智能制造单元优化方案

5.3.1　智能制造

一、智能制造概念

我国是提出智能制造概念最在早的国家之一。2001年，由曾芬芳、景旭文等编著，清华大学出版的《智能制造概论》是国内最早一本提出智能制造概念的书籍。“工业4.0”一词首次出现在2011年汉诺威工业博览会开幕式德国人工智能研究中心负责人和执行总裁WolfgangWahlster教授致辞中，旨在通过互联网的推动，形成第四次工业革命的雏形。2013年是工业4.0在德国发展非常快速的一年，德国信息通讯新媒体协会、德国机械设备及制造协会和电气电子行业协会建立了工业4.0研究平台，并在法兰克福设立秘书处。2013年举办的“Han⁃noverM esse2013”上，由产官学专家组成的德国“工业4.0工作组”发表了最终报告—《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》，宣告以物联网和制造业服务化为特征的第四次工业革命到来。在德国，智能制造是最为人们所熟知的“工业4.0”。直到2014年10月28日，国内首个“工业4.0——智能工厂实验室”在同济大学嘉定校区的中德学院落成，这一实验室的落成将工业4.0这一虚拟的概念变成了看得见的实物。

谭建荣等人对智能制造定义；智能制造是当前制造技术的重要发展方向，是先进制造技术与信息技术的深度融合。通过对产品全生命周期中设计、加工、装配及服务等环节的制造活动进行知识表达与学习、信息感知与分析、智能优化与决策、精准控制与执行，实现制造过程、制造系统与制造装备的知识推理、动态传感与自主决策。智能制造在制造各个环节中通过模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，以取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，将制造数字化、自动化扩展到制造柔性化、智能化和高度集成化，是世界各国抢占新一轮科技发展制高点的重要途径^[1]。

德国智能制造的定义：是指利用信息物理系统，依托于传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式，实现人、设备、产品等制造要素和资源的相互识别、实时连通、有效交流，从而促使制造业研发、生产、管理、服务与互联网紧密结合，推动生产方式向定制化、柔性化、绿色化、网络化发展，并不断充实、提升、再造制造业的全球竞争新优势^[2]。

我国工信部对智能制造的定义：“智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称”。

二、智能制造的主要特点

智能制造集自动化、柔性化、集成化和智能化于一身，具有实时感知、优化决策、动态执行三个方面的优点。具体地看，智能制造在实际应用中具有以下特征：

1.自组织能力

智能制造中的各组成单元能够根据工作任务需要，集结成一种超柔性最佳结构，并按照最优方式运行。其柔性不仅表现在运行方式上，也表现在结构组成上。例如，在当前任务完成后，该结构将自行解散，以便在下一任务中能够组成新的结构。

2.自律能力

智能制造具有搜集与理解环境信息及自身信息并进行分析判断和规划自身行为的能力。强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。智能制造系统能监测周围环境和自身作业状况并进行信息处理，根据处理结果自行调整控制策略，以采用最佳运行方案，从而使整个制造系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。

3.自学习和自维护能力

智能制造以原有的专家知识为基础，在实践中不断进行学习，完善系统知识库，并剔除其中不适用的知识，使知识库趋于合理化。与此同时，它还能对系统故障进行自我诊断、排除和修复，从而能够自我优化并适应各种复杂环境。

4.整个制造环境的智能集成

智能制造在强调各子系统智能化的同时，更注重整个制造环境的智能集成，这是它与面向制造过程中特定应用的“智能化孤岛”的根本区别。智能制造将各个子系统集成为一个整体，实现系统整体的智能化。

5.人机一体化

智能制造不单强调人工智能，而且是一种人机一体化的智能模式，是一种混合智能。人机一体化一方面突出了人在制造环境中的核心地位，同时在智能机器的配合下，更好地发挥了人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系，使两者在不同的层次上各显其能，相辅相成。因此，在智能制造中，高素质、高智能的人将发挥更好的作用，机器智能和人的智能将真正地集成在一起。

6.虚拟现实

虚拟现实是实现高水平人机一体化的关键技术之一，人机结合的新一代智能界面，使得可用虚拟手段智能地表现现实，它是智能制造的一个显著特征。

5.3.2　智能制造单元

设计智能制造单元需要根据产品结构和制造工艺流程来确定，即该产品可以分为几个单元组合，也需要考虑企业工艺设备和工装情况。从图5－1所示压力容器，适应于“基于动作分析和工艺的智能生产模型”，^[3]即智能工序（HMI集成、操作集成、ANDON系统、DCS集成）、智能产线（自动搬运、自动识别、自动检测、自动判断、柔性生产、互联互通）、智能车间（精益工具化推进、计划排程系统应用、MES应用、DNC系统建立、数据分析平台、预警与决策）和智能工厂（智能车间、高级计划与排程、制造执行过程调度、智能搬运、智能仓库、中央监控）。以智能生产为核心，以工艺为主线，以动作分析为基础。

根据制造工艺流程的不同，图5－1所示压力容器焊接单元可以分为三种情况：

1.二块钢板视为一个制造单元，如底板与立板的T形接头角接缝。

（1）示教点规划

薄板T形接头平角焊为对称焊缝，共规划9个示教点（图5－7），示教点排列顺序如图5－8所示。^[4]点①为原点，程序开始和结束时都需要记录，插补方式为MOVEP，属性设置为空走。本例中第一道焊缝结束后机器人回到原点，然后再焊接另一道焊缝。点②为焊接作业临近点，插补方式为MOVEP，属性设为空走，焊枪从点①以点到点运动模式（PTP）快速移动到点②。点③为焊接起点，插补方式为MOVEL，属性设为焊接。登录点③后系统会提示焊接参数设置和起弧方式选择。点④为第一道焊缝焊接结束点，插补方式为MOVEL，属性设为空走。登录点④后系统会提示收弧参数设置和熄弧方式选择。点5为退枪避让点，插补方式宜设为MOVEL，确定退枪路轨迹为直线，属性设为空走。焊接完成后让机器人回到原点，可以复制粘贴。点⑥～点⑨跟前一道焊缝点②～点⑤的设置相同。

图5－7　薄板T形接头平角焊示教规划图

图5－8　薄板T形接头平角焊示教顺序图(www.xing528.com)

图5－9　薄板T形接头平角焊焊枪姿态

（2）示教操作

手动操作机器人沿位置点①→②→③→④→⑤→①→⑥→⑦→⑧→⑨→①动作。具体操作如下：焊枪姿态如图5－9所示。

1）记录位置点①，即登录机器人原点。操作方法：1）移动光标至菜单栏图标【视图】图标上，侧击【拨动按钮】，依次选中【切换显示】图标、【显示位置】图标、【XYZ显示】图标，弹出“XYZ显示”窗口。2）记录当前位置坐标。

2）移至位置点②，即第一道焊缝作业临近点。操作方法：1）轻握【安全开关】，接通伺服开关，按【动作功能键】图标，绿灯由灭转亮，打开机器人动作功能。2）按住【右切换键】的同时，点按【动作功能键】，实现关节坐标系向直角坐标系的切换。3）在按住相应坐标轴图标对应【动作功能键】的同时，转动【拨动按钮】或按住【＋／～键】，移动机器人至位置点②。

3）改变工具姿态，使焊枪倾角接近90°，焊枪与水平板的转角接近50°。操作方法：按住绕y、z轴旋转图标对应的【动作功能键】，同时转动【拨动按钮】，改变焊枪角度至前述倾角和转角数值。

4）移至位置点③，即第一道焊缝焊接起始点。操作方法：保持焊枪姿态不变，在直角坐标系下，微动【拨动按钮】，缓慢移动机器人至位置点③。

5）移至位置点④，即第一道焊缝焊接结束点。操作方法：保持焊枪姿态不变，在直角坐标系下，按住x轴平移图标对应的【动作功能键】，同时向下转动【拨动按钮】或按住【－键】，操作机器人沿焊缝方向移至焊缝结束点。

6）移至位置点⑤，即第一道焊缝退枪规避点。操作方法：1）将坐标系切换至工具坐标系。2）保持焊枪姿态不变，按住沿x轴移动图标对应的【动作功能键】，同时向下转动【拨动按钮】，沿试件坐标系X轴反方向平行移动机器人至不碰触夹具的位置。注意是在工具坐标系下，沿X～方向运动，确保焊枪回原点过程中没有障碍。

7）回到点①，即机器人原点。操作方法一：1）关闭机器人运行功能，进入程序编辑状态。2）将光标移至点①所在的行，点击复制功能键，复制该行。3）将光标移至程序末行，选择向下粘贴。操作方法二：1）关闭机器人运行功能，进入程序编辑状态。2）将光标移至程序首行。3）手动跟踪至点①。4）登录该点。注意方法二是在确定焊枪在退枪避让状态，在跟踪回原点的过程中无障碍的前提下才可使用。

8）移至位置点⑥，即第2道焊缝作业临近点。同位置点②的操作类似，在直角坐标系下，按住沿x、y、z轴移动图标对应的【动作功能键】，同时转动【拨动按钮】或按住【＋／～键】，移动机器人至位置点⑥。

9）与完成第一道焊缝的示教操作类似，完成第二道焊缝的示教操作。

（3）示教程序及释义

示教编程完成后的程序及每条程序的意义如表5－5。

表5－5　薄板T形接头平角焊示教程序

（4）自动焊接

检查送丝系统，供气系统工况，在确认焊接电源的工作状态和机器人工作环境安全后，将模式切换开关打到运行（Auto）上即可运行在示教模式（Teach）下编辑好的程序，对试件进行焊接加工，完成薄板平角焊缝机器人自动焊接。

2.一个面视为一个制造单元

比喻底板－200×200正方形连接，只有4条角焊缝，焊完一条焊缝后，工装依次转位2－3－4位置，即机器人依次焊接。

注意：（1）焊接之前，需要对压力容器装配和定位焊，需要考虑焊接变形、定位焊位置与长度等内容；（2）焊接转角处，需要对焊接机器人的行走路线作出合理的规划，否则，转角处容易出现焊接缺陷。

3.整个压力容器视为一个制造单元

注意：（1）装配与焊接工序的衔接，即定位焊、焊接的先后顺序；（2）焊接机器人在平位的焊缝质量容易保证，所以，焊接前需要将工件转至水平位置，要求工装多次转位，使立位、横位、仰位旋转到平位焊接，当然，随着智能焊接机器人的发展，这些问题今后可以得到解决。