智能制造體系架構探究

摘 要：在我國建設“工業4.0”的大背景下，新一次的工業革命正如火如荼的展開。智能制造作為新一代制造模式的典型代表，自20世紀80年代第一次提出，就收到了學術界和工業企業的廣泛重視。但是現階段工業界并沒有建立起非常成功的智能制造體系，主要原因是對于智能制造內部原理的研究并不透徹，同時對于智能制造的發展趨勢把握不準。本文立足于智能制造體系的本質，通過對現階段國內外智能制造體系架構的研究，提出了未來一段時間內該體系發展的趨勢。

關鍵字：智能制造體系；整體架構；功能特征；柔性化

1 前言

智能制造是最新的制造模式之一，具有廣闊的發展前景，智能制造從本質上說是一個智能化的信息處理系統，對外操控機器人的動作，完成產品的制造和加工。該系統屬于一種開放性的體系，原料、信息和能量都是開放的。智能制造是新世紀制造業振興的發展方向，是我國實現制造業跨越的必經之路。

2 智能制造系統研究現狀

2.1 智能制造系統內涵分析

智能制造體系是上世紀八十年代有先進的工業化國家率先提出的，主要包含只能制造技術和智能制造系統兩部分。總體來看，智能制造體系指的是應用集成工程的思想，通過制造軟件專家系統、機器人視覺和控制等先進技術，最終達到智能裝配生產線上的機器人能夠在人工不進行干預的情況下完場生產任務。智能制造的目的是人的腦力活動轉化為制造機器人的智能化思維。智能化制造體系的物理基礎是智能化機器人，所必需的設備包括智能加工機床、工具和設備的智能化輸送平臺以及裝配設備等。

2.2 智能制造體系國內外研究現狀

智能制造在上世紀八十年代提出之后，在國際范圍內形成了三個主要的研究中心，分別是美國、歐洲和日本。最初的內涵指的是智能機床，智能機床能夠完場熟練機械師操作普通機床完成的所有功能，具有一定的智能性。后來的智能制造概念得到發展和延伸，進而形成了一種開放性的操作系統，日本于1990年完成了世界范圍內第一個智能制造工廠，融合了人工智能技術的機器人同時具備視覺的觸覺功能。相對而言，我國在該領域的研究起步較晚，九十年代后才申請成立了第一個智能制造國家級項目。在理論研究領域主要集中于智能制造基礎理論分析、智能化單元制造與控制、智能機器人的研發等。

智能制造的應用正在世界范圍內興起，它是制造技術發展，特別是制造信息技術發展的必然，是自動化和集成技術向縱深發展的結果。然而，雖然智能制造得到了學術界的廣泛重視和深入研究，然而卻難以得到工業界的廣泛應用和推廣，同時近幾年關于智能制造系統新理論方面的研究遇到了瓶頸，其問題在于智能制造系統的體系架構尚未研究透徹，同時對于智能制造系統的發展趨勢沒有比較好的掌控。

3 智能制造體系架構研究

3.1 智能制造體系整體架構分析

智能制造的總體架構自下而上包括業務層、運作層、功能系統、功能單元、支撐技術五個層次。智能生產線各個層次間相輔相成，聯系密切，其中系統以需求訂單為輸入，以信息系統為核心，集成自動化上下料等多個子功能系統，以基本功能單元及支撐技術為依托，推動智能制造生產線的正常運作，實現大批量產品定制及個性化客戶服務的目標，從而最大化地滿足客戶和市場需求。其中各個層次的內容及構成如下：（1）系統業務層：即系統目標，是為客戶提供大批量定制產品及個性化的客戶服務。（2）系統運作層：主要包含精益化、數字化和敏捷化等最新技術。（3）功能系統層：設備預警，優化加工參數，監控生產的全過程，精度檢測的在線實現，最終通過信息技術系統進行集成。（4）功能單元層：此部分承擔設備和加工裝備的信息傳輸，使用傳感網絡和通信網絡技術。（5）支撐技術層：系統設計技術主要有傳感技術和模塊化技術，設備故障診斷和維修系統，安全維護和設備及信號的有效識別。

3.2 智能制造體系亟待解決的問題

智能制造想要完全提出人工干預，實現完全意義上的機器自主控制與分析，就需要建立一個智能化、數字化、信息化程度較高的企業管理網絡，通過該網絡完成產品的設計、裝配制造直至倉儲物流的全過程控制，其中還包括問題產品和故障設備的自動處理和維修。但是現階段我國制造裝配企業在各個制造要素的互聯互通方面存在不小問題，主要體現在智能制造體系各功能單元之間橫向、縱向集成通訊、端口到端口的信號傳輸。數據格式、通訊協議和語言識別等基礎性的內容還沒有完全解決。隨著物聯網、大數據和云計算等最新技術的融合，各功能單元之間的通訊是必須要解決的問題。人機交互、設備與設備之間、生產制造和倉儲物流之間的信息交互都是困擾智能制造體系構建和發展的一大難題。

4 智能制造體系發展趨勢分析

4.1 智能制造體系柔性化發展方向分析

智能制造體系的柔性化方向石油柔性智能裝配引發的，基本的基本思路為：柔性裝配的研究層次從上到下分為柔性工裝、柔性工藝規劃和柔性車間調度。主要涉及的研究思路包含結構優化設計、工裝驅動數據自動生成、裝配順序規劃和分配方法研究以及智能調度技術。柔性化發展是基于只能裝配生產線上可能出現的各種問題及產品，所提出的新型發展方向。這其中可變參數和柔性調度是最重要的研究領域。

4.2 智能制造體系精益化發展方向分析

精益化的研究發祥包括四個方面的內容：（1智能制造環境下的自適應快速換模技術；（2）設備自診斷、自適應和自修復技術所組成的全員設備維護技術；（3）生產流程自動化的3P技術，該技術能夠將生產過程中的資源浪費在設計和工藝研究等源頭環節中進行降低；（4）均衡混流生產技術，該技術是基于對生產計劃的合理規劃以及現場動態調整和調配等智能制造手段進行的。

4.3 智能制造體系敏捷化的發展方向

敏捷化主要有以下連兩個研究方向：首先，對于客戶訂單變化的快速響應是只能制造的一大特點，通過前期客戶需求的調查，在大數據分析的基礎上，使用神經網絡等算法對客戶的訂單可能發生的情況進行預測，并擬合相應的相應曲線，得到響應基本函數，然后優化設計生產關鍵因素，最終大幅度減少客戶需求響應的時間。其次是對于功能單元的設計和配制。在使用智能制造生產線的時候，需要對參與生產的各要素（包括軟件設計、硬件要求和工藝流程設計等）歸類的功能模塊劃分。在功能劃分之后組建各自成體系的模塊單元，并配置相應的算法，以達到提升智能制造體系柔性化和可重構性的目的。

5 結語

工業時代經歷了三次大的變革，現在的工業4.0時代最主要的特征是智能化和遠程控制，重點在于利用互聯網技術、物聯網技術、信息處理技術和智能機器人技術，最終實現產品加工的更高層次的自動化。本文通過對智能制造體系的深入分析，認為我國雖在在該領域取得了舉世矚目的成就，但是在智能化的本質和原理方面的研究仍然不足，未來建議在智能制造柔性化、精益化和敏捷化方面開展研究。

參考文獻

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作者簡介

李俊杰（1995-），男，重慶市綦江縣，本科，學生；研究方向：機械電子工程。