卜華偉

（江蘇毅昌科技有限公司 江蘇省昆山市 215300）

不斷革新的科學(xué)技術(shù)持續(xù)推動著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。與之同時，人們對商品的質(zhì)量、性能要求也越來越高。在大多數(shù)情況下，設(shè)計新穎，工藝復(fù)雜，精密程度更高的商品更受消費者喜愛。這也導(dǎo)致商品制造的復(fù)雜程度不斷提升，原本由人工主導(dǎo)的生產(chǎn)制造已經(jīng)無法滿足人們的需求，自動化設(shè)備取代人工已成為必然的發(fā)展趨勢。

進(jìn)入智能制造時代，先進(jìn)的自動化設(shè)備及制造技術(shù)在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中將會產(chǎn)生了大量的信息。這些信息既包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)各個設(shè)備部件的狀態(tài)情況，也包括原材料、產(chǎn)品、物流、資金流等信息。這些信息難以通過人工進(jìn)行完整地采集、分析和利用。當(dāng)前，快速發(fā)展的智能技術(shù)正好能夠有效彌補人工的不足，實現(xiàn)從海量的數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，通過實時數(shù)據(jù)分析和智能化處理，對產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程進(jìn)行實時控制和優(yōu)化，從而提高商品生產(chǎn)的效率，并提升制造流程的靈活性、敏捷性及智能性。

我國于2015年發(fā)布了《中國制造2025》規(guī)劃。該計劃的實施是我國面對未來日趨復(fù)雜國際形勢，實現(xiàn)中國由制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國，提升中國制造產(chǎn)品質(zhì)量、形象和競爭力的重要舉措?？梢哉f，在未來的二十年內(nèi)，只有獲得智能制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，中國才能在經(jīng)貿(mào)往來中獲得持續(xù)、穩(wěn)定、高速的發(fā)展。

1 自動化技術(shù)的發(fā)展

自動化技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個典型的歷史時期，其中包括：自動化裝置萌芽時期（18世紀(jì)以前）、自動化技術(shù)形成時期（18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代）、局部自動化時期（20世紀(jì)40年代至20世紀(jì)50年代）、綜合自動化時期（20世紀(jì)50年代至今）。

人類從動物轉(zhuǎn)向智慧生物的過程中，離不開對工具的利用。通過工具，人類擺脫了自然界的束縛，減輕了勞動強(qiáng)度，提升了勞動效率，從而形成了以腦力勞動獲得自身生存優(yōu)勢。在人類活動中，最早的自動化裝置雛形是在農(nóng)耕文明時期，由風(fēng)力、水力驅(qū)動的石磨、碾、舂、紡車等工具?？搪┳詣佑嫊r裝置的出現(xiàn)對人類的發(fā)展來說具有跨時代意義。1784年，瓦特通過離心式的調(diào)速裝置對蒸汽機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，從而形成了閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)，成為近代具有時代開創(chuàng)意義的自動調(diào)節(jié)裝置，對第一次工業(yè)革命及之后的控制理論發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。進(jìn)入20世紀(jì)初期，工業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了全新的發(fā)展時期。在工業(yè)生產(chǎn)中各種各樣的自動控制裝置被廣泛應(yīng)用。在二戰(zhàn)之后，發(fā)達(dá)國家的工業(yè)體系實現(xiàn)了飛速發(fā)展，各種類型的自動化控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為經(jīng)典控制理論的發(fā)展提供了新的歷史機(jī)遇。

2 智能制造的基本概念及相關(guān)技術(shù)

德國“工業(yè)4.0”概念的提出被人們視作是人類的第四次工業(yè)革命的開端。與之對應(yīng)的是我國提出的“中國制造2025”規(guī)劃?？梢灶A(yù)知的是，未來先進(jìn)的智能制造技術(shù)將會讓更多的人從重復(fù)性的生產(chǎn)勞動中解放出來。

智能制造基本概念：智能制造(Intelligent Manufacturing)是一種借助人工智能技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)制造領(lǐng)域去人工化，提升制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)方式，它的出現(xiàn)得益于近20年來人工智能技術(shù)的跨越式突破，是一種將機(jī)器智能同人類專家智慧緊密結(jié)合的一體化智能系統(tǒng)。智能制造在應(yīng)用過程中，不再是簡單地按照固定指令執(zhí)行命令，而是能夠通過分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策進(jìn)行智能化生產(chǎn)控制，可以在較大程度上減輕甚至取代人類的腦力勞動。智能制造與傳統(tǒng)的自動化制造技術(shù)相比，具有柔性化、智能化和高度集成化等突出特點。智能制造可以分為智能制造技術(shù)、智能制造系統(tǒng)兩部分：[1]

2.1 智能制造技術(shù)

智能制造技術(shù)存在精密化、柔性化、自動化、可視化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、圖形化、智能化等優(yōu)點。智能制造能夠?qū)a(chǎn)品的需求分析、數(shù)據(jù)采集、設(shè)計研發(fā)、原料供應(yīng)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量管理、物品流通、財務(wù)管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行有效融合和智能化處理。既加快了生產(chǎn)制造對市場需求的反應(yīng)速度，同時在產(chǎn)品質(zhì)量提升、成本把控等方面也有著巨大成效。

2.2 智能制造系統(tǒng)

智能制造系統(tǒng)是由智能機(jī)器、人類專家組成的人機(jī)一體化系統(tǒng)，可以在智能制造的過程中模擬人類的智力活動，包括分析、推理、判斷、構(gòu)思及決策等環(huán)節(jié)，從而達(dá)到輔助人類進(jìn)行生產(chǎn)控制和管理的行為。盡管最理想的智能制造系統(tǒng)是完全脫離人的干預(yù)，有機(jī)器自助進(jìn)行生產(chǎn)控制和管理，但現(xiàn)實是智能制造在目前階段仍然難以脫離人類專家的參與。

3 智能制造發(fā)展趨勢

當(dāng)前，智能制造已成為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的大方向。從先進(jìn)發(fā)達(dá)國家已有經(jīng)驗來看，智能制造產(chǎn)業(yè)在未來十年內(nèi)將會出現(xiàn)智能制造日趨普及、智能制造實現(xiàn)更廣泛的合作生產(chǎn)、智能制造的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)化體系更完善等趨勢。

當(dāng)前，很多知名企業(yè)已經(jīng)開始嘗試并應(yīng)用智能制造的技術(shù)，不少企業(yè)已并從中嘗到甜頭，然而大量中小型企業(yè)面臨著技術(shù)難度高、資金壓力大、市場環(huán)境欠佳等情況，對看起來高大上的智能制造技術(shù)及設(shè)備望塵莫及，難以通過智能制造技術(shù)的應(yīng)用獲得發(fā)展紅利。但隨著智能制造技術(shù)的不斷成熟和智能裝備價格的不斷降低，中小型企業(yè)也有機(jī)會在部分領(lǐng)域和制造環(huán)節(jié)中通過量產(chǎn)化部件和設(shè)備享受到智能制造帶來的發(fā)展紅利。隨著智能制造的普及，產(chǎn)品制造的上中下游能夠通過生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通實現(xiàn)產(chǎn)品從研發(fā)設(shè)計、原料供應(yīng)、生產(chǎn)制造、資金流、商流、物流等環(huán)節(jié)的全面把控。全球化制造資源的協(xié)作共享將不斷弱化生產(chǎn)制造的本地依賴程度。通過網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)在開展生產(chǎn)制造時能夠靈活、動態(tài)的匹配和調(diào)整生產(chǎn)制造合作伙伴，整合各方優(yōu)勢資源及技術(shù)，從而能夠在全球化范圍實現(xiàn)分散化的聯(lián)動生產(chǎn)。同時，一些涉及專業(yè)程度較高的工作也能夠通過遠(yuǎn)程方式發(fā)派給專業(yè)化程度更高的專業(yè)機(jī)構(gòu)，從而在最大限度上吸納整合全球優(yōu)勢生產(chǎn)制造資源，以此打造具有絕對競爭力的高質(zhì)量產(chǎn)品。

表1：機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢

表2：云制造關(guān)鍵技術(shù)及其要求

另外，基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)化體系的建設(shè)和完善將成為智能制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。通過標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計和流程規(guī)范，可以實現(xiàn)關(guān)鍵智能制造部件、系統(tǒng)、裝備的有效統(tǒng)一，將智能制造系統(tǒng)的運行維護(hù)控制在較低水平，并以此提升中國智能制造在核心技術(shù)方面的影響力。[2]

4 面向智能制造的自動化技術(shù)應(yīng)用

無論是基礎(chǔ)理論還是技術(shù)應(yīng)用，自動化技術(shù)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，其中較常見的有EMCU 嵌入式微控制器、PLC 可編程邏輯控制器、VFD 變頻器、傳感器技術(shù)、IPC 工業(yè)控制計算機(jī)、觸摸屏技術(shù)等。正是在它的基礎(chǔ)上，智能制造技術(shù)才能夠真正得以實現(xiàn)。在未來，智能制造還需進(jìn)一步發(fā)展以下技術(shù)。

4.1 智能傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)

傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就如同人的眼睛和耳朵，能夠感知并采集事物的各種狀態(tài)信息，也是之智能制造系統(tǒng)感知物體并對物體進(jìn)行控制的必要基礎(chǔ)。當(dāng)前，傳感器種類眾多，但仍然無法完全滿足智能制造領(lǐng)域中所需的所有情形。同時，一些傳感器由于技術(shù)難度大，研發(fā)成本高導(dǎo)致智能制造無法全部采用最先進(jìn)的傳感器部件。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息采集中，有線的鏈接方式比較穩(wěn)定，但對于獨立的、可移動的產(chǎn)品及生產(chǎn)設(shè)備的信息采集離不開物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的應(yīng)用。當(dāng)前，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域采用較多的是以RFID技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、4G/5G 網(wǎng)絡(luò)等。

4.2 CPS信息物理系統(tǒng)技術(shù)

信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是實現(xiàn)智能制造的重要環(huán)節(jié)。CPS 系統(tǒng)能夠通過人機(jī)接口以實現(xiàn)與制造平臺的互動操作。CPS 系統(tǒng)主要可以分為兩層：第一層是由傳感器、執(zhí)行器等部件構(gòu)成的物理層；第二層是由信息、通信設(shè)備和軟件等構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)層。信息物理系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是物理設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，讓物理設(shè)備可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)等功能。[3]

4.3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人是指具有類似人的智力行為的自動化機(jī)器，包括感知、規(guī)劃、動作、協(xié)同等能力，具有較高靈活度。機(jī)器人與傳統(tǒng)自動化設(shè)備最大的區(qū)別是在處理不同任務(wù)和在復(fù)雜環(huán)境下處理問題的能力。工業(yè)機(jī)器人一般應(yīng)用于協(xié)助人類從事復(fù)雜、危險、重復(fù)性的工作。機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用是解決智能制造中代替人工操作的重要手段，能夠極大提升生產(chǎn)制造的質(zhì)量和效率，是智能制造技術(shù)先進(jìn)程度的重要體現(xiàn)。多自由度機(jī)械臂就是一種常見的工業(yè)機(jī)器人。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，其發(fā)展趨勢如表1所示。[4]

4.4 云制造

云制造是對傳統(tǒng)商品生產(chǎn)制造方式的一次重大革新，是將生產(chǎn)制造資源和客戶需求進(jìn)行有效匹配、按需生產(chǎn)的重要技術(shù)，能夠為客戶提供實時在線的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過云制造平臺能夠為產(chǎn)品提供全生命周期的服務(wù)，能夠通過對信息的掌握和處理，通過控制減少物質(zhì)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)不必要的浪費，提升生產(chǎn)制造效率。在云制造技術(shù)中，涉及到多個智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，具體如表2所示。

5 結(jié)語

發(fā)展智能制造技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成為未來的必然趨勢。實現(xiàn)全行業(yè)、全流程的智能制造離不開以自動化技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)備、部件及理論與時俱進(jìn)地發(fā)展與革新。文章通過對自動化技術(shù)的發(fā)展淵源和智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行解讀，試圖洞悉自動化技術(shù)助力智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，從而助力我國實現(xiàn)從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變?；谥袊?dāng)前在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展情況，中國在智能制造方面既要立足現(xiàn)實，積極參與國際合作，同時也應(yīng)面向未來，大力建立自主的標(biāo)準(zhǔn)體系并擁有自主專利的智能制造技術(shù)。