设备智能制造的技术现状及发展趋势分析

2022-04-21朱海洋

现代制造技术与装备 2022年3期

朱海洋

（中天新兴材料有限公司，南通 226010）

制造业在社会中占有重要地位，主要根据市场的实际需求，生产制造相应的工业产品，以满足人们的生产及生活需要。当前我国制造业发展较快，但是也必须看到制造业面临的挑战，需要在自主创新方面下功夫，实现智能制造。国家高度重视在智能制造方面的投入和监督，不断加强新技术在智能制造中的应用，促使制造业实现转型升级获得进一步的发展。本文详细分析设备智能制造的技术现状及发展趋势。

1 设备智能制造

1.1 设备智能制造概述

制造业在很大程度上体现了国家的整体生产技术水平，也是衡量一个国家是否发达的标志。发达国家的制造业整体生产技术水平相对较高，和发展中国家相比具有较为明显的优势。一个国家中，制造业所产生的市场经济份额占有较大比重。随着智能化技术在社会中的应用，它已经逐步渗透到了社会的方方面面，其中制造业中也采用了很多智能化技术。智能制造系统主要可以分为生产制造执行系统和控制系统两部分[1]。其中：生产制造执行系统主要是根据控制系统所下发的指令来驱动生产制造执行系统中的执行机构完成相应的制造功能；控制系统中采用的算法，对整个生产制造系统的效率而言具有关键作用，应采用先进的分析及控制算法，更好地保障生产制造系统的运行。智能制造各子系统的关联图如图1 所示。

图1 中，控制系统中的数据来源主要依靠传感器设备，并将模拟量数据转换为数字量信息，以便被控制系统采用。控制系统应能对各类数据信息进行高效分析和处理，并将处理结果同显示界面展示出来，同时数据信息能够通过控制系统中的存储模块存储。在智能制造及生产中，对智能设备生产过程采用最优化控制算法，可以提高智能制造的生产水平。

1.2 设备智能制造的应用优势

通过在设备制造过程中应用智能制造技术，可以提高设备生产制造的智能化技术水平，从而提高设备生产制造的效率，进一步推动设备生产制造领域整体技术的创新。在设备智能制造过程中需要了解掌握的信息内容较多，包括设备的基本外形尺寸、运行原理和整体的架构信息等，同时需要掌握控制系统的基本运行原理等。可以在实际生产中构建相应的数学模块，更好地指导实际的生产过程。

2 设备智能制造的技术现状分析

2.1 智能制造设备的应用现状

智能制造设备不但结构简单，而且操作方便。目前，智能制造设备的技术水平已经相对较高，但依然存在较大的提升空间。电气自动化智能制造设备包括制造设备本体和制造设备系统。制造设备本体包括支撑腿、底板和顶罩。底板安装在支撑腿的顶部，两支撑腿之间设有连接板，底板的顶部设有导轨。顶罩安装在导轨的顶部，内设限位板和转动轴。转动轴安装在两限位板之间，底板上设有显示屏和扩音器。扩音器安装在显示屏的两侧，两导轨之间设有固定板，固定板的两侧设有滑动块。该智能制造设备结构合理，使用方便，自动化程度较高，线圈缠绕速度较快。

数字化是推动智能制造的基础，与创新密切相关。提高效率包括生产线设计和规划效率、重构效率等，而软件控制系统应能更快响应机器运行状态的变化。此外，在小批量生产中应对智能机械制造的相关技术进行验证，研究如何通过改进机械设备的维护方法降低能耗和产品的制造成本，同时借助新技术减少生产停机时间[2]。开发过程中，需要有相应的模型作为指导。如果没有模块，则不容易找到生产过程中遇到的问题。在数字建模和仿真平台的帮助下，可以模拟机械和控制的过程，在软件所搭建的一个虚拟环境条件下完成对生产过程中的变量修改，还能够通过调试过程找到一个最佳的控制模型和控制模型中可以设置的参数信息等。借助软件仿真系统，在实际应用中具备多种不同的优点。一方面，可以进行虚拟调试，更好地优化模型中的控制参数，以达到降低生产制造成本的目的。在许多机器的开发中，这种验证过程成本较高。数字模拟可以节省成本，还可以缩短研发周期。另一方面，自动代码生成。通过调用软件中的接口程序，可以实现代码信息的自动生成，以节省编写程序花费的时间。基于模型的系统工程技术，可以更方便地制造满足用户要求的机电产品。

2.2 电子设备的智能制造方法分析

目前，电子设备功耗越来越低，性能越来越高，功能越来越多样化。通过丰富的功能可以满足不同人群对电子设备产品使用的需要，同时逐渐朝着小型化方向发展[3]。但是，电子设备中所需要承载的数据信息量也在不断变大，对电子设备中的存储功能模块提出了更高要求，可以采用智能制造技术生产半导体存储器。半导体存储器包括沟槽、栅电介质层、栅电极以及存储元件。沟槽形成在衬底中；栅电介质层形成在沟槽的表面上；栅电极形成在栅电介质层上，间隙填充沟槽的一部分，并且包括掺杂剂，其中扩散区形成与沟槽的表面相接触且对应衬底的栅电极，结区形成在衬底内沟槽的两侧的栅电极；存储元件耦接至沟槽一侧的结区。扩散区可以包括与包含在栅电极中的掺杂剂具有相同材料的掺杂剂[4]。此外，扩散区可以包括扩散的掺杂剂。扩散的掺杂剂通过包含在栅电极中的掺杂剂的扩散进入衬底。

2.3 智能制造用的组装设备分析

现有的制造设备并没有完全普及，不仅导致企业的效率低下，而且浪费了大量劳动力，造成公司效益降低，同时现有的工作台不便于清理边角废料，因此提出智能制造用组装设备。在智能制造用组装设备中，箱体内设置有一控制器，框架上设置有控制面板，滑轨之间设置了传感器设备和控制器，用来对传感器采集到的数据进行处理和分析控制。在气缸下压过程中，压力传感器检测到滑轨与滑块之间的压力值达到最大阈值时，将信号反馈给控制器。控制器发出信号，关闭气缸阀门，气缸暂停下降，同时压紧块固定需要组装的产品。

3 设备智能制造的发展趋势分析

3.1 工业大数据技术在设备智能制造中的应用

利用工业大数据技术可以构建设备智能制造管理系统。基于大数据的智能制造管理系统包括机床终端、机床用户端和智能制造共享云平台。智能制造共享云平台包括注册解析模块、在线仿真模块、差量分析模块和数据库[5]。其中：注册解析模块根据对象标识符对对象元数据进行对象标识解析；在线仿真模块根据机床终端的设备属性信息配置仿真环境，并根据对象元数据在仿真环境中进行生产仿真，以获得生产仿真数据；差量分析模块生成生产仿真矢量和生产圭表矢量，并计算生产仿真合格度，然后将生产仿真合格度与生产规范值进行比较。这种智能制造管理系统通过连接不同机床终端和机床用户端，实现了制造工厂之间的生产信息和生产线共享，提高了生产资源利用率。

3.2 机电一体化技术在设备智能制造中的应用

3.2.1 机电一体化技术概述

机电一体化所涵盖的内容较多，包括多个不同学科。如何将机电一体化技术和智能化设备生产制造技术相互结合，从而促进设备生产制造领域的技术进步，将是一个重要的研究课题。在机电一体化技术中，需要采用信息技术和计算机控制技术，更好地对设备生产过程中的各项参数信息进行统一建模分析及控制，从整体上提高设备生产制造的智能化技术水平。

机电一体化技术涉及的内容较为广泛，如机械零件绘图、电气和电子技术、机械设计基础、模具设计和制造、CNC 加工技术和编程、3D 建模设计和处理应用、机电产品3D 测量和快速原型制作、金属加工技术、计算机辅助设计与制造、数控机床编程与操作等。同时，机电一体化技术已广泛应用于三维造型设计、计算机辅助设计和机械制造工艺，并且对数控设备的操作、维护和管理以及加工车间的技术管理也需要机电一体化相关技术。真正的机电一体化系统工程需要在控制功能上快速响应客户需求，利用机械、电气、软件或者控制系统等跨学科内容，提高机械制造的整体性能。

3.2.2 机电一体化技术的应用

机电一体化技术在智能制造中的应用较为广泛。在机电产品的智能制造中，需要先选择好相应的控制模式。可供选择的控制模式主要包括开环和闭环两种类型。在开环控制系统中，生产过程中的输出量信息和输入量信息之间没有数据传输通道，难以将输出量数据传递到输入端。控制效果和闭环控制系统相比存在一定的缺陷，但整体控制模型结构较为简单，容易实现。开环控制系统在结构组成上可以分为控制系统和执行机构两个部分，一般应用于控制效果要求不太高的设备制造场景。

如果生产精细化设备，则应该采用闭环控制系统，将输出端的数据信息反馈到输入端，相互叠加，从而实时动态调整控制系统的运行状态，使之更加符合实际的应用需求。机电一体化技术具有模块化开发，以响应生产变化。为了更快地构建机械制造模型，此时软件将发挥越来越重要的作用，即可以利用软件控制系统提高机器和生产线效率。此外，人才是推动智能制造发展的战略保障。智能制造的实现不仅需要研究型人才，还需要数字时代进行实际机械设计和具体操作的技术人员，这需要机电行业和学术界密切合作。

3.3 工业机器人设备的智能制造

机器人是机械设备智能化发展的重要代表。机器人系统一般包括多个关节，能够在多个不同自由度下工作，同时能够接受控制系统的指令完成某一项具体的功能。现有的工业机器人在制造过程中大多需要进行喷漆处理，而现有的喷漆处理过程大多是人工手动进行，不仅喷漆效率低，而且喷漆效果较差，浪费了大量人力和物力。

基于工业机器人的智能制造设备包括机箱、喷漆头和工作台。机箱的内下壁固定安装有第二隔离筒，第二隔离筒的外壁上套接有第一隔离筒。第一隔离筒的顶部位置上设置了工作台，下端设置了电动推杆，其中推杆可以和驱动电机相连，通过驱动电机带动转轴旋转。机箱的顶端四边安装有3 个挡板和1 个窗门，其中3 个挡板的顶端固定连接有顶板。该设备通过系统性的工作流程，可以智能一体性地对工业机器人进行喷漆处理，避免了人工喷漆时的麻烦，提高了喷漆的工作效率和工作效果。随着机器人技术的发展，今后在设备生产制造领域将会更多地采用机器人控制系统，以更好地促进设备的智能化生产。