智能化制造技术和智能化工厂研究

徐昌华

摘要：客车市场环境变化，需要依托信息技术提升竞争力；智能工厂融合设备智能化、数据标准化及信息互联互通，以大数据优化企业运行，提高盈利能力。本文主要探讨智能化制造过程中主要的智能制造技术以及其在工厂中的使用情况，同时，针对5G技术智能化和数字化工厂的应用也进行了探讨。

关键词：智能化；制造技术；智能化工厂 引 言

随着科学技术信息的发展，机械制造设备已经向着智能化、网络化以及神经多元化的方向发展。云计算的使用，让制造业技术更加先进。可以说，网络技术的加入，让制造业又实现了一次工业革命。

1 智能工厂架构及工艺智能化模型

图1 智能工厂架构

以厦门金龙客车工艺智能化建设为例，该公司基于转型方向，公司以高度两化融合、具有行业领先水平为目的，建构了我司的智能工厂总体架构，致力于建设“大规模定制化客车生产的智能制造企业”

投射至工艺端，以生产线为基本单元，拟通过智能装备和信息技术的融合应用实现工艺智能化，并以此构建了工艺智能化模型。

图2 工艺智能化模型。

构建说明：1、在生产线层依靠数据信号采集技术及装备设施的导入，实现产品的最优化生产；

2、在车间层通过信息分析技术及生产管理和物流存储的优化，实现对品质、效率异常及成本的管控；

3、在制造体系层，运营IE技术/精益生产等实现多环节均衡生产，确保订单实现的可预期和可管控；

4、在企业层，运用大数据、车联网及4.0技术，实现企业战略运营的健康性。

二 工厂工艺智能化建设情况

2.1关键技术装备应用情况

（1）智能装备-立体仓库建设

立体仓库,利用立体货架结合信息识别系统、计算机管理系统，应用一流的集成物流理念进行设计。

（2）智能装备-板材激光切割成套设备

引进了国内知名激光装备制造商大族激光公司产品G4020F数控光纤激光切割机，适用于Q235A，DZn，不锈钢，铝板等板材，切割效率及精度均有了大幅度的提升。

（3）智能装备-板材数控钣金设备

引进了数控钣金设备，对切割后的板材进行二次加工，完成板材折边工序。制件工序数控化进一步提升。

4. 智能装备-蒙皮辊筋加工线体

引进了蒙皮辊筋加工线体，集卷料开料、板材校直和辊筋一体，提升了蒙皮刚性和车身表观质量。

4. 智能装备-方钢激光切割成套设备

引进了方钢激光切割成套设备，实现了方钢裁切及切孔工序一体化。代替原来的裁床+钻床加工工艺，提升制件精度和效率的同时，加强了工艺集成度并减少了生产场地占用。

4. 智能装备-顶盖骨架机器人焊接工作站

围绕客车定制化的产品特点联合开发了基于数字化定位技术的客车顶盖机器人自动焊设备，为行业首创，解决了个性化产品生产过程中的工装问题。

4. 智能装备-踏步骨架机器人焊接工作站

引进了踏步骨架机器人焊接工作站，三工位布局，覆盖我司80%产品的踏步骨架生产，提升了零部件自制水平，节约了外协费用，降低了单车制造成本。

（8）智能装备-后台阶骨架机器人焊接焊接工作站

后台阶骨架机器人焊接工作站的应用，大幅提升了骨架精度提和产能的同时，降低了作业人员的劳动负荷，由原来的150分钟持续负荷变更为40分钟的零散负荷，减负约73%。

4. 智能装备-蒙皮自动电阻焊设备

引进了蒙皮自动电阻焊设备，对现有工艺进行革新，提升了工艺自动化水平，提高了工作效率和制作质量。新工艺触发了相应的设计和工艺变更，带动了产品设计的规范化，推动了产品的标准化进程。

（9）智能装备-车身六面骨架数控合装台

开发了车身六面骨架数控合装台，构建了基于举升平台、左右合拢台的立体精确定位系统，实现了骨架上、下、左、右四个方向数控调整，适应了多车型的设备加工柔性需求，提高了车身骨架的制作精度。

2.2 生产过程数据采集与分析系统建设情况

我司针对客车产品生产现场的特点与实际情况提出适用于自身业务需求的现场数据采集解决方案，从软、硬件方面快速建立产品订单计划、调度计划及车间现场生产数据采集网络，可实时获取产品生产全过程的数据信息，为生产管理及决策提供有效、可靠的数据依据。

1）订单排产

建立了以车间和产线为层级的生产执行系统MES，通过系统可监控从原材料进厂到产品入库的全部生产过程，记录产品从计划排产、生产过程所使用的材料、设备、产品检测的数据和结果以及产品在每个工序上生产过站的时间等信息。

2）产品生产过程及记录监控，如图3所示。

图3

2.3生产进度可视化模型，如图4所示。

图4

三 后续规划

3.1 后续规划——涂装工艺绿色化

环保法规日益严格，员工工作环境改善迫切。涂装工艺绿色化主要包含两个方向：一、涂装原料绿色化；二、后处理系统清洁化。

目前涂装原料采用油性漆，含有大量VOC，涂装车间工作环境差，且易被政策限制。水性漆应用为原料绿色化的基本途径。但厦门全年总体湿度大，水性漆成型质量较难控制。

3.2 后续规划——涂装工艺绿色化

为满足现阶段工艺条件下的环保合规性，涂装尾气处理系统的应用尤为必要

3.3 后续规划——智能总装

总装主要负荷在于物料的搬运。助力机械的使用可促进作业的机械化转变，减轻劳动负荷。但，目前的厂房条件，场地占用等等限制，实际应用较为困难。

四 智能化工厂的分析和研究

智能化工厂最为主要的部分就是生产的智能化和经营的智能化，主要涉及设计、生产排版、生产线、测试、仓储等各个方面的智能化，并且以工厂无人化为基本目标。也就是说，很多生产设备的使用可以

达到无人看守的状态。排除制造工厂整个生产过程的全部自动化，还关系智能化工厂的内部建设，如人力资源的优化调整、生产物资资料的优化调配、专案时程能力、时间弹性的应用以及支配能力等。在完善生产周期的调整方面，可对工厂的生产经营方案加以优化和调整，以此达到提升生产效率、降低工业生产成本的目标。当前情况下，智能化的工业网络工厂已经基本落成，技术先进的国家将会优先实现企业生产效率的提升。但是，制造业的智能化网络和一般的社会通信网络存在很大的差异性，尚有多种困难需要克服。在智能化网络的应用下，需要在防水性能、防尘性能和防磁防爆方面予以能力强化。另外，

还要能抵抗高温和低温，争取在安全性和可靠性方面高于其他的通信网络。

4 基于5G技术智能化和数字化工厂的应用

显而易见，智能制造过程中云平台和工厂生产设施的实时通信，以及海量传感器和人工智能平台的信息交互，和人机界面的高效交互，对通信网络有多样化的需求以及极为苛刻的性能要求，并且需要引人高可靠的无线通信技术，而目前正在风靡全球的SG通信技术，正好能够满足智慧工厂的高速率高可靠性通信需求。

4.1 5G使能工业AR应用

由于智慧工厂具有高度的灵活性和多功能性，这将对工厂车间工作人员有更高的要求。为快速满足新任务和生产活动的需求，增强现实AR将发挥很关键作用，在智能制造过程中可用于如下场景：如监控流程和生产流程。生产任务分步指引，例如手动装配过程指导；远程专家业务支撑，例如远程维护。

在这些应用中，辅助AR设施需要最大程度具备灵活性和轻便性，以便维护工作高效开展。因此需要将设备信息处理功能上移到云端，AR设备仅仅具备连接和显示的功能，AR设备和云端通过无线网络连接。AR设备将通过网络实时获取必要的信息（例如，生产环境数据、生产设备数据，以及故障处理指导信息）。

在这种场景下AR眼镜的显示内容必须与AR设备中摄像头的运动同步，以避免视觉范围失步现象。通常从视觉移动到AR图像反应时间低于20ms，则会有较好的同步性，所以要求从摄像头传送数据到云端到AR显示内容的云端回传需要小于20mms，除去屏幕刷新和云端处理的时延，则需无线网络的双向传输时延在10ms内才能满足实时性体验的需求。而该时延要求，LTE网络无法满足。

4.2 5G使能工厂自动化控制

在自动化控制中，倒立摆是典型的应用。倒立摆原理用于机器人各种姿态控制、航空飞船对接控制等姿态控制等工业应用。华为XLabs通过倒立摆验证5G对极低试验自动控制的价值，研究表明，当倒立摆运行在4G模式时，4G的过高时延，使得倒立摆的控制指令不能得到快速执行，倒立摆起摆到稳态的时间过长，达到13.2秒。

当运行在5G模式下时，5G的1ms超低时延，使倒立摆的控制指令快速执行，起摆到稳态只用4秒。通过对比，可以看到5G低时延网络在自动控制的巨大价值，网络端到端时延从4G的50ms减低至5G的1ms。

自动化控制是制造工厂中最基础的应用，核心是闭环控制系统。在该系统的控制周期内每个传感器进行连续测量，测量数据传输给控制器以设定执行器。典型的闭环控制过程周期低至ms级别，所以系统通信的时延需要达到ms级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控制，同时对可靠性也有极高的要求。如果在生产过程中由于时延过长，或者控制信息在数据传送时发生错误可能导致生产停机，会造成巨大的财务损失。

5G切片网络可提供极低时延长、高可靠，海量连接的网络，使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。基于华为5G的实测能力：空口时延可到0.4ms，单小区下行速率达到20Gbps，小区最大可支持1000万+连接数。由此可见，移动通信网络中仅有5G网络可满足闭环控制对网络的要求。

4.3 云化机器人的通信需求

在智能制造生产场景中，需要机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产，这就带来了机器人对云化的需求。和传统的机器人相比，云化机器人需要通过网络连接到云端的控制中心，基于超高计算能力的平台，并通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制。

5G网络是云化机器人理想的通信网络，是使能云化机器人的关键。5G切片网络能够为云化机器人应用提供端到端定制化的网络支撑。5G网络可以达到低至1ms的端到端通信时延，并且支持99.999%的连接可靠性，强大的网络能力能够极大满足云化机器人对时延和可靠性的挑战。机器人的轨迹信息和控制数据在制造云中处理有助于系统计算能力的扩展和机器人平台的节能。机器人生产服务与制造云的结合意味着将工业机器人的基本功能与高性能的计算系统进行实时协同，5G切片网络使能了这一应用场景。

机器人与协同设施间的通信需求在智能制造柔性生产中，移动机

器人是关键的使能者。在生产过程中要求多移动机器人之间的协同和无碰撞作业，所以移动机器人之间需要实时进行数据交换满足该需求。移动机器人和外围设备间也需要进行通信。例如，如起重机或其他制造设施。因此移动机器人需要和周边协同设施机进行实时数据交换。

结束语

综上所述，和传统无线网络相比，5G网络在低时延、客车工厂应用的高密度海量连接、可靠性、以及网络移动性管理等方面优势凸显，是智能制造的关键使能者。可以预见，未来越来越多的智慧工厂，将不可避免地走上“智能制造+5G”之路，而这正对于世界范围的制造业发展，无疑将是极大的利好和发展趋势。

参考文献

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