智能制造技术在工业自动化中的应用研究

夏端武，薛小凤

（宿迁开放大学，江苏 宿迁 223800）

1 引言

二十一世纪是信息时代，在社会的不断发展下出现了信息技术、自动化技术、智能技术等。这些技术形式的出现和发展深刻影响了人们的生活，促进了社会发展。智能化制造技术是高新技术在工业生产领域的重要体现，通过该技术的应用有效提高了工业制造生产效率，降低了工业生产劳动强度，提高了工业产品的质量。智能化制造技术的出现和发展为我国工业制造业发展指明了新的发展方向。在经济全球化的深入发展下，工业智能制造技术得到了越来越多人的关注，对实现我国工业产业转型升级起到了重要的推动作用。随着智能制造技术的深入发展，其必然实现低能耗、多功能、自动化发展。结合智能制造技术内涵和构造，具体分析其在工业制造领域的重要作用。

2 传统工业制造模式的发展缺陷

（1）生产质量低下。我国工业发展主要包括重工业和轻工业。其中，重工业主要是指采掘业、原材料加工业；轻工业主要是指化工行业。不管是哪种工业形式，传统工业的发展过度依赖人工操作，无法保证工业制造产品的质量。（2）生产时间长。传统工业制造的发展缺乏先进工艺流程，是由制造人员依据个人的经验手动完成制造生产的，产品的生产周期较长。（3）生产效益少。传统工业生产产品的质量不符合相应的标准，生产出来的产品无法到市场进行销售，很容易导致企业出现货物囤积的现象。另外，不符合相应质量标准的产品，还会因为质量补偿问题为企业的经营发展带来阻碍性影响。（4）生产设备缺乏。结合我国工业发展历程可以发现，我国早期生产出来的工业产品大多依赖手工操作，而出现这种现象的本质原因是我国国内生产技术落后。在手工生产影响下，工业自动化发展水平不理想。

3 智能制造概述

3.1 内涵

智能制造技术是一种制造技术，主要是运用知识处理理论、技术问题等开展的技术。包括实际工作经验、工业理论知识，如工业数字模型知识等。技术则重要在于运用现代计算机进行集成、管理等，以此实现制造目的。智能制造技术运用同代替原有人工生产制造中的各项不明确原因，减少不必要的工业制造劳动力，提高工业自动化发展效率。智能制造是提升企业核心竞争力，应对科技变革的新支撑。智能制造的核心在于整体制造能力的提升。企业在发展的过程中需要实现精益化制造发展，将数字化发展项目列为国家智能制造专项，在企业各个部门发展过程中应用数字化制造新技术，从而提高企业的生产效率和市场适应力。在互联网技术的深入发展下，智能制造得到了更多的技术力量支持，为了深化智能制造的发展，企业需要进一步借助新引进高级人才的力量，改进系统和流程，将精益工作进一步延伸至制造技术、研发和供应链关键环节，以达到2020年实现智能制造的目标。

3.2 特点

第一，独立性。智能制造的发展不依赖传统的人工制造，在面临各种复杂的环境和问题的时候往往能够独立完成各种加工任务，且完成工作任务的效率要比手工操作的效率高，其弥补了传统人工操作无法完成的人物。第二，应用智能制造系统对产品的生产加工开展定量、定性分析，同时把综合分析数据停止交给计算机，借用此先进的科技系统来整合各种信息，为产品的制造决策提供有力支持来提升产品制造决策的自动水平。第三，智能制造有着透明、继承、开放性等等特点。智能制造系统所工放性特点，可对知识为信息修改和更新提供重要的支持，为用户对系统的应用操作提供便利支持。智能制造系统的继承生可提升研发人员对智能制造系统软件一发率。智能系统集成性能够提高对一些复杂问题的解决处理效率。

4 智能制造系统建模与仿真

4.1 体系结构

智能制造系统结构构造，如图1所示。现阶段，智能制造系统结构分为以下几种类型：第一，以提高制造系统智能化发展为目标，综合应用机器人、智能体、全能体为手段的智能制造系统。第二，应用互联网对企业进行建模，建设融合加工、测量、机器人操作为一体的智能制造系统。第三，具有生物特点，应用生物学知识来解决实际问题的生物型制造系统。

图1 智能制造系统结构构造Fig.1 Structure of Intelligent Manufacturing System

4.2 智能制造系统建模方法和仿真

4.2.1 智能制造系统的建模方法

结合不同的工业化发展需求，从不同角度对智能制造系统进行描述，形成具有特色的智能制造系统建模方法。这种具有特色的建模在结构分化的基础上应用图形符号来描述各种功能，活动类型包括定义、输出、输入、约束和控制、机制，功能之间的关系，如图2所示。

图2 功能之间的关系Fig.2 Relationships Between Functions

4.2.2 分布网络化IMS系统模型

在智能制造系统多种结构类型中应用最多的是基于Multiagent分布式网络IMS模型。Multiagent会赋予各个制造单元的自主权，使其功能和发展更加完善、独立。另外，通过Multiagent和Agent之间的沟通合作能够赋予系统自身更多的组织能力。基于Multiagent分布式网络IMS模型是智能制造理论和技术研究方面取得成果的重要体现，网络系统的基本思路是结合智能制造系统的特征，结合分布式集成基本思想，应用分布式人工智能Multiagent系统思想，实现柔性智能化集成。分布式网络化IMS的基本模型具体，如图3所示。

图3 分布式网络化 IMS的基本模型Fig.3 Basic Model of Distributed Networked IMS

4.2.3 基于Petri网的加工中心系统建模与仿真

Petri网建模，这在多领域中均得到一定运用，并随着社会进步不断发展。现阶段Petri网制造系统由多种硬件设备组成，包括机器人、数控机床、一般机床、智能小车等。在确定好设备之后按照相应的工艺操作流程由专门的人员来对产品加工进行管控。基于Petri网的智能制造系统建模和仿真操作是一种操作性强的实践。

①Petri网的基本定义和运行操作

一个Petri网记为PN，它是一个五元组：PN=（P，T；I，O，M），满足：P∪T≠φ，2）P∩T≠φ，式中：P—库所的集合；T—变迁的集合；I：T→P—输入函数，为变迁到库所多重集的映射；O：T→P—输出函数，为库所到变迁多重集的映射；M：P→N（非负整数集）是PN的标识。

②Petri网加工中心系统的建模

第一，生产过程。XX车间共有加工中心机床三台，分别是J1、J2、J3。在对某种产品进行加工的时候会安排两名操作工人，人别是R1和R2．R1操作控制中心机床J1、J2，另一名工作人员则是控制J3。结合相关工艺流程，工件需要两个阶段的加工操作会完成相应的工序。加工车间的平面布局安排具体，如图4所示。第二，系统建模。加工中心系统的Petri网模型具体，如图5所示。

图4 加工车间的平面布局Fig.4 Plane Layout of the Processing Workshop

图5 加工中心系统的 Petri网模型Fig.5 Petrinet Model of Machining Center System

③Petri网加工中心系统的仿真

离散事件系统的仿真策略及仿真语言类型如表一所示。Petri网加工中心系统仿真软件是ARENA7.0版，具有界面友好、可视化程度高等方面的特点，能够应用计算机高级语言进行编程。对这类时间系统进行仿真操作的时候，需要应用软件的CREATE模块随机产生一个工件，相应的工作人员和加工机床结合进行工作，经过加工之后得到半成品。工作的第二个阶段是对半成品进行加工。在加工的工件可达到中心服从的指数分布，工件在机床加工中，服从分布是平均的，此系统的运作没有将零件的管理、运输、检测和加工进行灵活处理。离散事件系统的仿真结果具体如表二所示。在应用Petri网技术，对加工中心系统开展建模操作后，运用ARENA7.0语言开展仿真式的处理。通过对结果分析可看出，对某种产品加工、系统配置合理、科学，最大限度发挥加工系统工艺的能力，但是在具体操作中没有考虑技术运用的复杂性，例如搬运小车运输、机械手臂的装卸工作等等。

表1 离散事件系统的仿真策略及仿真语言类型Tab.1 Simulation Strategy and Simulation Language Type of Discrete Event System

表2 离散事件系统的仿真结果Tab.2 Simulation Results of Discrete Event Systems

4.2.4 智能制造系统中CAD/CAPP/CAM集成

智能制造的实现需要应用CAD技术开发新产品，并在CAPP软件和CAM集成平台上进行产品设计。CAD/CAPP/CAM集成系统流程，如图6所示。随着计算机技术的发展，工业生产设计在应用CAD进行图形设计的同时还能够应用CAPP软件进行加工工艺设计。工序尺寸及公差的确定是一个复杂的环节，利用LU计算方法及CAPP的理论能够简化程序操作，为智能制造系统自动化发展提供支持。CAPP中工艺尺寸链的算法公式如（1）所示，工序加工余量的确定按照式（2）～式（4）计算。各加工余量的公差Tzi又要以加工余量为封闭环建立尺寸链确定。

图6 CAD/CAPP/CAM集成系统流程Fig.6 CAD/CAPP/CAM Integration System Process

5 智能制造技术在工业领域的应用

在改革开放的深入发展下，国家对工业经济发展提出了更高的要求。在国家政策的的倡导下各个地区开展了工业技术创新活动。经过多年的发展，我国工业制造生产已经能够综合掌握一体化、自动化、智能化的基础，在先进技术的支撑下更好的促进了工业经济的发展。智能制造技术在工业领域的应用主要体现在要以下几方面：第一，人机操作。智能制造技术能够实现人及操作。制造企业在生产高精确度、高质量、高要求产品的识货，可以应用智能化操控技术来提高工业生产自动化水平。比如在工业制造对金属产品要求严格下，单一的安排人工制造是无法达到产品精确化生产的。为此，企业可以应用计算机系统和数控设备来建立相应的联系，应用计算机系统完成变成操作，通过机械自动化生产来提高产品的精确度。另外，应用智能操作还能解决实际生产操作中无法解决的问题。典型的应用有智能机器人。智能机器人在我国现阶段的最新应用是机械加工，比如对于上海某企业曾经发生的粉尘爆炸事件，可以应用机器人来替代人工打磨操作，进而提升打磨操作的工作效率和工作精确度，提高人工打磨操作效率。第二，自动设计。智能机器有着极为良好判断力、推理等，制造工业需要运用适用机器接收、处理对应的数字信号、程序代码开展产品设计。具体实操，产品研发人员只用把产品参数信息输入到相应的智能机器中就能完成产品的智能化设计。比如现阶段一些企业运用CAD、UG等有着自动设计软件，以及智能控制系统连接的情况下就能进一步提升产品设计模型的精确度。第三，虚拟化生产。在以计算机技术为基本依托的情况下出现了虚拟技术。虚拟技术以计算机技术为基本操控核心，通过数据预测、智能推理等方式，可对工业产品生产操作流程进行模拟，从而改进现有的产品制造生产工艺。常见的虚拟化生产技术有基于无线射频识别智能工厂技术。这种技术是一种可读可写的技术形式，具有识别、定位、感知、联网操作等职能。该技术给人们广泛应用在社会生产的各个方面，比如车间、物流等。该技术应用到制造企业能够进一步提升产品的形象，提高产品在全过程的生产服务和质量水平。第四，工业机器人。《政府工作报告》提出需要深入开展中国制造，并且将智能制造作主要发展方向，加快发展自主品牌工业机器人。首先，需要明确自主品牌工业机器人产业发展思路、重点、目标，并结合实际采取相应的对策。并且将原有工业机器核心技术改变，凝聚力量发展工业的核心技术，加大对关键器件研发。借用产学的平台，加上市场的创新资源让关键技术可以列好开发。将最新技术和机械人的开发深度结合，以中国制造2025为基础，结合行业的优势引领行业生产制造发展。

6 智能制造技术应用推广过程中关键问题的解决

虽然智能制造技术的应用范围扩大，对很多领域的发展都起到了不同程度的作用。但是现阶段，智能制造技术在工业自动化领域的应用还存在一些局限，在之后的应用中需要相关人员能够做出更深入的分析和研究。智能制造技术应用推广过程中，关键问题表现如下：（1）智能制造系统感知问题。主要是由传感器集成技术实现。但是现阶段大多数的数控机床控制中心操作是由单一传感器，对加工的工程开展监测，传感器测定数据的方式单一，未能准确反映产品生产的全过程。所以未来，其关键是怎样更好的发挥出传感器继承技术在各种复杂条件下数据信息的准确。（2）决策问题。系统的决策受传感器集成模块和决策模型结构以及算法的影响。未来制造系统传感器数据的模板信息的准确性怎样得到保证是智能制造系统决策亟待解决的问题。（3）智能的制造系统的控制问题。智能制造系统控制受到传感器的控制及技术影响，要实现对于决策模型、执行元件实时控制。因而，在未来，智能制造系统怎样提升自身的反应速度和模块实时性控制是有关人员需要着重思考的问题。第四，智能制造系统自我维护、学习问题。通知制造系统对于知识的获得、运用能力等，是智能制造系统、其他系统可以区别的。在未来要进一步提升智能制造系统的知识获取和分析能力。

7 结束语

综上所述，智能制造技术在社会科学技术发展和市场需求的基础上发展形成，受社会主义市场经济需求的变化，智能制造技术生产规模逐渐朝着批量化、柔性的方向发展。另外，在信息技术的带动下，我国制造业发展也开始朝着集成化的方向发展，制造业的资源配置朝着知识密集的方向发展。在种种变化下，制造技术的实现已经不再是简单的制造工艺和产品设计，而是从简单的产品概念体系转变为产品集成活动系统，制造系统的应用和操作变得更加有序、自动。智能制造技术的这种深化发展为工业工业自动化发展提供了重要的支持，是智能制造技术未来重要发展方向，为相关技术的研究人员提供了重要参考信息的支持。

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