智能生产和生产线的研发和应用

王海宾

摘要：大力建设智能生产线，有助于提升产品制造的信息化、智能化水平，提高企业的生产效率。由此本文研究了以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线构建方法，总结与归纳建设智能生产线的目的与意义、国内外研究现状、研究内容与方法等，深入探讨人机工程学的研究方法，分析数控设备与机器人、机械手臂的应用，智能机器人、智能设备在生产与检测中的精度分析以及智能设备效率提升的技术要点，以期促进生产制造向智能的自动信息化方向发展，为以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线建设提供借鉴。

关键词：智能生产；智能机器人；智能设备

智能生产是指使用智能装备等高新科技组成的人机一体化系统。智能生产按照工艺设计的要求，完成包括智能化生产、设备运行状态监控、有限能力排产、智能调度、自动配送、状态跟踪、质量追溯和管理等在内的整个生产制造过程；并精准判断和处理生产过程、设备运行以及产品质量的状态，有效集成研发设计、制造运营及管理智能装备等，从而实现设计制造及管控一体化的最终目的。

智能生产线是运用智能感知、智能控制和工业物联网等智能信息化技术手段，通过有机结合智能设备、智能机器人、自动化立体料仓等组成的现代化生产线，以此实现产品的自动化、智能化生产。以智能为核心、以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线的推广应用，可以有效提高制造业生产线的工作效率和产品制造质量，因此，企业必须加快以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线的建设进程，加强在生产制造过程中的应用，推动智能制造业向更加高效率、高质量的方向发展。

一、研究目的与意义

目前，随着国内制造业领域的智能化革新，利用智能生产线取代人工生产，提高生产效率的同时减少制造成本，已成为制造业发展的必然趋势。建设智能生产线，有助于提升智能设备系统的运算能力与控制力，降低能耗，提升能源的利用率，同时可以检测设备系统故障，延长智能设备的使用期限，提高生产效率，有助于精确控制各种复杂的精密仪器，实时监督智能设备的运行情况，确保生产过程的稳定有序，有助于推动生产制造向自动化、信息化、智能化方向发展，推动智能制造业的稳定发展。

（一）国内研究现状

随着科学技术的不断发展与完善，国内智能生产线发展速度日新月异，在智能制造、自动化、数字化等方面都有了较大提升。国内学者王庆、陈宁等根据航天典型壳段产品的生产加工过程特点，探讨了典型壳段加工智能生产线的建设思路以及部分关键技术，由此提出创新思路的总体框架与建设方案，以期提升航天产品的制造效率和质量。学者周春研究了智能生产线的监控管理系统，将工业机器人投入到智能生产线的组成中，设计出新型智能制造生产线的总体构建方案，以期提高企业的生产效益。国内制造企业必须紧随制造生产的发展浪潮，大力推动制造业智能化改革，通过积极建设智能生产线，提升产业智能化水平。

（二）国外研究现状

在科技迅速发展的时代背景下，全球制造业向智能化生产制造的方向发展进步已是必然趋势，各国制造业都以实现生产线网络数字化和智能自动化作为制造业转型升级的战略目标。当前，国外制造业领域智能化技术的使用较为普遍，生产制造的复杂智能化程度较高，智能生产线的设计与投产已趋于成熟，可以有效实现生产过程的数据化和智能化，提高产品生产的质量和精度，满足高效、智能的产品供应。

（三）研究主要内容和方法

本文主要研究以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线的构建方法，分析建设智能生产线的目的与意义、国内外研究现状、研究内容与方法等，深入探讨人机工程学的研究方法，分析数控设备与机器人、机械手臂的应用，智能机器人、智能设备在生产与检测中的精度分析以及智能设备效率提升的技术要点，从而提高产品制造的智能化水平。

探究以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线构建，主要采用文献调查法、概念分析法、比较研究法等方法进行研究，有助于掌握详实、丰富的资料，为研究智能生产线的建设提供有效帮助。

二、人机（机器人及智能生产设备）工程学研究方法

人机工程学的研究方法包括分析数控设备与机器人、机械手臂的应用，分析智能机器人、智能设备在生产与检测中的精度，提炼智能设备效率提升的技术要点，探究串联智能机器人和智能设备的方法，研究以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线建设方法，进而提高产品制造的智能化水平，提高生产效率。

（一）数控设备与机器人、机械手臂的应用

1.数控设备与机器人的应用

数控设备是指应用数控技术，即采用计算机实现数字程序控制技术的设备。数控设备最初在机械行业领域获得应用，一般称为数控机床。随着社会生产和科学技术的发展，数控技术开始广泛应用于其他行业领域专业设备的控制。

现阶段数控设备的应用主要表现在：第一，金属切削加工方面应用在车、铣、铰、钻、刨、磨等各种切削工艺的机床上，包括普通型数控机床、加工中心、数控专用加工机床等。第二，金属成型方面应用在挤、冲、压、拉等成型工艺的机床，包括数控冲剪机、数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。第三，特种加工方面常用的有数控电火花切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。第四，测量绘图方面应用有三坐标测量机、数控专用测量机、数控对刀仪、数控绘图仪等。

智能机器人可以处理大量的信息，完成各种环境苛刻或复杂精细的任务，因此在不同领域有着广泛的应用。第一，将智能机器人应用于工业设备，能有效提高生产制造的效率，减少人力、物力的消耗，提高产品制造的质量，及时处理有效信息，高效完成复杂繁琐的工作。第二，智能机器人与数控设备共同应用于机器零部件加工工业中，进行各种零部件的精细加工，实现零件加工精度细化到微米，满足精密加工的质量需求。第三，智能机器人与数控设备还可以应用于特殊零件的制造，实现特殊零件的精细化制造，完成复杂特殊零件生产工艺的复制，确保特殊零件的制造质量和精细程度，同时降低特殊零件的制造难度，实现批量生产。

2.数控设备与机械手臂的应用

机械手臂是机械人技术领域中得到广泛应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造领域应用普遍。机械手臂有多种不同的结构形式，悬式、直立式、横立式、龙门式，又根据轴关节的多少命名几轴机械手臂，同时轴关节越多自由度越高，作业范围角度越大。机械手臂控制系统是机械手臂的重要组成部分，是确保机械手臂完成动作要求的主要手段，可以控制机械手臂的工作顺序、运动轨迹、动作时间和速度等。机械手臂主要应用于机械加工及自动上下料、自动打磨抛光、包装物流及搬运、汽车零部件的组装、无人化工厂等领域，机械手臂的广泛应用有助于提高企业的生产效率和产品质量。

（二）智能机器人或设备在生产、加工、检测中的精度是效率提升的技术要点

1.智能机器人、智能设备在生产与检测中的精度分析

通过智能机器人的信息传感技术，搭建高效的信息化网络平台，完成数据的采集、处理和分析，辅助产品的生产、加工与检测，提高产品的生产效率和制造精度，精准控制生产过程中的各种参数，及时加工处理生产信息，精准预测故障，高效处理生产故障，进而促进智能生产线的形成，全面提高智能生产线的智能化水平。

采用智能化设备，按照生产工艺和生产流程，预先设置工艺环节和参数，及时检测产品，发现生产过程中的故障并发出预警信号，有效避免经济损失，提升产品的智能化水平。可见，将智能机器人和智能设备应用于生产、加工与检测中，有助于提高产品生产的效率和精度，提升产品制造的质量和水平。

2.智能设备效率提升的技术要点

在智能生产过程中，需要提升智能设备的生产效率，确保生产质量。智能设备效率提升的技术要点主要体现在以下三个方面：

提升设备的使用性。第一，减少设备非计划停机等待时间。制定详细的生产计划，减少生产与加工时停机等待的时间。第二，减少设备故障导致的非计划停机。加强对智能设备的清洁、保养、管理与维护，制定严格的设备检查标准，减少故障的发生。

减少使用时间。第一，减少夹具准备时间。安装通用性强的底座，设置统一的加工零点，确保夹具可以自由切换。第二，减少刀具准备时间。优化刀具的选用，按照刀具的用途和种类细分刀具。第三，减少程序准备时间。全面检查机器零件，按照流程将程序传输至智能设备。第四，减少计量等待时间。预先制定数字化检测流程，有助于自动检测加工零件，快速输出检测结果。第五，减少三检的等待时间。制定电子三检单，对机器零件的各种尺寸进行校验、自检和专职检测，保障零件尺寸应检尽检。

减少切削加工时间。第一，合理选取切削参数，提高切削参数与刀具的匹配度。第二，利用多种加工方式切换刀具，进而减少空走刀现象。第三，减少加工程序中的间断点。

（三）串联人机（机器人与智能设备），以组件为智能生产线

智能生产线包括机器人、智能设备、产品检测设备、数据信息采集管控设备等制造设备，也包括智能控制技术平台、高效加工技术、工业物联网技术、RFID（射频识别，俗称电子标签）数字信息技术等的综合运用。智能生产线展示了数字化设备互联互通、人机协同、加工柔性化、加工过程可追溯以及MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）等智能决策管理系统应用技术，能直观、具体的反映生产过程中各个流程的执行情况，进一步提高产品制造的智能化水平。

1.构建网络通信

目前，大部分智能生产线主要通过智能设备、智能机器人、三坐标测量仪等设备与SCADA系统结合进行组网，以此构建智能生产线的通信网络。

SCADA系统的工作原理是利用TCP/IP通信协议，通过工业以太网交换机将智能设备、机器人、三坐标测量仪等整合连接，并在SCADA系统上开发集成各设备系统的通信模块，从而实现各设备信息数据的采集监测以及控制指令的分配。SCADA系统将生产线设备的运行信息上传至数据库，由MES等工业软件通过数据库与SCADA系统进行数据之间的相互传递，MES再将加工任务指令通过SCADA系统派发到生产线的具体设备。通过构建网络通信系统，串联机器人与智能设备，从而实现生产线的智能化管理与生产加工。

2.MES系统

以MES为代表的信息化是智能生产线建设的主要部分。智能生产线通过MES将生产线上的智能设备、智能机器人、传感器、传输线等有机结合到一起，有效串联机器人与智能设备。同时，通过引入可编程逻辑控制器（PLC），控制设备完成由MES下达的产线运行指令，并将设备的工作状态及运行结果及时反馈到MES中，系统再通过获取的实时数据信息，优化调整生产线，实现制造生产的信息化、自动化和智能化。MES在整个生产线中发挥着决策指挥的作用，负责制订生产计划、制造过程管理、生产调度、排产及物料管理等。

三、结语

综上所述，大力建设智能生产线有助于提升产品制造的信息化、智能化水平，提升企业的生产效率。数控设备与机器人、机械手臂可以广泛应用于智能生产线的建设中，有效提高生产效率和制造精度，提升产品质量和制造水平，智能设备效率提升的技术要点包括提升设备的使用性、减少使用时间和减少切削加工时间。

建设智能生产线可以利用网络通信和MES系统，串联智能机器人与智能设备，构建以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线，从而实现生产线的智能化管理与生产加工，提高产品制造的智能化水平，提高生产效率，加强生产制造业自动化、信息化、智能化改革程度成果，为以智能机器人和智能设备为主体的智能生产线的建设提供借鉴，持续推动智能制造业向着更高质、高效的方向迈进。

参考文献：

[1]范蕊，刘青川，高健.基于数字孪生的智能生产线系统数据监测技术[J].集成电路应用，2021，38（11）：120-121.

[2]傅贵武，王兴波，田英.基于五轴加工中心智能生产线的数字孪生应用研究[J].工程设计学报，2021，28（04）：426-432.

[3]李智，骆峰，胡菡.基于工业机器人的智能加工生产线设计[J].自动化技术与应用，2021，40（08）：28-32.

[4]孙元亮，马文茂，张超，宋永杰，崔晶.面向数字孪生的智能生产线监控系统关键技术研究[J].航空制造技术，2021，64（08）：58-65.

[5]王爱民.面向智能生产管控的数字孪生技术[J].人工智能，2021（02）：12-20.

[6]吴斌.基于工业机器人的智能制造生产线设计[J].机床与液压，2020，48（23）：55-59.

[7]熊隽，陈运军，陈林.基于多机器人的智能生产线仿真设计[J].机床与液压，2020，48（15）：66-71.

[8]何英武，梅江平，黄绍生，等.基于密码技术的数控系统和工业机器人控制系统安全解决方案[J].机电产品开发与创新，2020，33（04）：61-63.