基于工业互联网的远程智能调控喷涂绿色生产线产学研案例*

王金聪，任长清，杨春梅，胡 松

（1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.国家林草局人工智能与装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150040；3.广东博硕涂装技术有限公司，广东 佛山 520308）

1 案例设计的示范性意义

建材家具涂装产业发展主要面临用工成本高、粉尘和油漆污染大、对人体的危害大等问题。随着环保意识的日益提升，国家对于油性涂料的限制政策不断出台，因此全自动智能化机械操作替代人工操作和绿色环保涂饰行业的发展，是市场产业转型升级的大势。随着工业互联网和机器人技术在自动化装备等诸多行业的应用越来越广泛，面向我国工业转型升级和战略性新兴产业发展的需求越来越迫切，重点发展智能制造、绿色制造，把高端装备制造业培育成为国民经济的支柱产业，对实现我国装备制造业由大到强的转变具有重大意义。

案例企业所在的佛山市顺德区于2018年3月被商务部认定为“国家家具外贸转型升级基地”，顺德建材家具约占国内市场份额的20%左右，占广东省内市场份额的40%左右，已经形成了建材家具设计、制造、物流等配套完整的产业链。因此全自动涂装设备在该行业的使用量增长空间极大，有广阔的市场空间及发展前景，作为案例具有较好的示范作用。案例课程将展示一条基于工业互联网技术、具有喷涂数控设备和机器人的现代化、具有工业4.0水平的喷涂生产线（见第2页图1），通过视频展示和科学技术讲解让研究生对基于工业互联网的智能远程技术和5G技术、数字化工厂有一个感性认识，从而进一步引导研究生深入学习相关导论知识，有效促进研究生课堂分析与讨论。案例课程以绿色环保为主题，具有先进性及新颖性，案例课程展示单位为涂装装备行业的龙头企业，以产学研合作形式同东北林业大学组建了一支实力雄厚的科技团队，团队中含有多名行业内的资深专家和教授，对智能数字化核心技术有深入的研究，为案例科研工作开展提供了有力支撑。

图1 博硕远程智能调控喷涂绿色生产线

2 案例设计的过程分析

2.1 案例所需基本专业知识结构体系

本案例课程将为研究生展示人工智能涂装装备核心技术，该关键技术是通过产学研的方式与东北林业大学合作开发，旨在为家具生产的大型企业生产高水平的生产线。东北林业大学机电工程学院同企业共同研发，采用机器视觉完成三维成像技术、图像处理及家具的特征提取技术、自动算法生成喷涂轨迹技术、指挥机械手完成喷涂技术、涂装生产线智能控制系统技术等，研制出往复式自动喷漆机、数控喷漆机装备，进一步提升涂装的自动化、智能化、信息化、网络化，满足客户对涂装的环保、油漆利用率等需求[1]。本案例课程展示设备具备工业互联网技术的视觉引导系统、智能化识别及自学习技术、参数化分析、智能判断及数字化处理技术、自动识别喷涂方向与纹理一致调整功能、合理安排喷涂路径、增加喷涂射流速度，利用专家系统调控喷涂生产线，大幅度提高喷涂质量[2-4]。项目研发的系统具有动态自主感知，将六关节机器人喷涂技术引入到家具喷涂加工生产线，将机器人喷涂的多自由度喷涂等功能集成化，使机器人喷涂加工过程模块化，实现高效率、低损耗、柔性化加工机器人喷涂控制策略研究[5-7]。

2.2 定制家具智能喷涂生产案例过程的展示

本案例课程活动生动形象地向研究生展示了定制家具智能喷涂生产线的工作过程和技术路线图（见图2、图3、第3页图4～图6），研究生从机械结构到控制要求学习了本案例，在实际案例中领会机械工程导论，同时学习了喷涂先进技术。引导研究生学习基于工业互联网技术的喷涂生产线基本理论知识，向研究生展示企业配套实现可视化人机交互系统和智能远程运维系统，对接企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）并预留生产过程，执行制造企业生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System，MES）接口等技术；通过云端带领研究生参观在工业互联网技术支持下的售后服务及技术指导，实现运维一体化[8-9]。如何远程为用户提供技术支撑，对设备进行诊断、预测维护、优化流程、数据采集、信息反馈等；将参观ERP管理软件的数据实时上报，讲解如何实现编制接口软件及配套通信协议，辅助研究生理解协议。

图2 智能喷涂干燥机

图3 智能喷涂手动输入参数界面

图4 智能喷涂工作过程

图5 智能喷涂完成产品

图6 生产线技术路线图

2.3 学生学习后个性化设计作业

研究生参观学习三维视觉识别系统及软件的运用，有基础的研究生可以尝试编制人工智能和专家系统软件，尝试做一些人工智能的小程序。学习编制客户产品的工艺参数、喷涂参数、自主感知喷漆量调整、喷涂方向的最优调整软件及数据库。一部分研究生进行数控喷涂动态自主感知配置生产线及机器人喷涂控制策略学习，学习编制家具机器人喷涂加工生产线动态自主感知程序和专家系统软件，学习调整参数，监测喷涂效果，反馈程序参数；学会使用和简单编制机器人高性能图像识别及伺服驱动交换控制软件，对家具机器人智能喷涂加工生产线的整体关键技术和所用知识点有所了解并会简单运用。

3 结束语

本案例课程活动内容从广东博硕喷涂生产线实际生产过程入手，将之对应机械工程导论的概述，让研究生从案例中深刻体会理论要点，方便研究生在课堂上进行讨论分析，通过对喷涂生产线机械控制系统和智能控制系统的学习，掌握理论联系实际的本领。为更好地培养机械工程专业学位研究生应用案例分析实践问题的能力，将机械智能制造所涉及的远程控制喷涂问题进行教学案例库的构建，从而实现课程教学内容和过程与实践案例的紧密结合，使学生能将理论与实践结合，提升实践能力。而课程教学质量的提高是长期的过程，机械工程导论专业案例库的建设亦如此，都需要一个长期有效的持续改进机制。改进过程中需要对课程目标达成情况进行详细分析，并针对教学过程中存在的问题和短板提出相应的改进措施，使案例库建设内容得到持续改进和更新，其持续改进机制见图7[10]。

图7 案例库持续改进机制

由图7可知，案例库的构建始于机械工程专业课程的课程目标，其制定总体原则来源于行业最新技术发展动态需求，并以此为依据构建课程案例库的相关内容。案例库的构建是关键一环，其建设内容除了要针对课程目标设置外，还要将实践案例与理论内容紧密结合，确保其内容科学合理，满足课程考核要求。同理，课程考核和课程评价是检验案例库内容是否合理的关键，主要通过课堂效果分析每个课程目标的完成情况及研究生自评的方式进行，对课程目标进行调整并重点对案例库所存在的不足进行完善和修正，以“改进—建设—再改进”的闭环持续改进。