智能生產和生產線的研發和應用

王海賓

摘要：大力建設智能生產線，有助于提升產品制造的信息化、智能化水平，提高企業的生產效率。由此本文研究了以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線構建方法，總結與歸納建設智能生產線的目的與意義、國內外研究現狀、研究內容與方法等，深入探討人機工程學的研究方法，分析數控設備與機器人、機械手臂的應用，智能機器人、智能設備在生產與檢測中的精度分析以及智能設備效率提升的技術要點，以期促進生產制造向智能的自動信息化方向發展，為以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線建設提供借鑒。

關鍵詞：智能生產；智能機器人；智能設備

智能生產是指使用智能裝備等高新科技組成的人機一體化系統。智能生產按照工藝設計的要求，完成包括智能化生產、設備運行狀態監控、有限能力排產、智能調度、自動配送、狀態跟蹤、質量追溯和管理等在內的整個生產制造過程；并精準判斷和處理生產過程、設備運行以及產品質量的狀態，有效集成研發設計、制造運營及管理智能裝備等，從而實現設計制造及管控一體化的最終目的。

智能生產線是運用智能感知、智能控制和工業物聯網等智能信息化技術手段，通過有機結合智能設備、智能機器人、自動化立體料倉等組成的現代化生產線，以此實現產品的自動化、智能化生產。以智能為核心、以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線的推廣應用，可以有效提高制造業生產線的工作效率和產品制造質量，因此，企業必須加快以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線的建設進程，加強在生產制造過程中的應用，推動智能制造業向更加高效率、高質量的方向發展。

一、研究目的與意義

目前，隨著國內制造業領域的智能化革新，利用智能生產線取代人工生產，提高生產效率的同時減少制造成本，已成為制造業發展的必然趨勢。建設智能生產線，有助于提升智能設備系統的運算能力與控制力，降低能耗，提升能源的利用率，同時可以檢測設備系統故障，延長智能設備的使用期限，提高生產效率，有助于精確控制各種復雜的精密儀器，實時監督智能設備的運行情況，確保生產過程的穩定有序，有助于推動生產制造向自動化、信息化、智能化方向發展，推動智能制造業的穩定發展。

（一）國內研究現狀

隨著科學技術的不斷發展與完善，國內智能生產線發展速度日新月異，在智能制造、自動化、數字化等方面都有了較大提升。國內學者王慶、陳寧等根據航天典型殼段產品的生產加工過程特點，探討了典型殼段加工智能生產線的建設思路以及部分關鍵技術，由此提出創新思路的總體框架與建設方案，以期提升航天產品的制造效率和質量。學者周春研究了智能生產線的監控管理系統，將工業機器人投入到智能生產線的組成中，設計出新型智能制造生產線的總體構建方案，以期提高企業的生產效益。國內制造企業必須緊隨制造生產的發展浪潮，大力推動制造業智能化改革，通過積極建設智能生產線，提升產業智能化水平。

（二）國外研究現狀

在科技迅速發展的時代背景下，全球制造業向智能化生產制造的方向發展進步已是必然趨勢，各國制造業都以實現生產線網絡數字化和智能自動化作為制造業轉型升級的戰略目標。當前，國外制造業領域智能化技術的使用較為普遍，生產制造的復雜智能化程度較高，智能生產線的設計與投產已趨于成熟，可以有效實現生產過程的數據化和智能化，提高產品生產的質量和精度，滿足高效、智能的產品供應。

（三）研究主要內容和方法

本文主要研究以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線的構建方法，分析建設智能生產線的目的與意義、國內外研究現狀、研究內容與方法等，深入探討人機工程學的研究方法，分析數控設備與機器人、機械手臂的應用，智能機器人、智能設備在生產與檢測中的精度分析以及智能設備效率提升的技術要點，從而提高產品制造的智能化水平。

探究以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線構建，主要采用文獻調查法、概念分析法、比較研究法等方法進行研究，有助于掌握詳實、豐富的資料，為研究智能生產線的建設提供有效幫助。

二、人機（機器人及智能生產設備）工程學研究方法

人機工程學的研究方法包括分析數控設備與機器人、機械手臂的應用，分析智能機器人、智能設備在生產與檢測中的精度，提煉智能設備效率提升的技術要點，探究串聯智能機器人和智能設備的方法，研究以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線建設方法，進而提高產品制造的智能化水平，提高生產效率。

（一）數控設備與機器人、機械手臂的應用

1.數控設備與機器人的應用

數控設備是指應用數控技術，即采用計算機實現數字程序控制技術的設備。數控設備最初在機械行業領域獲得應用，一般稱為數控機床。隨著社會生產和科學技術的發展，數控技術開始廣泛應用于其他行業領域專業設備的控制。

現階段數控設備的應用主要表現在：第一，金屬切削加工方面應用在車、銑、鉸、鉆、刨、磨等各種切削工藝的機床上，包括普通型數控機床、加工中心、數控專用加工機床等。第二，金屬成型方面應用在擠、沖、壓、拉等成型工藝的機床，包括數控沖剪機、數控壓力機、數控折彎機、數控彎管機、數控旋壓機等。第三，特種加工方面常用的有數控電火花切割機、數控電火花成型機、數控火焰切割機、數控激光加工機等。第四，測量繪圖方面應用有三坐標測量機、數控專用測量機、數控對刀儀、數控繪圖儀等。

智能機器人可以處理大量的信息，完成各種環境苛刻或復雜精細的任務，因此在不同領域有著廣泛的應用。第一，將智能機器人應用于工業設備，能有效提高生產制造的效率，減少人力、物力的消耗，提高產品制造的質量，及時處理有效信息，高效完成復雜繁瑣的工作。第二，智能機器人與數控設備共同應用于機器零部件加工工業中，進行各種零部件的精細加工，實現零件加工精度細化到微米，滿足精密加工的質量需求。第三，智能機器人與數控設備還可以應用于特殊零件的制造，實現特殊零件的精細化制造，完成復雜特殊零件生產工藝的復制，確保特殊零件的制造質量和精細程度，同時降低特殊零件的制造難度，實現批量生產。

2.數控設備與機械手臂的應用

機械手臂是機械人技術領域中得到廣泛應用的自動化機械裝置，在工業制造、醫學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造領域應用普遍。機械手臂有多種不同的結構形式，懸式、直立式、橫立式、龍門式，又根據軸關節的多少命名幾軸機械手臂，同時軸關節越多自由度越高，作業范圍角度越大。機械手臂控制系統是機械手臂的重要組成部分，是確保機械手臂完成動作要求的主要手段，可以控制機械手臂的工作順序、運動軌跡、動作時間和速度等。機械手臂主要應用于機械加工及自動上下料、自動打磨拋光、包裝物流及搬運、汽車零部件的組裝、無人化工廠等領域，機械手臂的廣泛應用有助于提高企業的生產效率和產品質量。

（二）智能機器人或設備在生產、加工、檢測中的精度是效率提升的技術要點

1.智能機器人、智能設備在生產與檢測中的精度分析

通過智能機器人的信息傳感技術，搭建高效的信息化網絡平臺，完成數據的采集、處理和分析，輔助產品的生產、加工與檢測，提高產品的生產效率和制造精度，精準控制生產過程中的各種參數，及時加工處理生產信息，精準預測故障，高效處理生產故障，進而促進智能生產線的形成，全面提高智能生產線的智能化水平。

采用智能化設備，按照生產工藝和生產流程，預先設置工藝環節和參數，及時檢測產品，發現生產過程中的故障并發出預警信號，有效避免經濟損失，提升產品的智能化水平。可見，將智能機器人和智能設備應用于生產、加工與檢測中，有助于提高產品生產的效率和精度，提升產品制造的質量和水平。

2.智能設備效率提升的技術要點

在智能生產過程中，需要提升智能設備的生產效率，確保生產質量。智能設備效率提升的技術要點主要體現在以下三個方面：

提升設備的使用性。第一，減少設備非計劃停機等待時間。制定詳細的生產計劃，減少生產與加工時停機等待的時間。第二，減少設備故障導致的非計劃停機。加強對智能設備的清潔、保養、管理與維護，制定嚴格的設備檢查標準，減少故障的發生。

減少使用時間。第一，減少夾具準備時間。安裝通用性強的底座，設置統一的加工零點，確保夾具可以自由切換。第二，減少刀具準備時間。優化刀具的選用，按照刀具的用途和種類細分刀具。第三，減少程序準備時間。全面檢查機器零件，按照流程將程序傳輸至智能設備。第四，減少計量等待時間。預先制定數字化檢測流程，有助于自動檢測加工零件，快速輸出檢測結果。第五，減少三檢的等待時間。制定電子三檢單，對機器零件的各種尺寸進行校驗、自檢和專職檢測，保障零件尺寸應檢盡檢。

減少切削加工時間。第一，合理選取切削參數，提高切削參數與刀具的匹配度。第二，利用多種加工方式切換刀具，進而減少空走刀現象。第三，減少加工程序中的間斷點。

（三）串聯人機（機器人與智能設備），以組件為智能生產線

智能生產線包括機器人、智能設備、產品檢測設備、數據信息采集管控設備等制造設備，也包括智能控制技術平臺、高效加工技術、工業物聯網技術、RFID（射頻識別，俗稱電子標簽）數字信息技術等的綜合運用。智能生產線展示了數字化設備互聯互通、人機協同、加工柔性化、加工過程可追溯以及MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）等智能決策管理系統應用技術，能直觀、具體的反映生產過程中各個流程的執行情況，進一步提高產品制造的智能化水平。

1.構建網絡通信

目前，大部分智能生產線主要通過智能設備、智能機器人、三坐標測量儀等設備與SCADA系統結合進行組網，以此構建智能生產線的通信網絡。

SCADA系統的工作原理是利用TCP/IP通信協議，通過工業以太網交換機將智能設備、機器人、三坐標測量儀等整合連接，并在SCADA系統上開發集成各設備系統的通信模塊，從而實現各設備信息數據的采集監測以及控制指令的分配。SCADA系統將生產線設備的運行信息上傳至數據庫，由MES等工業軟件通過數據庫與SCADA系統進行數據之間的相互傳遞，MES再將加工任務指令通過SCADA系統派發到生產線的具體設備。通過構建網絡通信系統，串聯機器人與智能設備，從而實現生產線的智能化管理與生產加工。

2.MES系統

以MES為代表的信息化是智能生產線建設的主要部分。智能生產線通過MES將生產線上的智能設備、智能機器人、傳感器、傳輸線等有機結合到一起，有效串聯機器人與智能設備。同時，通過引入可編程邏輯控制器（PLC），控制設備完成由MES下達的產線運行指令，并將設備的工作狀態及運行結果及時反饋到MES中，系統再通過獲取的實時數據信息，優化調整生產線，實現制造生產的信息化、自動化和智能化。MES在整個生產線中發揮著決策指揮的作用，負責制訂生產計劃、制造過程管理、生產調度、排產及物料管理等。

三、結語

綜上所述，大力建設智能生產線有助于提升產品制造的信息化、智能化水平，提升企業的生產效率。數控設備與機器人、機械手臂可以廣泛應用于智能生產線的建設中，有效提高生產效率和制造精度，提升產品質量和制造水平，智能設備效率提升的技術要點包括提升設備的使用性、減少使用時間和減少切削加工時間。

建設智能生產線可以利用網絡通信和MES系統，串聯智能機器人與智能設備，構建以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線，從而實現生產線的智能化管理與生產加工，提高產品制造的智能化水平，提高生產效率，加強生產制造業自動化、信息化、智能化改革程度成果，為以智能機器人和智能設備為主體的智能生產線的建設提供借鑒，持續推動智能制造業向著更高質、高效的方向邁進。

參考文獻：

[1]范蕊，劉青川，高健.基于數字孿生的智能生產線系統數據監測技術[J].集成電路應用，2021，38（11）：120-121.

[2]傅貴武，王興波，田英.基于五軸加工中心智能生產線的數字孿生應用研究[J].工程設計學報，2021，28（04）：426-432.

[3]李智，駱峰，胡菡.基于工業機器人的智能加工生產線設計[J].自動化技術與應用，2021，40（08）：28-32.

[4]孫元亮，馬文茂，張超，宋永杰，崔晶.面向數字孿生的智能生產線監控系統關鍵技術研究[J].航空制造技術，2021，64（08）：58-65.

[5]王愛民.面向智能生產管控的數字孿生技術[J].人工智能，2021（02）：12-20.

[6]吳斌.基于工業機器人的智能制造生產線設計[J].機床與液壓，2020，48（23）：55-59.

[7]熊雋，陳運軍，陳林.基于多機器人的智能生產線仿真設計[J].機床與液壓，2020，48（15）：66-71.

[8]何英武，梅江平，黃紹生，等.基于密碼技術的數控系統和工業機器人控制系統安全解決方案[J].機電產品開發與創新，2020，33（04）：61-63.