面向智能制造领域的自动化技术发展研究

卜华伟

（江苏毅昌科技有限公司 江苏省昆山市 215300）

不断革新的科学技术持续推动着社会经济的快速发展。与之同时，人们对商品的质量、性能要求也越来越高。在大多数情况下，设计新颖，工艺复杂，精密程度更高的商品更受消费者喜爱。这也导致商品制造的复杂程度不断提升，原本由人工主导的生产制造已经无法满足人们的需求，自动化设备取代人工已成为必然的发展趋势。

进入智能制造时代，先进的自动化设备及制造技术在产品的生产制造过程中将会产生了大量的信息。这些信息既包括生产环节各个设备部件的状态情况，也包括原材料、产品、物流、资金流等信息。这些信息难以通过人工进行完整地采集、分析和利用。当前，快速发展的智能技术正好能够有效弥补人工的不足，实现从海量的数据中提取有价值的信息，通过实时数据分析和智能化处理，对产品的生产制造过程进行实时控制和优化，从而提高商品生产的效率，并提升制造流程的灵活性、敏捷性及智能性。

我国于2015年发布了《中国制造2025》规划。该计划的实施是我国面对未来日趋复杂国际形势，实现中国由制造大国转向制造强国，提升中国制造产品质量、形象和竞争力的重要举措。可以说，在未来的二十年内，只有获得智能制造领域的领先地位，中国才能在经贸往来中获得持续、稳定、高速的发展。

1 自动化技术的发展

自动化技术的发展经历了四个典型的历史时期，其中包括：自动化装置萌芽时期（18世纪以前）、自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）、局部自动化时期（20世纪40年代至20世纪50年代）、综合自动化时期（20世纪50年代至今）。

人类从动物转向智慧生物的过程中，离不开对工具的利用。通过工具，人类摆脱了自然界的束缚，减轻了劳动强度，提升了劳动效率，从而形成了以脑力劳动获得自身生存优势。在人类活动中，最早的自动化装置雏形是在农耕文明时期，由风力、水力驱动的石磨、碾、舂、纺车等工具。刻漏自动计时装置的出现对人类的发展来说具有跨时代意义。1784年，瓦特通过离心式的调速装置对蒸汽机进行了改进，从而形成了闭环自动调速系统，成为近代具有时代开创意义的自动调节装置，对第一次工业革命及之后的控制理论发展具有深远意义。进入20世纪初期，工业的发展进入了全新的发展时期。在工业生产中各种各样的自动控制装置被广泛应用。在二战之后，发达国家的工业体系实现了飞速发展，各种类型的自动化控制系统的出现为经典控制理论的发展提供了新的历史机遇。

2 智能制造的基本概念及相关技术

德国“工业4.0”概念的提出被人们视作是人类的第四次工业革命的开端。与之对应的是我国提出的“中国制造2025”规划。可以预知的是，未来先进的智能制造技术将会让更多的人从重复性的生产劳动中解放出来。

智能制造基本概念：智能制造(Intelligent Manufacturing)是一种借助人工智能技术实现生产制造领域去人工化，提升制造效率和产品质量的生产方式，它的出现得益于近20年来人工智能技术的跨越式突破，是一种将机器智能同人类专家智慧紧密结合的一体化智能系统。智能制造在应用过程中，不再是简单地按照固定指令执行命令，而是能够通过分析、推理、判断、构思和决策进行智能化生产控制，可以在较大程度上减轻甚至取代人类的脑力劳动。智能制造与传统的自动化制造技术相比，具有柔性化、智能化和高度集成化等突出特点。智能制造可以分为智能制造技术、智能制造系统两部分：[1]

2.1 智能制造技术

智能制造技术存在精密化、柔性化、自动化、可视化、集成化、网络化、信息化、图形化、智能化等优点。智能制造能够将产品的需求分析、数据采集、设计研发、原料供应、生产制造、质量管理、物品流通、财务管理等环节进行有效融合和智能化处理。既加快了生产制造对市场需求的反应速度，同时在产品质量提升、成本把控等方面也有着巨大成效。

2.2 智能制造系统

智能制造系统是由智能机器、人类专家组成的人机一体化系统，可以在智能制造的过程中模拟人类的智力活动，包括分析、推理、判断、构思及决策等环节，从而达到辅助人类进行生产控制和管理的行为。尽管最理想的智能制造系统是完全脱离人的干预，有机器自助进行生产控制和管理，但现实是智能制造在目前阶段仍然难以脱离人类专家的参与。

3 智能制造发展趋势

当前，智能制造已成为工业生产应用的大方向。从先进发达国家已有经验来看，智能制造产业在未来十年内将会出现智能制造日趋普及、智能制造实现更广泛的合作生产、智能制造的基础性标准化体系更完善等趋势。

当前，很多知名企业已经开始尝试并应用智能制造的技术，不少企业已并从中尝到甜头，然而大量中小型企业面临着技术难度高、资金压力大、市场环境欠佳等情况，对看起来高大上的智能制造技术及设备望尘莫及，难以通过智能制造技术的应用获得发展红利。但随着智能制造技术的不断成熟和智能装备价格的不断降低，中小型企业也有机会在部分领域和制造环节中通过量产化部件和设备享受到智能制造带来的发展红利。随着智能制造的普及，产品制造的上中下游能够通过生产信息数据的互联互通实现产品从研发设计、原料供应、生产制造、资金流、商流、物流等环节的全面把控。全球化制造资源的协作共享将不断弱化生产制造的本地依赖程度。通过网络，企业在开展生产制造时能够灵活、动态的匹配和调整生产制造合作伙伴，整合各方优势资源及技术，从而能够在全球化范围实现分散化的联动生产。同时，一些涉及专业程度较高的工作也能够通过远程方式发派给专业化程度更高的专业机构，从而在最大限度上吸纳整合全球优势生产制造资源，以此打造具有绝对竞争力的高质量产品。

表1：机器人技术发展趋势

表2：云制造关键技术及其要求

另外，基础性标准化体系的建设和完善将成为智能制造产业稳定发展的基础。通过标准化的产品设计和流程规范，可以实现关键智能制造部件、系统、装备的有效统一，将智能制造系统的运行维护控制在较低水平，并以此提升中国智能制造在核心技术方面的影响力。[2]

4 面向智能制造的自动化技术应用

无论是基础理论还是技术应用，自动化技术都已经相当成熟，其中较常见的有EMCU 嵌入式微控制器、PLC 可编程逻辑控制器、VFD 变频器、传感器技术、IPC 工业控制计算机、触摸屏技术等。正是在它的基础上，智能制造技术才能够真正得以实现。在未来，智能制造还需进一步发展以下技术。

4.1 智能传感器技术与物联网

传感器技术和物联网技术就如同人的眼睛和耳朵，能够感知并采集事物的各种状态信息，也是之智能制造系统感知物体并对物体进行控制的必要基础。当前，传感器种类众多，但仍然无法完全满足智能制造领域中所需的所有情形。同时，一些传感器由于技术难度大，研发成本高导致智能制造无法全部采用最先进的传感器部件。在传统的数据信息采集中，有线的链接方式比较稳定，但对于独立的、可移动的产品及生产设备的信息采集离不开物联网基础的应用。当前，在物联网领域采用较多的是以RFID技术、全球卫星定位系统、4G/5G 网络等。

4.2 CPS信息物理系统技术

信息物理系统(Cyber Physical Systems)是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，是实现智能制造的重要环节。CPS 系统能够通过人机接口以实现与制造平台的互动操作。CPS 系统主要可以分为两层：第一层是由传感器、执行器等部件构成的物理层；第二层是由信息、通信设备和软件等构成的网络层。信息物理系统主要实现的是物理设备的联网，让物理设备可以通过连接互联网实现计算、通信、精确控制、远程协调等功能。[3]

4.3 工业机器人技术

工业机器人是指具有类似人的智力行为的自动化机器，包括感知、规划、动作、协同等能力，具有较高灵活度。机器人与传统自动化设备最大的区别是在处理不同任务和在复杂环境下处理问题的能力。工业机器人一般应用于协助人类从事复杂、危险、重复性的工作。机器人技术的应用是解决智能制造中代替人工操作的重要手段，能够极大提升生产制造的质量和效率，是智能制造技术先进程度的重要体现。多自由度机械臂就是一种常见的工业机器人。在工业机器人领域，其发展趋势如表1所示。[4]

4.4 云制造

云制造是对传统商品生产制造方式的一次重大革新，是将生产制造资源和客户需求进行有效匹配、按需生产的重要技术，能够为客户提供实时在线的网络服务。通过云制造平台能够为产品提供全生命周期的服务，能够通过对信息的掌握和处理，通过控制减少物质生产制造环节不必要的浪费，提升生产制造效率。在云制造技术中，涉及到多个智能制造的关键技术，具体如表2所示。

5 结语

发展智能制造技术及其应用已经成为未来的必然趋势。实现全行业、全流程的智能制造离不开以自动化技术为基础的设备、部件及理论与时俱进地发展与革新。文章通过对自动化技术的发展渊源和智能制造的发展现状进行解读，试图洞悉自动化技术助力智能制造产业发展的趋势，从而助力我国实现从制造大国转向制造强国的转变。基于中国当前在智能制造领域的发展情况，中国在智能制造方面既要立足现实，积极参与国际合作，同时也应面向未来，大力建立自主的标准体系并拥有自主专利的智能制造技术。