機器人群控智能制造系統功能設計與應用方法探析

王志巖

摘要：隨著社會經濟的不斷發展，智能化的發展速度令人瞠目結舌。現在越來越多的行業都在與智能化接軌，機器人群控智能制造系統就是智能化發展的典型產物。機器人群控智能制造系統的研發加快了加工制造業、內燃機制造業的發展速度。本文對機器人群控智能制造系統功能設計與應用的發展現狀進行了分析，同時對于機器人群控智能制造系統功能在內燃機行業的設計與應用進行了研究，希望對于內燃機行業的發展提供借鑒。

Abstract： With the continuous development of social economy， the development speed of intelligence is amazing. Now more and more industries are integrating with intelligence. Robot group control intelligent manufacturing system is a typical product of intelligent development. The research and development of robot group control intelligent manufacturing system has accelerated the development of processing manufacturing industry and internal combustion engine manufacturing industry. This paper analyzes the development status of the function design and application of robot group control intelligent manufacturing system， and studies the design and application of the function of robot group control intelligent manufacturing system in the internal combustion engine industry， hoping to provide reference for the development of the internal combustion engine industry.

關鍵詞：機器人群控;智能制造;系統功能設計與應用;內燃機

Key words： robot group control;intelligent manufacturing;system function design and application;internal combustion engine

中圖分類號：TP242.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0196-03

0 ?引言

內燃機是近代革命的核心產物，也是推動社會生產力的重要因素之一。所以內燃機制造行業的發展也間接影響著社會的發展速度，經過科研人員多年的研究使得內燃機的發展得到了飛速的發展，也讓內燃機成為社會發展不可或缺的事物。進入二十一世紀以后，人工智能化被科研人員提出，并且已經取得重大的突破，其中機器人群控智能制造系統功能設計與應用就是人工智能化的重要成果之一，作為推動社會發展的內燃機，也要積極的將機器人群控智能制造系統引進到內燃機制造行業的發展中，這樣才能讓內燃機制造行業緊跟社會潮流，促進內燃機行業的健康、可持續發展。

1 ?機器人群控智能制造系統功能設計與應用的發展現狀

1.1 機器人群控智能制造業的發展 ?一個國家的國民經濟與工業的發展程度是需要制造業作為支柱，制造業也是實現國家民族偉大復興的根本。在進入二十一世紀后，高新技術得到了發展，技術難關也被不斷攻克，傳統的制造業也面臨著產業調整的局面，在新的社會環境下，德國最先提出要提高制造業的智能化，在制造業中加入工業機器人、數字技術等高新技術。

1.2 機器人群控智能制造系統中存在的問題 ?機器人群控智能制造系統最早是在西方發達國家應用的，所以國外在機器人群控智能制造領域的技術研究比較先進，并且機器人群控智能制造系統在國外發展的幾十年時間中，已經在電力產品、離散自動化、運動控制等多個行業得到了廣泛的應用。但是西方國家對于機器人群控智能制造系統的技術封鎖比較嚴重，再加上我國機器人群控智能制造系統起步比較晚，雖然現在國家與地方政府都在大力促進發展智能制造，所以在整體的研發進度上落后于西方的先進水平。國內機器人群控智能制造水平落后于西方先進水平主要以下幾點：①在機器人群控智能制造系統中的底層源代碼落后于西方國家。②在機器人群控智能制造系統功能設計與應用經驗上嚴重不足。③國內機器人群控智能制造系統功能設計與應用一直是在強調提高制造業的智能化程度和減少人員，沒有重視到以尋求最優為制造業發展的原則。④在機器人群控智能制造系統的標準化、平臺化建設、精益車間理念、模組化、流程化、規則化等方面都沒有明確的文件作為指導，即使存在的參考文件也存在諸多的不足。

機器人群控智能制造系統的設計與制造是一個多學科交叉的技術，是需要各領域技術人才協作才能發明與研究的。機器人群控智能制造系統設計中的機器人系統集成是機器人商業化、大規模普及的關鍵。雖然系統集成的難度相對較少，但是上下游議價能力較弱，毛利水平不高，系統集成的市場規模要遠遠大于本體市場。經過工信部的數據調研，截止到2020年，全國工業機器人裝機量已經超過了100萬臺，從事系統開發、系統集成和制造的工程師已經超過了10萬人，但是相關從業人員還存在著嚴重的缺口，缺少從業人員超過了20萬。

1.3 內燃機發展的現狀 ?現在我國內燃機發展已經進入多元化時期，主要表現在以下幾點：①內燃機進入高速發展時期。隨著國內經濟的快速發展，國內基礎設施的建設數量也呈現幾何式增長，如信息產業、能源工程、交通運輸業、高速公路網絡等基礎設施的建設讓世界都瞠目結舌，被世界冠以“基建狂魔”的稱號，這樣的社會環境使得內燃機行業的投資環境也趨于穩定，這就形成了巨大的市場需求。

②國內外車企發展迅速。自從改革開放與加入WTO后，我國經濟貿易的大門向世界敞開，這就給國外各大車企提供了投資發展的機會。國外汽車商在我國投資建廠，加上國內車企的不斷發展，使得我國汽車制造業實現了快速的發展。汽車業的快速發展意味著內燃機企業的發展需要跟上汽車業的發展。于是內燃機企業紛紛引進國外先進技術來不斷改進與完善內燃機的制造工藝，同時對工廠進行專業化、協作化、大量生產的改造建設，使得內燃機的技術難關不斷被突破，內燃機的技術水平也逐漸追趕上國際水平。

③中國內燃機產業的技術進步。我國內燃機工業已經成為世界內燃機生產大國。汽車配套動力的產量已經位居世界前列;內燃機生產總量也躋身世界前列等等。在進入二十一世紀后，我國內燃機進入到了自主創新時期，并且實現在轎車發動機領域實現自主品牌產品占30%，實現自主開發出滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放標準以上的電控汽、柴油機，同時國內電控燃油噴射技術開發軟硬件平臺也在陸陸續續搭建，并且實現了高壓共軌燃由噴射系統的研發與應用。在加上國家政策的支持，我國與內燃機相關的專利技術數量在呈現翻倍的增長。

2 ?機器人群控智能制造系統功能在內燃機行業的設計與應用

2.1 機器人群控智能制造系統的設計 ?機器人群控智能制造系統的核心就是系統設計。對于內燃機制造業來說，內燃機的每一個部件的生產都可以使用機器人群控智能制造系統來提高工廠的效率和節能減耗。基于部件加工的機器人群控智能制造系統可以借鑒下面介紹的這個系統整體設計。該系統主要包括：①主站單元：整個系統的總控單元。②信息化管理單元：檢測整個系統運行。③從站單元：對所有反饋信息進行處理。④數控加工單元：對加工工件進行加工并與其它單元通信。⑤機床上下料單元：系統執行機構，負責搬運加工工件。這些單元之間通過系統控制實現各單元的聯系，實現零部件自動運輸、自動加工、自動檢測、自動補償和最后的自動入庫。

機器人群控智能制造系統通過對上述單元實時狀態的監督、然后將數據進行人機交互，最終實現人、設備與產品的連通與交流。在生產內燃機部件的時候，機器人群控智能制造系統通過控制機床上下料單元把需要加工的部件運輸到數控加工單元，數控加工單元在按照主站單元發送的加工程序將部件加工成需求的樣子，當部件在數控加工單元加工完成后，再經過機床上下料單元將加工好的部件運送到檢測單元，這是檢測單元按照主站單元發送的檢測標準來進行測量，然后把部件的測量數據上傳到主站單元，主站單元會將部件的數據進行分析，然后將不合格的部件通過機器人將其送到加工程序中重新加工。內燃機各部件通過單獨的加工制造最后統一由機床上下料單元運輸到內燃機組裝線，最終實現內燃機的加工制造。

機器人群控智能制造系統，可以對內燃機各部件加工數據與內燃機組裝數據進行實時采集與處理，然后依據數據分析來對設備進行計劃維護，這樣就可以有效提高內燃機制造效率。

2.2 機器人群控智能制造系統組成 ?倉儲單元。在國內外的制造行業中，已經越來越注重自動化倉儲與柔性制造技術的應用，自動化倉儲尤其在內燃機這樣的流水線生產中扮演著重要的角色。在機器人群控智能制造系統中的倉儲單元主要是動力貨架、平面貨架、PLC控制臺等組成，這樣的單元是為了內燃機部件在生產完可以第一時間進入倉庫，然后運輸到內燃機組裝線上。

加工單元。加工單元主要是由數控車床、數控加工中心和從站通訊等組成。這個加工單元是對內燃機部件加工的主要單元，加工完后再由機器人進行搬運。

運輸單元。運輸單元主要是輸送工件和配合工作站完成任務。機器人群控智能制造系統中的運輸單元主要包含鋁型材輸送線、電機、減速機、視覺檢測裝置、急停裝置、傳感檢測元件等部件。

機床上下料單元。在機器人群控智能制造系統中機床上下料單元由工業機器人、AGV運載機器人、機器人滑軌系統、機器人末端夾具等組成，這樣的機床上下料單元主要是在內燃機部件生產和內燃機組裝時對加工件進行輸送和最后的入庫。

檢測單元。檢測單元是貫穿整個機器人群控智能制造系統中單元，為了實時檢測加工件的數據，并把監測數據傳送至總站，以此來保障加工件的合格率。檢測單元主要由測量運動平臺、視覺測量系統、激光測量系統等組成，實現加工部件在整個機器人群控智能制造系統中都被監控。同時檢測單元還需要具備輸入/輸出單元，讓檢測單元的數據可以與外圍進行數據的交換。

2.3 建立通信體系 ?在機器人群控智能制造系統中，想要實現整個系統的無縫連接，機器人群控智能制造系統中通信技術的建立也是核心技術之一。在機器人群控智能制造系統中的通訊技術主要有主站通信方式與從站通信方式。

主站通訊方式。主站通訊是機器人群控智能制造系統中的通訊的核心控制器，主要與多個從站進行信息的交換，同時還對各個單元有絕對的控制與管理，甚至會控制內燃機組裝和部件生產加工的整個系統。在主站通訊中可以借鑒采用 S7-300 PLC 作為主站進行控制， S7-300 PLC主控的優勢：配備有集成功能的 Profibus-DP 接口，Profibus-DP 總線通過光纜或者屏蔽雙絞線連接其它設備，其中屏蔽雙絞線的最長通訊可以接近10km，光纜的通訊可以接近100km。同時傳輸速率可達9.6K-12Mbps，而且 S7-300 PLC 主站可以同時連接32個分站。

從站通信方式。從站通信在機器人群控智能制造系統主要是對總站發出的命令進行輸入采集和反饋輸出的數據。從站是每個單元的獨立執行程序，但是在從站程序編輯的時候需要做到與主站通信的數據共享。

2.4 MES系統的應用 ?信息管理系統的重要性。信息管理系統的提出是為了加強企業上層管理系統與下層制造系統之間的聯系。該系統主要是負責生產任務的管理和調度，讓企業的訂單生產計劃及時落實到位。MES系統是實現內燃機制造車間生產敏捷的基礎手段，一直是在關注生產原料的管理和生產任務的調度。但是在內燃機制造中加入機器人群控智能制造系統的時候，就需要建立以機器人群控智能制造系統運行過程為主要的信息化管理系統，這樣就能對機器人群控智能制造系統生產加工過程進行監控與管理。在MES系統中，可以對生產過程中各部件的重要數據和參數進行數據采集和處理，然后協助機器人群控智能制造系統管理人員對生產、維修、計劃進行管理。這樣就可以預警設備可能出現的故障，減少不必要的設備停機，進一步提高內燃機制造的效率。最要目的還是通過多方面協助機器人群控智能制造系統的正常運轉來提高企業的核心競爭力。

2.5 內燃機的磨損和潤滑 ?①磨損。兩個相互接觸的物體，在接觸表面間產生阻止物體相對運動的現象，稱為摩擦。由于摩擦力的存在，會使得內燃機內部產生摩擦熱、摩擦阻力和磨損，導致不同程度的不良效果：

1）消耗內燃機大量的能量。由于摩擦產生摩擦阻力，終將消耗內燃機大量的能量，使得內燃機產生大量的額外功，摩擦阻力大致分為外摩擦（摩擦副間）和內摩擦（潤滑油膜內部），大大降低了內燃機的經濟型。

2）產生熱量。根據焦耳定律，摩擦力做功將產生大量的熱能，如果這及時不散發出去，內燃機的零件溫度會不斷升高，大大地降低了機械強度，甚至產生熱變形、熱疲勞、間隙減少不斷而磨損、卡死，造成內燃機零部件的損壞。

3）磨損摩擦副。大量的磨損使得內燃機壽命縮短，使得內燃機空隙不斷變大，內燃機壓力會大大地降低，內燃機的振動和噪音一定程度地加大，燃料會燃燒不徹底。

②結合人工智能改善添加劑。利用人工智能領域中的神經網絡對內燃機的添加劑配比進行分析和定向預測，使得內燃機燃燒地更加充分和高效。運用前向多層神經網絡對內燃機的添加劑的配比進行分析和預測。

1）前向多層神經網絡（MLFN）是目前應用最廣泛、發展最迅速的人工神經網絡之一，它是一種單向多層結構，每一層包含若干個神經元，同一層的神經元之間沒有必然的聯系，層級之間的信息傳遞只是單向進行的，主要是由底部向上級逐步描述的結構，包括輸入層、隱層和輸出層三個層級。

2）在圖1中網絡求得訓練集中的最佳參數，使得訓練集內的預測值盡量趨近理想的輸出值，使得內燃機的平均損失，即經驗風險，達到最小。通過進一步的分析使得平均損失達到足夠小。網絡推廣性能與添加劑的實用價值成正相關。利用有限的訓練集數據求得一套最佳的參數之后，采用一般歸納法進而用于無窮盡的集內外的數據。

按照統計學習理論，所有輸入向量X及相應理想輸出y的集合再用聯合概率分布函數P（X，y）進行描述。

3 ?機器人群控智能制造系統功能設計與應用的優勢

國內制造業企業逐漸被自動化智能化技術主導，對于生產技術人員培養成本的投入越來越高，相關精英人才空缺缺口越來越多，同時對于制造成品的交貨時間要求越來越段，加上制造企業制造成本的越來越低、精準度越來越高。這時的工廠更加需要增加工廠的自動化、智能化，來提高企業的核心競爭力，作為國民經濟支柱的內燃機行業更加需要去增加工廠的自動化、智能化，在內燃機的加工制造中引入機器人群控智能制造系統，就可以解決像內燃機這樣的生產型行業困境的必經之路。

現在制造業追求單純的信息化與數字化已經不能滿足現在企業對于社會發展的需求，現在需要以知識驅動創新、信息化與工業化深度融合的智能化制造才能讓企業適應社會的發展。在內燃機制造行業中加入機器人群控智能制造系統可以將內燃機行業目前的電氣自動化與制造管理進行連接。加強了內燃機制造加工流水線各工位之間的聯系，然后通過機器人群控智能制造系統中的控制系統實現對每一單元的控制，這樣可以將內燃機的制造效率提高40%。

川崎工業機器人通用I/O信號通過AS編程語言來進行智能操控。然后通過再現模式運行系統，這些信號輸出到端口，再從端口輸入。再在川崎機器人控制器專用的信號板上顯示，端口信號與機器人的語言編程一一對應。

4 ?總結

當今社會已經是智能化的時代，內燃機行業想要不被社會所淘汰，就需要對內燃機行業的生產方式進行改變。將創新驅動發展融入到內燃機制造業中，當下機器人群控智能制造系統的出現就是制造業改變的一次契機。近年來智能制造的觀念也在不斷地深入，眾多高新技術的發展也在推動機器人群控智能制造系統的發展。但是在機器人群控智能制造系統中還存在著諸多問題，例如，底層源代碼落后于西方國家;機器人群控智能制造系統功能設計與應用經驗上嚴重不足;智能化強調提高制造業的智能化程度和減少人員，沒有重視到以尋求最優為制造業發展的原則;沒有明確的文件作為指導等，這些都是在內燃機制造業進行機器人群控智能制造系統改造時需要注意的地方。

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