“工业4.0”背景下的自动化制造技术

张操棋

摘 要：“工业4.0”是由德国联盟教研部与联邦经济技术部联手推动的战略性项目，被看作是提振德国制造业的有力催化剂，也被认为将是全球制造业未来发展的方向。继蒸汽机的发明、大规模生产和自动化之后，这一趋势被称为“第四次工业革命”——“工业4.0”（Industry 4.O）。“工业4.O”提倡物与服务串连，旨在物对物（M2M）的运作架构下，打通产、销任督二脉，讲究生产自动化、生产IT 化，生产模式将由批次量产转向接单后生产，落实智慧生产、绿色生产、都市生产的未来趋势。

关键词：工业4.0；柔性制造技术；柔性制造系统；智能制造；智能工厂

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

1 工业4.0介绍

工业4.0作为第四次工业革命，为了摆脱第三次工业革命所带来的大量能源消耗以及环境污染等问题，选择了绿色革命的道路。与此同时，还将利用物联网技术使生产中原料的供应、产品的制造、销售以及服务数据化，智能化。

“工业4.0”可以大概分为“智能工厂”，“智能生产”，“智能物流”三大方面。首先，对于智能物流而言，需要着重的对互联网、物联网以及物流网的充分利用以及资源整合，模糊行业之间的界限，将行业与行业之间联系起来，成为一体。其次，对于智能生产，传统刚性自动化生产线面对单一大批量生产时，具有较高的设备利用率、生产率，较低的单件生产成本，但在应对多种零件的小规模生产时，生产线的改动成本高，容易增加企业的经营成本。为了应对消费者愈来愈个性化的消费，企业应更加重视柔性制造技术的发展与应用。柔性制造系统（FMS）是将机械与电子技术的结合，能适应多个品种的产品加工，其提高了设备的利用率，也在提高了产品质量的同时缩短制造周期。其具有高生产率、高柔性、高质量的三大特点。

2 柔性制造系统

根据“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义，柔性制造系统是數控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，并包括多个柔性制造单元（FMC），能够根据制造任务或者环境变化迅速的做出调整。，适用于多品种、中小批量的生产。

柔性制造系统的主要目的一是为了解决机械制造生产技术灵活性的问题二是为了提高产品的质量。三是为了缩短周期。为了适应市场需求，柔性制造系统的发展方向应大致分为以下四点：

（1）积极开发经济型的FMS。企业追求的是效益，在遇到需要企业的升级换代时，较高的成本容易使得企业在面对升级设备上出现犹豫不决的情况，这容易导致企业在市场竞争中处于劣势。

（2）发展更高效的FMC。FMC作为FMS的构成单元，更高效的FMC才能成就更高生产率的FMS。

（3）大规模化，功能复杂化。由于普通的生产线在面对一些较为复杂的零件的加工装配时，物流传输占据了大部分的事假，此时大规模，多功能的FMS的优势就可以淋漓尽致的展现出来了，其可以依靠自身的系统完成整个产品的生产、制造、检测、装配的流程，可以极大降低产品在物流运输时耗费的时间成本，提高生产效率。

（4）提高产品可靠性。可靠性一直是企业最对设备关心的方面之一，尤其是在设备较复杂的情况下，维修成本相对会比较昂贵，时间成本也会比较高。这会对企业的生产效益产生极大的影响。

3 智能制造技术的创新及应用

智能工厂代表的是自动化制造业的未来，是将智能制造技术的创新及应用贯穿制造业全过程。智能工厂所追求的一是制造过程管控可视化，在产品制造过程包括物料的运输、储存、提取的整个过程可以实时的展现在操作者的眼前，在遇到某些，诸如程序出现异常等情况发生时，可以由操作者进行干预，调整偏差。

二是系统监管全方位，这不仅仅只是在工厂内部安装一套监控系统，而是需要基于整个工厂内部的传感装置使系统具有感知能力，实现系统在产品制造过程中能够自主的识别、分析、判断、决策、执行。并且在数据库中储存产品从制造完成，入库到出库整个阶段的数据信息。

三是绿色制造方面，绿色制造不仅包括使用绿色环保原材料，注意生产过程中污染物的处理、利用，还包括了整个产品周期中产品从出售到废弃过程中的回收再利用，利用互联网等手段，实现与上下游厂商和消费者之间的配合，打造真正绿色的环保产品。

在智能工厂的建设方面，需靠考虑到无线传感器的使用，控制系统网络化以及工业通信的无线化。以洋山港码头为例，由于码头货物吞吐量的日益增长，为了满足经营效益并迎合未来的发展趋势，洋山港引入了大量的先进自动化系统。在远程控制室中，操作人员利用远程控制系统来实现对货物的起吊、运送、安放作业，在大量在预埋芯片的磁钉的指引下，上百台的自动导向小车（AGV）就可以完成自动导航来实现对集装箱进行转运。

整个码头的运行效率在得到了大幅提高的同时，还能实现全年24小时无休的目标。洋山港的案例可以实际得为智能工厂的物流系统所借鉴。在工厂内部，由于场地的限制等因素，将AGV作为厂区之间转运的载具似乎也是一个很好的选择。利用网络化的控制系统可以让操作手远离一些对人体健康有损的工作区域，例如喷漆，电焊车间等。使用无线传感器来实现数据的传送不仅可以减少传统的通信线路，减少线路的复杂度与保养成本，还能实现对数据的记录，储存并实现在较远距离上的传输功能。还能更方便的实现控制系统的网络化。

4 结语

总体而言，在未来以“工业4.0”为背景的条件下，自动化制造技术必然存在着与现有技术相结合的趋势。例如，利用目前热门的大数据来进行统计与分析；利用模糊控制原理与人工神经网络技术等系统进行优化升级；利用网络监控系统对产品运输进行实时监管。智能工厂不但能使高龄工人延长自己的工作生涯，还能让有经验的工作者将自己的经验数据储存到系统之中，使得系统原来越智能化。

除了对产品进行模块化设计之外，系统的自主性也是“工业4.0”带给我们的机遇。相对机遇而言，企业将要面临的挑战也是十分严峻，不论是设备运行的安全问题还是员工的生命财产安全问题，都一直是各制造企业的疑难问题。面对互联网的应用，网络安全也将成为企业必将面对的挑战。

参考文献：

[1]王隆太主编.先进制造技术[M].机械工业出版社出版.

[2]芮明杰.工业4.0：新一代智能化生产方式[J].

[3]金振华.国外柔性制造技术的发展状况及我国开发柔性制造系统的必要性[J].endprint