳統(tǒng)人工組裝模式無法實(shí)現(xiàn)的。集成制造的發(fā)展進(jìn)一步推動了智能制造系統(tǒng)的發(fā)展，各類集成化的智能制造系統(tǒng)被各制造企業(yè)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，雖然目前智能制造系統(tǒng)依然處于發(fā)展階段，但當(dāng)前的生產(chǎn)效率已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的制造方式，其對于現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

1.4 綠色制造

智能制造的一個特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)的制造方法消耗大量的資源，同時也帶來的一系列的環(huán)境問題。智能制造技術(shù)通過機(jī)器將生產(chǎn)環(huán)境緊密地聯(lián)系在一起，一些高污染和高能耗的產(chǎn)業(yè)得到了優(yōu)化，智能制造的整個過程變得更加綠色和環(huán)保。綠色制造是制造業(yè)未來發(fā)展中必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，能耗和污染的降低意味著能源的節(jié)約和轉(zhuǎn)型，這也是工業(yè)文明由傳統(tǒng)的發(fā)展形式向著現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志。在綠色制造的整個環(huán)節(jié)中智能制造系統(tǒng)的設(shè)計極為關(guān)鍵，其有效地解決了工業(yè)發(fā)展與人類社會發(fā)展之間的矛盾，進(jìn)一步推動工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2 智能制造技術(shù)概述

智能制造技術(shù)是智能制造系統(tǒng)重要的組成部分，是支撐制造工作有序進(jìn)行的基礎(chǔ)。智能制造技術(shù)中包含多種智能化技術(shù)，其可以有效處理大量復(fù)雜的信息，通過計算機(jī)對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，為智能制造系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，圖1 為現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 智能數(shù)控技術(shù)

智能數(shù)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對各項生產(chǎn)參數(shù)的有效控制，保障整個生產(chǎn)過程的有序性。智能數(shù)控技術(shù)主要以人工智能技術(shù)為主，其可以結(jié)合制造過程所需的條件，合理地選擇生產(chǎn)制造工具，實(shí)現(xiàn)工具選擇的最優(yōu)化目標(biāo)，這是傳統(tǒng)工藝不具備的優(yōu)勢。現(xiàn)階段智能數(shù)控技術(shù)在智能制造系統(tǒng)的構(gòu)建中應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外開發(fā)了許多智能數(shù)控軟件，如基于STEP 的CAD 和CAM 平臺，可以為智能化數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建提供基本的參照。隨著智能數(shù)控技術(shù)的完善與發(fā)展，更多類型的智能數(shù)控技術(shù)被應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)過程中。一些高端制造業(yè)企業(yè)正在積極研發(fā)與自身生產(chǎn)技術(shù)相符合的智能數(shù)控技術(shù)，推動了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圖2 為智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 智能數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 智能削切技術(shù)

在機(jī)械零部件制作工藝中，削切技術(shù)非常關(guān)鍵，是影響機(jī)械零部件制造的主要因素。智能化削切技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動選擇刀具和自動控制削切力度，生產(chǎn)的機(jī)械零部件尺寸和規(guī)格有著高度一致性。例如，在輪船發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)情況自動選擇刀具的數(shù)量、規(guī)格和各類參數(shù)，然后按照削切工藝進(jìn)行生產(chǎn)，這種生產(chǎn)方式不僅效率高，而且生產(chǎn)質(zhì)量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。此外，智能削切技術(shù)的另一個優(yōu)勢在于能夠避免人為操作帶來的各種問題，利用該技術(shù)生產(chǎn)的機(jī)械零部件合格率高，可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 智能制造系統(tǒng)可行性分析

機(jī)電控制系統(tǒng)建模主要圍繞機(jī)械運(yùn)行原理進(jìn)行，結(jié)合實(shí)驗數(shù)據(jù)設(shè)計合理的參數(shù)控制機(jī)械，其缺點(diǎn)是無法控制復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。而智能制造系統(tǒng)能夠解決這一問題，其由高階、多因素以及非線性系統(tǒng)構(gòu)成，在建模方面效果突出。智能制造系統(tǒng)能夠處理在線檢測、運(yùn)行模式和過程模型建立過程中存在的問題，提升制造系統(tǒng)的智能性。

3.1 IMS 系統(tǒng)模型

IMS 系統(tǒng)模型是一種建立在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)上的制造模型，其為智能制造系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了基本的參照。智能制造系統(tǒng)的構(gòu)建需要將各生產(chǎn)環(huán)節(jié)包含在內(nèi)，使得加工、制造和組裝等各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致。IMS 系統(tǒng)具有一定的自主性和開放性，可以結(jié)合各項制造數(shù)據(jù)的變化改變生產(chǎn)方式，其為智能系統(tǒng)的總體框架構(gòu)建提供了更為具體的方案。

IMS 系統(tǒng)在當(dāng)前的智能制造系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)更為智能化發(fā)展方向上依然是研究學(xué)者們的參考內(nèi)容，而且在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下，解決了智能系統(tǒng)通信不暢的問題。總體而言，IMS 系統(tǒng)的構(gòu)建是智能制造系統(tǒng)建設(shè)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

3.2 Petri 網(wǎng)加工中心系統(tǒng)

Petri 網(wǎng)理念出現(xiàn)于1960 年，發(fā)展至今已應(yīng)用于制造業(yè)的多個學(xué)科中。Petri 網(wǎng)的應(yīng)用為智能系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)處理的渠道，處理各類加工信息時都可以在Petri 網(wǎng)加工中心完成。在智能制造系統(tǒng)中加工中心的存在意義非常重要，各類生產(chǎn)信息需要在統(tǒng)一的系統(tǒng)中完成集成，如果其中部分信息傳輸或者處理出錯，那么某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)或者加工過程就會受到影響。

Petri 網(wǎng)中心使用復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，針對大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)時，該系統(tǒng)可以結(jié)合具體的計算規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出精確的數(shù)據(jù)參數(shù)并傳輸至下一級系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)，保障了工業(yè)生產(chǎn)的準(zhǔn)確度。此外，在智能制造系統(tǒng)中Petri網(wǎng)還提供智能程序，其是支撐智能制造系統(tǒng)運(yùn)行的重要邏輯，如果缺少這項系統(tǒng)整個智能制造系統(tǒng)的主體功能將無法得到發(fā)揮，最終影響工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量。

3.3 CAD/CAM 服務(wù)平臺

CAD/CAM 服務(wù)平臺主要針對各類智能指令的控制，其存在于各獨(dú)立的系統(tǒng)中，能夠發(fā)送系統(tǒng)收集的各類數(shù)據(jù)信息，并對各項工藝流程進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得各項生產(chǎn)流程得以順利和有序地進(jìn)行。

CAD/CAM 服務(wù)平臺的存在對于智能制造系統(tǒng)功能的完善至關(guān)重要，如果系統(tǒng)無法解決各生產(chǎn)環(huán)節(jié)相關(guān)工藝技術(shù)協(xié)調(diào)問題，則可能導(dǎo)致整個生產(chǎn)線出現(xiàn)混亂。基于CAD/CAM 的各項系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，大大提升了智能制造系統(tǒng)的運(yùn)行效率，保障了系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性。因此在設(shè)計現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)時，需要重點(diǎn)考慮到CAD/CAM 服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用，并提出更為理想的設(shè)計方案。該平臺的構(gòu)建是智能制造系統(tǒng)中的重中之重，設(shè)計系統(tǒng)時需要考慮的問題眾多，相關(guān)人員需要集合智能制造系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)制定更為科學(xué)的方案，不斷完善與改進(jìn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。

3.4 數(shù)據(jù)交換中心系統(tǒng)

智能制造系統(tǒng)中最為核心的一項內(nèi)容是數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的交換對各項智能功能的實(shí)現(xiàn)有著重要作用。數(shù)據(jù)交換中心應(yīng)用多種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，例如大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和云計算技術(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行的各項數(shù)據(jù)都可以在數(shù)據(jù)交換中心完成交換或者轉(zhuǎn)化，大大方便了各系統(tǒng)間的溝通。在制造過程中，系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后需要轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識別的內(nèi)容，但整個生產(chǎn)線由多種不同類別的智能系統(tǒng)構(gòu)成，不同類型的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)化為特定機(jī)器可以識別的數(shù)據(jù)才能根據(jù)具體的指令進(jìn)行工作，而數(shù)據(jù)交換中心提供這種功能，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展越來越智能化，智能制造系統(tǒng)在制造業(yè)中的應(yīng)用能夠有效地提升現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)效率。在研究和設(shè)計智能制造系統(tǒng)時需要借助各類智能制造技術(shù)構(gòu)建完善的系統(tǒng)，因此研究智能制造技術(shù)的應(yīng)用對于實(shí)現(xiàn)高智能的智能制造系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。隨著智能技術(shù)的完善與發(fā)展，更多的智能技術(shù)將會出現(xiàn)在制造業(yè)中，進(jìn)而推動制造業(yè)繁榮發(fā)展，使得制造業(yè)更好地服務(wù)于社會，推動人類社會向更加智能化的方向發(fā)展。