工業(yè)機(jī)器人輔助下的智能制造工藝優(yōu)化研究

蔡潤康

（廣州軟件學(xué)院，廣州 510000）

隨著科技的不斷進(jìn)步和制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，智能制造逐漸成為制造業(yè)的發(fā)展方向和各行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。在智能制造的框架下，機(jī)器人技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表之一，通過其高度的自動(dòng)化、精準(zhǔn)性和靈活性，為制造工藝的優(yōu)化提供了廣闊的空間。文章深入探討機(jī)器人輔助下的智能制造工藝優(yōu)化，旨在應(yīng)對制造業(yè)面臨的靈活性、效率和質(zhì)量等方面的挑戰(zhàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人在智能制造中的作用

1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概述

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在智能制造中起到關(guān)鍵性作用。該技術(shù)涉及機(jī)械工程、自動(dòng)控制、傳感器等多個(gè)領(lǐng)域，旨在實(shí)現(xiàn)制造過程的自動(dòng)化和智能化。工業(yè)機(jī)器人通常采用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具備高精度的定位和執(zhí)行能力，能夠完成多樣化的任務(wù)，包括裝配、焊接、搬運(yùn)等。其核心設(shè)備包括傳感器系統(tǒng)、精密的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法以及靈活的編程界面。其中：傳感器系統(tǒng)能夠感知環(huán)境變化和物體位置；運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法能夠確保機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中高效、安全地操作；編程界面使操作人員能夠輕松配置和控制機(jī)器人的行為。通過工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，制造企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的靈活調(diào)整和高效運(yùn)作，提高生產(chǎn)效率，降低人力成本，并在高風(fēng)險(xiǎn)或高精度的任務(wù)中表現(xiàn)良好，推動(dòng)智能制造領(lǐng)域的發(fā)展和創(chuàng)新。

1.2 機(jī)器人在智能制造中的具體應(yīng)用

機(jī)器人廣泛應(yīng)用于多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的智能制造中，顯著提升了生產(chǎn)線的效率。在裝配領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人通過先進(jìn)的視覺系統(tǒng)和精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零部件的高速、高精度裝配，大幅提高了生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量。在焊接任務(wù)中，機(jī)器人應(yīng)用先進(jìn)的感應(yīng)技術(shù)和編程算法，而且能夠在高溫、高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下完成焊接作業(yè)，保障了工人的生命安全，同時(shí)提高了焊接的精度和一致性[1]。在搬運(yùn)和物流領(lǐng)域，自動(dòng)導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）和機(jī)器人臂的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了物料的智能化搬運(yùn)，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了物流時(shí)間。此外，機(jī)器人在智能制造中還廣泛應(yīng)用于質(zhì)量檢測和品質(zhì)控制。通過搭載先進(jìn)的視覺和傳感器系統(tǒng)，機(jī)器人能夠高精度、高速地檢測產(chǎn)品，確保產(chǎn)品符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 機(jī)器人輔助的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)器人輔助的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)是基于小型柔性制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，旨在實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。該系統(tǒng)包括多個(gè)關(guān)鍵組件，通過緊密協(xié)同工作，提高了制造過程的智能化和效率。機(jī)器人輔助的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人輔助的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的重要組件是1 臺(tái)工業(yè)級六自由度機(jī)器人，具有高度的靈活性和精準(zhǔn)控制能力。機(jī)器人負(fù)責(zé)執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，如送料、取料、加工等，通過預(yù)設(shè)的指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。三坐標(biāo)機(jī)械手臂用于配合機(jī)器人完成復(fù)雜的裝配和定位任務(wù)。機(jī)械手臂的高度準(zhǔn)確度和靈活性使其成為理想的協(xié)作伙伴，與機(jī)器人共同完成生產(chǎn)線上的工作。柔性數(shù)控車床和柔性數(shù)控銑床作為核心的加工設(shè)備，能夠滿足不同零部件的加工需求。它們通過智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工件的精準(zhǔn)加工，確保產(chǎn)品質(zhì)量。射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification，RFID）系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)跟蹤和管理生產(chǎn)過程，通過標(biāo)識(shí)每個(gè)零部件和成品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化和可追溯性。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工作站作為控制中心，協(xié)調(diào)和監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，確保各設(shè)備之間協(xié)同工作[2]。中控臺(tái)提供了用戶友好界面，方便操作員監(jiān)測和調(diào)整系統(tǒng)。智能倉庫和傳輸帶作為物料管理的一部分，實(shí)現(xiàn)了對原材料和成品的自動(dòng)化存儲(chǔ)和輸送，減少了人工干預(yù)，提高了生產(chǎn)效率。

2 智能制造工藝的優(yōu)化需求

2.1 提高制造工藝的靈活性

提高制造工藝的靈活性是智能制造工藝優(yōu)化最為迫切的需求。在不斷變化的市場和生產(chǎn)環(huán)境中，企業(yè)需要適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求和生產(chǎn)條件。因此，制造工藝要具備一定的靈活性，要求工藝流程能夠迅速、有效地調(diào)整，以適應(yīng)不同規(guī)格的產(chǎn)品，無須煩瑣地重建和重新配置生產(chǎn)線。制造工藝應(yīng)具備靈活的生產(chǎn)線布局、可變的生產(chǎn)工藝流程以及支持多品種、小批量生產(chǎn)的能力。通過實(shí)現(xiàn)制造工藝的高度靈活性，企業(yè)能夠更加迅速地響應(yīng)市場需求變化，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保持市場競爭力。

2.2 平衡效率和質(zhì)量的關(guān)系

對于智能制造來說，合理處理效率與質(zhì)量的關(guān)系至關(guān)重要。企業(yè)在追求高效生產(chǎn)的同時(shí)，必須保證產(chǎn)品質(zhì)量不受影響。工藝優(yōu)化的需求為如何在提高生產(chǎn)效率的前提下，保持或提升產(chǎn)品質(zhì)量。這就要求制造工藝具備實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)反饋和自動(dòng)調(diào)整的能力，能夠迅速發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的生產(chǎn)問題。高效的工藝流程應(yīng)能在不犧牲產(chǎn)品質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)和交付，通過智能化的質(zhì)量控制手段，確保每個(gè)生產(chǎn)階段都符合嚴(yán)格的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。工藝的優(yōu)化要求能夠平衡效率與質(zhì)量的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的同步提升，從而更好地滿足市場需求。

3 機(jī)器人輔助下的工藝優(yōu)化方法

3.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行工藝優(yōu)化

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)在工藝優(yōu)化中扮演著關(guān)鍵角色，它通過充分利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對制造過程的深度理解和優(yōu)化。通過設(shè)置各類傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，如溫度、壓力、速度等。傳感器采集的數(shù)據(jù)形成了生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)字影像，為工藝的優(yōu)化提供了豐富的信息。在接收到工藝參數(shù)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，深入挖掘采集到的海量數(shù)據(jù)。通過建立數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)能夠識(shí)別出隱藏在數(shù)據(jù)背后的模式和規(guī)律，從而找出影響工藝性能和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。這種深度分析為工藝的優(yōu)化提供了有力支持，使生產(chǎn)系統(tǒng)能夠更加智能地應(yīng)對復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境，再結(jié)合實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，將分析結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。機(jī)器人系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)模型的輸出自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制。這種閉環(huán)反饋機(jī)制保證了工藝的持續(xù)優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的變化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝優(yōu)化通過建立數(shù)據(jù)模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本，同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性[4]。這一方法的核心在于從數(shù)據(jù)中挖掘價(jià)值，通過智能算法實(shí)現(xiàn)對工藝的實(shí)時(shí)優(yōu)化，為制造業(yè)邁向智能化、高效化提供了可行的技術(shù)路徑。

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋

實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋是機(jī)器人輔助下工藝優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過高度智能化的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測和即時(shí)響應(yīng)，其過程如圖2 所示。通過布置傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器、光學(xué)傳感器等，持續(xù)監(jiān)測制造環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)。傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，用于構(gòu)建生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字孿生。監(jiān)控中心利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法來處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵信息，如監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品的質(zhì)量特征等。數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)時(shí)分析后，系統(tǒng)能夠迅速識(shí)別出潛在的生產(chǎn)問題和優(yōu)化空間，為制定及時(shí)有效的調(diào)整方案奠定基礎(chǔ)。通過與機(jī)器人系統(tǒng)的緊密集成，監(jiān)控中心能夠立即生成優(yōu)化建議，并將傳送給機(jī)器人控制單元。機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化建議實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[5]。這一過程是一個(gè)高度自動(dòng)化的閉環(huán)，能夠在短時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)過程，以適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)需求。通過機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋，監(jiān)控中心能夠全面了解工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀況。同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化算法，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化水平和生產(chǎn)效率。實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)了制造過程的實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化，為提高生產(chǎn)效率、降低成本、確保產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)支持。

圖2 實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋過程

3.3 優(yōu)化效果分析

機(jī)器人輔助下的智能制造工藝優(yōu)化，在提高生產(chǎn)效率、降低質(zhì)量問題和成本方面均取得了顯著成果，如表1 所示。

表1 機(jī)器人輔助下的智能制造工藝優(yōu)化效果

在生產(chǎn)效率提升方面，批次3 的生產(chǎn)效率提升最多，為18%，批次1 和批次2 的生產(chǎn)效率分別實(shí)現(xiàn)了15%和12%的提升，而批次4 雖然提升較少，但仍有10%的提升，這表明機(jī)器人輔助下的智能制造工藝有效提高了生產(chǎn)線的整體運(yùn)行效率。在質(zhì)量問題減少方面，各批次均取得了優(yōu)秀的效果，批次3 的質(zhì)量問題減少幅度最大，達(dá)到25%，批次1、批次2 和批次4 的質(zhì)量問題分別減少了20%、18%和15%，驗(yàn)證了機(jī)器人輔助下的工藝優(yōu)化對提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效性。在成本降低方面，批次3 的降低幅度最大，達(dá)到12%，批次1 和批次2 分別降低了10%和8%的成本，而批次4 的成本降低了7%，說明機(jī)器人系統(tǒng)的智能制造工藝在降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮了積極作用，通過優(yōu)化工藝流程和資源利用，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的提升。

4 結(jié)語

深入探討了機(jī)器人技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用，揭示了智能制造工藝的優(yōu)化需求，借助數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋機(jī)制進(jìn)行工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對制造工藝的精細(xì)調(diào)控，在智能制造工業(yè)中取得了良好的應(yīng)用效果。這為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化、高效化提供了有力支持，推動(dòng)了生產(chǎn)方式向數(shù)字化、柔性化的方向轉(zhuǎn)變。