“工業4.0”背景下的自動化制造技術

張操棋

摘 要：“工業4.0”是由德國聯盟教研部與聯邦經濟技術部聯手推動的戰略性項目，被看作是提振德國制造業的有力催化劑，也被認為將是全球制造業未來發展的方向。繼蒸汽機的發明、大規模生產和自動化之后，這一趨勢被稱為“第四次工業革命”——“工業4.0”（Industry 4.O）。“工業4.O”提倡物與服務串連，旨在物對物（M2M）的運作架構下，打通產、銷任督二脈，講究生產自動化、生產IT 化，生產模式將由批次量產轉向接單后生產，落實智慧生產、綠色生產、都市生產的未來趨勢。

關鍵詞：工業4.0；柔性制造技術；柔性制造系統；智能制造；智能工廠

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.034

1 工業4.0介紹

工業4.0作為第四次工業革命，為了擺脫第三次工業革命所帶來的大量能源消耗以及環境污染等問題，選擇了綠色革命的道路。與此同時，還將利用物聯網技術使生產中原料的供應、產品的制造、銷售以及服務數據化，智能化。

“工業4.0”可以大概分為“智能工廠”，“智能生產”，“智能物流”三大方面。首先，對于智能物流而言，需要著重的對互聯網、物聯網以及物流網的充分利用以及資源整合，模糊行業之間的界限，將行業與行業之間聯系起來，成為一體。其次，對于智能生產，傳統剛性自動化生產線面對單一大批量生產時，具有較高的設備利用率、生產率，較低的單件生產成本，但在應對多種零件的小規模生產時，生產線的改動成本高，容易增加企業的經營成本。為了應對消費者愈來愈個性化的消費，企業應更加重視柔性制造技術的發展與應用。柔性制造系統（FMS）是將機械與電子技術的結合，能適應多個品種的產品加工，其提高了設備的利用率，也在提高了產品質量的同時縮短制造周期。其具有高生產率、高柔性、高質量的三大特點。

2 柔性制造系統

根據“中華人民共和國國家軍用標準”有關“武器裝備柔性制造系統術語”的定義，柔性制造系統是數控加工設備、物料儲運裝置和計算機控制系統組成的自動化制造系統，并包括多個柔性制造單元（FMC），能夠根據制造任務或者環境變化迅速的做出調整。，適用于多品種、中小批量的生產。

柔性制造系統的主要目的一是為了解決機械制造生產技術靈活性的問題二是為了提高產品的質量。三是為了縮短周期。為了適應市場需求，柔性制造系統的發展方向應大致分為以下四點：

（1）積極開發經濟型的FMS。企業追求的是效益，在遇到需要企業的升級換代時，較高的成本容易使得企業在面對升級設備上出現猶豫不決的情況，這容易導致企業在市場競爭中處于劣勢。

（2）發展更高效的FMC。FMC作為FMS的構成單元，更高效的FMC才能成就更高生產率的FMS。

（3）大規模化，功能復雜化。由于普通的生產線在面對一些較為復雜的零件的加工裝配時，物流傳輸占據了大部分的事假，此時大規模，多功能的FMS的優勢就可以淋漓盡致的展現出來了，其可以依靠自身的系統完成整個產品的生產、制造、檢測、裝配的流程，可以極大降低產品在物流運輸時耗費的時間成本，提高生產效率。

（4）提高產品可靠性。可靠性一直是企業最對設備關心的方面之一，尤其是在設備較復雜的情況下，維修成本相對會比較昂貴，時間成本也會比較高。這會對企業的生產效益產生極大的影響。

3 智能制造技術的創新及應用

智能工廠代表的是自動化制造業的未來，是將智能制造技術的創新及應用貫穿制造業全過程。智能工廠所追求的一是制造過程管控可視化，在產品制造過程包括物料的運輸、儲存、提取的整個過程可以實時的展現在操作者的眼前，在遇到某些，諸如程序出現異常等情況發生時，可以由操作者進行干預，調整偏差。

二是系統監管全方位，這不僅僅只是在工廠內部安裝一套監控系統，而是需要基于整個工廠內部的傳感裝置使系統具有感知能力，實現系統在產品制造過程中能夠自主的識別、分析、判斷、決策、執行。并且在數據庫中儲存產品從制造完成，入庫到出庫整個階段的數據信息。

三是綠色制造方面，綠色制造不僅包括使用綠色環保原材料，注意生產過程中污染物的處理、利用，還包括了整個產品周期中產品從出售到廢棄過程中的回收再利用，利用互聯網等手段，實現與上下游廠商和消費者之間的配合，打造真正綠色的環保產品。

在智能工廠的建設方面，需靠考慮到無線傳感器的使用，控制系統網絡化以及工業通信的無線化。以洋山港碼頭為例，由于碼頭貨物吞吐量的日益增長，為了滿足經營效益并迎合未來的發展趨勢，洋山港引入了大量的先進自動化系統。在遠程控制室中，操作人員利用遠程控制系統來實現對貨物的起吊、運送、安放作業，在大量在預埋芯片的磁釘的指引下，上百臺的自動導向小車（AGV）就可以完成自動導航來實現對集裝箱進行轉運。

整個碼頭的運行效率在得到了大幅提高的同時，還能實現全年24小時無休的目標。洋山港的案例可以實際得為智能工廠的物流系統所借鑒。在工廠內部，由于場地的限制等因素，將AGV作為廠區之間轉運的載具似乎也是一個很好的選擇。利用網絡化的控制系統可以讓操作手遠離一些對人體健康有損的工作區域，例如噴漆，電焊車間等。使用無線傳感器來實現數據的傳送不僅可以減少傳統的通信線路，減少線路的復雜度與保養成本，還能實現對數據的記錄，儲存并實現在較遠距離上的傳輸功能。還能更方便的實現控制系統的網絡化。

4 結語

總體而言，在未來以“工業4.0”為背景的條件下，自動化制造技術必然存在著與現有技術相結合的趨勢。例如，利用目前熱門的大數據來進行統計與分析；利用模糊控制原理與人工神經網絡技術等系統進行優化升級；利用網絡監控系統對產品運輸進行實時監管。智能工廠不但能使高齡工人延長自己的工作生涯，還能讓有經驗的工作者將自己的經驗數據儲存到系統之中，使得系統原來越智能化。

除了對產品進行模塊化設計之外，系統的自主性也是“工業4.0”帶給我們的機遇。相對機遇而言，企業將要面臨的挑戰也是十分嚴峻，不論是設備運行的安全問題還是員工的生命財產安全問題，都一直是各制造企業的疑難問題。面對互聯網的應用，網絡安全也將成為企業必將面對的挑戰。

參考文獻：

[1]王隆太主編.先進制造技術[M].機械工業出版社出版.

[2]芮明杰.工業4.0：新一代智能化生產方式[J].

[3]金振華.國外柔性制造技術的發展狀況及我國開發柔性制造系統的必要性[J].endprint